一种测井校深仪器接箍电路的设计分析与改进

杨石俊，张健，邱东瑞，陈智伟

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部塘沽作业公司，天津 300451)

0 引言

在测井作业中，测井深度是非常重要的技术手段，它对测井作业必不可少，起着决定性作用。作为测井作业中校准深度的基础资料，接箍曲线和伽马曲线是必测曲线，接箍曲线主要用来记录井内套管接箍位置，伽马曲线可以用来划分岩性，确定储集层的泥质含量，进行地层对比及射孔工作中的跟踪定位。根据伽马曲线与接箍曲线的对比分析，能使深度测量误差降低到最小。

遥传磁定位伽马测井仪WGC10作为一种集成接箍和伽马功能的测井仪器，电路采用PIC单片机智能控制，通过单芯遥传传输方式将数据传输至地面，在产出剖面及吸水剖面测井中可以完成校深及地层自然产生的放射性强度的测量。目前仪器可挂接多种类型的地面系统进行测井作业，但挂接配备4503XB采集面板的CASE地面系统或ECLIPS地面系统测井时，会出现接箍信号干扰伽马信号的情况。针对该故障情况，我们设计了一种改进的接箍电路以满足测井作业的需求。

1 WGC10的工作原理

WGC10为遥传、磁定位、伽马组合测井仪，在传输上仪器有两种工作模式，第一种是模拟脉冲模式：伽马信号以脉冲方式叠加在2 kHz正弦波磁定位信号上直接传输到地面；第二种是DDL Ⅲ模式：仪器通过5.7 K归零制曼彻斯特编码传输，在传输短节上集成了磁定位和伽马仪器功能，一支仪器便可进行组合测井，并且含下仪器总线，可以挂接其符合仪器总下标准的他参数仪器。目前测井一般使用第一种模式。

1.1 遥传短节(WTC)原理

有线遥传短节WTC在工作时，每4 ms向仪器总线发送一道地址，一帧寻址为 10道，包含10支仪器的地址。哪支仪器收到自己的地址，立即将自己采集的数据紧跟着送上仪器总线，WTC就在此时收到这只仪器的数据。这样，七个参数的数据就一个一个地传送到WTC。WTC将所接收到的数据编成曼彻斯特码，然后通过功率放大后送至电缆，传输至地面系统。曼彻斯特编码是一种自带同步的编码，它的优点是不需要复杂的位同步电路，而且这种编码方式在受到干扰时很容易检测出来。曼彻斯特码还有一个优点是没有直流分量，在传送过程中可以采用交流耦合。遥传原理框图如图1所示。

图1 遥传原理框图

1.2 节箍测量原理

1.2.1 2 kHz节箍测量原理

仪器所使用的接箍探头由一个线圈和两个磁钢组成，磁钢分两组分别装在线圈的上端和下端，当仪器沿均匀的铁磁质井筒运动时，穿过线圈的闭合磁力线不产生变形，线圈中无感生电动势，接箍曲线显示一条为零的直线；当仪器沿井筒运动至节箍处或井筒体积发生变化时，因为磁介质发生变化，导致闭合磁力线变形，在线圈两端产生感生电动势即接箍信号。从探头感应到的节箍信号经运放放大后，控制一个振荡电路，该振荡电路的振荡频率为2 kHz，输出的波形为正弦波。

1.2.2 遥传节箍测量原理

它和2 kHz节箍使用同一个探头，从探头感应到的电信号经放大转换成频率，此频率经过仪器上的单片机计数，在WTC寻址时送至WTC，然后经WTC 编码通过电缆送至地面，从而完成了对套管节箍的测量。

1.3 伽马测量原理

1.3.1 脉冲伽马原理

仪器探头由光电倍增管和NaI 晶体组成，主要测量地层自然伽马射线强度，用于地层深度校正。光电倍增管由光阴极、阳极与打拿极及若干附加的电阻组成，当入射光辐射到晶体上时引起晶体原子电离，释放出的光电子产生闪烁光，光电倍增管的光阴极将闪烁光转换成电子被第一打拿极加速，并激发出二次电子，这些二次电子又被加速汇集到较高电位的第二打拿极并被倍增，如此继续下去，只要有足够的打拿极数就可得到很大的倍增系数。光电倍增管阳极输出的脉冲信号经过伽马信号板电荷放大及脉宽调整后送入驱动板进一步进行脉冲信号调节，然后通过驱动电路将伽马脉冲信号驱动送上电缆，通过电缆传送到地面测井系统处理。

1.3.2 遥传自然伽马测量原理

其测量原理与脉冲伽马相同，测量过程中探头将自然伽马射线能量转化成电脉冲后，通过整形处理送单片机计数，当WTC寻址时，由单片机发送至WTC，经WTC编码通过电缆送至地面系统。计数的大小体现了不同地层自然伽马射线的强度。

2 WGC10接箍电路的改进

2.1 电路分析

WGC10的电路包括电源电路、接箍电路、伽马电路、高压调整电路、驱动电路和遥传电路。其中电源电路主要提供±12 V和5 V电压，接箍电路和伽马电路分别对接箍信号和伽马信号进行处理。

原接箍板电路如图2所示，集成块U10(LM741)组成一个简单的放大器，当仪器经过节箍时在探头的线圈中产生感应电动势，这一电动势经LM741放大后控制Q8(2N4093)或送至U11(V/F转换)。场效应管Q8(2N4093)在无接箍信号时为导通状态，破坏振荡电路的反馈回路，振荡电路停止振荡，当有接箍信号时，信号使Q8截至，振荡电路的反馈回路正常工作，电路开始振荡。V/F 转换电路由AD650及其外围阻容器件组成，RW3、RW2为输出频率的调节电阻，C45、C43两个电容分别是V/F转换的耦合电容和时间常数电容。C46、C47、C44为电源滤波电容，R52为集电极开路输出的上拉电阻[1]。

图2 原接箍电路

节箍仪器的电源部分除给接口集成电路供5 V电压外，由分立元件组成±12 V 电压给放大电路和压频转换集成块供电以及伽马高压模块供电。Q3为达林顿调整电流器件，U7(LM158)的第一组放大器用作比较器，给调整管提供稳压采样值，正负电源的稳压值由稳压管Z5、Z6的稳压值之和确定。R18、R19的阻值都是10 kΩ，对调整管的输出进行分压，通过U7:A使得调整管输出电压是Z5、Z6稳压值之和的2倍。U7:B用作跟随器，确定正负电源的虚地，Q4、Q5用于调节正负电源的输出，同时使电源有较小的输出阻抗。C22、C26为滤波电容，D7为负压隔离，C29、C30、R23及Z7组成VCC供电电路。电源电路如图3所示。

图3 电源电路

2.2 原因分析

WGC10可以与多种测井地面系统挂接使用，但是在测试中发现，当WGC10与4503XB采集面板挂接时，接箍信号会对伽马信号造成干扰，出现伽马曲线跳尖的故障现象。

在测井作业中，仪器的传输方式一般选择为模拟脉冲模式，由上节的电路分析可以发现，仪器的接箍信号是一种2 kHz的调制信号，伽马信号是一种脉冲信号，当接箍信号叠加在伽马信号上传输给地面采集面板4503XB时，伽马信号就会受到干扰形成跳尖的情况，产生非正常的伽马信号，对于相同的电路而言，信号同时达到饱和，会产生跳尖或干扰信号直接覆盖伽马信号的现象。为解决该类故障，前期采取了一种简单的处理办法，即通过将仪器内部的接箍信号线直接断开，可以避免伽马信号的故障发生，测井时地面系统只采集伽马信号。该方法操作简单但减少了仪器的接箍测量功能，影响了仪器功能的完整性和测井校深作业的准确性，不具备推广使用的价值。

2.3 改进方法

根据分析问题的情况，为了解决WGC10仪器接箍信号干扰伽马信号的故障，有以下几个方法：

(1)改进接箍电路，更改接箍信号的驱动模式。

(2)降低接箍信号的幅度，此方法会影响测井接箍曲线的精度。

(3)更改地面系统或地面软件，增加滤波电路或更改设置，但是不能彻底解决问题，不同的井况需要经常修改。

通过第一种方法做了实验测试，根据仪器电路设计对接箍电路板进行了改进，从而更改接箍信号的驱动模式，将接箍信号由调制信号改为脉冲信号，可以实现在CASE和ECLIPS地面系统上同时采集接箍和伽马信号。

通过修改接箍信号板的电路设计，以直接更换该电路板的方式进行改进。根据作业需求，目前不需要使用仪器的遥传功能，因此可以删减一些多余的电路，改进后的电路将接箍信号经放大后直接进入到总线。由于原接箍板上也有伽马信号的处理电路，因此对伽马信号处理也做了相应简化，减少了一路反向放大电路后的伽马信号会从原来的正脉冲信号变为负脉冲信号，电路中，R18主要是对电流起到调节作用[2]。需要注意的是，修改接箍电路板后需要将伽马板上的PGr信号线直接短接到驱动板上的Pul点，保证伽马信号的正常通路。改进后的电路极大简化了原电路，其电路主要对接箍信号进行放大，改进后的接箍电路如图4所示。

图4 改进后的接箍电路

改进后的仪器挂接配备4503XB采集面板的CASE地面系统或ECLIPS地面系统时接箍信号和伽马信号均正常。

由于对仪器信号模式的改变，在地面检测时也有相应的变化，主要需要注意的有以下几点。

(1)由于改进后仪器的伽马信号从原来的正脉冲信号变为负脉冲信号，因此在地面检查时软件需选择pfc服务表，不能选择原来的grccl服务表。

(2)作业时注意修改测量点，可以在软件菜单栏的Options下选择Measure Pts修改。

(3)供电不变(35 V, 68 mA)，调节通讯时，需要在软件上点击Autoset, Train伽马信号，通过训练自动得到伽马门槛，否则伽马计数会明显偏高且跳动幅度偏大。

(4)挂接4503XB采集的CASE系统测试时，为避免伽马计数幅度偏大，需调整门槛选择。由于改进后的WGC10的伽马信号是负脉冲信号，因此检查时主要是调整负脉冲的门槛，注意不把反冲信号选进门槛内。

3 结语

在测井过程中，由于井下地层的复杂性以及各种不可测的因素，所测的深度往往与实际深度有一定的误差，而利用接箍与伽马曲线可以准确校深，为测井人员精确的了解地层提供了依据。遥传磁定位伽马测井仪WGC10作为主要的测井校深仪器，在挂接4503XB采集时会出现接箍信号干扰伽马信号的故障，长期无法有效解决，严重影响作业效率。通过对仪器接箍信号电路的分析，设计了一种改进电路，保证WGC10可以与配备4503XB采集面板的CASE地面系统或ECLIPS地面系统正常挂接，增加了仪器的可靠性和通用性，有力支持了现场作业，具备很好的使用价值。