20 臂井径测井仪的研制及应用

梁忠明

(大庆油田测试技术分公司 大庆 黑龙江 163311)

0 引 言

MAC 系列多臂井径测井仪在套管检测中得到了广泛的应用，仪器技术指标达到了国内先进水平，在使用和维修等指标上优于国外同类仪器。随着油田开发时间的延长，套管变形越来越严重，直径为70 mm 的井径仪器(40 臂)经常遇阻，不能完成测井。研制小直径(Φ50 mm)井径仪器，方便仪器起下，极大地减少遇阻的情况。仪器在大庆油田采用二厂现场应用100 多口井，表明仪器能稳定可靠地工作，满足油田生产开发的需求。

1 仪器的结构和工作原理

1.1 仪器结构

仪器的结构如图1 所示，20 臂井径成像测井仪是一种接触式测量仪器，它由电路部分、电机驱动部分、测量臂总承及其位移传感器总承、上下扶正器组成。

图1 20 臂井径仪总体结构图

1.2 仪器的工作原理

1.2.1 测井仪机械测量原理

20 臂井径成像测井仪是通过仪器的二十个测量臂与套管内壁接触，将套管内壁的变化转为井径测量臂的径向位移，通过井径仪内部的机械设计及传递，变为推杆的垂直位移;差动位移传感器将推杆的垂直位移变化转换成电信号。仪器使用的传感器是一种非接触式的机电转换器件，其输出电信号的幅度与其内部铁芯的位置成正比。每一测量臂都带动一个推杆磁芯，从而将测量井径臂的径向变化转变为传感器输出电压的变化［1］。

1.2.2 测井仪电路工作原理

仪器采用双单片机结构，单片机2 负责控制多路模拟开关、信号预处理电路、A/D 转换器和锁存器，使仪器传感器输出电压的变化值分时进入信号采集系统进行处理。单片机1 将单片机2 采集的信号进行编码、传输至地面采集系统。

井下仪器电路原理框图如图2 所示。

图2 井下仪器电路原理框图

1.3 仪器的技术指标

20 臂井径成像测井仪的主要技术指标如下:

仪器外径:Φ50 mm 长 度:2 030 mm

耐 温:175℃ 耐 压:60 MPa

工作电压:120 VDC 工作电流:140 mA

测量范围:Φ51 mm ～Φ188 mm 分 辨 率:0.3 mm

2 仪器的关键技术

2.1 低压电源的实现

井下仪器能可靠地工作，低压电源起到至关重要的作用。传统的线性稳压直流电源在工作中发热量大，在井下工作时，稳定度不高，且效率很低。该仪器采用变压器降压型高频开关电源，通过控制电路控制电源的输出。能为电路板提供+5 V、±15 V 电源及传感器驱动信号。电源输出稳定，效率高，带载能力强，可在175℃的高温环境下长时间稳定工作［2］。原理框图如图3所示。

图3 电源原理框图

2.2 仪器信号采集电路的实现

20 臂井径成像测井仪采集二十个传感器的数据，需要数据分时进入模数转换芯片。把二十个信号分成三路，这样两次利用八选一模拟开关完成信号的排列。传感器输出的交流信号进入检波电路，完成从交流信号到直流信号的转换。该检波电路由运算放大器、电阻和电容组成，电路对信号衰减小，且有效地抑制噪声，能稳定不失真的完成信号转换。

2.3 传感器驱动电路的实现

20 臂井径成像测井仪传感器采用电磁感应原理，在传感器的外壳上并绕三组线圈，三组线圈的一端接到一起为公共地。一组线圈输入正弦波信号，另两组线圈通过电磁感应会感应出正弦波电信号，传感器中间有磁芯移动，则另两组线圈感应出的电信号大小会发生变化，这样就完成了传感器信号的拾取［3］。

20 臂井径仪传感器驱动电路采用恒流方式，电路由运算放大器、MOS 管、三极管、电阻和电容组成。温度的影响不会改变传感器驱动信号的大小。经过室内试验，传感器驱动信号在温度从常温到150℃时，传感器驱动信号没接传感器时(幅度为7.2 V)和接入传感器时(幅度为5 V)变化都不到50 mV，见表1 和表2。保证了仪器的稳定、可靠工作。

表1 传感器驱动信号没接负载(传感器)时实验数据

表2 传感器驱动信号接入负载(传感器)时实验数据

2.4 机械设计

2.4.1 端面力平衡

常压状态下电机提供动力克服摩擦力、扶正器弹簧的弹力及测量臂弹簧组的压缩弹力，测量臂张开时，电机提供的力要小于测量臂收拢时需要的力。

2.4.2 传动总承

采用同轴电机传动，利用轴套、丝杠、轴承、传动杆及传动筋板传递动力，这种方式克服了齿轮传动仪器外径大的缺点。

2.4.3 测量臂及传感器位置

由于仪器外径限制，测量臂采用单圈排放，传感器及测量推杆采用双圈排放，这种方法优点是:仪器短;数据传递方便;密封可靠(可承受60 MPa 的压力)。

3 现场应用

南5 -丁4 -724 井是采油二厂的一口生产井，2014年3 月对该井进行了测试，从图4 可以看出，在781 m ～787 m 处，套管出现变形。在782 m ～784 m 处20 个独立的测量臂曲线变化明显，而直径最大值和最小值变化不是很大，说明该井为挫断变形，从多臂井径立体成像图上也可以看出该井段为挫断变形［4］。

图4 仪器在南5 -丁4 -724 井测井成果图

南6 -10 -630 井在968 m ～980 m 处出现变形，最大变形点为970 m，变形处最大井径132 mm，最小井径118 mm，如图5 所示。该井段为腐蚀变形，从多臂井径成像图和立体图上都明显反应出该井段的变形［5］。

4 结束语

仪器研制完成后，在采油二厂进行了100 多口井的现场实验，一次下井成功率达到99%。20 臂井径仪器的研制成功，克服了40 臂井径仪器外径大，下井成功率低的问题。通过现场试验，证明20 臂井径成像测井仪工作性能是稳定的、可靠的，它能准确地测量套管腐蚀变形程度，为监测套管的状况，延长油水井的使用寿命，提供详实可靠的依据。

图5 仪器在南6 -10 -630 井测井成果图

［1］刘立志，刘存辉，张宗亮.40 臂井径成像仪器工作原理及其现场应用［J］.石油仪器，2011，25(2):27 -29.

［2］王志强，肖文勋，虞 龙.开关电源设计(第三版)［M］.北京:电子工业出版社，2010:400 -425.

［3］张建军.AT ～+三臂井径仪与国产伽马仪、磁定位仪组合测井的实现［J］.石油仪器，2006，20(1):75 -76，80.

［4］刘树峰.DCTS-43 电磁探伤和MAC40 臂测井仪在吉林油田的应用［J］.石油仪器，2012，26(1):42 -44.

［5］宋 杰，刘建中，范玉霞，等.40 独立臂井径成像测井仪在套损检查中的应用［J］.测井技术，2003，27(2):155 -158.