基于套管設計的過套管測井系統井下儀器研究

張家田　崔新　許凱

摘 要： 傳統的過套管電阻率測井測量誤差較大，探測深度較淺，為了解決傳統測井儀器在生產測井中的局限性，有必要研究一種新型的過套管電阻率測井儀器。這種測井儀器基于一種特殊設計的套管，該新型套管由多段玻璃鋼套管和金屬套管交替構成。由于玻璃鋼套管的絕緣性，從而達到了使更多的信號進入地層的目的。基于該新型套管設計一種新型過套管測井系統，并重點進行井下儀器系統的設計，具體包括激勵信號源設計、數據采集系統設計、主控制器的選型與設計等。

關鍵詞： 測井技術； 套管設計； 過套管電阻率測井； 井下儀器

中圖分類號： TN710?34； P631.83 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0127?03

Abstract： The measurement error of the traditional cased hole resistivity logging is big and investigation depth is shallow， to solve the limitations of traditional logging tools in production logging， it is necessary to study a new cased hole resistivity logging instruments. The logging instrument was designed based on a special casing， in which the new casing was alternately composed of multi?segment glass?fiber reinforced plastics casings and metal casings. More signals can enter into the stratum due to the insulation of the glass?fiber reinforced plastics casing. A new cased hole resistivity logging system was designed based on this new casing. The downhole instrument system was emphatically designed， including incentive signal source design， data acquisition system design， main controller design and type selection .

Keywords： well logging technology； casing design； cased hole resistivity logging； downhole instrument

0 引 言

過套管測井對于油田開發過程中油藏監測和剩余油評價都有著重要的意義和廣闊的應用前景[1]。目前為止，用于過套管測井的方法有三種：C/O測井、中子壽命測井與過套管測井，這些都有其局限性，C/O測井探測深度較淺，測速低且代價高；中子壽命測井在低孔低鹽等條件下測量誤差大；過套管電阻率測井對高阻地層測量誤差較大，對套管外壁涂防腐層的油井無法測量[2]。

傳統過套管電阻率測井信號通過金屬套管流入地層，然后流回接收電極，通過測量該信號，得到地層的信息。但金屬套管的電阻率遠小于地層與油水混合物的電阻率，從電極發出的信號部分直接沿套管流回接收電極，沒有進入地層。為了克服這一問題，提出基于目的層的特殊套管設計，這種套管利用玻璃鋼套管的絕緣性和金屬套管的導電性設計而成，它由多段金屬套管與玻璃鋼套管交替構成。因此，當電極發出信號，由于玻璃鋼套管的絕緣性，信號只能通過地層或套管內油水混合體傳送，從而達到使更多的信號進入地層的目的。

本文基于這種新型套管，設計了一套新型的過套管電阻率測井系統。這種過套管測井系統可以解決傳統金屬套管因電阻率低，導致信號流失的問題，從而改善以往過套管測井技術測量誤差較大，探測深度較淺等問題。該過套管測井方法在油田應用中有三個方面：一是探尋老井中漏掉油氣，增加油氣可采量；二是檢測當前開采情況，為后續開發做準備；三是確定剩余油飽和度[3]。

1 系統方案設計

新型過套管測井系統由井下儀器系統、數據傳輸系統、地面控制系統構成。具體包括系統整體設計、激勵源設計、數據采集系統設計、數據傳輸系統設計、主控制器設計、地面控制系統設計等。

從設計特殊套管到構建整個系統，再將系統模塊化，然后根據各模塊實現的功能及在系統中的工作時序，分別進行分析和設計，最后將各模塊相結合，再綜合設計，完成這套基于套管設計的過套管測井系統，該系統將能很好地應用在生產測井中。新型過套管測井系統結構框圖如圖1所示。

圖1中[RL]為等效地層電阻，激勵信號源向電極系上注入激勵電流，從而獲得地層電阻率信號。此信號進入數據采集模塊進行處理，使之能夠直接進入A/D轉換模塊。將信號進行模數轉換后送達主控制器，經主控制器處理后通過傳輸系統經電纜送達地面控制系統，由地面控制系統發出指令控制井下主控制器，進而控制激勵信號源。

2 激勵信號源的方案設計

激勵信號源的方案設計框圖如圖2所示，主要由控制模塊、DDS模塊、信號調理模塊、功率放大模塊等組成。控制模塊收到改變信號源參數的指令，控制模塊是整個激勵信號源的控制中心，發送控制命令給DDS模塊，改變發出信號的參數。DDS模塊在控制模塊的控制下，產生低頻正弦信號。信號調理模塊對輸出信號進行調理。信號隔離模塊的作用是使功率放大模塊與DDS模塊電氣隔離。功率放大模塊實現信號功率的放大，以滿足微弱信號采集與系統的要求[4]。

2.1 控制模塊

控制模塊主要由控制器及周邊電路構成，可以控制DDS芯片。該設計使用AD公司的ADSP?2189M芯片作為控制器件，其與DDS芯片的接口如圖3所示。

2.2 DDS模塊

DDS模塊設計框圖如圖4所示，包括DDS芯片、差分放大電路、低通濾波電路和電壓放大電路等[5]。主要功能是生成信號，濾除噪聲與信號放大輸出等。該設計選用AD公司生產的AD9834芯片，這是一款高性能、低功耗DDS芯片，可以輸出高性能正弦波、三角波以及方波信號。差分放大器將信號轉換成單端輸出，抵消輸出信號中的直流部分；低通濾波器將輸出信號濾除高頻部分；電壓放大器輸出的信號幅度放大到±5 V。

2.3 功率放大模塊

該模塊采用PA12集成功率放大器，PA12是一款大電流型集成功率放大器件，內部耗散功率為125 W，寬電源電壓工作范圍為±10～±50 V，大電流輸出范圍為±15 A。

3 數據采集的方案設計

數據采集的方案設計框圖如圖5所示。數據采集系統包括：前置放大電路、信號調理電路、A/D轉換和信號采集電路。前置放大電路和信號調理電路的功能是對微弱信號進行放大和濾波，使之能直接接入ADC。信號采集電路的主要功能是對放大電路輸出的信號進行采集、處理，同時接收和執行主控制器的命令。

3.1 前置放大電路

減少引入觀測噪聲是檢測微弱信號的關鍵，而前置放大器是噪聲被引入的主要部件之一。因待測信號很微弱，所以前置放大器選用超低噪聲器件，否則前置放大器自身噪聲就會加深覆沒以前就被噪聲淹沒的待測信號。這里選用OP37，由于OP37具有很高的共模抑制比，而差分放大電路又能減少共模信號而放大差模信號，故能很好地檢測到有用信號。

3.2 信號調理電路

為了讓信號適合信號采集，所以需要設計信號調理電路。一方面，需要設計單端轉差分和幅度調節電路保證A/D轉換芯片所需的輸入信號。另一方面，要保證信號測量的精確性，應使信號在測量滿量程的一半左右，所以需設計程控增益電路。

3.3 信號采集電路

這里選用一種具有Delta?Sigma（Δ?Σ）模數轉換技術的采集芯片ADS1271，能將放大后的模擬信號轉換為數字信號。控制器選用ADSP2186M，該部分主要是控制ADS1271的工作模式、串行口工作方式、A/D轉換數據的讀取、緩沖、處理和發送等。信號采集電路框圖如圖6所示。

4 主控制器的方案設計

主控制器實現對整個系統各個部分的控制，控制激勵信號源輸入地層的信號，控制數據采集系統對信號的采集處理，并將處理后的數據傳輸到地面控制系統，并且接收和執行地面控制系統的指令。主控制器設計為DSP加CPLD的方案。根據所選芯片的工作要求介紹主控電路的硬件實現。

4.1 DSP外圍電路

要讓DSP能正常工作，首先要設計一個最小硬件系統[6]。系統選用ADSP?2189M作為控制核心，包括外圍的電源、時鐘、復位、模式設置，還有FLASH拓展和CPLD接口電路等。ADSP?2189M的最小硬件系統如圖7所示。

5 結 語

本文基于一種特殊設計的套管，提出一種新型的過套管電阻率測井系統。針對這種新型的過套管電阻率測井系統，本文進行了系統儀器設計研究，重點對井下儀器的各個組成部分進行分析和研究，研究各部分的構成及各構成模塊選型與設計。這種測井儀器能夠有效地改善傳統過套管電阻率測井儀器在開發測井中的一些局限性，如測量誤差較大、探測深度較淺等。

參考文獻

[1] 張家田，霍菲菲，嚴正國.過套管電阻率測井技術及應用[J].內蒙古石油化工，2010（3）：89?90.

[2] 馬龍，黎偉，忽雪嬌，等.智能套管測井系統研究[J].電子制作，2014（15）：19.

[3] 吳銀川，張家田，嚴正國.過套管地層電阻率測井技術綜述[J].石油儀器，2006，20（5）：1?5.

[4] 吳銀川，張家田，嚴正國.過套管電阻率測井大功率超低頻信號源設計研究[J].測井技術，2009，33（4）：394?397.

[5] 張家田，嚴正國，包德洲.過套管電阻率測井技術[M].北京：科學出版社，2013：31?98.

[6] 馬建明.基于BF533DSP高分辨率測井數據采集系統設計[D].西安：西安石油大學，2012.