八扇区水泥胶结测井仪常见故障分析

张 丽

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163153)

0 引 言

八扇区水泥胶结测井仪是目前检查固井质量及管外窜槽的最有效的测井仪器之一，它能沿着套管整个圆周纵向、横向检测水泥胶结质量[1]，并能以灰度图的形式形象直观地显示套管和水泥环(第一界面)的胶结情况，准确评价第一界面存在的槽道、空洞的位置、大小及分布情况，还可以精准评价水泥返高及评价第二界面水泥胶结情况[2]。八扇区水泥胶结测井仪由1个发射探头、8个扇区接收探头，以及三英尺声幅和五英尺声波全波列接收探头组成。该仪器利用声源向井内各个方向发射声脉冲，以临界角入射不同介质的声脉冲，能在不同介质中产生滑行波，滑行波在一定位置的折射波被探测器接收。不同的介质(套管、水泥、地层)对弹性波的影响不同，从而引起波的速度、幅度和频率的变化。测井时，如果记录所有以上参数来判断固井质量情况，称为五英尺声波全波列测井；如果只记录全波列中首波的幅度，称为三英尺声幅测井[3]。由于八扇区水泥胶结测井仪电路复杂、故障逐年升高，本文通过总结该类仪器常见故障及其维修方法，帮助维修人员解决日常维修的问题。

1 工作原理

1.1 测量原理

八扇区水泥胶结测井仪采用径向8个独立发射和接收探头，分别覆盖45°的范围，因此在固井质量评价上有其独特的优势。八扇区水泥胶结测井仪的标准声波用2个圆形压电晶体并联在一起，以便全方位发射声波信号，这组发射器用于三英尺声幅和五英尺声波全波列测井，中心频率为25 kHz。

八扇区水泥胶结测井仪扇区探头包括8个压电晶体发射器(安装在CBL发射器上部)和8个压电晶体接收器，其发射器和接收器以60.96 cm间距一一对应。每组发射接收器覆盖45°范围，中心频率80～120 kHz。由于信号通过电缆衰减大，八扇区水泥胶结测井仪使用20 kHz的调制信号与扇区信号的幅度调制，传输到地面后，经过数字化处理，在一定的门宽内积分，积分所得的值即声幅。声幅以毫伏为单位计算，把8个扇区各个声幅值以不同毫伏等级绘制成明暗级别不同的图形——胶结图[4]。

1.2 电路原理

八扇区水泥胶结测井仪电路框图如图1所示，其电路包括6块电路板。

图1 八扇区水泥胶结测井仪电路框图

100 V直流电压供给仪器后，在仪器的电源板产生+200 V到点火电路板。在周期选择信号控制下产生点火脉冲，使八扇区发射器以100 kHz频率形成晶振；CBL/VDL发射器以20 kHz频率形成晶振，接收和发射同步进行。

接收器接收到的信号经前置放大板放大，并在周期选择信号控制下多路转换输出，之后送到信号调制板，把高频的扇区信号调制为低频信号传输，连同低频的CBL/VDL信号及同步脉冲、刻度脉冲经多路转换信号合成，送上电缆驱动板，在信号/伽马选择信号控制下进一步完成信号合成，并送上电缆传输。

八扇区水泥胶结测井仪一个完整的信号传输周期分为12个子周期，每分钟大约3个周期。在1个周期里，子周期1～8用于扇区信号的传输，子周期9～11用于三英尺声幅和五英尺声波全波列的信号传输。1个子周期是25.6 μs，其中前1.6 μs是死时间，不传输信号，接下来的1.6 μs用于传输声波信号，后边的22.4 μs用于伽马、中子信号的传输。子周期10是1个刻度周期，子周期12没有用来传输信号[5]。

2 常见故障分析及排除

2.1 仪器无信号输出

仪器无信号输出时，首先要看供电是否正常，电源部分电路如图2和图3所示。

图2 +12 V、+20 V电源部分电路

图3 -12 V、-20 V电源部分电路

当供电异常时，首先要检查电源板，判断±12 V、±20 V、+200 V电源板是否正常。由于该仪器的电源板采用自激多谐振荡器输出方波信号，推动变压器后由串联型稳压电源输出±12 V、±20 V，稳压电路采用的是串联型稳压电源，电流驱动能力完全依赖调整管(Q2、Q3)的指标。在使用中，因散热、老化等问题容易引起调整管(Q2、Q3)损坏而导致仪器供电异常，其他电路板便无法正常工作，致使仪器无信号输出。

当±12 V、±20 V输出正常后，下一步是判断电源板上的+200 V输出是否正常，+200 V电源部分电路如图4所示。若异常就不会有发射信号产生，导致仪器无信号输出。在振荡电路和变压器正常的情况下，首先判断Q4是否损坏，损坏更换即可，若是正常可再检查滑动变阻器VR1，若是两者均正常，可能是Q5损坏导致的输出异常。维修中可按上述逐级排查即可。

对于这种供电异常的现象，电缆驱动板也是应重点检查的部分。该板使用LH0002驱动芯片实现声波信号电缆传输，工作时会因元器件消耗电流大致其损坏，导致无信号输出。

当检查电源板输出全部正常后，由于是整体无信号输出，就要依次检查其他电路板。在检查点火电路时，由于是整体无信号，就需要检查控制整体信号的Q12是否正常。当Q12正常后，再检查时间状态控制板和调制板，在实际维修中发现其损坏的几率很小，若有问题按照测量点依次检测即可。

例如某仪器供电电流不稳，打开仪器外筒，给仪器供电后，用万用表分别检查电源板上的±12 V、±20 V、+200 V输出正常,用示波器检查电缆驱动板上LH0002的信号输入端有信号，而检查输出端信号时无信号。更换LH0002后，仪器电流恢复正常，检查仪器信号也随之恢复正常。

图4 +200 V电源部分电路

2.2 仪器信号不完整

当仪器出现信号不完整的时候，根据电路分析，需重点检查点火电路和前置放大电路。前置放大电路图如图5所示。当某一扇区信号缺失时，首先要考虑其点火电路是否正常，依次检查相应的变压器和相应的电路，其中Q1～Q8分别控制8个扇区，Q9、Q10分别控制三英尺声幅和五英尺声波全波列探头。

图5 前置放大电路电路图

检查完点火电路板后要检查前置放大板，该板是用来接收、整形及放大来自接收晶体的10个信号，并使这些信号在周期选择的控制下完成多选一一输出，以便进一步处理的。在放大板的放大电路中使用的均是HA2620。该元器件由于自身原因易损，因此首先应考虑到其损坏。

在实际维修过程中，由于三英尺声幅和五英尺声波全波列信号共用1个发射器，两者同时缺失就可以判断其发射部分有问题，若只是其中一个没有信号，就能说明其发射部分是正常的，检查其对应的接收部分即可。

2.3 仪器信号有干扰

仪器信号干扰来自两方面，一方面是仪器自身有故障，如元器件接触不良、接地不良，或是声系漏油等；另一方面是测井设备有故障，如地面接地不良、电缆绝缘，或是滑环绝缘不好也会产生干扰信号。

当仪器信号有干扰时，首先要判断是仪器自身有故障还是测井设备有故障。第一步对该仪器使用另外一套地面设备进行测试，若未出现干扰问题，即说明是地面测井设备故障。下一步是针对测井设备故障具体分析，如地面接地不良，则重新进行接地；电缆绝缘和滑环绝缘不好时，要判断是电缆头还是电缆本身，用绝缘表进行绝缘测试，对绝缘不好的部分进行更换或维修。若仍然出现仪器信号有干扰，可判断为信号干扰来自于仪器自身故障。首先检查各电路板元器件接触是否良好。当元器件接触不良、接地不良时，应将接触不良的元器件重新进行焊接，接地不良的部分重新固定，以保证接触良好。当信号干扰来自声系漏油，则需更换损坏的部件，更换后还需要对仪器进行充油，再在刻度筒内加压测试维修效果。

3 结束语

通过对八扇区水泥胶结测井仪常见故障分析及排除，总结了维修经验。由于八扇区水泥胶结测井仪电路复杂，维修难度大，维修人员应认真分析电路原理和故障现象才能准确地判断出具体故障点。