固井質量探管原理與應用

文/劉子松

（中國煤炭地質總局第二水文地質隊 河北·邯鄲）

一、引言

固井質量檢查測井是煤層氣勘探開發施工中的重要手段之一，主要用于檢查水泥環膠結質量，進行套管校深等。固井質量探管一次下井，可以獲得自然伽瑪、聲幅、磁定位、聲波變密度及時差五種參數，可以滿足煤層氣鉆孔固井質量測井評價的需要。

目前，國內煤田系統在煤層氣固井質量檢查測井中，主要有MT－Ⅲ型全波列測井儀和PSZJ－1型聲波全波列測井儀。上述儀器采用單發雙收聲系系統，其測量的聲波幅度參數不僅受到套管水泥膠結質量的影響，還受到井下儀器傾斜和偏心等因素的影響。且其聲波全波列參數采用模擬信號由井下傳輸到地面儀器，由于測井電纜很長，有效帶寬有限，傳輸到地面儀器時，不可避免地會產生失真及引入各種干擾信號，降低了信號質量，難以反映出真實的全波列信號。實際測井時，測井資料準確性不佳，有時不能準確反映套管的第一、第二次界面水泥膠結質量。

二、測井因素分析與設計改進

目前，針對上述儀器存在的問題，AFG－3型固井質量探管利用聲波振動迭加、等效聲衰減系數的概念和續至波能量積分方法、全數字化高速雙向通訊系統設計而成。井下主控制器采用基于新型ARM Cortex-M3核心的高速32位處理器，采用高速A/D器件對聲波全波列、聲幅、磁定位信號等模擬信號進行數據采集，采用具有比較/捕獲寄存器的16位可編程計數器采集時差信號，采用16位可編程計數器對自然伽瑪脈沖信號進行數據采集，并利用ARM處理器的高速運算特點，實現了兩道全波列信號的數字化，使傳輸到地面的信號不再與電纜長度相關，避免了傳輸過程中各種干擾信號對全波列信號的影響。

（一）測井因素分析。對水泥膠結質量測井的影響因素可分為靜態和動態兩類：前者是井身條件，如微環、竄槽、套管在井中不居中等因素；后者包括井溫、井壓、井下儀器的傾斜偏心、換能器的發射、接收靈敏度的綜合響應不一致等因素。正常條件下，對于自由套管，顯示高的聲幅記錄值，準縱波旅行時間就是它在套管中的傳播時間。變密度顯示寬且黑的平行垂直線，沒有地層波信號顯示。在套管接箍處有明顯的紋波顯示，準縱波旅行時間略有增大，聲幅值減小；對于一次和二次界面水泥膠結良好的情況，聲幅曲線記錄值較低，除了疏松的砂巖、泥巖等聲衰減大的情況外，只顯示弱或不顯示套管波，但顯示較弱的地層波，對于一次界面膠結良好二次界面膠結不好的情況，顯示弱的套管波和地層波信號。

然而，在有泥餅且沒有被水泥取代的滲透區域，容易引起一次界面膠結良好而二次界面膠結不好的情況。雖然二次界面之間存在泥漿，聲耦合較差，接收的套管波和地層波較小，但是里面的泥漿穩定不動，即對液體密封效果仍然良好。有時在套管和水泥之間存在可使液體遷移的微環，微環的存在使接收的套管波中等或較大，地層波略小或中等。象微環一樣，竄槽影響水泥膠結質量測井，它的存在使套管波較大或中等、地層波中等。

井下儀器傾斜偏心使得聲波波列的各種波的傳播路徑發生變化，它們的相位發生變化并以不同的相位迭加，致使接收的聲波信號減小。套管不居中和薄的水泥環可使接收的聲波信號幅度發生變化，當水泥環厚度小于1.9cm時，套管波的聲衰減下降很快，導致高的幅度響應。測井電纜的電氣性能和幾何長度都會對從井下傳輸到地面的聲波信號大小受到影響。隨著井深的增加，溫度、壓力和泥漿的聲阻抗也隨之增加，換能器的發射、接收靈敏度也隨之發生變化，這些也都影響聲波信號幅度的大小。從以上分析可知，水泥膠結質量測井解釋不可避免地存在不確定性。為了提高測井資料解釋的可靠性，還需和其他信息，如裸眼聲速測井、井徑和套管設計資料一起，綜合解釋鉆孔的水泥膠結質量。

（二）設計原理。AFG－3型固井質量測井儀利用雙收聲幅補償原理，用數字化傳輸多道聲波信號方式和續至波能量積分方法，可在很大程度上消除上述因素對測井采集數據的影響。據資料可知，接收的套管波實質上是沿套管與泥漿界面傳播的滑行波，一次界面的一次和多次反射波的迭加波可用下式表示：

式中，α是反映孔內一次界面水泥膠結質量的等效聲衰減系數；m是泥漿的聲衰減系數；r1和r2分別是聲波從聲源傳播到套管的距離和在套管中傳播的距離；A是幅度系數。由（1）式可知，在理想條件下，α值越大，接收的套管波幅度越小，則一次界面膠結質量越好；反之，膠結質量不好。但接收到的幅值也受發射功率及井徑的影響，而雙收聲幅補償原理可彌補上述不利因素，該原理要求兩個接收換能器R1、R2的靈敏度一致或接近。設x和y分別是源距和間距，D和θ分別是套管內徑和聲波入射角。因為只用首波幅度判斷一次界面的膠結質量，因此略去（1）式中的e項。把上述因素對套管波幅度的影響歸結到換能器的發射和接收靈敏度中一道處理。設F和L分別是換能器的發射和接收靈敏度，N是井溫、井壓等因素的影響，則（1）式變為：

經推導，可得出近道和遠道的幅度比，分別為：

由式（3）、（4）可知，接收信號幅度比不受發射靈敏度與井徑的影響，但受接收靈敏度的影響，說明幅度比測井方法可部分消除上述因素的影響。提高等效聲衰減系數α，既獨立于換能器發射靈敏度，也不依賴其接收靈敏度和其他因素，說明等效聲衰減系數測井方法能夠提高判斷一次界面水泥膠結質量的可靠性。

（三）儀器組成及電路分析。AFG－3型固井質量測井探管由電子線路、超聲波聲系、磁定位傳感器、閃爍計數器等組成。探管電路的主控制器采用基于ARMCortexTM-M3核心的STM32芯片，其內部集成有2路16通道的高速ADC，3個16位通用計數器和1個高級功能計數器，支持CAN2.0總線接口。電路硬件框圖見圖1。（圖 1）

1、聲波信號放大器。以往的探管電路中，聲波信號放大器一般均使用固定增益的放大器，其電路的線性放大范圍有限。實際測井時，由于不同地層、固井質量、水泥環厚度等因素的影響，使接收晶體接收到聲波信號的幅度范圍很大（可達40～60dB），以往探管的放大電路難以保證如此大的動態范圍，容易飽和失真或輸出信號太小。針對這種情況，對其輸入電路部分進行了全新設計，對放大電路的線性放大范圍進行了改進，利用對數放大器電路及自動幅度調整電路，使電路動態范圍達到了80dB，使接收的聲波信號處在線性放大區，不失真地轉輸給后續電路，以滿足測量聲幅參數和聲波變密度的要求。（圖2）

圖4 CAN總線接口電路

圖5 接箍信號濾波器幅頻特性

圖6 自適應濾波器的原理框圖

圖7 系統流程圖

可控制增益放大電路先用集成的可控制增益放大器AD603，用主控制器輸出的PWM波經TL084濾波和緩沖后，形成0～1V的直流控制電壓，加在AD603的1腳，可實現10～30dB的增益控制。（圖 3）

2、高速AD轉換。高速AD轉換采用STM32控制器內部集成的12位高速ADC，其轉換速度達到1Mbps，共2路ADC，每路ADC16個通道。其中，第1路ADC用于采集2路全波列信號，利用TIMER4產生的定時信號來自動觸發ADC轉換器，轉換的結果通過DMA自動傳輸到內部RAM，整個過程自動完成，無需程序干預。其實每道全波列信號采集2ms，共512點，采集速率為250K，完全可以滿足全波列信號的頻率要求。對于磁定位信號，選擇采樣頻率為1KHz，每次采樣16次，取平均值，作為一次采樣的結果值。

3、天然伽瑪計數器。利用STM32內部的TIMER1，對放大后的脈沖信號進行計數，經平均運算及數字濾波后，得到CPS計數率值。

4、通訊接口。通訊接口采用CAN總線接口，速度達到1Mbps，可以滿足2路數字全波列信號以及聲幅、時差等信號傳輸速率要求。CAN總線接口電路圖如圖4所示。（圖4）

5、接箍感應信號處理電路。為了獲得良好的磁定位信號，磁定位傳感器選用釹鐵硼TH150強磁鐵作為傳感器的磁極，其最大磁能積量是普通磁鐵的10倍。由于接箍感應信號每10m左右才產生一次，其頻率為1～5Hz，為了將接箍感應信號從噪聲信號中分離出來，在磁定位預處理電路的入口設計了一個低通濾波器，其實測幅頻特性如圖5所示。從幅頻特性看，當信號頻率增大到10Hz時，它的幅度衰減了70%，因此頻率較高的干擾信號不能進入磁定位預處理電路。該電路只對接箍感應信號進行放大預處理。（圖5）

6、數字濾波器。實際測井過程中，由于各種干擾因素的存在，使獲得的測量數據難以直接應用，為了獲得良好的測井數據，充分利用了STM32強大的數據處理能力，針對聲幅、時差、天然伽瑪等不同的信號，設計了不同的數字濾波器來對其處理，提高了數據的有效性。對于聲幅、時差以及磁定位信號，采用32點平滑濾波算法，可有效消除突發干擾信號。對于天然伽瑪信號，采用了目前公認的最有效的自適應濾波方法，濾波的參數能夠根據輸入信號與噪聲的變化進行自動調整，這種自動調整依據實際輸出和希望輸出的差異，用某個自適應控制算法來進行，從而使恢復誤差最小化，以實現最佳的實時濾波。自適應濾波器一般包括濾波器結構和自適應算法兩個部分，這兩部分不同的變化與結合，可以導出許多種不同形式的自適應濾波器。自適應濾波器的原理框圖如圖6所示。（圖6）

自適應濾波器的LMS自適應算法描述如下：

濾波器的輸出為：

權系數修正公式為：

式中，y～（n）-濾波器的輸出；e（n）-誤差輸出；X（n）-輸入信號；Wn-權值；m-步長；T-轉置。

在本例中，采用固定步長LMS自適應算法。步長的計算公式：

式中，λm-輸入信號自相關矩陣的最大特征值；trR-輸入信號自相關矩陣的矩陣秩。

三、系統軟件設計

根據儀器的功能要求及硬件結構，程序主流程圖如圖7所示。（圖7）聲波發射后，軟件經過一段時間的延時，然后開始連續采集兩路聲波信號，共500點；經過運算得到時差與聲幅值；然后采集磁定位值，每次轉換16次，求得平均值后，作為一次采集值。

四、結束語

針對目前煤炭系統使用的固井質量檢查探管存在的問題，我們設計了AFG－3型固井檢查探管，充分利用了STM32強大的數據處理能力和高速度，實現了聲波信號的全數字化采集與傳輸。經多次的野外試驗表明，整個系統在測井過程中工作穩定、抗干擾能力強，獲得了較好的測井成果資料。