六臂地层倾角测井仪功能电路及液压测试器实现*

程 希 许 杰 王 骏 王如安 杨学国

(1.西安石油大学 陕西 西安 710061;2.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077;3.中国石油测井有限公司 陕西 西安 710077)



·仪器设备与应用·

六臂地层倾角测井仪功能电路及液压测试器实现*

程 希1许 杰1王 骏2王如安3杨学国3

(1.西安石油大学 陕西 西安 710061;2.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077;3.中国石油测井有限公司 陕西 西安 710077)

六臂地层倾角测井仪主要测量6条微电阻率和6条井径曲线以及利用磁力计与重力加速度计计算得到的井斜方位角和井斜角。而对6条微电阻率曲线经过相关对比，可确定地层倾角和方位的判断，进而识别地层的沉积环境。文章分析了六臂地层倾角测井仪的信号采集、信号编排和信号传输电路设计，同时根据液压装置的工作原理，设计了一种液压测试装置，用来判断六臂地层倾角测井仪液压装置的可靠性。

六臂地层倾角测井仪；液压测试器；电路设计

0 引 言

地层倾角测井主要用来测量地层的倾角及倾斜方位[1]。利用地层倾角测井信息可以研究油田构造地质学问题,对油气田的勘探和开发具有重要意义。六臂倾角仪的出现标志着地层倾角测井技术又前进了一步，它的技术优势是由其独特的设计所决定的，采用六个独立驱动的臂，臂上装有微电阻率传感器，其六个独立臂上的极板电扣提供了更多、更准确的信息[2～4]，这样它测量的覆盖率和精度大大提高了。由于采集数据的密度和质量都得到了提高，为测井资料的高清晰度成像处理和准确分析解释提供了保障。在油基泥浆和井壁不规则等条件下，六臂倾角仪通过液压推动,保证六个极板与井壁有可靠的接触,因此是获取可靠倾角信息的最实用仪器之一。它的六臂极板分动设计保证了确定地层倾角和方位时所需要的电阻率曲线数，这种极板推靠方式有其独特的优势[5、6]。文章从六臂地层倾角的测量原理出发,说明了仪器的组成、功能电路的实现、以及液压测试装置的设计。

1 六臂地层倾角测井仪结构

六臂地层倾角井下仪器由以下部分组成：释放扭转力的防转接头、防止仪器偏向的扶正器、用于数据传送和接收地面命令的电缆传输短节、隔绝仪器电连接的绝缘短节以及绝缘外壳、绝缘外壳下的电子仪、测量井斜和方位的测斜短节和液压推靠器。液压推靠器下部连接有6个杆系,每个杆系端部固定有1个极板,每个极板上相近排列2个电极。每个电极通过极板中相应的电路与电子仪连接。有6个独立伸缩的极板臂，其优点是电极占空比比四臂地层倾角电极分布更高更合理,极板与井壁接触更好,获得的测井信息更多,反映井眼的几何形状更为灵敏,有利于提高微电阻率测井的质量。

2 六臂地层倾角测井仪功能电路

六臂地层倾角测井仪的功能电路包括：微电阻率信号采集电路、仪器供电电路、信号采集、信号接口匹配电路。

仪器电路的主要工作原理是12道微聚焦电阻率信号，它们经放大、相敏检波、滤波后送到电阻率与超慢道温度信号、正负电源信号以及其它控制和监测信号进行编排，传输。快道多路传输输出的模拟量信号经模/数转换后成为数字量，由数字多路转换器编排控制送到DTB总线和光电隔离器电路，由三总线传输到电缆遥测短节，最后送到地面。聚焦电路的EMEXDC电源，由电缆1、4经电源变压器中心抽头供至EMEX振荡器，在数字电路控制下，产生单周5 kHz的EMEXAC发射信号，供电阻率测量用。地面仪器通过电缆遥测给下井仪传送100 kHz的工作命令，仪器时钟系统及逻辑系统开始工作。地面下发指令控制液压机械部分的推靠器推收由井下马达完成。

仪器信号采集电路，包括EMEX震荡电路，A/D转换电路及EMEX滤波电路。EMEX DC电源是一个可变的直流电源，由电缆缆芯1、4经变压器T2中心抽头至井下电子仪，再由缆芯10返回地面。T2的中心抽头连接到二极管Ⅴ1，该二极管能阻止可能出现的反向电压。然后加到A/D转换电路及EMEX滤波电路上，在A/D转化电路及EMEX滤波电路中进行滤波和电压偏置。A/D转换电路及EMEX滤波电路中的电阻R1,R3和R6将输入电压衰减至CMOS相容的电平。N1是滤波器，消除由于传输线路不平衡产生的50 Hz干扰。EMEX滤波器的输出，接EMEX振荡器电路，该振荡器在每一个外部触发信号的作用下，产生单周期的交流信号。电容C1通过电感、电阻放电。电感是L2，电阻值是由从电极流出的电流经过地层到仪器外壳所遇到的电阻折算到变压器T3的初级来的电阻。T3是一个隔离变压器，它的输出绕组供给最终的EMEX电流。震荡回路电流经变压器T4正反馈到晶体管V1的基极，在正半周内使V1进入饱和。在震荡的第一个半周之后，V1变为反向偏置截止。二极管V4导通。一个完整的正弦波之后，V1不再导通，直到下一个触发信号在200 μs之后再来，每400 μs产生一个周期为200 μs的正弦波。扼流圈L1隔离电源受振荡器电流的影响，并使电容C1在2次振荡之间充足电，电阻R2用来限制变压器开路的输出电压电阻R1协助将晶体管V1推入饱和。

仪器信号采集电路，包括快道、慢道、超慢道从它们的产生直到模数转换的输入端。极板内的变压器T，次级接入采集电路入口。经集成电路N1放大、整流、滤波，以及信号的多路转换。多路转换器由信号WD0WD3信号控制，每道400 μs。慢道信号的采集和快道处理电路，数字信号处理电路，慢道信号包含：3个磁力计信号，6个井径信号，P,DCHV,VEMEX,IEMEX, 电阻率放大补偿KDB，仪器状态，超慢道，共计16个信号；其中超慢道是第14个字。所有的慢道信号各自从探测器或采集点直接送到数字信号处理电路N5进行滤波，然后按慢道格式转换成串行信号，输送到快道处理电路多路选通器N7,与快道信号一起进行格式编排。超慢道信号包含2个首标志信号、1个尾标志信号、T、+12V、-12V、ADC补偿、ADC参考，所有的超慢道信号直接送到快道处理电路N4，按超慢道格式转换成串行信号，然后直接送到N7，参与慢道格式转换。

采集控制电路的启动信号是从电缆遥测短节接收来的10 μs宽、周期20 ms的GOP脉冲，这个脉冲使N1中数据寄存器做好发送数据准备，大约400 μs之后，第一个UCK到达，并定时送出第一位数据，528个UCK脉冲之后，所有33个字的数据已全部发送完。同时,GOP脉冲上升沿之后12.5 μs18 μs，N1产生一个P1脉冲，这个脉冲启动位、字、帧计数器，它控制16个字一帧的数据取样，这帧数据以40 kHz频率装载在一组寄存器中。

大约在GOP脉冲之后10 μs，N1产生一个P2脉冲，启动另一轮的以同样频率对同样的数据的取样，产生另一帧16个字，寄存在同一组寄存器中，共装满512位数据，即32个数据字。下一个GOP到达时，N1重复以上过程。N1为控制电路模块，在GOP脉冲和F(40 kHz)信号的作用下，产生仪器各部分电路的控制信号，以保证测量数据的正确有序上传，时序流程见图1。N1主要产生以下信号： 与N2联合产生DGF/4(40 kHz仪器时钟)；WD0WD3,仪器模拟信号‘字’同步, FR0FR3,仪器模拟信号‘帧’同步, SEMEX,控制EMEX定时电路(在N3电路模块)，产生EMEX振荡器的触发信号EMEX。ADCST用于启动ADC工作。同时，N1还对模/数转换后的数字信号进行格式编排。

模数转换包括A/D转换及EMEX滤波电路，模数转换器AD5215是输入信号为±10 V的负逻辑器件，由40 kHz的DGF/4信号驱动，它与启动信号ADCST均来自数字信号处理电路。DTB接口电路，主要建立井下仪器与电缆遥测之间的数据连接作用，它们通过井下仪器的总线DTB连接。其中包括光耦合电路、数据总线电路、震荡电路。光耦合电路的主要功能是将倾角仪电路接地端与电缆传输的接地端隔离，达到信号在不共地的情况下，正常接收从电缆遥测送来的地面控制井下仪器的指令和时钟，并正确送到DTB，同时将DTB的各种上传信号通过光耦合电路后，正确传送到电缆遥测系统。数据总线电路是接收从光耦合电路送来的地面控制井下仪器的指令和时钟，将指令和时钟分离后分别送到井下仪各部分，同时将下井仪器的各种上传信号送到光耦合电路。振荡电路提供1.28 MHz信号，同时经D15分频提供160 kHz信号。

图1 工作频率40 kHz下的信号传输序列

3 六臂地层倾角测井仪液压测试装置电路

液压推靠测试装置实现以下功能：通过变压器实现与推靠电机匹配的工作电压，以完成六臂地层倾角测井仪器推靠器的张开与收拢；给仪器各功能电路提供电源；给井径拉杆电位器提供12 V电压，以使其由于井径臂的井径变化引起的拉杆电位器产生相应的电压信号；井径变化及极板电扣导通显示功能，具体电路如图2所示。

图2 液压测试装置电路设计

4 结 论

根据六臂地层倾角测井仪器的功能以及信号的总线特点，实现了仪器的信号采集、滤波、传输编排，与数据总线对接，实现了应用液压测试装置对六臂地层倾角测井仪液压系统进行检测的功能，形成了以下结论：

1)六臂地层倾角测井仪的电路设计完成了仪器的功能；

2)应用光电耦合器件实现了隔离仪器与总线信号之间的干扰；

3)液压测试电路实现了对六臂地层倾角测井仪的液压系统进行功能性测试，满足现场要求。

[1] 程 希，郑茂华，杨亚萍.六臂地层倾角电子仪测试装置设计与实现[J]，石油仪器，2006,20(4)：25-27.

[2] 王曰才,黄一飞,洪有密. 地层倾角测井解释原理.华东石油学院，1985：70-78(讲义).

[3] 谈德辉. 地层倾角测井原理. 西南石油学院，1992：32-34(讲义).

[4] 《测井学》编写组. 测井学[M] . 北京:石油工业出版社,1998：270-271.

[5] 王曰才, 王冠贵. 地层倾角测井[M] . 北京: 石油工业出版社, 1982：63-69.

[6] 刘耀伟,张志刚,于增辉. 国产微电阻率扫描成像测井仪ERMI开发与应用效果[J].海洋石油，2012,31(2)：67-70.

Design of the logging function circuits and hydraulic test device of six arm dipmeter

CHENG Xi1XU Jie1WANG Jun2WANG RuAn3YANG Xueguo3

(1.Xi’anShiyouSnivisity,Xi'an,Shaanxi710065,China; 2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’anShaanx; 710077,China; 3.ChinaPetroleumLoggingCO.LTD,Xi'an,Shaanxi710075,China)

Six arm dipmeter can measure six micro resistivity and six caliper curves, and as well as the gravity accelerometer and magnetometer parameters which was used to get its well deviation and azimuth angles. With the relation and comparison methods for six resistivity curves, stratigraphic dip and azimuth were determined, and then the strata sedimentary environments were identified. The design methods for the circuits of signal acquisition, signal array and signal transmission of six arm dipmeter was discussed in this paper. And according to six arm dipmeter hydraulic propeller principle, a test device had been designed for the judgment of the reliability of the six arm dipmeter hydraulic equipment.

six arm dipmeter, hydraulic test device, function circuit design

本文受陕西省教育厅、国家级大学生创新创业项目资助。

程 希，男，1971年生，高级工程师，目前在西安石油大学从事地球物理测井教研工作。E-mail:xd_305@126.com

P631.8+

A

2096-0077(2015)01-0084-03

2014-08-16 编辑：韩德林)