P－型核磁共振成像测井仪GAIN值测量故障分析

王 静

（中石化江汉石油工程有限公司测录井公司，湖北 潜江433123）

MRIL－Prime是哈里伯顿公司新一代的核磁共振成像测井仪器，通常简称为P－型核磁。P－型核磁仪器利用核磁共振原理研究地层流体中的氢核在外加磁场中所表现出来的特性，来测量储层的岩石物理特性和孔隙流体特性。由于岩石骨架中氢是不可测量的，所以其测量结果基本上不受岩石骨架的影响而区别于其他现有的测井方法。核磁共振测井信号包含十分丰富的地层信息，可用于定量确定有效孔隙度、自由流体孔隙度、束缚水孔隙度、孔径分布以及渗透率等参数。但在实际生产中，P－型核磁仪器GAIN值测量电路也会出现故障。

1 仪器简介

P－型核磁属于DITS系列仪器，主要有三部分组成：储能电容短接 MRCC、电子线路 MREC和核磁探头MRSN。测井时仪器串的连接顺序为：伽马遥传（D4TG）－核磁电容短节（MRCC）－核磁电子线路（MREC）－核磁探头（MRSD）。核磁电容部分就是提供核磁仪器工作时的能量存储功能，电容值为3.2mf；核磁电子线路部分包括：RF脉冲发射电路；对接收到的NMR回波信号进行放大、滤波和解调的接收电路；对仪器工作进行控制、刻度以及数据通讯的电路；供电电路。为了保证发射模块的输出端能够输出恒定的RF脉冲，在激发器模块内部采用相位差补偿技术，保证发射脉冲能量的稳定。

P－型核磁探头部分主要由一个主磁体和两个磁性更强的地层预极化钐——钴永久磁铁组成，是一个强磁体，在测井过程中不需要放射性源，仪器本身没有任何形式的放射性源。

1.1 GAIN值的信号检测电路

GAIN值信号检测路径（图1）是：系统通过DSP将一标准信号经衰减后加至B1传感器模块，然后通过天线拾取此信号，经过探头天线、天线接口、前置放大等处理后上传至DSP。GAIN值就是B1线圈发射信号的幅度和此信号在RF天线感生信号幅度的比值，它是系统的一个测量增益值，用于确定仪器工作的中心频率。

图1 GAIN信号检测路径框图

1.2 中心频率确定方法

P－型核磁工作时采用双频测量技术，有5个中心频率：760KHz，670KHz，634KHz，615KHz 和 588 KHz，其中4个频率工作在双频模式，其频带范围为：F0±6KHz。在500～800KHz之间有9个不同的工作频率，测量时可达到9个测量切片。频率不同其探测深度也不同，通过改变发射脉冲的调制频率，可以在一定范围内选择径向探测深度。其中最高频率Band4工作在单频方式，用于测量粘土束缚水，这种测量方式需要比较大的带宽，探测深度也最浅。系统通过调节线路和探头达到一致的谐振频率及GAIN值的正确选择来确定仪器的中心频率。

在仪器线路中发射滤波模块是一个谐振选频电路，它负责滤除发射器模块输出的RF发射脉冲的谐波。对于不同的频带，它内部附设了继电器控制的滤波电容LC谐振网络，以将滤波器调谐至相应的频带，使天线模块输出恒定的RF脉冲，从而与探头的谐振频率相匹配。仪器线路选择的RF脉冲频率必须与核磁探头的5个中心频率相对应，从而保证探头天线获得最大功率发射出去，否则探头天线不能获得最大功率，会使得大部分功率消耗在发射电路，烧毁发射板。其次仪器接收电路的工作效率在工作频率偏移正常工作频率很小的范围内下降十分明显。如果工作的中心频率选择不正确，回波幅度就会因人为因素影响而下降。同时，信噪比也会随之下降。在做主刻度时，如果工作频率不正确，就会影响主刻度结果，最终导致测井数据的不正常。

在P－型探头中，电性部件主要由4个调频继电器、7个调频电容和天线组成（图2）。

图2 探头天线部分电路图

继电器的开合直接影响天线等效电容，通过控制继电器（Relay）开合使探头天线工作于5个频段（Band），分别是 Band0（588KHz）、Band1（615KHz）、Band2（634 KHz）、Band3（670KHz）和Band4（760KHz）。

Band0（588KHz）＝11，12，13，14关闭；

Band1（615KHz）＝11，12，14关闭；

Band2（634KHz）＝11，12，13关闭；

Band3（670KHz）＝11，12关闭；

Band4（760KHz）＝11，12，13，14打开。

每一频段对应一个中心频率，根据电路原理，对于每一种LCR电路存在一种频率使得流经的电流最小，也就是天线的负载最小，在这个频率上工作不容易由于功率过大把仪器烧毁。

在测井或刻度前应先确定仪器工作的中心频率，根据6英寸核磁探头的频率范围，每一频段选取一定的采样点，做一频率和增益的频响特性曲线，纵坐标为频率，横坐标为增益，找到其对应于最大增益的一个频率值（图3）。图3中最高的一个点，即为该Band 1频段的中心频率，其它的点在中心频率两边左右对称为最好。5个频段应扫出5个中心频率。

图3 频段1（BAND1）扫频图

可见GAIN值是否稳定直接影响到仪器的中心频率，同时GAIN值自身的大小受到外部环境和内部发射电路自身的影响，它是反映系统工作状态是否稳定的一个重要参数。对于6英寸P－型核磁而言，其GAIN值应大于300，当GAIN值小于100时仪器将停止发射，它随负载和中心频率选择的变化而变化，但对于特定的负载和中心频率GAIN值必须保持基本恒定。当GAIN值急剧变化和跳变时，说明仪器存在故障，需要检修。

2 常见故障的分析与处理

2.1 故障：无增益

1）现象：室内对接仪器串，供 W5主电，主窗口显示增益值为5，正常值应在300以上。

2）现象分析：D4TG供电通讯正常，在核磁测量主窗口观测到其他参数均正常，首先应排除D4TG和仪器供电模块的问题。由GAIN值信号检测路径（图1）可知，其检测路径主要包括：B1传感器模块、天线探头、天线接口模块、前置放大模块、接收电路／继电器驱动模块、DSP数字处理模块。当探头天线短路，或者仪器线路中天线接口模块A2板上接收器端的12个开关管Q2、Q3、Q10、Q11；Q8、Q9、Q12、Q13；Q15、Q16、Q17、Q18出现问题时，会导致天线接口输入到前置放大器端的信号短路，使GAIN为0。所以应先用核磁电子线路校验盒来检查电子线路工作是否正常，以确定故障是出现在线路还是探头。

3）故障排除：首先将探头和线路分开，用核磁电子线路校验盒接与电子线路底部，接地线和电子线路外壳连接好，在主窗口观测GAIN值正常，对仪器进行扫频，在扫频主窗口观测到5个频段的增益和中心频率均正常，排除电子线路的问题。

其次用核磁探头校验器检测探头的通断，5个中心频率及其它几个相关参数没发现问题，最后用FLUKE数字兆欧表对核磁探头做PM1检查，发现核磁探头上接头的PIN26－PIN27短路、PIN28－PIN29短路。

核磁天线的输入端由4个铜片引出，接于核磁探头上接头的 PIN26、PIN27、PIN28、PIN29，分别代表探头天线的高压发射功率输入端。正常情况下PIN26－PIN29相通接白线，PIN27－PIN28相通接红线，且26、27双绞，28、29双绞。若PIN26－PIN27通，PIN28－PIN29通，对接线路后将使探头天线短路，单接核磁探头校验器检测探头一般检测不出来，接上线路后做GAIN值检测，天线输出端被短路掉，使前置放大器端无信号输入，故增益值为0。

将核磁探头上PIN26、PIN29接白线，PIN27、PIN28接红线，用万用表欧姆档检测相同颜色应相通。对接仪器供 W5主电GAIN值正常，扫频通过。

2.2 故障：增益不稳

1）现象：连接仪器串，供 W5主电，在主窗口观测到增益（GAIN）不稳，扫频通不过，不能确定仪器的中心频率。

2）现象分析：供主电，通讯正常，在核磁主窗口观测到其他参数，如：Ur15low、Ur15high在19～22V之间，首先排除D4TG通讯和电源的问题。在实际测量时，核磁电子线路负责给核磁探头天线输送大功率的RF脉冲，形成B1磁场，在核磁电子线路发射路径有高电压。通常电子线路的发射器模块、发射滤波模块、天线接口模块工作在高压状态容易出现元器件被击穿烧毁的故障，导致GAIN值不稳。核磁探头中电性部件主要由4个调频继电器、7个调频电容和天线组成，当探头绝缘不好时也会使GAIN值不稳定。所以应先确定是线路故障还是探头故障。

3）故障维修：将探头和线路分开，用FLUKE数字兆欧表欧姆档测量核磁电子线路上接头的22（＋）和34（－）有2.5KΩ左右的阻值，说明仪器线路高压路径没有问题。然后用核磁电子线路校验盒接与电子线路底部，接地线和电子线路外壳连接好，对仪器进行扫频，在扫频主窗口观测到5个频段的增益和中心频率均正常。用核磁探头校验器对探头进行扫频，发现5个频段都在规定范围内，但对接线路后加交流电GAIN值仍不稳定，扫频通不过，说明探头需要检查。

在工房对照PM1表对探头做PM1检测，卸下核磁探头上的电容保护盖，用电容表的电容档，测量图2中7个电容的容值，实测C2、C4、C5总容值为50.3nF，而资料上C2、C4、C5总容值为56.2nF，测量值与资料有出入，其它C1，C3，C6，C7容值与资料相符。反复多次测量C2、C4、C5总容值总是在50nF左右，不稳定。

对探头大拆，发现其中一个连接电容C2、C4、C5的白线被压破，里面导线裸露出来，致使探头天线部分绝缘不好，工作不稳定。由图1GAIN信号检测路径可以看出，探头绝缘不好将影响天线的谐振频率，使输入天线接口模块的数值受影响，导致GAIN值不稳，扫频通不过。

重新焊接电容的白色引出线，进行绝缘通断检测均正常，重新组装探头，对探头做PM1正常后，对接仪器重新扫频，仪器恢复正常。

3 结束语

维修经验表明，仪器维修首先是弄懂原理，掌握一般电路分析知识，结合经验积累能够事半功倍。对于P－型核磁GAIN值测量电路维修，增益值不稳或没有是经常遇到的检修问题，当核磁探头通断绝缘都正常的情况下，增益值不稳或为0，应先检查线路中天线接口模块A2板上的开关管有无损坏，通常情况下增益值不稳或没有，多为A2板上的开关管损坏，更换即可。

［1］环鼎核磁仪器服务中心.MRIL－P核磁共振成像测井仪器［C］.北京：2007.

［2］赵全胜.MRIL核磁共振成像测井技术综述［J］.国外测井技术，2008，23（02）：8－13.