浅谈PS2332数控恒功率双侧向测井仪的研制

赵乃赓 孟 明 彭伟斌

（北京中地英捷物探仪器研究所,北京 102200）

一、概述

随着煤田勘探的不断深入,煤田测井越来越需要可靠性、重复性、稳定性和一致性好、测井曲线优良、价格合理的测井仪器。以往煤田使用的双侧向测井仪测量精度差,测井曲线存在以下问题:

1仪器的制作工艺水平较落后，部分线路老化、电路设计上存在着缺陷和不足，一致性差；

2仪器动态范围小，两端电阻率(高阻或低阻)测量精度差，测井曲线易出现“负差异”等现象，在部分煤田和矿区存在“双轨”现象；

3仿CSU双侧向测井仪是目前国内测井效果较为理想的双侧向测井仪，但该仪器的深侧向屏流源在地面系统中，功率控制工作由地面系统来完成，使得该仪器在配接地面系统时有很大的局限性，而且它的生产成本很高。

PS2332双侧向测井仪是一种新型的双侧向测井仪，在借鉴国内外先进技术的基础上，针对以往双侧向测井仪测量精度差、动态范围小、“双轨”等不足之处，实施了改造。该测井仪应用单片机控制主电流，给出深、浅屏流源的功率控制信号，实现恒功率控制，使得仪器在保证测量精度不变的前提下，扩大了电阻率的动态测量范围，通过软件的计算和处理，自动调整电流和电压的变化，保持主电流的功率恒定，极大地提高了仪器的动态范围和精度。整套电路硬件十分简单，最大限度地采用软件取代了硬件，并且采用了5700系列双侧向电极的电极距尺寸，同时取得深浅两条电阻率曲线，反映出地层真电阻率和侵入带电阻率的变化。可直接挂接PSJ-2A型数字采集记录仪和PST-1型数控成像系统。文章介绍了该仪器的基本工作原理，技术指标，软硬件的实现方法及实际应用。

二、设计思想

采用恒功率控制方式,屏流优先。单片机进行数据运算和可变功率控制。可变功率控制的原则是在低阻层和高阻层时，电流和电压在线性区域内得到最好利用，使功率源输出的功率得到最大限度的利用。比如，单片机调节功率源的直流控制量，使得电子线路在高阻50000欧姆·米时电流很小，电压很大，但不饱和失真，电压折中后留有余量，以防遇到特殊情况时电压突然增大而失真；线性电路的放大倍数要满足在低阻1欧姆·米时电压很小，电流很大，且在其变化的线性区域内。这样双侧向测井仪在室内实验时，模拟出许多个地层电阻率，得出每个地层电阻率对应的控制点。记录好这些对应关系，将这些对应关系通过编程输进单片机，单片机在仪器工作时根据查表法找到所对应的这些控制点，将它发送给深、浅屏流源的控制端。其电流分布见图1。

图2 电路方框图

三、主要技术

1电路设计

深侧向和浅侧向电路的工作频率为244Hz，深浅侧向的转换频率为122Hz。深、浅侧向功控电流源发射屏流与主流，监控电路使地层电流场达到动态平衡；电流测量电路测量主流ID（深侧向）、IS（浅侧向），电压测量电路测量主流经过的目的层的压降VD（深侧向）、VS（浅侧向）。所测得的 VD、VS、ID、IS送到由单片机组成的信号处理电路进行数据采集和处理，并采用一定的算法，控制深、浅侧向功控电流源的功率输出。

图3 程序流程图

2仪器的主要电路

（1）功控电流源电路

由单片机产生一个固定频率（244Hz）的方波信号，其幅度受深、浅侧向的电流控制，在深、浅侧向电流控制信号的作用下，经单片机处理、功率放大，形成深、浅侧向屏流。

（2）电压、电流测量电路

深、浅侧向电压信号输入到电压测量电路，经低通滤波器滤波后，得到深、浅侧向方波的电压信号，送到单片机的A/D口进行采集。电流测量电路的组成与电压测量电路完全一样。

3应用单片机技术

该恒功率双侧向仪器的最大特点就是充分发挥了C8051F410单片机的作用，最大限度的采用软件替代了硬件，很好地完成了数据采集和功率控制，所测得的各路模拟信号直接进行A/D转换。单片机根据采集的深、浅侧向电压、电流信号，依据设定的功率控制算法通过数字恒功率调节器调节稳定，再经过D/A转换，产生深、浅侧向功率控制信号，去控制深、浅侧向主电流的发射功率。

4软件控制

程序经初始化后，依次完成数据采集、计算功率，D/A数模转换，产生深、浅侧向功率控制信号，深浅侧向采用时分制控制，完成一次循环，直到使仪器深、浅侧向主电流的发射功率达到设定的最佳指标。

PS2332数控恒功率双侧向测井仪的电路方框图和软件流程图，请见图2和图3所示。

5主要技术特点及指标

四、主要技术特点

1仪器采用单片机技术，用软件控制深浅侧向功率，通过数字恒功率调节器调节，使深浅侧向功率恒定，增加了仪器工作稳定性，扩大了仪器测量范围，提高了测量精度。

图4 恒功率双侧向曲线图

2采用优化的电极尺寸，主要电极系尺寸仿国外5700电极系尺寸，用玻璃钢棒一次加工成型，仪器直径￠60mm，总长度5 200mm。这样增加了探测深度，特别是浅侧向探测深度的增加克服了高阻、高矿化度泥浆、大井眼对浅侧向测量值的影响。

3深、浅侧向功控电流源均采用大功率集成电路，使其带负载能力大大增强，同时由于采用恒功率技术，使仪器在高矿化度泥浆中测井也能取得较好的资料。

4仪器可与PSJ-2A型数字采集记录仪和PST-1型成像测井仪等地面系统直接挂接，进行其原有的组合测井，可实现新老井下仪器的全面兼容和过渡。

5仪器中采用了单片机、最大限度地采用软件替代了硬件，并使用大规模的集成元件。作到了结构紧凑，硬件少，整套电路集成度较高，维修方便，保密性强。

五、主要技术指标

外径:￠60mm

最大耐温:85℃

最大测井速度:1000m/h

测量动态范围:1欧姆·米～ 50000欧姆·米。

电阻率测量精度:

1欧姆·米～100欧姆·米 20%

100欧姆·米～2000欧姆·米 5%

2000欧姆·米～5000欧姆·米 10%

5000欧姆·米～50000欧姆·米 20%

探测深度：深侧向2.54m,浅侧向0.76m;

适用泥浆性质:0.018欧姆·米~3.08欧姆·米，盐水泥浆；

测量最大井径:400mm

六、实际应用

PS2332数控恒功率双侧向测井仪目前已在山西晋城的矿区，东北梅河口地区以及贵州六盘水矿区进行了多口井的测井试验验证，与以前的双侧向仪进行了曲线对比测井，证明该测井仪曲线质量明显优于其他双侧向仪器，特别是动态范围更大，高阻地层不平头、不出负值。大井眼的情况下，深、浅侧向曲线反映正常，不出现岐变现象。

图4是在东北梅河口地区某井区所测的双侧向曲线对比图。

[1]赵乃赓.改恒流式为恒功率式双侧向测井仪[J].测井技术,1990（3）.

[2]胡澍.地球物理测井仪器[M].北京:石油工业出版社，1991.

[3]郑俊详，谢冠平，李成富.SDL-7060恒功率式双侧向测井仪的研制 [J].石油仪器,2012.