过套管电阻率测井刻度系统设计＊

郑 璐 张家田 严正国 李 震

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)

过套管电阻率测井刻度系统设计＊

郑 璐 张家田 严正国 李 震

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)

套管电阻率测井刻度系统和其它常规测井刻度系统相比更为复杂,需要能够模拟地层介质参数变化,电流源的变化。文章提出了过套管电阻率测井刻度系统需要解决的主要问题,阐述了刻度系统原理及测量方法,介绍了刻度系统的主要功能和关键电路。本刻度系统的设计不仅可以完成仪器的刻度任务,而且可作为过套管电阻率测井技术的研究试验平台。

过套管电阻率测井;刻度系统;电流源

0 引 言

在《中华人民共和国石油天然气行业准则》(SY/T 5880.1—1997)的《石油测井仪器刻度总则》中对测井仪器刻度的定义为:“测井仪器刻度是利用刻度装置建立测井仪器的测量值与相应刻度装置已知量值之间关系的全部工作过程”[1]。

在石油生产测井中,过套管电阻率测井技术是我国正在研究的高新技术之一。过套管电阻率测井是通过测量套管上的电压降从而达到测量地层电阻率。过套管电阻率测井刻度系统和其它常规测井刻度系统相比,对系统的功能要求更加复杂。对于刻度系统来说,要求能够模拟出地层介质参数变化,激励信号的变化。关键技术之一为极微弱信号的采集和处理[2],测量的信号非常微弱,响应信号在nV数量级[3],因此对数据采集系统也有很高的要求。

建立过套管电阻率测井刻度系统,可以在纵向与横向上明确电阻率测井刻度系统的层次性、隶属性,保证各级刻度装置的准确性,提高测井资料的解释精度。测井仪器无论是在室内检查还是在井场使用前后,我们都必须对它们进行刻度,以保证仪器处于良好的工作状态,确保能够采集到优质的测井资料[4]。过套管电阻率测井刻度系统不仅可以完成仪器的刻度任务,最主要的是能够完成过套管电阻率测井技术的研究试验平台,因此研究开发过套管电阻率刻度系统具有重要的意义。

1 过套管电阻率测井刻度系统设计

1.1 系统自身要求及实现功能

刻度系统的测试要求对应的真实套管,能模拟出不同地层泄露电流的条件和不同介质的测试环境,采用激励信号的方式,测试地层漏电流的信息。信号的测试主要通过采集系统来完成,由于信号的数量级为纳伏,十分微弱,对信号的采集系统要求极高。

刻度系统能够仿真过套管电阻率测井仪的测井过程,不同地层介质的漏电流有其对应的刻度板。具有模拟不同地层电阻率测试条件,实现仪器相对环境下刻度系数标定的功能。并且具有模拟不同介质电阻率测试条件,套管接箍与水泥环的实验条件。

1.2 系统主要技术指标

刻度系统能模拟出实际地层介质的电阻率,在1 200的不同介质(高、中、低阻)中的测量结果,误差率技术指标满足。系统能实现6000m电缆信号传输,能够模拟出过套管电阻率测井实际中的信号传输。仪器耐温,工业级器件,工作可靠。

过套管电阻率刻度系统的激励信号源,采用超低频,大电流发射电路。其技术指标要求:峰值电流为6 A;工作频率范围3Hz～10Hz;波形失真。

刻度系统的信号采集与处理系统包括微弱信号检测的低噪声高精度的模拟处理电路,信号放大电路,24位的A/D转换电路,DSP控制处理电路。其指标要求:微弱信号检测低于10nV,微弱信号测量电路线性误差;采集时间要求满足2min一个点。

地面控制器由功能模块、后面板、前面板三部分组成。功能模块的主要任务是实现CTS传输、数据接收、命令发送、与计算机接口等。后面板包括电源输入、输出,10芯电缆接头,USB接口。前面板包括电压调节,电流和电压表头指示,用来控制和显示刻度、测井、液压推靠等工作状态转换。

1.3 系统原理

综合考虑本项目的各项研究内容,过套管电阻率刻度装置系统原理框图如图1所示。

图1 刻度系统原理框图

系统由激励信号源、地面控制器、上位机、6000m电缆模拟器、测试单元、刻度池等几部分构成。由刻度池模拟出现实中的地层条件,激励电源产生符合要求的激励信号,由6000m电缆模拟器模拟出信号现实中的传输,测量单元测得的信号在刻度筒内的泄露电流数据。

1.4 刻度方法

在进行刻度时,先由刻度系统进行测试,得出图板校准,然后被刻度仪器进行测试,得出测试图板。对应仪器图板,经过刻度系统的图板进行校正,得出仪器的刻度系数。改变刻度池的环境,对刻度系统和被刻度仪器进行测试,测试结果进行对比,得出被刻度仪器的最终系数。

在刻度池中加入不同的溶液,来模拟不同的地层介质条件。在套管外加阵列电阻,模拟出不同的地层电阻率。还可以在套管上接箍和外加水泥环来模拟出实际中套管接箍和水泥环对电阻率测量的影响。

2 刻度系统的关键电路

2.1 激励信号源设计

对过套管电阻率测井来说,采用激励信号的方式,测试地层漏电流的信息。根据信号的量级可知,信号非常微弱,为纳伏级。可以通过增大激励电流的方法来增大信号的幅度。由于测井电缆传送电流的限制,因此不能通过注入更多的电流来获得较大的信号,一般不超过6A。

由于在直流条件下会出现极化现象,信号的噪声很大,有用信号的幅度很小,难以测量,因此要选择交流信号。频率的选择主要考虑趋肤效应影响,当趋肤效应严重时,在套管内不能测量泄漏电流。这里我们选择频率在3Hz～10Hz。图2为激励信号源模块原理框图。

图2 激励信号源模块原理框图

激励电源模块由DDS信号源,电压放大电路,功率放大电路,低压直流稳压电源电路组成。采用直接数字频率合成(DDS)技术产生3Hz～10Hz的正弦信号,经过电压放大、功率放大电路产生大电流输出。

图3 DDS信号源

DDS信号源的总体框图如图 3所示,单片机C8051F020接受键盘输入,设定待产生信号的频率,外部通信接口完成单片机与地面控制系统的通信,通过地面控制系统自动改变产生信号的频率;DDS芯片AD9834接受单片机的指令,通过命令字改变内部频率寄存器和相位寄存器,设置产生信号的频率和相位,为了进一步提高信号源的频率稳定度,选用恒温晶振,其频率稳定度达10-8以上,以满足系统对精度的要求;由于DDS输出信号为差分信号,经过差分放大将输出信号转化为单端信号;单端信号经过低通滤波实现信号的输出,这里选用二级二阶低通滤波。

2.2 信号采集系统设计

信号的测试主要通过采集系统来完成,由于信号的数量级为纳伏,十分微弱,因此对信号的采集系统要求极高。我们可以采用低噪声前置放大器和24位高精度高分辨率A/D转换来进行微弱信号的测量。图4为刻度系统的数据采集系统。

数据采集系统主要由直流稳压电源,前置放大器,隔离放大器,滤波放大器,24位Δ-∑A/D转换器,DSP主控单元,数字调制解调器,电缆传输接口,方式5变压器组成。

图4 数据采集系统

过套管电阻率测井的测量信号非常微弱,直接测量信号在μV数量级,有用信号在nV数量级,有用信号通常被噪声所淹没,因此,对前置放大器的抗噪声性能要求非常高,低噪声前置放大器的设计是本项目的一项关键技术难点。有用信号和直接测量信号相差2

3个数量级,因此对AD转换器的精度、分辨率和动态范围有较高的要求,本系统采用24位delta-sigma技术的AD转换器。数据处理涉及大量数字信号处理方法,对处理器的处理速度、浮点处理运算能力要求较高,本系统采用DSP处理器作为井下仪器的微处理器。数据传输采用CTS电缆传输系统,数字电路短节还包含了BPSK调制解调单元和电缆传输接口单元。

过套管微弱信号检测数据采集采用24位ΔΣAD转换器ADS1271构成四个信号输入通道,由ADSP2189M控制四个通道同步采样,ADS1271与ADSP2189M通过串行接口传输转换数据。四通道24位高分辨率数据采集系统如图5所示。差分输入放大器选用低噪声、超低失真度的差分输入、差分输出放大器THS4130。四片ADS1271组成的菊花链和ADSP2189的同步串行口SPORT0相连,ADSP2189通过USB2.0接口与计算机相连,可方便的进行调试。参考电压基准为ADS1271提供2.5V参考电压。

图中DV1、DV2为经前置放大器放大后的套管一阶电位差;DI1为激励电流经电流取样电阻后,取样电阻两端的电压值;DVref为电压参考。

图5 四通道24位高分辨率数据采集系统

3 结束语

过套管电阻率测井刻度系统的设计,不仅可以完成测井仪器的刻度检定功能,能够对实际油田中的过套管电阻率测井仪进行误差校正。更主要的是,刻度系统可以模拟出了现实中过套管电阻率测量数据获取的整个过程,刻度池的设计则模拟出了现实中地层的各种情况,可以使人们对过套管电阻率测井的整个应用过程得到形象的认识。该系统完成了过套管电阻率测井技术的研究试验平台。

[1] SY/T5880.1—1997.中华人民共和国石油天然气行业准则[S]

[2] 吴银川,张家田,严正国.过套管地层电阻率测井技术综述[J].石油仪器,2006,20(5)

[3] SingerBSh,FanniniO,StrackKM,etal.Measurementof formationresistivitythroughsteelcasing[J].SPE30628,1995

[4] 刘东生,程雪莲.仪器刻度在仪器维修中的应用[J],石油仪器,2008,22(3)

P631.8+11

B

1004-9134(2010)02-0009-03

2009-06-24 编辑:高红霞)

陕西省自然科学基金项目(2007D01)

郑 璐,男,1985年生,硕士研究生,2007年6月毕业于西安石油大学电子信息科学与技术专业,获工学学士学位,现在西安石油大学电子工程学院光电油气测井与检测教育部重点实验室攻读硕士研究生。邮编:710065