测井井下仪器温度性能指标的筛选方案与评价

张 志，唐联级，杨爱华

(中海油田服务股份有限公司上海分公司 上海 200233 )

0 引 言

目前世界上多数超深井的井深多在5000 m以上，而中国海上深井主要集中在南海和东海区域，地层中随着井深的增加，井温会随着梯度不断增加。当井温超过150 ℃时，一般达到了常规测井仪器的作业温度，原因是石油测井仪器虽然大部分设计温度是175 ℃[1]，但是使用的半导体器件是基于125 ℃的工业级及军品级器件筛选而成，这在业界包括斯伦贝谢、哈里伯顿和贝克阿特拉斯公司都普遍采用这一方法[2]。在后续仪器量产时，考虑到高温对半导体器件寿命的影响，仪器制造加温测试时，一般都加温到170 ℃，恒温半小时。但是由于不同仪器的测量地层的间隔不一致，大满贯测井时间会比实验室条件严苛更多，实际上地球物理测井仪器经常需要在井下5 000～7 000 m的井深下，井下连续工作的时间往往达到十几个小时，甚至几天时间，长期在井下高温、高压条件下仪器内部芯片和电子元件的性能将会受到很大影响。近几年在现场使用中发现部分仪器在高温环境下出现了工作不稳定甚至不工作的现象，通过探索影响仪器温度性能的主要因素，摸索出一套行之有效的仪器温度性能测试方案及评价方法，极大地提高了测井仪器作业能力。

1 高温筛选测试方法研究

仪器高温筛选测试需要对现有仪器的机械部件和电子元件分开测试，根据测试仪器的部位和要求不同，可按先后顺序分为电子元件级、电路板级、测井仪器总成、仪器串组合测试4个阶段和方法。

1.1 电子元件级测试

元器件是组成仪器的最基本的单元[3]，只要有一个元器件耐温性能不佳，都可能影响整支仪器的性能，因此对单个元器件进行加温测试很有必要。目前可以将元器件分为RES(电阻)、CAP(电容)、IC(集成电路)、TISTR(三极管)、CHOKE(电感)、变压器等类别。电阻高温测试可以用热风枪和温度探头配合或使用小烘箱，对单个电阻边加温边用万用表测量电阻阻值，记录不同温度下电阻的阻值变化情况，筛选出温漂较小的电阻[3]。对单个元器件边加温边测量参数，记录不同温度下元器件的参数变化情况，对该类器件的温度性能进行摸底，获得经验数据；筛选出温漂较小的元器件。

对于芯片、二极管、三极管、电感和变压器等元器件，其功能需要接入电路才能测试，通过芯片延伸插座，将单个芯片与电路板隔离开来，对于二极管、三极管、电感和变压器等元器件也可以用引线接入电路，用加温箱(或热风枪和温度探头配合)对单个器件进行加温，观察芯片随温度变化对电路的影响[4]，筛选出耐温性能较好的元器件，并做好记录。一般建议：对做过温度筛选后的元件级器件，可以把每种器件留出2件，作为样品，每隔3个月，再做一次温度测试，并做好测试记录，以此进行1年，持续跟踪高温测试对器件的性能影响，以便客观评价高温测试的负面影响程度。

1.2 电路板级测试

用加温箱(或热风枪和温度探头配合)，对仪器每块电路板进行逐一的加温测试，观察记录仪器参数随温度变化情况，确保仪器上每块电路板测试都能达到高温筛选的温度指标。如果有电路板达不到，用热风枪和温度探头配合对电路板上的元器件进行局部加温，初步确定出耐温性能不好的器件，更换后继续对电路板进行加温测试，直到仪器上所有电路板都能达到高温筛选的温度指标。

1.3 测井仪器总成测试

在确保每块板在实验室测试都达到高温筛选的温度指标后，将仪器电子线路放入烘箱进行梯度加温测试，记录仪器参数随温度变化情况。对做完高温筛选的电子线路进行详细的工艺检查，确保加温后仪器所有器件紧固可靠，将电子线路连接地面系统，对仪器状态和参数进行检查,若仪器带有保温瓶，则要先对保温瓶进行测试，保温瓶测试合格后再对仪器做加温实验。仪器温度试验包括常温测试、升温测试和温度冲击试验，在加温过称中采用梯度加温法[4]，并在一定的温度下恒温测试，目前我们分别选取100 ℃、125 ℃、150 ℃、175 ℃作为恒温段。

1.4 仪器串系列组合测试

高温筛选后的仪器接入仪器串进行组合测试，确保仪器自身状态正常，也不影响其它仪器的正常工作，然后下入试验井进行测井，直到取得合格的测井曲线。仪器温度试验通过采用测井仪器加热带缠绕仪器外壳进行加温和温度控制，包括常温测试、升温测试和温度冲击试验。在加温过程中采用梯度加温法，并在一定的温度下恒温测试，目前分别选取100 ℃、125 ℃、150 ℃、175 ℃作为恒温段。

2 不同种类仪器筛选关键要点

2.1 电法类测井仪器筛选要点

电法类井下仪器主要分为通讯短节和双侧向测井仪器和微球测井仪器的整合测试。连接测井地面测试系统，加电检查仪器内外部值均正常，并将常温状态下仪器各参数记录下来，仪器加电工作2～4 h，工作正常稳定。

筛选测试方法：拆卸外壳抽出电子线路，对仪器电路进行工艺检查，并对关键信号进行测量并记录,对通讯短节保温瓶进行测试，合格后才能进行加温。打开烘箱后，当温度达到100 ℃后，恒温30 min，记录双侧向内部值，微球内外部值及通讯和换挡情况[5]。此后，烘箱温度设置到125 ℃、150 ℃、175 ℃，恒温30 min，记录双侧向内部值，微球内外部值，及通讯和换挡情况。保温测试是在不断电的情况下，让烘箱内温度降温，从175 ℃降到150 ℃，恒温30 min，然后从150 ℃降温到125 ℃，恒温30 min，然后从125 ℃降温到100 ℃，恒温30 min，最后恢复至常温，再做常温测试，记录双侧向内部值，微球内外部值及ESAT61XB满贯适配器的通讯和换挡情况。

按照上述方法在进行电法类仪器筛选测试中，发现关键问题来自于测试内部信号CAL/ZERO的温度稳定性，通过烘箱温度的变化，内零和內刻值受到容值和阻值影响[6]，均会发生不同程度的漂移，合理的漂移不会影响测量值，通过计算可以确定仪器状态的好坏，式(1)为微球温度漂移计算公式，超过范围5%则需要检查电路。

(1)

表1是双侧向仪器的刻度原始值的范围，加温测试过程中需要保证内部值均在范围内，如出现超出范围，需要采用具备加温测试进行电路板耐温测试。

表1 双侧向内零内刻档各值范围[5] mV

2.2 声波类测井仪器筛选要点

声波测井仪器一般包括电子线路和包含压电陶瓷的探头系，在加温测试过程中，关键问题有两个，一是需要分离测试电子线路部分和探头部分，二是根据声波测井的传播特性将仪器串接放入水槽中才能检测信号的正确性，并需要特定频率信号发生器产生输入信号。

通过研究找到了合适的测试方法，在常温条件下连接地面系统，泡水槽后加电检查仪器通讯、发声和波形均正常，按照经验将仪器串加电使仪器稳定工作2～4 h确保仪器工作正常稳定。其中电子线路部分放入烘箱内搁在支撑架上，32芯高温线一端接到声波仪器头部，另一端接到烘箱外，由专用67芯引出线直接连接到仪器尾部，引出到烘箱外面。其中输入信号的选取，可将信号发生器输出调节为频率为2～5 kHz 、峰峰值为100 mV的正弦波信号，正弦波信号通过夹子线连接到67芯引出线上。其余烘箱控制方法如电法测井仪器保持一致即可。

按照上述测试筛选方法，可对发射和接收回路进行整体测试。测试发现受温度影响严重的地方，主要在多通道控制板，是板上前部的放大芯片OPA2725和多路开关ADG659的温度性能不好所致。

2.3 放射性类测井仪器筛选要点

放射性类测井仪主要包括伽马能谱仪EDST61XA+补偿中子测井仪ECNT73XA+岩性密度测井仪EZDT71XA。需在在常温条件下将放射性仪器串连接地面测井检测系统，加电检查仪器状态均正常，并将常温状态下仪器各参数记录下来。其中EZDT71XA需使用专用加温线把EZDT71MA电源部分和探头部分连接起来。筛选测试方法同电法类测井仪器，不再赘述。

测试主要关注伽马能谱仪EDST61XA的通讯、GR计数、谱峰和保温瓶内温度是否正常，检查ECNT73XA的通讯、长短源距的计数和保温瓶内温度是否正常，检查EZDT71XA的通讯、谱峰、保温瓶内温度、马达收开腿及其它参数是否正常。特别需注意对放射线仪器的加温，一定要注意，在仪器加温和降温过程中，速度不能过快，特别是在降温过程中，若仪器降温过快，可能导致仪器探头损坏。

3 实施评价和跟踪机制

评价仪器高温筛选结果包括两部分。第一部分是实验室通过烘箱加温进行测试，确保在整个加温过程中，仪器工作正常，各个参数在仪器设计允许的温漂范围内；第二部分是下高温井进行测试，仪器的耐温性能是否能够达到高温井的要求，仪器的测量范围和精度，测井资料的准确性，仪器的一致性、重复性是否达到测井资料的要求。

对井下仪器完成高温筛选后，应建立一套完善的跟踪机制。对加温后仪器的工作状态和性能进行跟踪和改进，了解加温效果和一些元器件的性能是否稳定，不断地完善仪器高温筛选流程。按季度或年份统计筛选仪器的测井作业情况，包含井温、井况信息，仪器工作状态以及出现的故障等等。仪器进行高温筛选时，一定要将每支仪器的原始记录及性能改进做一个详细的表单，便于以后参考对比。对高温测井出现问题的仪器进行跟踪测试，找出不符合要求的元器件，寻找同型号性能更好的元器件或进行元器件筛选，不断改进，直到仪器性能的可靠性和稳定性达到应用要求。

4 应用实例分析

EXDT61XA交叉偶极阵列声波测井仪在高温筛选前后不同井段作业情况对比分析见表2。筛选前，在井温164 ℃和155 ℃分别出现了通道波形问题和通讯丢失故障。大部分故障在常温检测时无法复原，只有通过烘箱加温才能复现。其中因通道板的OPA2725芯片故障，拉低电压后通讯时好时坏，导致MONOFULL和MONO DT出现波形丢失。按照上述声波类仪器加温测试筛选方法，对此仪器加入频率5 kHz、峰峰值为100 mV的正弦波模拟声波信号，避免了因地面无法获得有效的声波信号的困难。在引出线上可以很好地检测测量点波形，从而判断出故障芯片。筛选完成后，仪器在NB12-X-X和NB11-X-XS某井段作业中，在164 ℃下顺利完成作业，作业时效保证了100%。

表2 EXDT61XA交叉偶极阵列声波测井仪高温筛选前后作业对比分析

5 结束语

随着测井井下仪器使用年限增加以及多次高温井作业后，经历高温高压等井下恶劣环境后有些元器件的性能可能有所下降，会影响仪器的工作状态。通过研究分析，可以建立不同耐温测试方法和评价方法，可有效保障现场作业时效，对仪器进行预防性强制保养，发现耐温性能差的电子元件和O型圈，更换耐温性能不佳的关键元器件，对出现的问题及时分析解决。经过高温筛选的井下仪器多次顺利完成了高温满贯作业，极大地提升了国产测井仪器完成高温作业的质量。