过钻杆存储式交叉偶极子阵列声波测井仪的设计及应用

2020-01-07张勇蔡志明张雄辉陈浩王邦伟李宏

测井技术 2019年5期

张勇,蔡志明,张雄辉,陈浩,王邦伟,李宏

(中国石油集团测井有限公司西南分公司,重庆400021)

0 引言

在复杂井、大斜度井中多采用钻具输送方式进行阵列声波测井,仪器外径为89 mm,测井风险较大,成功率较低。为了降低测井施工的风险同时提高测井成功率,有必要进行外径为60 mm的存储式阵列声波测井仪的研制,以满足更多的测井施工要求。国外仅威德福公司的过钻杆存储式测井仪器系列有交叉偶极子阵列声波。中国石油集团测井有限公司西南分公司成功研制出存储式交叉偶极子阵列声波仪器,并在川渝地区长宁-威远页岩气区块推广应用,取得较好的测井效果。本文介绍了交叉偶极子阵列声波测井仪的测量原理、硬件、软件设计及实际应用效果。

1 交叉偶极子阵列声波测量原理

交叉偶极子阵列声波测井仪包括4个发射信号、4×8共32组接收信号[1]。其中,单极子发射换能器2个,以正交方向排列的偶极子发射换能器2个;接收换能器8组,每组分4个方向排列,共32组接收。

发射声系短节中集成了单极、偶极、斯通利波发射换能器,在发射电路发射高压的激励下向地层发射声波,经过地层后,被接收声系的32组接收阵列接收,并将其转换成32路电信号[2],经过计算处理后得到纵波、横波时差以及各向异性等地层特性。

相对于普通声波测井仪,交叉偶极子阵列声波测井仪能够准确提取纵波、横波和斯通利波的各种信息,对软地层进行横波测井,对地层进行各向异性分析,从而识别地层的一些重要特征。

2 硬件设计

过钻杆存储式交叉偶极阵列声波仪由5部分组成,自下而上分别为发射电路、发射声系、隔声短节、接收声系、接收电路[3-4]。

2.1 发射电路

发射电路依据地面软件配置的发射参数实现相应的换能器发射,根据接收电路中的采集控制板的控制命令,可产生单极、偶极X、偶极Y、斯通利波发射换能器所需要的高压激励波形。

发射参数包括发射模式设置、发射频率设置和发射波形选择,默认情况下,子周期间隔50 ms,单极发射主频率10 kHz,偶极发射主频率1.2 kHz,斯通利波发射主频率1.6 kHz。发射电路主要由发射控制电路、发射驱动电路、发射变压器和高低压电源电路组成(见图1)。

发射控制电路的MCU通过CAN总线与接收电路通信,并根据接收电路发来的控制命令产生相应频率的波形,经过单极、偶极和斯通利波发射驱动电路后,通过发射变压器激励相应换能器产生声波信号。

2.2 接收电路

接收电路通过CAN模块接收来自地面软件的控制命令,按一定的时序并行采集32路信号, 将数据存储或上传,同时通过串口通信控制发射电路产生高压激励波形(见图2)。接收部分主要包括信号处理和存储控制。

图1 发射电路原理框图

(1)定时功能。接收地面软件预先设置的定时命令,定时将命令发送至发射电路,启动换能器发射,同时启动信号的接收采集。

(2)信号处理存储功能。对接收到的信号进行放大、抗混叠滤波、采集,将数据存放于存储器中,并在地面通过网络方式读出数据。

图2 接收电路原理框图

(3)电缆通信功能。在电缆通信模式下,将接收到的数据通过CAN模块传给通信短节并通过电缆上传至地面系统。由于32路信号同时采集,信号路数多、采集数据量大,受电路板尺寸限制,采用骨架两侧放置相同电路、每侧电路处理16路信号的方式进行处理,原理框图见图3。

图3 信号处理电路原理框图

图3中,DSP芯片负责接收定时时间命令,通知发射电路发射激励波形。DSP接收到时间命令后按照4个子周期(单极、偶极X、偶极Y、斯通利波)的顺序向发射电路发送命令,启动4个子周期的信号发射,同时信号处理电路对两侧16路信号同时进行增益控制放大、抗混叠滤波、采集[5-6],将数据传送至DSP,在存储模式时将数据放于存储器中,在电缆模式时将信号合成之后通过CAN传给通信短节并上传至地面系统。

3 关键技术设计

由于该仪器外径为60 mm,选择合适的小直径换能器、设计合适频率的发射激励信号是仪器设计成功的关键。此外,存储式仪器存储容量有限,对采集数据必须采用数据压缩处理,仪器采用自适应差分脉冲编码调制ADPCM算法。

3.1 小直径换能器

设计采用片条状的偶极发射换能器,接收晶体采用Φ10接收晶体,源距约4 m,实验场地为铝筒。采用2.1所设计的发射电路进行试验,偶极发射激励信号与接收信号波形见图4。发射激励信号频率为1.2 kHz左右,偶极接收信号首波幅度为几十mV,波形包络峰峰值约400 mV,频率集中在1.6 kHz。

通过相同的实验形式,对高频单极、低频单极(斯通利波)换能器进行了发射频率的选取,确定其频率分别为10、1.6 kHz,其发射与接收波形见图5。

图4 偶极发射与接收信号波形

图5 单极发射与接收波形图

3.2 数据压缩算法

自适应差分脉冲编码调制[7]ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation)是针对16 bit(8 bit或更高位)声音数据进行压缩的方法,它将16 bit声音数据压缩为4 bit进行存储,压缩比高达25%,但是压缩/解压缩算法复杂度低,是一种低空间消耗、高质量、高效率的声音压缩算法。

ADPCM主要针对连续变化的波形进行压缩,保存波形变化的情况,它的核心思想:

(1)用自适应的思想改变量化阶的大小,即使用小的量化阶(step-size)去编码小的差值,使用大的量化阶去编码大的差值。

(2)使用过去样本值估算下一个输入样本的预测值,使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。

使用ADPCM算法,对实验过程中采集到的单极和偶极XX波形进行压缩前和解压缩后数据对比见图6。由图6可见,压缩前后的波形一致性较好,压缩后能够保持原波形的形状不实真,解压后能恢复原波形。

图6 采用ADPCM算法压缩波形对比图

4 软件设计

过钻杆存储式交叉偶极子阵列声波测井仪采用DSP和PIC单片机作为控制芯片,控制仪器的正常发射、接收、存储和通信,软件设计主要包括通信存储程序、发射程序以及信号处理程序,软件采用CCS4.2与MPLAB IDE V8.84开发。

4.1 通信存储程序设计

通信存储程序主要负责执行地面系统发来的命令。初始化后,等待命令,如果是电缆模式,则执行电缆测井的相应功能;在存储模式下,包括擦除命令、装表命令、状态检查命令、定时命令以及读数命令,根据地面系统发来的指令执行相应功能。

4.2 发射程序设计

上电后,PIC芯片及外设初始化,待高压上电完毕后,进行开机自检,并等待命令。如果是发射命令,则发射电路产生相应的激励波形,控制相应换能器发出声波;如果是配置命令,则根据所接受的参数进行发射命令配置;如果是自检命令,则启动自检并返回结果。

4.3 信号处理程序设计

信号处理程序主要对接收的2道16路(共32路信号)进行相应处理。如图7所示,初始化后,等待命令,如果是传数命令,则上传数据;如果是子周期采集参数配置命令,则接收参数并进行采集配置,然后启动ADC,依次对16道数据进行模数转换,转换完毕后,将数据进行处理和存储。

图7 信号处理程序流程图

5 现场应用

过钻杆存储式交叉偶极子阵列声波仪器研制完成后,在莲××井与ECLIPS5700交叉偶极阵列声波仪器进行了测井对比试验(见图8)。由图8可知,该仪器所测得的测井资料与5700交叉偶极子声波的测井资料的一致性较好,表明该仪器功能正常,可用于现场测井施工。

该仪器于2018年4月投入使用,至今已在川渝地区页岩气自×××H1-4、宁×××H25-2、威×××等井完成了64余井次的正式测井,资料均合格(见表1)。仪器在测井中均取得了合格的横波、纵波、斯通利波以及各向异性资料,其中,在宁×××H25-2井,施工的水平井段将近3 600 m,仪器在井中工作时间长达58 h,仪器状态正常。