随钻方位电阻率测井仪温漂校正研究

翟金海，李国玉

（中海油田服务股份有限公司，北京 101149）

随钻方位电磁波电阻率测井仪测量响应及信噪比会受温度的影响，天线结构的形变会导致测量响应的变化，宽动态范围微弱测量信号的线性放大采集也会受到温度影响。当仪器处于高阻、高温地层时，测量信号微弱，受到的影响最为严重。DWPR相较于常规随钻电阻率仪器而言，采用非单匝天线设计方案，高温对天线形变的影响会进一步增大。于频率而言，对高频2MHz信号影响更大；于源距而言，近源距天线受到影响更大。高频短源距信号具有更高的信噪比及纵向分辨率，是地层评价不可缺少的重要信号，因此温漂校正显得尤为重要。

1 随钻方位电阻率测井仪

1.1 随钻方位电阻率测井仪原理

随钻时，电阻率仪的工作原理是利用电阻的阻值来测量地层孔隙度的一种仪器。它是通过一个或多个传感器采集到地下岩石的电磁场信号，并将其转换成相应的电信号，再经过放大器，将电信号转化为数字量输入单片机；同时，单片机再根据程序控制步进电机的运转，实现对井下泥浆的深度测定，从而获取到电阻率-深度曲线。

1.2 随钻方位电阻率测井仪组成

随钻方位电磁波电阻率测井仪，是通过发射天线向地层中注入不同频率电磁场信号。不同源距的收发天线组合及具有方向增益的天线组合，可以获取到电磁场传播过程中测量到的地层衰减、相位偏移、地层边界等诸多信息。中国陆地地形复杂、地质结构非常特殊，开发与利用必须要依靠新的探测手段。这需要科研人员不断地探索新的勘探方法，来提高开采效率。

1.3 随钻方位电阻率测井仪关键设备

测井系统中的传感器在随钻时，由于地层电阻率的变化会使电阻率有微小波动，所以测量时必须对其进行准确的响应检测。为了提高采集的精度和稳定性，一般采用多点位差分双端输入和多点位差分双端输出方式。多点位差分双端输入是指多个不同位置电极上的电压值，但每个电极的电压值不可能完全相同，因此需要设计一个一个电路来控制这些参数。测井控制系统的构成中，电阻法具有结构简单、可靠性高、使用方便等优点，广泛应用于地下矿体的探测工作中。

1.4 随钻方位测井仪参数

在传统的测井过程中，由于受测量环境的影响因素很多，如温度、气压、压力等，这些都会对随钻的姿态产生直接的影响；同时，在使用仪器的过程中也会因为操作不当而导致误差的存在。为了消除上述的不利条件，提高测试的精度和稳定性，本系统采用了模块化的设计思想，通过传感器采集井下的各种数据，并将其进行整理，形成了一个可以对不同位置的井位的整体观测的闭环控制系统，从而实现对同一个量的多个单点值的连续监测。该闭环控制系统由驱动装置、检测电路、调节机构以及显示部分组成。驱动装置包括电机、减速机、齿轮组、带轮、减速器、联轴器等。检测电路由电阻应变片式光电探测器和电容式半导体所构成，是一种能够将输入信号转变成输出电信号的器件，其工作原理是利用电阻的变化来改变电压的大小以达到平衡的目的，然后根据反馈的信息来决定电流的方向以获得相应的位移量[1]。

2 多匝天线的温漂校正方法研究

2.1 多匝天线温漂现象原理

多匝天线相对于单匝天线发射电磁场信号与接收电磁场信号有极大优势，有利于微弱信号测量信噪比的提升。在金属本体表面开若干长方体槽，内置选定型号的铁氧体材料，在槽体正上方加工出多匝天线绕线固定的轴向或斜向槽体，用选定型号的导线绕制其上，最后用高温灌封胶抽真空固定。由于金属与灌封胶随温度产生的膨胀程度不一致，因而多匝天线会产生一定的位移，对信号测量产生一定的干扰，如图1所示。

2.2 多匝天线温漂校正方法研究

随钻方位电磁波电阻率测井仪（DWPR）是具有多种探测深度的阵列型仪器，具有3种源距、3个频率测量，可以提供12条电阻率曲线，其中8条电阻率可以实现方位成像测量。随钻电磁波电阻率测量的基础线圈系结构为“单发射天线（T）和双接收天线（R1—R2）”构成的天线组，如图2所示。它能够测量地层随着深度变化的视电阻率曲线。在测量时，通过测量两个接收天线之间的电磁场相位差和幅度衰减，可以获得相位差和幅度衰减所对应的电阻率数值[2]。

为了消除仪器结构的个体差异对测量值的影响，通常会采用空气零刻度的方法去除仪器本体的影响。工业上一般将地层介电常数固定为10，此时，相位差、幅度比和地层电阻率具有一一对应的关系，减去空气中的固定值，可以得到电阻率工程转换图版，如图3、图4所示。方位电阻率采用同样的图版进行转换，根据扇区展开即可得到电阻率图像。

感应类测量仪器一般在井下作业前会进行刻度操作。对随钻方位电磁波电阻率测井仪来说，空气零刻度尤为重要。但井下工作温度随地层不同会有较大差异，因此针对不同温度由幅度比和相位差转化为视电阻率需要进行修正，将修正后的幅度比及相位差用于视电阻率转化。修正的幅度比、相位差与测量值关系如公式（1）、公式（2）所示：

将仪器天线单独放置于大型无感加温烘箱中，测量温度及不同线圈、不同频率信号响应，通过公式（1）、公式（2）计算得出刻度乘因子K与刻度加因子b。

由图5可以看出，近源距、高频率信号受温度影响明显，基本每30℃原始测量相位差会存在0.15°的偏差，由链表转换关系60Ω.m地层22in 2MHz相位差响应为1.47°，0.15°的偏差对真值影响超10%。

3 随钻方位电阻率测井仪温漂校正系统设计

3.1 测井仪温漂校正的总体设计方案

根据系统工作原理可知，要实现对地层的温度和地层电阻率的精确测量，需要选择合适的温漂方法，而温差的选取又是一个重要的问题。在传统的测井过程中，由于地层的复杂程度和外界环境的影响（如热传导、大气辐射等)，容易造成仪器的失灵。因此，在进行温差校正时，一般都会忽略一些必要的参数来保证校正的精度。例如，读数误差、读数放大电路的零点漂移等。为了解决这个难题，可以采用一种新的方式来改善这种状况。通过使用电涡流式的磁力探测器，使其能够对被测的介质具有一定的升阻作用，从而使被测的介质保持恒定的电位状态，这样就能克服因外部因素而产生的干扰或变化的读数误差，并且还可减小电子器件的体积以及重量，提高稳定性。

3.2 传感器选型

电容式电阻仪是一种以磁阻效应为基础的测量装置，利用了透磁体的吸电磁特性，在一定的磁场作用下，铁心和线圈产生涡流。在涡流的影响下，铁心会绕着磁铁的方向移动，从而形成电流。电阻式电阻率计的工作原理就是通过对被测元件的透光镜的反射来实现的，其结构简单、体积小、重量轻、寿命长、成本低，可以用于各种电子仪器中。由于该传感器的主要功能是检测物体的位置、速度和加速度等参数，所以它的应用范围也很广。在生产生活中，人们都会使用到，如自动监控、工业自动化、国防科研、石油化工等。因此，它的发展前景非常广阔。综上所述，本文选择光电成对转化器件。光电成对转换器的输出信号经过放大整形后，由A/D芯片进行整形，最后由单片机的输入端传输给显示模块，这样就能完成位移数据的采集与处理。

3.3 数据采集部分

电炉电阻温度传感器采集井下的井温，通过A/D转换将模拟信号转化为数字量，并将其送入单片机进行处理。由于采用了电容式的光电元器件，所以可以直接测量电压值。但在使用时，会产生一些误差，如电路的零点漂移、采样精度等。因此，需要设计一个补偿的方法来解决这些问题。本文的数据采集主要是由两个通道构成的：1）电桥，利用电位器实现对电流的放大；2）地线，检测电阻的位置和深度。其作用是：①电桥的功能是提供集电极间的直流电压，地线上的互感器的输出端可接成幅频的脉冲波形；②电源开关的设置用于控制继电器的开断；③键盘的操作与调节；④当所测的数值超过设定的范围时，就会启动报警装置，蜂鸣器发出警报声；⑤当测得的温差不同时，就会停止蜂鸣器的工作状态[3]。

3.4 上位机

上位机的功能是实现下位机的温度、压力、循环次数等的显示和报警，可以根据不同的环境设置上下限。当采集的数据超出预设值时，蜂鸣器会发出警报声，提醒井下工作人员及时调整。在测量参数的时候需要设定上下限，当传感器的阻值超过上限或者低于下限时，上位机会控制蜂鸣器的发声模块工作，使其达到预警的作用；当传感器的阻值高于限定的数值后，上位机上就会产生相应的提示。如果大于上限或小于限制则蜂鸣器停止工作，并记录下当前的时间信息。在测试过程中，由于采用的是数字仪表，所以通过软件的设计来进行温湿度的调节是可行的且具有一定的实用性。同时，也可将单片机组成一个系统，与STM32通讯，以方便对整个系统的实时监控。

4 随钻方位电阻率测井仪的数据分析

4.1 随钻方位电阻率测井仪的误差来源

由于随钻方位电阻率测试仪器的精度、测量环境的影响以及操作不当等原因，导致该设备存在一定的误差和不足。首先，在采集数据的过程中，因为传感器的非线性特性，引起系统的不稳定性，使所测得的信息出现较大的偏差；其次，在对所测参数进行处理的时候也可能造成一些误差，比如读数时的噪声干扰等；最后，在对温漂校准的算法上，也有较多的因素会使其准确性降低。总而言之，随钻方位电阻率的测定是一项复杂的工程工作，需要加强基础知识的学习与培训，掌握其原理与计算方法，熟练使用各种分析软件，准确无误地去判读待测物体的温度及应力，从而保证实验的可靠性及正确性。

4.2 随钻方位电阻率测井仪的数据处理与测量

本文所设计的随钻方位电阻率测井仪的工作原理是利用光电探测器与单片机的联调。在采集数据时，由于单片机输出的模拟量会受到环境因素的影响而产生偏差，所以需要对其进行一定的滤波，以减小误差。为了防止数据的丢失和干扰，在数据处理过程中，采用了软件滤波的方式来减少该差值的变化范围。首先，将对采集到的数据使用A/D转换的方法转化为数字信号，然后通过A/D的转换得到所需的电压值。经过AD7686芯片的处理后，量化数据经DSP运算后，可以直接读出相应的衰减电阻率、相移电阻率、地质信号等。滤波电路是一个低通滤波器，它可以将高频信号的低频分量过滤掉，然后再通过自激式变压器或其他功率变换器将高信噪比的输入输出电流降至比较低的频带。为了保证滤波效果，需要对电压增益进行调整，以使其与系统的实际工作点接近，所以在测量时要求电源为高电平，而在设计时则要考虑到电容的特性和电荷的衰减等问题。由于电阻的阻值会随着温度的变化而改变，因而当电极上的电位值发生波动的时候就会导致漏检的产生。当出现漏检的情况下，就会造成漏片的损坏；同时，因为电阻的阻值随时间的变化而发生变化，从而使其阻值也随之发生变化。这样一来，就使得漏片的损耗变大，这也就是为什么一般都选用的是RC以上的器件来作为滤波元件。

4.3 随钻方位电阻率测井仪的误差分析与修正

为了消除误差，提高精度，需要对采集到的数据进行一定的修正处理，以减少误差的影响和提升系统的可靠性和稳定性。本文采用了差分法，对采集到的模拟信号与测量值之间的差分值作为差值的变化曲线，然后根据偏置采样定理确定输出的电流与电压的关系式，得到其平均值；再利用标量盘的指针标定出该井的位置；最后用一个简单的小数点标记，将小数点的坐标数值代入标准的0～9序列计算出来，并求出其最小的均方根比，即可求出其平均单位偏余百分率，减小误差。首先，是在读准的时候产生的读错。由于电容电感的存在而引起的读错，通过调整元器件的参数来解决；其次，是外接的电位器，用电位器来实现改变电阻大小的方法有两种：一种为直接法，另一种为间接法。

5 结束语

随钻电磁波电阻率测井仪器（常规随钻电阻率及随钻方位电阻率）数据处理过程中，温漂校正不可缺少。本文从理论结合多匝线圈设计出发，结合实际仪器测量响应，设计了无感、升降温实验并取得符合认知的结果，对温度变化产生的测量响应确定了一套线性温漂校正方案，此方案经实钻测试，可使高温、高阻情况下测量响应明显提升，符合地质认识。