固井质量探管原理与应用

文/刘子松

（中国煤炭地质总局第二水文地质队 河北·邯郸）

一、引言

固井质量检查测井是煤层气勘探开发施工中的重要手段之一，主要用于检查水泥环胶结质量，进行套管校深等。固井质量探管一次下井，可以获得自然伽玛、声幅、磁定位、声波变密度及时差五种参数，可以满足煤层气钻孔固井质量测井评价的需要。

目前，国内煤田系统在煤层气固井质量检查测井中，主要有MT－Ⅲ型全波列测井仪和PSZJ－1型声波全波列测井仪。上述仪器采用单发双收声系系统，其测量的声波幅度参数不仅受到套管水泥胶结质量的影响，还受到井下仪器倾斜和偏心等因素的影响。且其声波全波列参数采用模拟信号由井下传输到地面仪器，由于测井电缆很长，有效带宽有限，传输到地面仪器时，不可避免地会产生失真及引入各种干扰信号，降低了信号质量，难以反映出真实的全波列信号。实际测井时，测井资料准确性不佳，有时不能准确反映套管的第一、第二次界面水泥胶结质量。

二、测井因素分析与设计改进

目前，针对上述仪器存在的问题，AFG－3型固井质量探管利用声波振动迭加、等效声衰减系数的概念和续至波能量积分方法、全数字化高速双向通讯系统设计而成。井下主控制器采用基于新型ARM Cortex-M3核心的高速32位处理器，采用高速A/D器件对声波全波列、声幅、磁定位信号等模拟信号进行数据采集，采用具有比较/捕获寄存器的16位可编程计数器采集时差信号，采用16位可编程计数器对自然伽玛脉冲信号进行数据采集，并利用ARM处理器的高速运算特点，实现了两道全波列信号的数字化，使传输到地面的信号不再与电缆长度相关，避免了传输过程中各种干扰信号对全波列信号的影响。

（一）测井因素分析。对水泥胶结质量测井的影响因素可分为静态和动态两类：前者是井身条件，如微环、窜槽、套管在井中不居中等因素；后者包括井温、井压、井下仪器的倾斜偏心、换能器的发射、接收灵敏度的综合响应不一致等因素。正常条件下，对于自由套管，显示高的声幅记录值，准纵波旅行时间就是它在套管中的传播时间。变密度显示宽且黑的平行垂直线，没有地层波信号显示。在套管接箍处有明显的纹波显示，准纵波旅行时间略有增大，声幅值减小；对于一次和二次界面水泥胶结良好的情况，声幅曲线记录值较低，除了疏松的砂岩、泥岩等声衰减大的情况外，只显示弱或不显示套管波，但显示较弱的地层波，对于一次界面胶结良好二次界面胶结不好的情况，显示弱的套管波和地层波信号。

然而，在有泥饼且没有被水泥取代的渗透区域，容易引起一次界面胶结良好而二次界面胶结不好的情况。虽然二次界面之间存在泥浆，声耦合较差，接收的套管波和地层波较小，但是里面的泥浆稳定不动，即对液体密封效果仍然良好。有时在套管和水泥之间存在可使液体迁移的微环，微环的存在使接收的套管波中等或较大，地层波略小或中等。象微环一样，窜槽影响水泥胶结质量测井，它的存在使套管波较大或中等、地层波中等。

井下仪器倾斜偏心使得声波波列的各种波的传播路径发生变化，它们的相位发生变化并以不同的相位迭加，致使接收的声波信号减小。套管不居中和薄的水泥环可使接收的声波信号幅度发生变化，当水泥环厚度小于1.9cm时，套管波的声衰减下降很快，导致高的幅度响应。测井电缆的电气性能和几何长度都会对从井下传输到地面的声波信号大小受到影响。随着井深的增加，温度、压力和泥浆的声阻抗也随之增加，换能器的发射、接收灵敏度也随之发生变化，这些也都影响声波信号幅度的大小。从以上分析可知，水泥胶结质量测井解释不可避免地存在不确定性。为了提高测井资料解释的可靠性，还需和其他信息，如裸眼声速测井、井径和套管设计资料一起，综合解释钻孔的水泥胶结质量。

（二）设计原理。AFG－3型固井质量测井仪利用双收声幅补偿原理，用数字化传输多道声波信号方式和续至波能量积分方法，可在很大程度上消除上述因素对测井采集数据的影响。据资料可知，接收的套管波实质上是沿套管与泥浆界面传播的滑行波，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是反映孔内一次界面水泥胶结质量的等效声衰减系数；m是泥浆的声衰减系数；r1和r2分别是声波从声源传播到套管的距离和在套管中传播的距离；A是幅度系数。由（1）式可知，在理想条件下，α值越大，接收的套管波幅度越小，则一次界面胶结质量越好；反之，胶结质量不好。但接收到的幅值也受发射功率及井径的影响，而双收声幅补偿原理可弥补上述不利因素，该原理要求两个接收换能器R1、R2的灵敏度一致或接近。设x和y分别是源距和间距，D和θ分别是套管内径和声波入射角。因为只用首波幅度判断一次界面的胶结质量，因此略去（1）式中的e项。把上述因素对套管波幅度的影响归结到换能器的发射和接收灵敏度中一道处理。设F和L分别是换能器的发射和接收灵敏度，N是井温、井压等因素的影响，则（1）式变为：

经推导，可得出近道和远道的幅度比，分别为：

由式（3）、（4）可知，接收信号幅度比不受发射灵敏度与井径的影响，但受接收灵敏度的影响，说明幅度比测井方法可部分消除上述因素的影响。提高等效声衰减系数α，既独立于换能器发射灵敏度，也不依赖其接收灵敏度和其他因素，说明等效声衰减系数测井方法能够提高判断一次界面水泥胶结质量的可靠性。

（三）仪器组成及电路分析。AFG－3型固井质量测井探管由电子线路、超声波声系、磁定位传感器、闪烁计数器等组成。探管电路的主控制器采用基于ARMCortexTM-M3核心的STM32芯片，其内部集成有2路16通道的高速ADC，3个16位通用计数器和1个高级功能计数器，支持CAN2.0总线接口。电路硬件框图见图1。（图 1）

1、声波信号放大器。以往的探管电路中，声波信号放大器一般均使用固定增益的放大器，其电路的线性放大范围有限。实际测井时，由于不同地层、固井质量、水泥环厚度等因素的影响，使接收晶体接收到声波信号的幅度范围很大（可达40～60dB），以往探管的放大电路难以保证如此大的动态范围，容易饱和失真或输出信号太小。针对这种情况，对其输入电路部分进行了全新设计，对放大电路的线性放大范围进行了改进，利用对数放大器电路及自动幅度调整电路，使电路动态范围达到了80dB，使接收的声波信号处在线性放大区，不失真地转输给后续电路，以满足测量声幅参数和声波变密度的要求。（图2）

图4 CAN总线接口电路

图5 接箍信号滤波器幅频特性

图6 自适应滤波器的原理框图

图7 系统流程图

可控制增益放大电路先用集成的可控制增益放大器AD603，用主控制器输出的PWM波经TL084滤波和缓冲后，形成0～1V的直流控制电压，加在AD603的1脚，可实现10～30dB的增益控制。（图 3）

2、高速AD转换。高速AD转换采用STM32控制器内部集成的12位高速ADC，其转换速度达到1Mbps，共2路ADC，每路ADC16个通道。其中，第1路ADC用于采集2路全波列信号，利用TIMER4产生的定时信号来自动触发ADC转换器，转换的结果通过DMA自动传输到内部RAM，整个过程自动完成，无需程序干预。其实每道全波列信号采集2ms，共512点，采集速率为250K，完全可以满足全波列信号的频率要求。对于磁定位信号，选择采样频率为1KHz，每次采样16次，取平均值，作为一次采样的结果值。

3、天然伽玛计数器。利用STM32内部的TIMER1，对放大后的脉冲信号进行计数，经平均运算及数字滤波后，得到CPS计数率值。

4、通讯接口。通讯接口采用CAN总线接口，速度达到1Mbps，可以满足2路数字全波列信号以及声幅、时差等信号传输速率要求。CAN总线接口电路图如图4所示。（图4）

5、接箍感应信号处理电路。为了获得良好的磁定位信号，磁定位传感器选用钕铁硼TH150强磁铁作为传感器的磁极，其最大磁能积量是普通磁铁的10倍。由于接箍感应信号每10m左右才产生一次，其频率为1～5Hz，为了将接箍感应信号从噪声信号中分离出来，在磁定位预处理电路的入口设计了一个低通滤波器，其实测幅频特性如图5所示。从幅频特性看，当信号频率增大到10Hz时，它的幅度衰减了70%，因此频率较高的干扰信号不能进入磁定位预处理电路。该电路只对接箍感应信号进行放大预处理。（图5）

6、数字滤波器。实际测井过程中，由于各种干扰因素的存在，使获得的测量数据难以直接应用，为了获得良好的测井数据，充分利用了STM32强大的数据处理能力，针对声幅、时差、天然伽玛等不同的信号，设计了不同的数字滤波器来对其处理，提高了数据的有效性。对于声幅、时差以及磁定位信号，采用32点平滑滤波算法，可有效消除突发干扰信号。对于天然伽玛信号，采用了目前公认的最有效的自适应滤波方法，滤波的参数能够根据输入信号与噪声的变化进行自动调整，这种自动调整依据实际输出和希望输出的差异，用某个自适应控制算法来进行，从而使恢复误差最小化，以实现最佳的实时滤波。自适应滤波器一般包括滤波器结构和自适应算法两个部分，这两部分不同的变化与结合，可以导出许多种不同形式的自适应滤波器。自适应滤波器的原理框图如图6所示。（图6）

自适应滤波器的LMS自适应算法描述如下：

滤波器的输出为：

权系数修正公式为：

式中，y～（n）-滤波器的输出；e（n）-误差输出；X（n）-输入信号；Wn-权值；m-步长；T-转置。

在本例中，采用固定步长LMS自适应算法。步长的计算公式：

式中，λm-输入信号自相关矩阵的最大特征值；trR-输入信号自相关矩阵的矩阵秩。

三、系统软件设计

根据仪器的功能要求及硬件结构，程序主流程图如图7所示。（图7）声波发射后，软件经过一段时间的延时，然后开始连续采集两路声波信号，共500点；经过运算得到时差与声幅值；然后采集磁定位值，每次转换16次，求得平均值后，作为一次采集值。

四、结束语

针对目前煤炭系统使用的固井质量检查探管存在的问题，我们设计了AFG－3型固井检查探管，充分利用了STM32强大的数据处理能力和高速度，实现了声波信号的全数字化采集与传输。经多次的野外试验表明，整个系统在测井过程中工作稳定、抗干扰能力强，获得了较好的测井成果资料。