核磁共振测井井下模拟器设计

张嘉伟，宋公仆，赛 芳，薛志波

（中海油田服务股份有限公司油技事业部，北京 101149）

0 引 言

核磁共振测井法可直接测量地层孔隙中可动流体的信息，可定量确定自由流体、束缚水、渗透率及孔径分布，其孔隙测量不受岩石骨架矿物成分的影响，因此目前在测井行业被广泛应用[1-3]。本文主要介绍一种核磁共振测井仪井下模拟器的相关设计，描述了模拟器的整体设计构架、各个关键模块的功能简介、工作流程设计程序结构，并详细说明了仿真数据生成的模型，最后对该模拟器的实际应用进行简要介绍。目前该模拟器已经应用于实际核磁共振地面系统的调试中，并取得了很好的运用效果。

1 核磁共振井下模拟器设计

1.1 井下模拟器设计方案

核磁井下仪器模拟器主要由数据传输短节简化部分、通信电路和测井数据容量增强模块（以下简称数据增强模块）3部分构成，如图1所示。通信电路与遥传短节之间进行交互，通信内容包括命令接收和数据上传；数据增强模块则用于产生与仪器采集相类似的数据，提供给通信与遥传交互。

图1 核磁井下仪器模拟器功能框图

模拟器产生的测井数据分为基本模拟测井数据和扩展模拟测井数据两类，这两类数据均是按照测井模型计算生成。基本数据生成时占用的计算资源和存储资源有限，可借助通信板资源完成；扩展数据生成时需要占用较大的计算资源和存储资源，资源消耗已经超出通信板容量的极限，需要在测井数据容量增强模块中计算生成。

1.1.1 核磁井下仪器通信电路的结构

通信电路通过测井仪器总线实现与地面系统数据和命令的交互功能，其典型工作流程是将模式时序表信息下发到事件控制电路，将采集到的辅助参数信息和采集处理电路获得的回波信息上传给地面系统。该电路主要由辅助参数测量模块、板间通信模块（与事件控制采集电路通信）与地面系统通信模块等组成，如图2所示。

图2 模拟器通信电路功能框图

按照通信板的功能要求，在图3中描述了通信板的硬件构架。可以看出，通信板主要由DSP＋FPGA构成，其中的DSP负责辅助参量的数据采集、与数据增强模块的CAN通信控制、与测井仪器的通信接口的控制等；FPGA则主要是实现模式2、模式5和模式7传输方式（EDIB总线协议定义的模式）的数据编码和模式2传输方式的命令解码，同时还完成对扩展CAN控制器SJA1000的逻辑控制。

1.1.2 模拟器数据增强模块说明

如图1所示，模拟器中数据增强模块是其核心部分也是与仪器主控通信电路的最大区别。数据增强模块的存在主要是由上传回波数据的类型和容量要求所决定的。测井回波数据的来源有3类，分别是：（1）对岩性分析仪静态数据进行动态化处理获得的数据；（2）根据设定的测井模型参数和NMR原理计算出的回波数据，这类数据需要预设模型参数和噪声参数，并进行动态化处理；（3）实际测井数据。测井数据容量增强模块不仅具备数据增强的功能，还应具有较为方便的人机接口，同时为了便于在地面系统机架上使用，测井数据容量增强模块由PC机实现，通过CAN2.0接口和通信电路进行数据和命令的传输。

1.2 模拟器工作流程

核磁井下仪器模拟器是对井下仪器工作的模拟，其基本功能是产生模拟测井数据传送到地面系统，从这一点来看井下仪器的工作流程基本上就是模拟器的工作流程。图4描述了模拟器工作的基本流程。

首先模拟器在上电伊始需进行相应的初始化操作，包括复位缓存，初始化完成后，等待接收地面系统的命令。若是收到参数下载或参数修改命令，模拟器则将参数表存储或更新；若是收到扫频或刻度命令，模拟器则产生数据后直接上传（根据现有协议不需要数据传输命令）；若是收到采集命令，则由通信板产生基本测井模拟数据或由增强板产生扩展测井模拟数据，等待发送；若是收到数据传输命令，则将准备好的数据上传。

1.3 通信电路与数据增强模块通信

图3 仪器模拟器通信板硬件构架

由图4的工作流程可知，通信板在收到地面系统下发的命令及参数后，通过CAN总线将命令及参数发送给工控机，待工控机将数据生成并准备好上传，也通过CAN总线将准备好的数据上传给通信板，通信板则将数据编码为曼彻斯特码后上传给地面系统。CAN总线的最大传输速率为1Mb/s，按照下面的计算可得实际传输速率为530Kb/s，而M5和M7传输通道（EDIB总线协议定义的通道类别M5、M7，都以标准差分不归零曼码进行传输）的传输速率仅为93.75Kb/s，数据从工控机传输到通信板的速率远大于通信板通过EDIB总线上传的速率，而通信板上扩充了512K×16位的RAM作为存储缓冲区，能够存储工控机上传的数据并且不产生上溢，可以满足要求。仪器要求的最小Te（回波间隔时间）为0.4ms，这里按0.1ms的Te来计算，需要传输的一个有用回波信号数据量为两个字，一个字幅值和一个字相位，由此计算出工控机与通信板之间要求的传输速率最小为：2×16b/0.1ms=320Kb/s=20Kwords/s。当 CAN 通信速率为1 000Kb/s时，上传有效数据的实际波特率为1 000K×0.53=530Kb/s=33.125Kwords/s。通过上面的计算可知，使用CAN2.0协议可以完成相应的数据传输。考虑到今后可能的数据扩展，因此增加一路CAN作备用，两路并行的CAN总线理论传输速率可达2×530Kb/s=66.25Kwords/s。

图4 核磁井下仪器模拟器工作的基本流程

1.4 模拟器硬件结构设计

依据前面所述模拟器的功能和工作流程设计了图5所示的模拟器的硬件构架。地面系统与模拟器间的通信（包括命令下发和数据上传），均通过EDIB总线（一种有线电缆测井总线协议）来实现。通信板中，EDIB总线协议在FPGA中实现，完成编码、解码工作，并通过变压器和收发器实现与EDIB接口的匹配连接。DSP协同FPGA一起完成对DC电源和开关的控制工作，并提供CAN接口与数据增强模块通信。数据增强模块的硬件平台是基于PC机结构，液晶触摸屏和键盘为用户提供了良好的人机界面，CAN接口使增强模块与通信板可通过CAN协议传输数据和命令。

2 模拟器仿真数据生成模型设计

2.1 仿真数据生成模型上位机设计

图5 模拟器的硬件构架

模拟器仿真数据生成模型上位机软件主要实现两个方面的功能：（1）与地面系统之间的通信，生成相应的数据回传至地面系统；（2）上位机软件还需要实现扫频、刻度以及回波数据的生成、修改、导入、导出等功能。其主要程序模块介绍如下：（1）CAN驱动程序。模拟器通信电路与上位机通过CAN接口相连，采用PCA82C250芯片作为CAN接口控制芯片实现模拟器通信电路与数据增强模块之间的通信交互。（2）上位机软件的线程设计。地面系统通过发送指令，模拟器仿真数据生成模型上位机软件接收到指令后开始仿真，并将生产的数据回传至地面系统。在编程中，可以使用一个独立的线程来实现通信协议。地面系统与上位机软件之间的通信协议简图如图6所示。（3）回波数据的生成。回波数据的生成需要根据核磁共振的原理来建立一个核磁模型，输入不同的对象和不同的参数（例如回波个数NE、回波间隔TE，等待时间TW等）来进行仿真生成不同的回波数据，并回传至地面系统。上位机软件要求在接收到回传回波数据指令后，根据不同的对象和参数来进行仿真生成回波数据，并上传至地面系统；同时软件还需要具备导入回波数据、导出回波数据、显示当前回波数据以及对当前回波数据进行修改等功能。

图6 上位机软件通信协议简图

这意味着观测的孔隙度可以被分解成不同弛豫时间区间的孔隙度，即得到孔隙度分布P1，P2，…，P8（或至P10）。它们是与T2i（i=1，…，n）对应的各孔隙系统在观测到的总孔隙系统中所占的比重。由孔隙度分布信息，可以进一步了解储层质量，例如当孔隙度分布集中在比较小的弛豫时间上，即P1，P2等占优时，说明储层以微孔为主，如果是碎屑岩，则意味着骨架颗粒很细；当孔隙度分布集中在比较大的弛豫时间上，即P7，P8等占优时，说明该储层以大孔为主，对碎屑岩，意味着骨架颗粒很粗。孔隙度模型下原始数据的计算，就是根据预先定义好的孔隙度（P1，P2，…，Pn）及对应的弛豫时间（T2i）区间分布，再叠加一些实际测井中的噪声，模拟生成原始测井数据：

2.2 仿真数据生成模型

仿真数据的生成模型主要分为孔隙度模型和渗透率模型两种。上位机软件通过对这两种模型的生成公式计算出相应孔隙度与渗透率对应的回波数据，并回传给地面系统进行处理与分析。

2.2.1 孔隙度模型设计

核磁共振测井确定地层孔隙度的依据来自观测信号强度与孔隙流体中氢核含量的对应关系。如果观测信号能够正确地反映宏观磁化强度M，那么，它在零时刻的数值大小将与地层孔隙中的含氢总量成正比。由此经过恰当的标定，即可把零时刻的信号强度（FID或回波串）标定为岩层孔隙度[4]。通过刻度处理后，由T2分布可直接得到孔隙度，即

式（2）～式（4）中，t（i）=iTE，i=1，2，…，n，这是采集第i个回波的时间；noise为随机白噪声。可以看出，回波原始数据的模拟计算和回波拟合是一个相反的过程。

2.2.2 渗透率模型设计

核磁共振渗透率的测量是基于试验和理论模型及其相互关系的结合。渗透率的单位达西（D）是一个面积单位，它反映了孔隙介质（岩石）允许通过流体的能力[5]。迄今，估计渗透率的方法都是间接的，核磁共振也一样。利用岩石核磁共振的弛豫特性及扩散测试结果，已经建立了多种有关渗透率的经验公式。基本表达式即Kozeny公式，即：

式中：K——渗透率，mD；

φ——孔隙度，%；

S/V——岩石的比表面积，cm2/cm3；

Γ——“结构因子”或“弯曲因子”，无量纲，其量子决定与孔隙的形状以及单位长度内多孔固体中流体流过的路径。

利用Kozeny方程，通过岩石核磁共振弛豫时间与岩石孔隙比表面积的相关性，可以建立岩石渗透率的方法[5]。下面主要介绍Coates束缚水-渗透率模型，其模型主要公式为

图7 模拟器实物与测试数据

式中：FFI——自由流体的孔隙度；

BVI——束缚水孔隙度；

C——系数。

Coates模型中，孔隙尺寸参数是通过T2截止值隐含输入的，它确定FFI和BVI的比值，同时FFI/BVI值的变化描述了S/V的变化。工作在该模式下时，用户需输入总孔隙度（φ）、T2截止值、自由流体孔隙度（FFI）、束缚水孔隙度（BVI），模拟器便可以在满足要求的情况下随机计算孔隙度与对应的弛豫分布，模拟出如下的仿真数据：

式（7）～式（9）中，t（i）=iTE，i=1，2，…，n，这是采集第i个回波的时间；noise为随机白噪声。可见模拟出的数据与孔隙度模型是一样的，不同的是需满足如下条件：

3 模拟器实际应用与测试

前面介绍了该模拟器的硬件构架与程序设计流程，并对生成模型进行了简要介绍。现以上述软硬件搭建起来的模拟器平台通过实际的EDIB总线电缆挂接到地面系统进行联调实验以测试整个模拟器的工作性能与正确性。整个模拟器的外形如图7（a）所示。通过EDIB总线电缆，地面系统对该模拟器下发采集指令，模拟器数据增强模块根据下发的指令类型按照第3节所讲到对应仿真数据模型生成相应的回波信号数据，并在上位机顶层界面上显示该数据对应的信号曲线图，以便于用户直观感受该数据的正确性，如图 7（b）所示。从图 7（b）中可以直观看出该模拟器根据实际下发的指令生成了正确的回波信号（见图7（b）中蓝色回波衰减曲线与红色噪声道曲线）。图 7（c）中显示的数据是根据图 7（b）中相关信号模型实际生成的原始数据以16进制显示，并以二进制码传输给地面系统作为仿真井下仪器测试的信号数据。

4 结束语

本文讲述了一种核磁共振井下仪器模拟器的设计，主要描述其硬件结构和软件设计流程，并对其仿真数据的生成模型进行了分析和介绍。通过该模拟器，地面系统可以很方便地进行前期控制与采集处理程序的开发和测试。在开发地面系统前期，成功摆脱了传统必须挂接实际井下仪器进行程序开发与试验的束缚，大大提高了地面系统的开发效率。在后期应用阶段，当地面系统与井下仪器挂接联调出现故障时，通过该模拟器可以快速查找故障，节省了大量维修时间。目前该方案已经成功应用于核磁共振仪器的测试体系中，并得到了很好的应用效果。

[1]Coates G，肖立志，Prammer M.核磁共振测井原理与应用[M].孟繁莹，译.北京：石油工业出版社，2007：4-8.

[2]肖立志，谢然红.核磁共振测井仪器的最新进展与未来发展方向[J].测井技术，2003，27（4）：265-269.

[3]邵维志，庄升，丁娱娇.一种新型核磁共振测井仪——MREx[J].石油仪器，2004，18（2）：36-39.

[4]肖立志.核磁共振测井资料解释与应用导论[M].北京：石油工业出版社，2001：72-80.

[5]肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用[M].北京：科学出版社，1998：60-72.