SDZ-3041声波变密度测井仪解析与故障分析

黄 芳 张士中 嵇成高

（中国石油渤海钻探测井公司 天津 大港）

0 引言

SDZ-3000快速测井系统是新乡二十二所自主开发研制成功的新一代高集成、高可靠、高时效的组合测井系统[1]。综合了常规测井的全部仪器，采用集成化设计、数字处理等先进技术，大大缩短了仪器长度，改善了仪器的地层分辨率。一次下井，可同时完成电极系、双侧向、感应、补偿声波、高分辨声波、微球、微电极、井径、自然伽玛、补偿中子、补偿密度、连续测斜等功能，极大地提高了测井时效。而SDZ-3041声波变密度短节是对原有的快速测井平台声波测井功能进行扩展，使仪器兼顾声速和变密度两种测井方式，进一步满足客户要求、扩大市场需求。

1 仪器解析

1.1 仪器组成及测井组合形式[2]

SDZ-3041声波变密度短节由声波电路短节和声波探头组成。

SDZ-3041声波变密度的测井形式如下：

1）单测

SDZ-3021遥测短节+SDZ-3041声波变密度短节

2）组合测

SDZ-3010加长电极马笼头+SDZ-3011辅助测量短节+SDZ-3021遥测短节+SDZ-3050旋转短节+SDZ-3060恒功率双侧向+SDZ-30A0四臂井径仪+SDZ-3030绝缘短节+SDZ-3055挠性短节+SDZ-3090补偿中子+SDZ-3070连斜微球+SDZ-3080液压推靠+SDZ-3041声波变密度短节+SDZ-30B0双感应八侧向。

1.2 工作原理[2]

声波在不同介质中传播时，其速度、幅度衰减及频率变化等声学特性是不同的。声波速度测井是测量滑行纵波在井壁地层中传播速度的测井方法。声波在岩石中的传播速度与岩石的性质、孔隙度以及孔隙中所填充的流体性质有关，因此，研究声波在岩石中的传播速度或传播时间，就可以确定岩石的孔隙度，判断岩性和孔隙流体性质。变密度测井是对声波幅度的测量，可以对套管井固井质量进行检测，主要测量两路信号，即3ft（1ft＝304.8mm）信号和5ft信号。其中的3ft信号所记录的是第一胶结面（自由套管和水泥的胶结面）套管波的首波幅度随深度变化的曲线（CBL曲线），它反映了第一胶结面的胶结情况；5ft信号记录的是全波列的强度——时间曲线（VDL曲线），它既能对第一胶结面进行补充分析，也能反映第二胶结面（水泥和地层的胶结面）的胶结情况，并有效地区分微环空间和窜槽。

1.3 仪器特点

1）SDZ-3040声波探头采用的是单发四收工作方式，四个接收晶体间距为200mm，源距为900mm。这样有效缩短了仪器的长度，使用和运输更为方便。

2）时差测量采用软件深度推移算法，缩短了声波探头的长度，同时也提高了纵向分辨率。数控测井仪根据下井仪行走的深度值，控制声波的发射，保证仪器在同方向上每移动一定的距离，按照声波采集时序向下井仪发声波逻辑命令，使四个接收晶体的声波时差反映同一深度的时差，然后用软件分析，计算四个接收探头到同一深度地层的时差，得到薄层（即高分辨）时差。利用第一个接收探头和第四个接收探头在上下围岩的时差平均值，得到补偿时差。

3）对于声波探头的四个接收晶体，在变密度测井中可把离发射晶体最近的接收晶体作为3ft信号接收晶体，把离发射晶体最远的接收晶体作为5ft信号接收晶体。可以通过单片机的指令控制仪器为声波工作方式或变密度工作方式，通过单片机还可以控制选择声波程控增益或变密度刻度换档功能。

1.4 电原理图

SDZ-3041声波变密度短节的电路部分由5V电源电路、±12V电源电路、通讯电路和信号处理电路组成。电源电路都是通过整流桥、稳压块获得直流电源。这里主要分析通讯电路和信号处理电路。

1）通讯电路原理

通讯电路包括通讯控制电路、声波发射高压产生电路，声波信号驱动电路。D1（SDZ3000MCU-AD）是专用模块，通过它完成与SDZ-3021遥测短节通讯，并产生各种控制信号。通讯电路原理如图1所示。

D1接收遥测的声波令，并根据声波令选择声波工作方式或变密度工作方式，同时产生电路工作所需的各种控制信号：发射控制脉冲（F0、F17），增益控制信号（A0、A1、A2、A0、A1、A2），通道选择信号（RL0、RL1），发射干扰抑制以及发射标志的求和处理控制信号（D0、D1）。为了提高发射功率，本仪器采用了两个发射晶体发射声波的方式。D1的P1.6和P1.7经电平转换后形成F0、F17发射控制脉冲。发射控制电路由整流桥V3、限流电阻R7、R8，IRF840场效应管以及位于骨架上的储能电容组成。交流180V电压经过V3全波整流后，分别给电容C11～C14充电，当F0、F17发射触发脉冲加在场效应管的栅极G时，该管被导通，储能电容的能量送到位于声波探头内的变压器进行升压，在变压器次级产生约3000V的高压脉冲，供声波探头中的两个发射晶体发射用。

F0、F17来自D2的E0、F0

图1 通讯电路原理图

2）信号处理电路

信号处理电路包括：声波信号接收和处理电路。

声波测量的过程在通讯电路的D1（MCU-AD）控制下完成：D1（MCU-AD）接收到来自地面数控的声波工作方式和变密度工作方式选择令选择仪器的工作方式，当接收到声波发射命令后，控制发射晶体发射，经发射晶体转换成声波信号经地层传播，被接收晶体转换成电信号后送入信号处理电路，D1（MCUAD）根据声波序列号选择相应的接收晶体信号，将接收到的信号分别进行分压处理后送到信号选择电路，信号选择电路在单片机的控制下，将四路信号进行选择后分时成一路信号，当选择声波功能时，在单片机的控制下选择第一、二、三、四道信号，当选择变密度功能时，在单片机的控制下选择第一、四道信号，输出的信号送到变压器，进行阻抗变换后送给主放大电路。信号经放大后就要进行声波增益换档或变密度刻度换档，当选择声波增益换档时，换挡开关在单片机的控制下进行八档增益换档，此时，应将变密度刻度换档选在第一档；当选择变密度功能时，声波增益换档应选在第五档，换挡开关在单片机的控制下对变密度信号进行60%的衰减。信号经过声波增益换档或变密度刻度换档后，在单片机的控制下使声波信号或变密度信号与同步头信号进行组合，输出的信号送到通讯电路板进行功率放大。

2 故障分析

2.1 常见故障

故障现象1：不发射。

检查方法：（1）看电流；（2）检查SDZ-3200检测面板（串口线、软连接线：1、4、23、24、25、26）；（3）用示波器测量命令24对26；（4）接插件有无缩针；（5）内部通讯或者发射电路工作不正常；（6）声波探头发射线断或者发射变压器、发射换能器损坏；

故障现象2：有发射，但发射声音不正常。

检查方法：（1）检查电源、接插件是否接触可靠；（2）判断是否探头打火；（3）内部发射触发电路器件松动或工作不正常。

故障现象3：一路或多路信号缺失。

检查方法：（1）接收信号线断或接插件问题；（2）接收换能器问题；（3）电路内部模拟开关工作不正常或通讯电路解码错误问题；

如果有备用的仪器，最快捷的方法是更换一支声波探头，首先判断是电路还是声波探头有问题。

故障现象4：一路或多路信号波形不正常（幅度小、干扰大或波形畸变）。

检查方法：（1）声波探头耦合状态问题；（2）接收换能器问题；（3）声波探头问题（发射换能器或者绝缘问题）。

2.2 典型故障分析

在近几年SDZ-3041声波仪器的维修中，除了上述的常见故障，也出现过一些比较典型的故障现象。本文就此故障维修案例进行分析探讨如下。

2011年6月，小队测井后送回SDZ-3041声波08542029号仪器，反映信号基线干扰大，无法抓住首波。仪修人员在室内对该仪器进行了泡槽检测。仪器发射正常，信号在1-3档时基线平稳无干扰，信号正常，但是当跳到4档时，两道信号在发射标记之后的基线明显分离，发射标记之前基线重合很好。据此可以排除电路中加入发射标记以后的电路存在故障的可能性。用示波器分别检测R1、R2、R3、R4四道接收信号，信号很稳定，无干扰信号出现，但是经过仔细测量，发现R1道信号基线与R2、R3、R4三道信号存在差异：R1道信号上叠加了100mv左右直流电平，R1接收信号与另三道接收信号基线对比图如图2所示。

图2 R1接收信号与另三道接收信号基线对比图

图3 R1接收信号电路处理图

根据信号接收电路图中R1接收部分如图3所示，检测R1信号输入部分电路，发现V4两端电压与其它几道信号输入点电压略有不同，经过电路选通放大以后，叠加在R1接收信号上的直流电压也逐级放大。因此，在信号高档位上，基线分离就很明显，直接反应到地面就是基线跳，无法抓住首波。更换V4二极管后，R1接收信号基线与其它三道接收信号一致，基线直流电平为0 V，信号高档时基线分离故障解决。

3 结束语

SDZ-3041声波变密度测井仪是SDZ-3000快速测井平台的重要组成部分，广泛应用于各油田，测井效果良好，该仪器与快速测井系统中其它仪器的维修经验积累也在不断增加。只有对仪器测井原理、仪器电路图有了充分的了解，理论联系实际，在实践中深刻理解电路原理，我们的维修效率才会不断提高，才能为一线小队保证可靠的仪器质量。

[1]SDZ-3000快速测井平台维修手册，新乡二十二研究所，2006（资料）

[2]SDZ-3041声波变密度维修手册，新乡二十二研究所，2006（资料）