一种存储直读一体式声波变密度测井仪的设计

韩 韬,张俊勇

(1.陕西国防工业职业技术学院机械工程学院，陕西 西安 710300)(2.陕西国防工业职业学院智能制造学院，陕西 西安 710300)

作为油气勘探的重要手段之一，测井技术具有分辨率高、连续性强、节约成本等优势。随着油气勘探开发向着更深更复杂储层的推进，常规测井技术难以满足当前地层评价的需求，因此越来越多的石油公司和服务公司致力于改进、提升测井探测和评价能力。声波变密度测井是声波测井的一种，采用组合测井方式，缩短了作业时间，降低了劳动强度，已广泛应用于生产井、侧钻井、水平井和探井固井测井中[1]。

声波变密度测井仪是利用相关设备测量声波在井内传播时不同界面反射回来的声波幅度大小，来判断界面胶结程度的一种仪器。由于在井下工作，因此该仪器要能适应各种恶劣环境的要求，能够承受高温并且要求传输数据速度快。同时，在保证仪器可靠性的情况下降低系统功耗也是测井仪的设计要求[2]。

1 测井仪总体设计和工作模式

1.1 系统组成

本文所设计的存储直读一体式声波变密度测井仪由地面系统和井下仪器两部分组成，地面系统包括计算机、时深数据记录仪以及井深测量模块(角位移传感器、钩载传感器等)，系统组成如图1所示。

图1 存储直读一体式声波变密度测井仪整体系统

1.2 测井仪的两种工作模式

传统声波变密度测井仪只有存储模式，本文设计的测井仪的工作模式有存储模式与直读模式两种。

1)存储模式。

仪器工作在存储模式时使用电池供电，测井数据和深度数据均以绝对时间为标签存储到仪器内部存储器和计算机中。测井前需进行仪器设置、检查等工作；测井完成后，将井下仪的数据传输到上位机中进行数据整合、校正、刻度等处理。

2)直读模式。

工作在直读模式时，只需将遥传短节通过转接头配接伽马磁定位短节和声波短节及缓冲器，仪器通过电缆供电，测井数据通过遥传短节实时上传，直接在上位机实时显示和存储。直读模式下仪器在测井前的操作流程：①自上而下连接存储短节、伽马磁定位短节、声波短节和缓冲器以及扶正器；②通过USB线连接计算机和存储短节，电源线连接存储短节和时深数据记录仪，连接示意图如图2所示；③打开时深数据记录仪的供电开关，给井下仪器供电；④打开上位机软件完成井下仪器的检查、工作模式设置、时间同步、下传仪器参数设置等操作；⑤电池检测，将电池短节通过转接线连接到时深数据记录仪的电池检测端口，测量电池的带载和空载电压，判断当前电池是否能够满足测井要求；⑥仪器检查、设置完成后拔掉“专用连接线”，将电池短节连接到存储短节上端，连接钻具进行测井操作[3]。

图2 测前仪器检查连接示意图

测井完成后进行数据回放：①卸掉电池短节，然后卸下存储短节，并将存储短节放置在计算机附近；②通过USB线和电源线连接存储短节与计算机、时深数据记录仪，连接示意图如图3所示；③打开时深数据记录的供电开关，给存储短节供电；④打开上位机软件回放存储短节的测井数据。

图3 数据回放存储短节连接图

2 测井仪系统的具体结构

2.1 地面系统设计

地面系统主要负责发送命令和传输信号，系统主要包括装有专用软件的计算机、时深数据记录仪以及井深测量模块(角位移传感器、钩载传感器等)，它们之间的关系如图4所示。

图4 地面系统组成

1)装有测井软件的计算机。

主要负责地面深度数据和测井数据的处理：①测井前，检查和设置井下仪参数；②设置时深数据记录仪的参数及时间同步，并进行绞车传感器标定、钩载传感器标定，存储标定数据；③测井完成后，回放井下仪的测井数据并形成文件，综合时深数据文件进行深度对齐处理并形成深度-数据文件，然后进行数据的增益调整、声波刻度和伽马刻度、曲线处理以及出图、转格式等操作。

2)时深数据记录仪。

时深数据记录仪的功能主要包括：①给井下仪器、绞车传感器和钩载传感器供电；②对绞车和钩载传感器的输出信号进行信号隔离、信号调理和采集；③与计算机进行实时通信，接收设置命令和参数，并将深度、载荷及时间数据打包发送给计算机；④检测电池的开路电压和带载电压，并通过液晶屏显示。

3)井深测量模块。

井深测量模块包括绞车传感器和钩载传感器。绞车传感器安装在绞车滚筒轴上，测量绞车的转动方向、角位移；钩载传感器安装在绞车钢缆末端的液压输出端上，测量钢缆上的载荷，确定当前钻具的状态。根据两个传感器的输出信号确定仪器的位移。依据输入起始深度，确定当前的仪器深度[4]。传感器安装位置如图5所示。

图5 传感器安装位置

2.2 井下仪器设计

声波变密度测井仪由电池短节、存储短节、伽马磁定位短节、声系短节、缓冲短节、伽马-遥传转接头、柔性短节、滚轮扶正器、尼龙扶正器(或橡胶扶正器)组成，仪器结构图如图6所示。

图6 仪器总体结构图

电池短节位于仪器顶端，其上端采用标准“83”扣设计(无电连接器)，下端采用4芯同轴插头(用2芯)，存储短节上端采用4芯同轴插座(用2芯)，端面上放置USB插座，其他短节上端均采用单芯插座，下端采用单芯插头，仪器的圆孔用弹性挡圈固定[5]。

磁定位护管采用0Cr13Mn18Ni2MoN无磁不锈钢材料，其余外管均采用17-4PH，电路骨架部分的材料为2Cr13，采用双面布板，光电倍增管护管的材料为坡莫合金1J50。每个短节上端设计有六方卡盘槽和用于打印仪器及公司标识的刻槽。

电池短节、存储短节、伽马磁定位短节、声系短节、缓冲短节等部分的设计有效长度见表1。直读模式下工作时，仪器串由上到下依次为MPYC43遥传短节+遥传转接头+伽马磁定位短节+声波短节，其总有效长度为3 957.5 mm；存储模式下工作时，仪器串由上到下依次为电池短节+存储短节+滚轮扶正器+伽马磁定位短节+柔性短节+滚轮扶正器+声波短节+滚轮扶正器+缓冲短节[6]，其总有效长度为10 316.5 mm。

表1 构件尺寸

3 仿真实验与分析

本文设计的存储直读一体式声波变密度测井仪在西安思坦仪器股份有限公司完成了仪器的设计、制造，在合作单位延长石油(集团)有限责任公司的测试基地完成仿真实验，仪器供电电压为18 V，井下仪器模块之间采用内部总线方式通信，使用Sondex的AMI编码，波特率为500 Kbps。

3.1 低功耗和数据传输仿真实验

本文设计的测井仪的DSP控制器选用TMS320F28069，其对上电时序无要求，内部RAM为100 KB，不需要外扩RAM，封装尺寸为16 mm×16 mm，满足仪器的使用要求[7]。

为了便于实时采集数据，测井仪利用直读模式进行仿真实验。待下井前设置的时间阈值到后，才给下端仪器提供18 V的电源，18 V的电压经过变压器变为电路板所用的3.3 V和1.8 V，否则下端仪器处于断电状态；同时在时间阈值未到之前，DSP休眠，待时间到时，唤醒DSP进入正常工作状态，以此降低功耗。

表2中IDD为DSP控制器供电1.8 V接口对应的电流，IDDIO、IDDA、IDD3VFL分别是测井仪声波短节、伽马磁定位短节和存储短节的DSP控制器供电3.3 V端口对应的电流，利用TMS320F28069针对正常模式以及IDLE、STANDBY、HALT等3种低功耗模式下的工作电流进行了对比，结果见表2，实验结果表明：当仪器处于休眠模式时电流仅为10 μA，大大减少了仪器的功耗。

表2 正常模式和三种低功耗模式对应电流值

由于声波的数据量大，使用直读方式测井时对遥传的通信速率要求高。设计遥传速率为50 Kbps，仪器最低要求速率为21 Kbps。遥传短节数据格式按帧为单位进行传输[8]，每一帧数据包括4 Byte的帧头、4 Byte的遥传短节数据、400 Byte的主帧数据、4 Byte的帧尾以及8 Byte的空闲帧，通过实验计算得到数据传输效率为87%，所以实际有效的传输速率为50 Kbps×87%=43.5 Kbps。

可见，测井过程中遥传的传输速率(43.5 Kbps)大于仪器需要的传输速率(21 Kbps)，满足了基本的实时测井要求。

3.2 高温仿真实验

高温仿真实验是在西安思坦仪器股份有限公司合作单位延长石油(集团)有限责任公司测试基地的高温试验井中完成，试验井建立在直径为6 m、深为18 m的沉井中，试验井升温采用电加热方式。实验时，将井下仪器置入高温试验井中，主要测试井下仪器的控制芯片能否将信号正常传回到上位机，以验证本文设计的测井仪的稳定性和可靠性[9]。具体实验步骤如下：

1)通过升降试验机将井下仪器送到高温试验井底部平台上；

2)将电热元件包裹在试验井筒外部, 用电热元件直接加热试验井筒外壁来加热井筒内的试验介质以达到实验温度要求，分别将温度加到100 ℃和175 ℃；

3)利用测井仪主控芯片ADCS7476完成声波采集，在直读工作模式下，输入信号为0～3 V，上位机收集电压数据，采集100 ℃和175 ℃时的理论电压值V0、多次平均电压值Vi和噪声峰值电压Vpp等数据，见表3。

表3 测井仪高温实验数据 单位：V

4)示波器输出上位机收到的100 ℃和175 ℃时的测试信号波形，如图7所示。

图7 输出波形

由实验结果可知，最高温度达到175 ℃时输出信号的线性度较好，最大偏差值(Vi-V0)不超过40 mV，噪声峰值Vpp不超过50 mV，示波器输出的波形稳定，没有影响信号的正常解码，精度达到了高温实验回传信号的基本要求。测井仪通过了最高温度为175 ℃的高温实验[10]。

4 结束语

本文设计了一种新型存储直读一体式声波变密度测井仪，详细介绍了该测井仪的地面系统及井下仪器的具体组成和功能，分析了仪器在存储工作模式与直读工作模式下的运行情况，并完成了各项仿真实验，验证了测井仪的稳定性和可靠性。本文设计的测井仪相对传统的测井仪器能够有效降低仪器的功耗，提高仪器的遥传速率，并且在高温下仍能够持续稳定地工作，实现了井下信号的实时采集。因此，该设计方案能够有效改善声波变密度测井仪的相关参数，为石油测井仪器的优化设计提供了技术参考。