張嘉偉 宋公仆 賽 芳 薛志波

(中海油田服務股份有限公司油技事業部 北京)

核磁共振測井井下模擬器設計＊

張嘉偉 宋公仆 賽 芳 薛志波

(中海油田服務股份有限公司油技事業部 北京)

核磁共振目前作為一種高端技術已經廣泛應用于實際地層測試中。文章主要介紹了一種核磁共振測井儀井下模擬器的相關設計。通過該模擬器可以生成核磁共振測井儀在實際地層中所測得的數據,并按照一定的通訊協議格式傳輸到地面處理系統進行相應的分析處理。通過該井下模擬器,地面控制處理系統可以在沒有實際核磁共振儀器的情況下很方便地進行地面軟件的調試與處理算法的測試,從而極大地提高了地面系統軟件編寫與前期測試的效率。

核磁共振;回波信號;T2譜反演;孔隙度;滲透率;擴散系數

0 引 言

核磁共振測井方法可直接測量地層孔隙中可動流體的信息,可定量確定自由流體、束縛水、滲透率及孔徑分布,其孔隙測量不受巖石骨架礦物成分的影響,因此目前頗受測井行業的廣泛應用[1、2]。本文主要介紹一種核磁共振測井儀井下模擬器的相關設計。主要描述了模擬器的整體設計構架、各個關鍵模塊的功能簡介、工作流程設計程序結構,并詳細說明了仿真數據生成的模型。最后對該模擬器的實際應用進行簡要介紹。目前該模擬器已經應用于實際核磁共振地面系統的調試中,并取得了很好的運用效果。

1 核磁共振井下模擬器設計

1.1 井下模擬器設計方案

核磁井下儀器模擬器主要由三部分構成,包括數據傳輸短節簡化部分、通訊電路和測井數據容量增強模塊(以下簡稱數據增強模塊)。通訊電路與遙傳短節之間進行交互,通訊內容包括命令接收和數據上傳;數據增強模塊則用于產生與儀器采集相類似的數據,提供給通訊與遙傳交互。如圖1所示。

圖1 核磁井下儀器模擬器功能框圖

模擬器主要完成以下工作：通訊板接收傳輸短節發送來的曼切斯特碼,進行解碼;通訊板接收數據增強模塊生成的數據,并將數據編成曼切斯特碼,再通過不同的模式發送給傳輸短節;通訊板對傳輸短節發送來的命令解碼后,下傳給數據增強模塊;通訊板產生基本模擬測井數據;數據增強模塊通過軟件建立孔隙度模型、滲透率模型等數據的算法,并在其中加入噪聲及振鈴等干擾,產生擴展模擬測井數據;數據增強模塊在接收到數據請求命令后,將符合要求的模擬數據上傳給通訊板;為操作人員提供方便的人機接口。

1.1.1 核磁井下儀器通訊電路的結構

通訊電路通過測井儀器總線實現與地面系統的數據和命令的交互功能,其典型工作流程是將模式時序表信息下發到事件控制電路,將采集到的輔助參數信息和采集處理電路獲得的回波信息上傳給地面系統。該電路主要由輔助參數測量、板間通訊模塊(與事件控制采集電路通訊)、與地面系統通訊模塊等組成,如圖2所示。

圖2 模擬器通訊電路功能框圖

圖3 儀器模擬器通訊板硬件構架

按照通訊板的功能要求,在圖3中描述了通訊板的硬件構架。由圖3中可以看出,通訊板主要由DSP+FPGA構成,其中的DSP負責輔助參量的數據采集、與數據增強模塊的CAN通訊控制、與測井儀器的通訊接口的控制等;FPGA則主要是實現模式2、模式5和模式7傳輸方式(EDIB總線協議定義的模式)的數據編碼和模式2傳輸方式的命令解碼,同時還完成對擴展CAN控制器SJA1000的邏輯控制[3]。1.1.2 模擬器數據增強模塊說明

如圖1所示,模擬器中數據增強模塊是其核心部分也是與儀器主控通訊電路的最大區別所在。數據增強模塊存在的主要原因是由上傳回波數據的類型和容量要求所決定的。測井回波數據的來源有三類,分別是：①對巖性分析儀靜態數據進行動態化處理獲得的數據;②根據設定的測井模型參數和NMR原理計算出的回波數據,這類數據需要預設模型參數和噪聲參數,并進行動態化處理;③實際測井數據。

儀器主控通訊電路受到功耗、高溫環境和電路板尺寸的限制,其計算速度和存儲資源有限,而這三類數據無論從計算速度和存儲資源看,都超出了通訊電路的限度,因此不可能僅由儀器主控電路來完全提供如上三類測井回波數據,數據容量增強模塊即擔負著提供回波數據這一功能[4]。

1.2 模擬器工作流程

核磁井下儀器模擬器是對井下儀器的工作的模擬,其基本功能是產生模擬測井數據傳送到地面系統,從這一點看來井下儀器的工作流程基本上就是模擬器的工作流程。圖4描述了模擬器工作的基本流程。

首先模擬器在上電伊始需進行相應的初始化操作,包括復位緩存,初始化完成后,等待接收地面系統的命令。若是收到參數下載或參數修改命令,模擬器則將參數表存儲或更新;若是收到掃頻或刻度命令,模擬器則產生數據后直接上傳(根據現有協議不需要數據傳輸命令);若是收到采集命令,則由通訊板產生基本測井模擬數據或由增強板產生擴展測井模擬數據,等待發送;若是收到數據傳輸命令,則將準備好的數據上傳。

圖4 核磁井下儀器模擬器工作的基本流程

1.3 通訊電路與數據增強模塊通訊

由圖4的工作流程可知,通訊板在收到地面系統下發的命令及參數后,通過CAN總線將命令及參數發送給工控機,待工控機將數據生成并準備好上傳,也通過CAN總線將準備好的數據上傳給通訊板,通訊板則將數據編碼為曼徹斯特碼后上傳給地面系統。因此,通訊板與數據增強模塊之間的通訊是通過CAN總線來實現的,TMS320F2812片內自帶一個CAN控制器,只需擴展隔離和驅動器即可。CAN總線的最大傳輸速率為1 M,通過計算可得實際傳輸速率為530 kbps,而M5和M7傳輸通道(EDIB總線協議定義的通道類別M5、M7,都以標準差分不歸零曼碼進行傳輸)的傳輸速率僅為93.75 kbps,數據從工控機傳輸到通訊板的速率遠大于通訊板通過EDIB總線上傳的速率,而通訊板上擴充了512K×16位的RAM作為存儲緩沖區,能夠存儲工控機上傳的數據并且不產生上溢,可以滿足要求[5]。儀器要求的最小 Te(回波間隔時間)為0.4 ms,這里按0.1 ms的 Te來計算,需要傳輸的一個有用回波信號數據量為兩個字,一個字幅值和一個字相位,由此計算出工控機與通訊板之間要求的傳輸速率最小為：2×16bit/0.1 ms=320 kbit/s=20 K words/s。

1.4 模擬器硬件結構設計

圖5 模擬器的硬件構架

依據前面所述模擬器的功能和工作流程設計了圖5所示的模擬器的硬件構架。地面系統與模擬器間的通訊包括命令下發和數據上傳,均通過EDIB總線(一種有線電纜測井總線協議)來實現。通訊板中,EDIB總線協議在FPGA中實現,完成編碼、解碼工作,并通過變壓器和收發器實現與 EDIB接口的匹配連接。DSP協同FPGA一起完成對DC電源和開關的控制工作,并提供CAN接口與數據增強模塊通訊。數據增強模塊的硬件平臺是基于PC機結構,液晶觸摸屏和鍵盤為用戶提供了良好的人機界面,CAN接口使增強模塊與通訊板可通過CAN協議傳輸數據和命令。

2 模擬器仿真數據生成模型設計

模擬器有效仿真數據生成主要是在數據增強模塊里實現的,它相當于井下模擬器的仿真信號數據庫。根據地面系統下發給模擬器的相關指令參數,生成相應的仿真回波信號數據并通過CAN總線傳輸給通訊電路,由通訊電路將其轉換成 EDIB總線對應的M5、M7通道數據類型后傳輸給地面系統進行處理和分析。

2.1 仿真數據生成模型上位機設計

模擬器仿真數據生成模型上位機軟件主要實現兩個方面的功能：(1)與地面系統之間的通信,接收地面系統的指令并根據不同的指令實現不同的功能,生成相應的數據回傳至地面系統;(2)上位機軟件還需要實現掃頻、刻度以及回波數據的生成,修改,導入,導出等功能。其主要程序模塊介紹如下：①CAN驅動程序：模擬器通訊電路與上位機通過CAN接口相連,采用PCA82C250芯片作為CAN接口控制芯片實現模擬器通訊電路與數據增強模塊之間的通訊交互。②上位機軟件的線程設計：地面系統通過發送指令,模擬器仿真數據生成模型上位機軟件接收到指令后開始仿真,并將生產的數據回傳至地面系統。地面系統與上位機軟件之間的通信協議簡圖如圖6所示。③回波數據的生成：回波數據的生成是重點,也是難點。回波數據的生成需要根據核磁共振的原理來建立一個核磁模型,輸入不同的對象和不同的參數(例如回波的個數值Ne、回波的間隔時間 Te,等待時間TW等)來進行仿真生成不同對象的回波數據,并回傳至地面系統。重點是需要建立核磁共振的模型,對模型的仿真存在著不同的觀測模式,產生的回波數據根據不同的觀測模式有不同的數據格式。

圖6 上位機軟件通信協議簡圖

2.2 仿真數據生成模型

仿真數據的生成模型主要分為：孔隙度模型和滲透率模型兩種。上位機軟件通過對這兩種模型的生成公式計算出相應孔隙度與滲透率對應的回波數據,并回傳給地面系統進行處理與分析。

2.2.1 孔隙度模型設計

核磁共振測井確定地層孔隙度的依據來自觀測信號強度與孔隙流體中氫核含量的對應關系。如果觀測信號能夠正確地反映宏觀磁化強度 M,那么,它在零時刻的數值大小將與地層孔隙中的含氫總量成正比。由此經過恰當的標定,即可把零時刻的信號強度(FID或回波串)標定為巖層孔隙度[5]。通過刻度處理后,由T2分布可直接得到孔隙度,即

這意味著觀測的孔隙度可以被分解成不同弛豫時間區間的孔隙度,即得到孔隙度分布 P1,P2,…,P8(或至 P10)。它們是與 T2i(i=1,…,n)對應的各孔隙系統在觀測到的總孔隙系統中所占的比重。由孔隙度分布信息,可以進一步了解儲層質量,例如當孔隙度分布集中在比較小的弛豫時間上,即 P1,P2等占優時,說明儲層以微孔為主,如果是碎屑巖,則意味著骨架顆粒很細;當孔隙度分布集中在比較大的弛豫時間上,即P7,P8等占優時,說明該儲層以大孔為主,對碎屑巖,意味著骨架顆粒很粗。孔隙度模型下原始數據的計算,就是根據預先定義好的孔隙度(P1,P2,…,Pn),及對應的弛豫時間(T2i)區間分布,再疊加一些實際測井中的噪聲,模擬生成原始測井數據。

回波原始數據的模擬計算和回波擬合是一個相反的過程。

2.2.2 滲透率模型設計

核磁共振滲透率的測量是基于試驗和理論模型及其相互關系的結合。當這些模型中或關系式中其他因素保持常量時,滲透率隨聯通孔隙度的增加而增加。滲透率的單位達西(D)是一個面積單位。從巖石理論應用的實際考慮,可以認為滲透率與某些幾何尺寸的平方成正比。毛管壓力曲線和滲透率之間的相關性表明這一尺寸就是孔隙喉道尺寸。核磁共振雖然測量孔隙體的尺寸,但是在幾乎所有砂巖地層和部分碳酸鹽巖地層中,孔隙尺寸和孔喉尺寸有很強的相關性。滲透率是反映孔隙介質(巖石)允許通過流體的能力。迄今,估計滲透率的方法都是間接的,核磁共振也一樣。通過對滲透率與核磁共振特性之間的相關分析,來建立相應的滲透率模型。利用巖石核磁共振的弛豫特性及擴散測試結果,已經建立了多種有關滲透率的經驗公式。滲透率與孔隙度及巖石比表面積有關。基本表達式是所謂的K ozeny公式,即：

式中,K是滲透率,mD,φ為孔隙度,%;S/V為巖石的比表面積,(cm2/cm3);Γ為“結構因子”,或“彎曲因子”,無量綱,其量子決定與孔隙的形狀以及單位長度內多孔固體中流體流過的路徑。利用K ozeny方程,通過巖石核磁共振弛豫時間與巖石孔隙比表面積的相關性,可以建立巖石滲透率的方法。下面主要介紹Coates束縛水-滲透率模型,其模型主要公式：

式中,FFI為自由流體的孔隙度;BVI為束縛水孔隙度;C為系數。Coates模型中,孔隙尺寸參數是通過T2截止值隱含輸入的,它確定 FFI和BVI的比值,同時FFI/BVI值得變化描述了S/V的變化。工作在該模式下時,用戶需輸入總孔隙度(φ),T2截止值,自由流體孔隙度(FFI),束縛水孔隙度(BVI),模擬器便可以在滿足要求的情況下隨機計算孔隙度與對應的弛豫分布,模擬出仿真數據。

模擬出的數據與孔隙度模型是一樣的,不同的是需滿足一定的條件。

3 結束語

通過該模擬器,地面系統可以很方便地進行前期控制與采集處理程序的開發和測試。在開發地面系統前期,成功擺脫了傳統必須掛接實際井下儀器進行程序開發與試驗的束縛,大大提高了地面系統的開發效率。在后期應用階段當地面系統與井下儀器掛接聯調出現故障時,通過該模擬器可以快速查找故障,節省了大量維修時間。目前該方案已經成功應用于核磁共振儀器的測試體系中,并得到了很好的應用效果。

[1] George Coates,肖立志,Manfred Prammer著,孟繁瑩 譯.核磁共振測井原理與應用[M].北京：石油工業出版社,2007

[2] 邵維志,莊 升,丁娛嬌.一種新型核磁共振測井儀——MREx[J].石油儀器,2004,18(2)

[3] 肖立志.核磁共振測井資料解釋與應用導論[M].北京：石油工業出版社,2001

[4] 肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應用[M].北京：科學出版社,1998

[5] 肖立志,謝然紅.核磁共振測井儀器的最新進展與未來發展方向[J].測井技術,2003,27(4)

Design of simulator based on NMR downhole tools.

Zhang Jiawei,Song Gongpu,Sai Fang,Xue Zhibo.

As an advanced technology,NMR is widely used in actual well logging.In this paper,a design of simulator based on NMR downhole tools is introduced.Through this simulator,we can generate data which is similar with actual data logged from well logging.And through a certain communication protocol,we can transmit simulated data to surface system for analysis and process.Through this simulator,surface system is very convenient to debug software and test processing arithmetic.This simulator improves the efficiency of software-writing and previous test obviously,so it is valuable in application.

NMR(Nuclear magnetic resonance);echoes;T2 spectrum inversion;porosity;permeability;diffusion coefficient

TN912

B

1004-9134(2011)06-0007-04

中海油企業發展基金(H04010701W070552)

張嘉偉,男,1982年生,電子技術工程師,現在中海油服油技事業部從事核磁共振測井儀器研制工作。郵編：101149

2011-05-04

高紅霞)

PI,2011,25(6)：7～10

·開發設計·