綜合錄井儀系統研究

摘 要：綜合錄井儀是集地質錄井、鉆井工程和信息評價于一體的鉆井監測、資料錄取系統。數據采集單元作為綜合錄井儀的核心部分，是獲取原始井場數據的唯一來源。目前國內外綜合錄井儀規格多達幾十種，數據采集單元在格式標準和硬件匹配上，矛盾尤顯突出。不僅造成儀器使用繁雜，還給后期的維修和維護工作帶來難度。進而導致培訓難度大、服務成本高等問題，嚴重影響服務質量。為滿足生產標準化需求，規范井場數據采集技術，實現開放性數據共享，分析并應用氣體采集系統。

關鍵詞：綜合錄井儀；通訊方式；氣體系統

錄井技術是油氣勘探開發活動中最基本的技術，是在油氣鉆井施工中能及時獲取井下各種信息從而為油氣勘探開發和鉆井施工提供決策依據的一種方法技術，是發現油氣藏、評價油氣藏最及時、最直接的手段。國內各大錄井公司都在組織科技力量改造、研制、開發自己的設備，提高工作人員的整體素質，以市場為導向，以技術求發展。綜合錄井儀是集地質錄井、鉆井工程和信息評價于一體的鉆井監測、資料錄取系統。數據采集單元作為綜合錄井儀的核心部分，是獲取原始井場數據的唯一來源。

目前國內外綜合錄井儀規格多達幾十種，數據采集單元在格式標準和硬件匹配上，矛盾尤顯突出。不僅造成儀器使用繁雜，還給后期的維修和維護工作帶來難度。進而導致培訓難度大、服務成本高等問題，嚴重影響服務質量。

解決錄井儀器使用過程存在的品種、規格過多帶來的實際問題，涉及到錄井儀器從局部到整體標準化過程。文章參考相關資料和實踐結果對綜合錄井儀系統進行研究。

一、工程采集模塊

針對法國ALS綜合錄井儀，研究其數據采集系統的軟、硬件數據處理技術和管理方法。

二、氣體采集模塊

（一）工程采集模塊。工程數據采集單元實現井場多個傳感器信號源信息的自動采集、整合，并按照一定的通訊方式，通過工程數據采集軟件，實現傳感器實時數據向綜合錄井軟件的傳輸共享。包括采集硬件和傳輸軟件兩部分。設計和開發綜合錄井儀通用數據采集系統硬件單元，包括信號調理單元和數據采集計算機系統，前者主要作用是信號預處理，后者則屬于上位采集計算機，安裝工程數據采集軟件。

（1）SLJK-II采集硬件。在數據源方面，錄井現場傳感器已經使用工業標準的4～20mA電流型傳感器和脈沖頻率傳感器。因此通用數據采集接口研制應在傳感器的電性匹配、通用型信號調理電路設計和外型設計上實現簡化和通用化。基本設計思路是規范信號的輸入輸出特性，研制調理電路，開發出信號調理的硬件“黑匣子”。同時考慮到生產實際需求，在信號處理流程中增加防爆功能和防雷擊功能設計。

（2）工程采集軟件分析。在獲得儀器傳輸格式化的基礎上，開發工程數據采集軟件，一方面完成對硬件單元的信號讀取，一方面在完成必要的計算后，將數據傳輸到錄井軟件中，實現數據共享。該軟件模塊主要由系統初始化、數據顯示模塊、傳感器信號采集模塊、信號標定模塊數據共享傳輸模塊5部分組成。系統初始化模塊主要完成用戶對通訊卡和網絡進行配置，數據顯示模塊實時顯示采集傳感器信號的變化狀況，傳感器信號采集模塊完成對信號采集板卡原始信號的實時讀取，信號標定模塊完成采集電信號與對應物理量間的變化關系，數據共享傳輸模塊完成以匹配的通訊協議向上位采集計算機傳輸數據。

（3）數據共享傳輸模塊。用戶設置軟件所應用的儀器類型及傳輸方法，進一步完成參數的傳輸。數據傳輸格式大體有兩種，一是通用的WITS格式數據傳輸，能夠為接收WITS格式的儀器傳輸數據；二是特殊格式傳輸，即針對特殊儀器，能夠應用于3種主流綜合錄井儀，包括

Advantage、ALS系列及SL-EXPLORERZH-2儀器。傳輸方式有串口和網絡兩種，基本上適應于各種綜合錄井儀。

（二）色譜采集模塊。（1） SLSP-2K快速色譜儀。快速色譜分析的主要指導思想則是在保證分離度和靈敏度的前提下，注重分析速度的提高。一個溶質被注射到色譜儀后，會形成一個譜帶，它象一個塞子狀的氣體，其形狀應該是圓柱形的，如將其描述為色譜峰，其峰形應該是矩形的。隨著色譜過程的進行，這一柱塞形的氣流會因擴散或其他因素的影響而逐漸變形，至離開色譜柱而進入檢測器時，它已經成為一個高斯型的峰了。在峰上的任一點上，溶質的濃度符合正態分布。任何一個色譜過程，基本上都是譜帶展寬的過程。色譜峰越窄，分析周期就可以越少，所以減少譜帶寬度是快速色譜分析的主要方法。①氣體分配單元。氣體分配單元：為氣體分析單元提供各種配氣和對分析用氣進行預處理。主要功能：對鉆井液出、入口脫出樣品氣進行吸入并送入各分析系統。對空氣、氫氣和樣品氣進行干燥、凈化處理。對空氣、氫氣和樣品氣進行穩壓、穩流控制。②氣體分析單元。分析單元作為SLSP-2K快速色譜儀的核心部分，主要分為氣體分析單元和儀器控制系統兩大單元。通過兩套獨立

FID氫火焰離子化檢測器系統，可同時分析樣品氣中總烴含量和C1～C5含量。SLSP-2K快速色譜儀的分析單元中，使用了氫氣作載氣，空氣作助燃氣。樣品氣經干燥和過濾后，由樣品泵吸入，經穩壓控制后，一路直接進入總烴FID檢測器；另一路通過十通閥，由定量管到色譜柱，經過色譜預柱和主色譜柱的分離后，進入FID檢測器進行組分分析。組分分析采用單定量管，雙柱單流程，整個分析周期分為分析周期和反吹周期。

（2）檢測器系統。SLSP-2K快速色譜儀的檢測范圍要求從1ppm到100%的樣品濃度，檢測器的線性范圍和靈敏度要求很高。我們在吸收了美國VARIAN公司FID檢測器技術的基礎上重新研制了小型FID檢測器，滿足了儀器的需要。FID檢測器的性能依賴于氣體流量的合適選擇。設計的基本原則：氫氣、樣氣、助燃氣混合比（1：0.5：15）可以獲得高的響應值和好的穩定性。使用中氫氣做載氣，可省掉一路載氣。

（3）氣路系統。氣路系統包括：進樣、各種氣體的凈化處理、各種氣體管路及其壓力與流量控制、樣品泵、流量計、檢測器等。SLSP-2K快速色譜儀采用了8812和8831型的色譜專業氣體穩壓閥和針形閥。8812型穩壓閥是磨片式穩壓方式，該穩壓閥受壓截面大，受壓敏感，穩壓效果好。磨片式穩壓方式較傳統的波紋管式穩壓閥穩壓效果上要高出一個檔次，常規錄井儀器只在樣品氣上使用了磨片式穩壓方式，空氣助燃和氫氣由于造型的限制均沒有采用磨片式穩壓閥。8831型針形閥由于具有壓力選擇性，同時，在8812高穩壓精度的條件下，8831型可進行氣體流量的精細調節，保證輸出穩定的分析用氣。另外，為配合FID氫火焰離子化檢測器，建立起高質量的氣路分析系統。在氣路上進行優化設置，合理配置分析監視系統，在工藝措施上進行了針對性的設計，包括：樣品氣的放空、放空比例選擇，樣品的流徑、流速、阻尼等，建立了較為理想的氣路分析系統。

（4）電器系統。電器系統是儀器控制的核心，要求技術指標高、自動化程度高、可靠性高、操作簡便、維修方便等。在設計上采用集散式控制系統，模塊化設計，將硬件按功能劃分為5個模塊，分別為控制模塊、數據采集模塊、FID微電流放大器模塊、傳感器模塊、驅動模塊等，與計算機系統共同組成完整的儀器控制系統。1）微電流放大器。使用常規放大器無法檢測如非常小的電流，我們選用超高阻抗、低噪聲低漂移、靜電計級集成放大器AD549作為放大器。同時，又由于檢測范圍十分寬，從最小檢知濃度1ppm～100%，所以將放大器量程分為兩檔，高靈敏度檔可以檢測從1ppm到1%的組分或總烴濃度，低靈敏度檔可以檢測0.1%到100%的組分或總烴濃度。量程可以由操作人員根據檢測到的信號手動切換，也可以由色譜工作站軟件根據采集到的信號自動切換，保證了檢測最小分辨率和100%濃度的檢測要求。FID放大器由于輸入阻抗高，放大倍數高，靈敏度極高，極易受到外界干擾和產生自激震蕩，在設計上進行了許多設計保障，如精心設計電路板元件布局和走線、選擇電路板材等，最大限度地降低、避免干擾，解決了FID放大器的噪聲和前級的平衡問題，消除前末級之間的干擾，提高了放大器精度和可靠性，使放大器的本底噪聲達到10μV以下。2）數據采集系統。當前市場上有許多數據采集產品，采樣速率可從幾十到幾百K/s，但多數采用16位以下A/D，從采集分辨率和線性范圍上都無法滿足色譜譜圖采集的要求。要提高采集分辨率和線性范圍必須提高A/D采集的位數，但隨著A/D采集位數升高，采集速率急劇下降，目前國內有分辨率達到20位的數據采集產品，它們的采樣速率僅為10次/秒以下，精度和采集速率都無法滿足色譜峰的檢測。因此，與色譜工作站軟件廠家合作，使用高精度的24位A/D轉換器，由單片機控制，組成雙通道數據采集器，采集頻率達到20次/秒，滿足了快速色譜儀的譜圖采集要求，其技術指標為：最小分辨率：1μV；輸入電壓范圍：

-1.3V～+1.3V；動態范圍：107；線性度：±0.005%。3）通訊系統。SLSP-2K快速色譜儀采用集散式控制系統，儀器內部的控制系統、數據采集系統和計算機互相獨立工作，控制系統和采集系統通過串口和計算機系統聯系，計算機系統既可以通過串口和上位機通訊也可以通過網絡接口和上位機通訊。

三、成果

通過研究綜合錄井儀工程及氣體數據核心單元，包括數據采集系統、色譜分析系統的基于串口通訊方式和基于TCP/IP通訊方式的技術原理，掌握了串口通訊方式和基于TCP/IP通訊方式的多種數據通訊類型，設計開發了綜合錄井儀通用采集器，包括工程數據軟硬采集單元和色譜氣體采集軟件，初步實現了通用性軟硬件與國外進口綜合錄井儀軟件的技術配套。

（1）完成工程信號采集接口軟硬件開發。針對目前國內外市場上的主流綜合錄井儀，研發了適合目前多種錄井儀器的數據采集單元，形成標準數據采集系統流程和技術規范。（2）色譜儀通用數據接口研制，研發了標準化色譜儀數據工作站。

隨著國內市場進口綜合錄井儀服役時間加長，儀器逐漸進入故障多發期，通過該研究成果能夠實現硬件技術配套，從而解決儀器故障維修和技術改造的現實問題，降低儀器整體運行費用，具有廣闊應用前景。

參考文獻：

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