測斜聲波組合測井儀的研制

曹志福 彭偉斌

（北京中地英捷物探儀器研究所,北京100000）

圖1 是該儀器的外形圖，從上到下（圖中

聲波測井、連續(xù)測斜測井、井溫測井和自然電位測井原來是四種不同的測井儀器，要想測全這四種參數(shù)，只能下四次井，既耗時又不安全。為了減少占井時間，降低井中事故，提高測井效率，我們研制了該組合測井儀。從左到右）分別為測斜部分、聲波部分、井溫部分和最下邊的自然電位電極。儀器外徑Φ52mm，長度2300mm，它適用孔徑范圍為Ф80mm～Ф123mm。一次下井可測量四種參數(shù)共7條曲線，它們是鉆孔傾角、方位角、聲波幅度、聲波雙收時差、聲波單收時差、井溫和自然電位曲線見表1。

表1 各曲線的通道號測量范圍及精度

自然電位電極的接線特殊。儀器不供電時，它與電纜的③號纜芯連接，與其它任何電路是斷開的；儀器供電后，由內(nèi)部的繼電器將自然電位電極切換到內(nèi)部電路測量自然電位梯度。這樣做的原因是，內(nèi)部電路的測量范圍是固定不可實時調(diào)節(jié)的，如果個別地區(qū)的自然電位值超出-400mv～+400mv范圍，儀器將溢出。遇到這種情況，可以在非供電狀態(tài)，利用井上儀器的自然電位測量功能，在地面安裝地面電極后，單獨測量自然電位曲線。地面儀器可以實時調(diào)節(jié)儀器的衰減系數(shù)，確保測量結(jié)果不會溢出。單獨測量自然電位可以在下放時測量，上提時測量其它參數(shù)，仍能保證一次下井測量全四種參數(shù)。

1 電路的實現(xiàn)：

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子元件的功能既強大，體積又小，功耗還低，

這是本儀器成功研制的基礎保障。本儀器采用了雙微處理器（單片機），取代了原來方法儀器的大部分邏輯、時序電路，其一是TI公司的MSC1210，該MCU的特點是內(nèi)置了24位 A/D轉(zhuǎn)換器，1280字節(jié) RAM，32KB FLASH程序存儲器。它負責測斜部分的數(shù)據(jù)采集、計算及自然電位的數(shù)據(jù)采集工作；另一顆MCU是C8051F530，它的特點是工作溫度-40°C ～ +125°C ，單周期指令，20 TSSOP封裝，內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器。它負責井溫測量，負責聲波的時序控制，負責向井上傳輸編碼工作。兩者以C8051F530為主MCU，MSC1210為從MCU。主MCU每幀（32768μs）與從MCU通過串口通訊一次，采集從MCU計算、數(shù)字濾波后的鉆孔傾角、鉆孔方位角和自然電位數(shù)據(jù)，與聲波、井溫數(shù)據(jù)一起編碼后，送到井上（見圖1）。

1.1 測斜部分：

測斜的方位部分采用磁阻傳感器兩軸加一軸的方案。HMC1022為X、Y軸組合在一起的磁阻傳感器芯片，HMC1021Z為單軸磁阻傳感器芯片，兩者組合后，分別測量探管橫截面上的X、Y軸和探管延伸方向的Z軸的磁場分量，從而計算探管傾斜方向（也是井軸的傾斜方向）。

測斜的傾角部分采用了雙軸加速度傳感器SCA100T。由于我們設計的測井深度小于2000m，所以加速度的第三軸(Z軸)可以由計算得出。

傾角的計算公式可以表示為：

方位角的計算公式可以表示為：

1.2 自然電位部分：

如圖2所示，Vsp為測量的自然電位電壓信號，送單片機，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和簡單計算后，輸出表示自然電位的數(shù)字信號。我們以2000碼表示自然電位的0mv，4000碼表示自然電位的+400mv，0碼表示自然電位的-400mv。

經(jīng)電路分析，可得到Vsp=R143*(2.5V/R142+SP/R141)=2.5V+4SP

即：SP 為-400mv時，Vsp為 0.9v，SP 為0mv時，Vsp為 2.5v，SP 為+400mv時，Vsp為4.1v。

1.3 井溫部分：

測溫傳感器采用了工業(yè)上常用的Pt100鉑電阻，它的測量范圍是-200°C～650°C 。0℃時它的電阻是100Ω，每增減1℃，其電阻相應的增大或減小0.38Ω，在100℃時它的阻值為138.5歐姆。我們用的傳感器為φ3mm不銹鋼套管封裝的，它有安裝方便，壽命長等優(yōu)點。溫度測量電路是一電橋，Pt100鉑電阻作為電橋的一臂，其他3條橋臂為已知的精密電阻。電橋供有經(jīng)精密穩(wěn)壓的2.5v電源，信號放大采用了典型的差分放大電路，后級再經(jīng)反相放大輸出TTL電平的直流電壓，該電壓的高低反映了溫度的高低，經(jīng)后級A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸?shù)骄稀PW1為調(diào)零電位器，RPW2為滿度調(diào)節(jié)電位器（見圖3）。

1.4 波部分：

聲波測量的放大部分采用程控放大電路，邏輯控制部分由單片機完成，測量電路只輸出代表單收、雙收首波到來的脈沖即可。單片機從發(fā)射時刻開始計時，分別測量單收、雙收到來的脈沖時間，雙收減單收時間即為雙收時差。

程控放大的實現(xiàn)：通過調(diào)整信號線的直流電平，MCU采集此電壓信號，然后控制放大電路的放大倍數(shù)。1.5信號傳輸部分：

本儀器的通訊部分與其他儀器兼容，采用了脈沖編碼方式傳送。每幀共傳輸8道信號，0～6道為數(shù)字信號，第7道只做同步用；每幀占用32768μS，如果按5cm采樣間隔采樣，理論最快測井速度可達到91m/分，即5460m/小時。

3 應用結(jié)果：

圖中從左向右依次是：單收、雙收、頂角、方位、井溫和自然電位。頂角和方位曲線的周期性起伏，是儀器在井內(nèi)碰撞自傳引起的，因此，連續(xù)測斜曲線應以趨勢為依據(jù)，不能以某深度點為準。

[1]黃作華．煤田測井方法與數(shù)字處理（上冊）[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1982:86.

[2]董韶鵬．基于磁阻和傾角傳感器的鉆孔測斜儀的研制[D]．北京:北航碩士論文,2007:15-17.