核磁共振测井仪0.3 ms短回波间隔控制时序设计

2019-12-25钟剑侯学理朱万里师光辉高旭李凡

测井技术 2019年4期

钟剑,侯学理,朱万里,师光辉,高旭,李凡

(中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077;中国石油天然气集团公司测井试验基地,陕西西安710077)

0 引言

随着非常规油气藏勘探开发,居中型核磁共振测井仪在现场测井应用中受到一定的限制,难以满足高矿化度钻井液和大尺寸井眼等现场测井需求。偏心核磁共振测井仪采用偏心测量方式,能有效克服高矿化度钻井液和大尺寸井眼使用条件限制,可作为现有核磁共振测井仪系列的补充,适应大范围的探井和生产井测井评价需求。偏心核磁共振测井仪探测器静磁场强度低,需要高压发射功率低,探测器产生的噪声小,在理论上是可以实现短回波间隔测量。短回波间隔测量能够反映小孔隙结构,有助于更加致密的储层孔隙结构评价和流体性质识别,对地层精细评价具有有重要意义[1-4]。

国外技术领先的测井服务公司都拥有各自研发的偏心核磁共振测井仪,对于采用梯度场的井下核磁共振仪器,短回波间隔时间已达到最小0.3 ms[5-8]。偏心核磁共振测井仪研制首要问题是解决短回波间隔工作模式测量,本文从偏心核磁共振测井仪复杂控制逻辑关系出发,设计了一种控制时序,实现了短回波间隔时间0.3 ms工作模式测量。

1 控制时序原理

偏心核磁共振测井仪工作需要在几十至几百微秒内完成复杂的逻辑控制,控制时序主要包括高压发射脉冲控制、高压泄放控制和核磁共振回波接收控制信号,实现大功率高压脉冲发射和小信号核磁共振回波接收按设计准则正常交替进行。控制时序错误会造成仪器无法正常激发和接收回波信号,甚至损坏仪器[9-11]。控制时序主要以高压发射脉冲控制信号为核心,准确控制高压泄放控制信号和核磁共振回波接收控制信号逻辑关系。

高压发射脉冲控制信号包括90°脉冲和180°脉冲(见图1)。90°脉冲使被极化的氢核完成90°扳转,确保后续产生最大幅度的原始核磁共振回波信号,而180°脉冲使散相的氢核完成重聚,产生核磁共振回波信号,在1个180°脉冲后,将产生1个核磁共振回波信号,在多个180°脉冲后,采集核磁共振回波信号就会得到核磁共振回波信号串;TP表示高压发射脉冲持续时间宽度,TE/2表示90°脉冲上升沿与第1个180°脉冲上升沿之间的时间宽度,TE表示相邻的2个180°脉冲上升沿之间的时间宽度,即回波间隔时间;偏心核磁共振测井仪正常工作时,在1个90°脉冲后,需要成百上千的180°脉冲,180°脉冲数量需根据实际情况需要而定,同时也增加了控制时序设计难度。

图1 高压发射脉冲控制信号示意图

高压发射脉冲功率Wcal可用式(1)表示,α为经验校正系数,GAcal为高压发射脉冲幅度,TP为高压发射脉冲持续时间宽度。

Wcal=α×GAcal×TP

(1)

一般情况下,偏心核磁共振测井仪高压发射脉冲功率可以达到15 kW左右,而高压发射通路所激发的高压发射脉冲幅度有限,这就需要充足的高压发射脉冲持续时间,才能充分保证高压发射能量完成氢核的扳转和重聚,激发高信噪比的核磁共振原始回波信号。回波间隔时间分解见图2。回波间隔时间TE内须包含2个1/2的180°脉冲持续时间、高压泄放时间、采集窗时间和高压发射准备时间,如果180°脉冲高压发射脉冲持续时间过长,就不能在短回波时间间隔0.3 ms内完成高压发射脉冲发射、高压信号泄放、核磁共振回波信号接收,无法进行0.3 ms观察模式工作。

图2 回波间隔时间分解示意图

为保证偏心核磁共振测井仪在短回波时间观察模式正常工作,需要充分利用高压发射通路提供的高压发射脉冲幅度和减少仪器无效控制时间,对控制时序进行精准设计。

2 控制时序设计及仿真

控制时序设计框图见图3。它采用DSP+FPGA的框架,DSP完成相关测井命令参数存储和计算,FPGA根据DSP下发命令生成相应的控制时序,控制时序经过差分电路产生对应的差分控制信号,差分信号能有效提高控制信号抗干扰能力。由于差分信号电平较低,须经过驱动电路产生较高的电平控制信号,达到能真正控制相应电路目的。

图3 控制时序设计框图

在Microsemi Libero SoC v11.8软件开发平台上采用Verilog语言,根据DSP下发的测井命令相关参数,基于状态机原理,设计高压脉冲发射状态、高压泄放状态、数据采集状态、高压发射准备状态、核磁共振回波信号接收状态和核磁共振回波信号关闭状态等,将状态转移单独写成一个模块,将状态的操作和判断等写到另一个模块中。充分优化仪器无效控制时间,设计控制时序,实现高压发射控制信号(XGATE)、高压泄放控制信号(DUMP)和核磁共振回波信号接收控制信号(RCV1_OUT)复杂逻辑关系[12-14]。控制时序程序设计完成后,借助软件开发平台上的仿真模块进行功能仿真,设置回波间隔时间TE=0.3 ms,高压发射脉冲幅度GAcal=100,高压发射脉冲持续时间TP=70 μs,CLK_DSP_OUT表示FPGA的工作时钟,设置为45 MHz。结果见图4,在仪器高压发射控制信号为高电平、高压泄放控制信号为低电平和核磁共振回波信号接收控制信号为低电平时,激发高压发射脉冲、停止泄放高压信号和断开回波信号开关,满足短回波间隔时间TE=0.3 ms控制时序设计功能要求。

图4 控制时序软件设计功能仿真图

控制时序程序功能仿真完成后,经综合、布局、布线,生成下载程序,通过Actel烧写器烧写在主控板上,在FPGA对应输出管脚上用示波器测试控制时序信号,测试结果见图5。1通道表示高压发射控制信号(XGATE),3通道表示高压泄放控制信号(DUMP),2通道表示核磁共振回波信号接收控制信号(RCV1_OUT),输出电平都为0～5 V,逻辑控制关系与软件功能仿真结果一致。

图5 控制时序实际测试图

3 实际效果

在偏心核磁共振测井仪上,安装已下载设计控制时序的主控板,通过ACME2.0上位机采集软件进行室内刻度水箱联调测试。根据偏心核磁共振测井仪短回波间隔时间工作模式对应工作频带为最高频带,设置工作频率f=860 kHz,短回波间隔时间TE=0.3 ms,初步设置高压发射脉冲幅度GAcal=100,高压发射脉冲持续时间TP=70 μs。给仪器供220 V交流电,不加直流高压条件下,测试仪器本地噪声,测试结果见图6。本地噪声值(无量纲)都在100以内,满足仪器测试要求。相同条件下,给仪器供220 V交流电,直流高压设为550 V条件下,不断改变GAcal值大小,寻找产生最大核磁共振回波信号幅度对应的GAcal值,测试结果见图7。当GAcal=110,产生的最大核磁共振回波信号幅度(无量纲)约为3 500。测试结果表明,设计的控制时序满足偏心核磁共振测井仪短回波间隔时间TE=0.3 ms工作需求,能正常采集到原始核磁共振回波信号。