核磁共振測井儀0.3 ms短回波間隔控制時序設計

鐘劍,侯學理,朱萬里,師光輝,高旭,李凡

(中國石油集團測井有限公司,陜西西安710077;中國石油天然氣集團公司測井試驗基地,陜西西安710077)

0 引 言

隨著非常規油氣藏勘探開發,居中型核磁共振測井儀在現場測井應用中受到一定的限制,難以滿足高礦化度鉆井液和大尺寸井眼等現場測井需求。偏心核磁共振測井儀采用偏心測量方式,能有效克服高礦化度鉆井液和大尺寸井眼使用條件限制,可作為現有核磁共振測井儀系列的補充,適應大范圍的探井和生產井測井評價需求。偏心核磁共振測井儀探測器靜磁場強度低,需要高壓發射功率低,探測器產生的噪聲小,在理論上是可以實現短回波間隔測量。短回波間隔測量能夠反映小孔隙結構,有助于更加致密的儲層孔隙結構評價和流體性質識別,對地層精細評價具有有重要意義[1-4]。

國外技術領先的測井服務公司都擁有各自研發的偏心核磁共振測井儀,對于采用梯度場的井下核磁共振儀器,短回波間隔時間已達到最小0.3 ms[5-8]。偏心核磁共振測井儀研制首要問題是解決短回波間隔工作模式測量,本文從偏心核磁共振測井儀復雜控制邏輯關系出發,設計了一種控制時序,實現了短回波間隔時間0.3 ms工作模式測量。

1 控制時序原理

偏心核磁共振測井儀工作需要在幾十至幾百微秒內完成復雜的邏輯控制,控制時序主要包括高壓發射脈沖控制、高壓泄放控制和核磁共振回波接收控制信號,實現大功率高壓脈沖發射和小信號核磁共振回波接收按設計準則正常交替進行?？刂茣r序錯誤會造成儀器無法正常激發和接收回波信號,甚至損壞儀器[9-11]。控制時序主要以高壓發射脈沖控制信號為核心,準確控制高壓泄放控制信號和核磁共振回波接收控制信號邏輯關系。

高壓發射脈沖控制信號包括90°脈沖和180°脈沖(見圖1)。90°脈沖使被極化的氫核完成90°扳轉,確保后續產生最大幅度的原始核磁共振回波信號,而180°脈沖使散相的氫核完成重聚,產生核磁共振回波信號,在1個180°脈沖后,將產生1個核磁共振回波信號,在多個180°脈沖后,采集核磁共振回波信號就會得到核磁共振回波信號串;TP表示高壓發射脈沖持續時間寬度,TE/2表示90°脈沖上升沿與第1個180°脈沖上升沿之間的時間寬度,TE表示相鄰的2個180°脈沖上升沿之間的時間寬度,即回波間隔時間;偏心核磁共振測井儀正常工作時,在1個90°脈沖后,需要成百上千的180°脈沖,180°脈沖數量需根據實際情況需要而定,同時也增加了控制時序設計難度。

圖1 高壓發射脈沖控制信號示意圖

高壓發射脈沖功率Wcal可用式(1)表示,α為經驗校正系數,GAcal為高壓發射脈沖幅度,TP為高壓發射脈沖持續時間寬度。

Wcal=α×GAcal×TP

(1)

一般情況下,偏心核磁共振測井儀高壓發射脈沖功率可以達到15 kW左右,而高壓發射通路所激發的高壓發射脈沖幅度有限,這就需要充足的高壓發射脈沖持續時間,才能充分保證高壓發射能量完成氫核的扳轉和重聚,激發高信噪比的核磁共振原始回波信號?；夭ㄩg隔時間分解見圖2?；夭ㄩg隔時間TE內須包含2個1/2的180°脈沖持續時間、高壓泄放時間、采集窗時間和高壓發射準備時間,如果180°脈沖高壓發射脈沖持續時間過長,就不能在短回波時間間隔0.3 ms內完成高壓發射脈沖發射、高壓信號泄放、核磁共振回波信號接收,無法進行0.3 ms觀察模式工作。

圖2 回波間隔時間分解示意圖

為保證偏心核磁共振測井儀在短回波時間觀察模式正常工作,需要充分利用高壓發射通路提供的高壓發射脈沖幅度和減少儀器無效控制時間,對控制時序進行精準設計。

2 控制時序設計及仿真

控制時序設計框圖見圖3。它采用DSP+FPGA的框架,DSP完成相關測井命令參數存儲和計算,FPGA根據DSP下發命令生成相應的控制時序,控制時序經過差分電路產生對應的差分控制信號,差分信號能有效提高控制信號抗干擾能力。由于差分信號電平較低,須經過驅動電路產生較高的電平控制信號,達到能真正控制相應電路目的。

圖3 控制時序設計框圖

在Microsemi Libero SoC v11.8軟件開發平臺上采用Verilog語言,根據DSP下發的測井命令相關參數,基于狀態機原理,設計高壓脈沖發射狀態、高壓泄放狀態、數據采集狀態、高壓發射準備狀態、核磁共振回波信號接收狀態和核磁共振回波信號關閉狀態等,將狀態轉移單獨寫成一個模塊,將狀態的操作和判斷等寫到另一個模塊中。充分優化儀器無效控制時間,設計控制時序,實現高壓發射控制信號(XGATE)、高壓泄放控制信號(DUMP)和核磁共振回波信號接收控制信號(RCV1_OUT)復雜邏輯關系[12-14]?？刂茣r序程序設計完成后,借助軟件開發平臺上的仿真模塊進行功能仿真,設置回波間隔時間TE=0.3 ms,高壓發射脈沖幅度GAcal=100,高壓發射脈沖持續時間TP=70 μs,CLK_DSP_OUT表示FPGA的工作時鐘,設置為45 MHz。結果見圖4,在儀器高壓發射控制信號為高電平、高壓泄放控制信號為低電平和核磁共振回波信號接收控制信號為低電平時,激發高壓發射脈沖、停止泄放高壓信號和斷開回波信號開關,滿足短回波間隔時間TE=0.3 ms控制時序設計功能要求。

圖4 控制時序軟件設計功能仿真圖

控制時序程序功能仿真完成后,經綜合、布局、布線,生成下載程序,通過Actel燒寫器燒寫在主控板上,在FPGA對應輸出管腳上用示波器測試控制時序信號,測試結果見圖5。1通道表示高壓發射控制信號(XGATE),3通道表示高壓泄放控制信號(DUMP),2通道表示核磁共振回波信號接收控制信號(RCV1_OUT),輸出電平都為0～5 V,邏輯控制關系與軟件功能仿真結果一致。

圖5 控制時序實際測試圖

3 實際效果

在偏心核磁共振測井儀上,安裝已下載設計控制時序的主控板,通過ACME2.0上位機采集軟件進行室內刻度水箱聯調測試。根據偏心核磁共振測井儀短回波間隔時間工作模式對應工作頻帶為最高頻帶,設置工作頻率f=860 kHz,短回波間隔時間TE=0.3 ms,初步設置高壓發射脈沖幅度GAcal=100,高壓發射脈沖持續時間TP=70 μs。給儀器供220 V交流電,不加直流高壓條件下,測試儀器本地噪聲,測試結果見圖6。本地噪聲值(無量綱)都在100以內,滿足儀器測試要求。相同條件下,給儀器供220 V交流電,直流高壓設為550 V條件下,不斷改變GAcal值大小,尋找產生最大核磁共振回波信號幅度對應的GAcal值,測試結果見圖7。當GAcal=110,產生的最大核磁共振回波信號幅度(無量綱)約為3 500。測試結果表明,設計的控制時序滿足偏心核磁共振測井儀短回波間隔時間TE=0.3 ms工作需求,能正常采集到原始核磁共振回波信號。

圖6 本地噪聲測試圖

圖7 核磁共振回波串信號測試圖

4 結論及建議

(1)基于偏心核磁共振測井儀控制時序原理,建立了高壓發射脈沖功率模型,詳細闡述了高壓發射脈沖幅度、高壓發射脈沖持續時間和短回波間隔測量工作模式之間相互制約關系。

(2)設計的控制時序經室內刻度水箱聯調測試結果表明,滿足偏心核磁共振測井儀短回波間隔0.3 ms的工作模式需求。

(3)建議新型核磁共振測井儀設計應考慮提升高壓發射瞬時功率和效率,給高壓發射脈沖持續時間提供更多選擇范圍,實現回波間隔時間選擇多樣化,有助于地層流體擴散分析精細評價。