三孔隙度仪器故障维修案例分析

刘鑫

（中海油田服务股份有限公司，天津 300450）

0 引言

交叉偶极阵列声波测井仪是声波测井的有效手段，声波在地层中的传播特性受地层中各种岩性的骨架成分、孔隙结构、渗透性和流体性质等影响，通过测量地层的声学传播特性能够有效地分析、研究储层特征。仪器采取单极、偶极双激发的方式，利用具有不同频谱的声波发射、接收探头，在地层中有目的地激发和接收纵波、横波和斯通利波，对采集到的波形数据进行处理，可以准确地获取各种类型波的慢度及声波幅度、衰减系数等数据，可定量计算地层各向异性参数[1]。

补偿中子测井仪属于放射性测井，是利用岩石中的含氢量来研究岩石性质和孔隙度。其利用自身的化学中子源——镅-铍源，向地层发射高能4.1 MeV的快中子，地层物质的原子核与这些中子发生碰撞，每次碰撞后每个中子会损失能量；氢原子与中子碰撞的影响最大，通过长、短源距两个探测器测量尚未被地层俘获的热中子密度随源距的衰减率，并把衰减率转换为刻度过的孔隙度值[2]。

阵列密度测井仪主要用于套管井中地层密度的测量，探头是密度测井仪的核心部分。普通双源距密度测井仪不能满足在套管井中的地层信息测量要求。针对这些缺陷设计了阵列密度测井仪器，采用四探测器结构，获取更多的测量信息，通过数据处理获得套管井地层密度及套管信息。利用同位素伽马源向地层辐射伽马射线，再利用不同源距的探测器来测量经过地层散射和吸收后的伽马射线。阵列密度仪器具有创新性，打破了国外厂家的技术垄断，大大降低了老油田、老区块套管井开发的成本。阵列密度测井仪可以测得套管井的地层密度，根据地层密度数与物质原子序数之间的密切关系，可定量求出地层的孔隙度[3]。

三种仪器进行组合测井后在维保过程中分别发现过一些典型故障，下文分别对相关故障进行总结分析，为后续仪器维保工作提供可靠依据。

1 交叉偶极阵列声波测井：全波及时差测量模式无波形

连接地面系统检查仪器发现仪器单极子发射探头无响声，全波无波形。仪器由四个短节组成，即接收短节、 隔声体、发射短节以及发射电路。单极发射控制板和偶极发射控制板通过主控板发出的触发脉冲，使发射变压器激发。根据故障现象，确定发射电路短节出现异常。EXDT61FA-单极子发射控制板原理图如图1 所示。

图1 EXDT61FA-单极子发射控制板原理图

快开关特性可确保Q5（三极管5）、Q6（三极管6）消耗最小功率，即当U2 的PIN3（管脚3）为0 V时，开关管Q3（三极管3）、Q4（三极管4）导通。将声系上的单极发射变压器的初级正极接T7（接线柱7）、负极接T8（接线柱8），同时将骨架上的高压储能电容正极接到T7，此电容储存激发换能器的直流电压。当开关管Q3、Q4导通时，此电容通过发射变压器向发射换能器放电，换能器接在变压器的次级。开关管Q5、Q6在U1（移位寄存器）的PIN6（管脚6）的15 V脉冲持续期间一直保持导通状态。当PIN6的脉冲结束变为0 V时，Q3、Q4由于Q2的下拉作用保持截止状态。开关管的通断控制储能电容的电流放电，其放电电流峰值超过140 A。此电路板功能为：（1）对输入的180 V交流电压作整流滤波；（2）将转为直流的输入电压升压到直流420 V。

U1为 一 四 比 较 器，其PIN6采 样R6（电 阻6）、R7（电阻7）之间的电压，当电压超过PIN7（管脚7）上的参考电压时，比较器打开并将电压接入PIN5（管脚5），这将改变开关管Q1（三极管1）振荡的占空比，并最终控制高压储能电容的充电。使用示波器测量T9（接线柱9） fire信号，发现信号未拉到地，放电不完全，导致发射变压器无法正常工作，使用烙铁等工具将三极管焊下进行测量，更换故障三极管，仪器工作正常[1]。三极管测试方法为：管子测量时，G（栅极）-S（源极）间阻值为无穷，D（漏极）-S（源极）间阻值约1 MΩ，将G-S短接，测量D-S间电阻无穷大，则三极管无损坏。

2 补偿中子测井仪：仪器无通讯

使用地面系统连接ERTT（通讯短节）检查仪器，交流电压和电流显示正常，中子仪器无通讯。中子通讯原理图如图2 所示。

图2 中子通讯原理图

使用万用表检测仪器工作电压正常；示波器检测IO 板上UDI（命令）信号，正常为5.0 V脉冲，基线上有明显杂波干扰，更换芯片DS78C20后，UDI信号正常，地面系统显示中子依然无通讯。继续检测，UDI信号到达主控板经过驱动芯片由原来5.0 V变为仅有1.5 V，信号出现明显异常，更换驱动芯片54HC4050后，输出的UDI信号正常，此时地面显示中子恢复通讯，计数及其他参数正常[2]。

3 阵列密度测井仪：BACK 和SHORT 探测器无能谱

连接地面测试仪器，仪器共有四个谱峰，检查发现其中两个探测器谱峰无显示。阵列密度测井仪由探头和电子仪总成组成，通过交叉对比，将故障确定在电子仪总成上。阵列密度信号原理图如图3 所示。

图3 阵列密度信号原理图

抽出电子线路展开排查，MA（探头）采集的四路原始信号进入EA（电子）后，分两组经由两块ASP（模拟板）对脉冲信号进一步处理，对应进入两块PHA（谱分析）板进行能谱分析及数字化，最后PHA板通过RS485（485 总线）板间通讯将信号传到主控板，然后控制模式变压器将数据传给通讯节，进一步上传到地面系统。用示波器测量两个ASP处理输出的四路脉冲信号无异常，进入PHA1（谱分析1）板的两路脉冲信号正常，PHA2（谱分析2）板两路输入信号与之相同。

由于两块PHA板后续处理已转换为数字信号，选择交叉调换后，地面显示现象无变化，故将故障排查转移到主控板上，两块PHA板与主控板通过RS485方式传输数据，测量主控板上两个RS485 驱动芯片时，其中一路发现问题，PHA1板传输的信号正常，而需要转换的收发信号UART1-RX（接收）、UART1-TX（发射）无显示，再次查找发现该芯片的UART1-DIR（使能信号）缺失，造成主控与PHA1 板未建立通讯，而另一路PHA2板各通讯信号正常。因此将故障判定为通讯驱动芯片未工作，导致地面上两路能谱信号缺失，两信号同在PHA1板处理[3]。

对于该故障维修，一般认为是芯片故障将使能信号拉低丢失，更换485 驱动芯片后，现象依旧，进而向上一级排查。产生该使能信号为100 脚CPU（控制）芯片的第41 脚，对该位置稍加按压，485 通讯则正常，地面系统各波形及谱峰也正常，因此故障是因CPU芯片管脚虚焊，而使产生的使能信号未能传输到通讯驱动芯片。

针对该故障完成整改：（1）在CPU芯片周围各管脚涂抹助焊剂，少量加注焊锡以重新焊接；（2）完成焊接后用放大镜检查确认无粘连及虚焊，并用电路板清洗剂清洗焊接残余；（3）同为多管脚的芯片也按同样方式重新焊接。

4 结语

三孔隙度仪器组合测井模式相比传统作业模式可极大提高作业时效，减少仪器下井次数，降低作业风险。此外，作为仪器维保人员要对仪器了解透彻，针对不同故障举一反三、触类旁通，不断提高仪器稳定性，积极响应国家能源号召，高效保障海上一线作业。