一種測井校深儀器接箍電路的設計分析與改進

楊石俊，張健，邱東瑞，陳智偉

(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部塘沽作業公司，天津 300451)

0 引言

在測井作業中，測井深度是非常重要的技術手段，它對測井作業必不可少，起著決定性作用。作為測井作業中校準深度的基礎資料，接箍曲線和伽馬曲線是必測曲線，接箍曲線主要用來記錄井內套管接箍位置，伽馬曲線可以用來劃分巖性，確定儲集層的泥質含量，進行地層對比及射孔工作中的跟蹤定位。根據伽馬曲線與接箍曲線的對比分析，能使深度測量誤差降低到最小。

遙傳磁定位伽馬測井儀WGC10作為一種集成接箍和伽馬功能的測井儀器，電路采用PIC單片機智能控制，通過單芯遙傳傳輸方式將數據傳輸至地面，在產出剖面及吸水剖面測井中可以完成校深及地層自然產生的放射性強度的測量。目前儀器可掛接多種類型的地面系統進行測井作業，但掛接配備4503XB采集面板的CASE地面系統或ECLIPS地面系統測井時，會出現接箍信號干擾伽馬信號的情況。針對該故障情況，我們設計了一種改進的接箍電路以滿足測井作業的需求。

1 WGC10的工作原理

WGC10為遙傳、磁定位、伽馬組合測井儀，在傳輸上儀器有兩種工作模式，第一種是模擬脈沖模式：伽馬信號以脈沖方式疊加在2 kHz正弦波磁定位信號上直接傳輸到地面；第二種是DDL Ⅲ模式：儀器通過5.7 K歸零制曼徹斯特編碼傳輸，在傳輸短節上集成了磁定位和伽馬儀器功能，一支儀器便可進行組合測井，并且含下儀器總線，可以掛接其符合儀器總下標準的他參數儀器。目前測井一般使用第一種模式。

1.1 遙傳短節(WTC)原理

有線遙傳短節WTC在工作時，每4 ms向儀器總線發送一道地址，一幀尋址為 10道，包含10支儀器的地址。哪支儀器收到自己的地址，立即將自己采集的數據緊跟著送上儀器總線，WTC就在此時收到這只儀器的數據。這樣，七個參數的數據就一個一個地傳送到WTC。WTC將所接收到的數據編成曼徹斯特碼，然后通過功率放大后送至電纜，傳輸至地面系統。曼徹斯特編碼是一種自帶同步的編碼，它的優點是不需要復雜的位同步電路，而且這種編碼方式在受到干擾時很容易檢測出來。曼徹斯特碼還有一個優點是沒有直流分量，在傳送過程中可以采用交流耦合。遙傳原理框圖如圖1所示。

圖1 遙傳原理框圖

1.2 節箍測量原理

1.2.1 2 kHz節箍測量原理

儀器所使用的接箍探頭由一個線圈和兩個磁鋼組成，磁鋼分兩組分別裝在線圈的上端和下端，當儀器沿均勻的鐵磁質井筒運動時，穿過線圈的閉合磁力線不產生變形，線圈中無感生電動勢，接箍曲線顯示一條為零的直線；當儀器沿井筒運動至節箍處或井筒體積發生變化時，因為磁介質發生變化，導致閉合磁力線變形，在線圈兩端產生感生電動勢即接箍信號。從探頭感應到的節箍信號經運放放大后，控制一個振蕩電路，該振蕩電路的振蕩頻率為2 kHz，輸出的波形為正弦波。

1.2.2 遙傳節箍測量原理

它和2 kHz節箍使用同一個探頭，從探頭感應到的電信號經放大轉換成頻率，此頻率經過儀器上的單片機計數，在WTC尋址時送至WTC，然后經WTC 編碼通過電纜送至地面，從而完成了對套管節箍的測量。

1.3 伽馬測量原理

1.3.1 脈沖伽馬原理

儀器探頭由光電倍增管和NaI 晶體組成，主要測量地層自然伽馬射線強度，用于地層深度校正。光電倍增管由光陰極、陽極與打拿極及若干附加的電阻組成，當入射光輻射到晶體上時引起晶體原子電離，釋放出的光電子產生閃爍光，光電倍增管的光陰極將閃爍光轉換成電子被第一打拿極加速，并激發出二次電子，這些二次電子又被加速匯集到較高電位的第二打拿極并被倍增，如此繼續下去，只要有足夠的打拿極數就可得到很大的倍增系數。光電倍增管陽極輸出的脈沖信號經過伽馬信號板電荷放大及脈寬調整后送入驅動板進一步進行脈沖信號調節，然后通過驅動電路將伽馬脈沖信號驅動送上電纜，通過電纜傳送到地面測井系統處理。

1.3.2 遙傳自然伽馬測量原理

其測量原理與脈沖伽馬相同，測量過程中探頭將自然伽馬射線能量轉化成電脈沖后，通過整形處理送單片機計數，當WTC尋址時，由單片機發送至WTC，經WTC編碼通過電纜送至地面系統。計數的大小體現了不同地層自然伽馬射線的強度。

2 WGC10接箍電路的改進

2.1 電路分析

WGC10的電路包括電源電路、接箍電路、伽馬電路、高壓調整電路、驅動電路和遙傳電路。其中電源電路主要提供±12 V和5 V電壓，接箍電路和伽馬電路分別對接箍信號和伽馬信號進行處理。

原接箍板電路如圖2所示，集成塊U10(LM741)組成一個簡單的放大器，當儀器經過節箍時在探頭的線圈中產生感應電動勢，這一電動勢經LM741放大后控制Q8(2N4093)或送至U11(V/F轉換)。場效應管Q8(2N4093)在無接箍信號時為導通狀態，破壞振蕩電路的反饋回路，振蕩電路停止振蕩，當有接箍信號時，信號使Q8截至，振蕩電路的反饋回路正常工作，電路開始振蕩。V/F 轉換電路由AD650及其外圍阻容器件組成，RW3、RW2為輸出頻率的調節電阻，C45、C43兩個電容分別是V/F轉換的耦合電容和時間常數電容。C46、C47、C44為電源濾波電容，R52為集電極開路輸出的上拉電阻[1]。

圖2 原接箍電路

節箍儀器的電源部分除給接口集成電路供5 V電壓外，由分立元件組成±12 V 電壓給放大電路和壓頻轉換集成塊供電以及伽馬高壓模塊供電。Q3為達林頓調整電流器件，U7(LM158)的第一組放大器用作比較器，給調整管提供穩壓采樣值，正負電源的穩壓值由穩壓管Z5、Z6的穩壓值之和確定。R18、R19的阻值都是10 kΩ，對調整管的輸出進行分壓，通過U7:A使得調整管輸出電壓是Z5、Z6穩壓值之和的2倍。U7:B用作跟隨器，確定正負電源的虛地，Q4、Q5用于調節正負電源的輸出，同時使電源有較小的輸出阻抗。C22、C26為濾波電容，D7為負壓隔離，C29、C30、R23及Z7組成VCC供電電路。電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

2.2 原因分析

WGC10可以與多種測井地面系統掛接使用，但是在測試中發現，當WGC10與4503XB采集面板掛接時，接箍信號會對伽馬信號造成干擾，出現伽馬曲線跳尖的故障現象。

在測井作業中，儀器的傳輸方式一般選擇為模擬脈沖模式，由上節的電路分析可以發現，儀器的接箍信號是一種2 kHz的調制信號，伽馬信號是一種脈沖信號，當接箍信號疊加在伽馬信號上傳輸給地面采集面板4503XB時，伽馬信號就會受到干擾形成跳尖的情況，產生非正常的伽馬信號，對于相同的電路而言，信號同時達到飽和，會產生跳尖或干擾信號直接覆蓋伽馬信號的現象。為解決該類故障，前期采取了一種簡單的處理辦法，即通過將儀器內部的接箍信號線直接斷開，可以避免伽馬信號的故障發生，測井時地面系統只采集伽馬信號。該方法操作簡單但減少了儀器的接箍測量功能，影響了儀器功能的完整性和測井校深作業的準確性，不具備推廣使用的價值。

2.3 改進方法

根據分析問題的情況，為了解決WGC10儀器接箍信號干擾伽馬信號的故障，有以下幾個方法：

(1)改進接箍電路，更改接箍信號的驅動模式。

(2)降低接箍信號的幅度，此方法會影響測井接箍曲線的精度。

(3)更改地面系統或地面軟件，增加濾波電路或更改設置，但是不能徹底解決問題，不同的井況需要經常修改。

通過第一種方法做了實驗測試，根據儀器電路設計對接箍電路板進行了改進，從而更改接箍信號的驅動模式，將接箍信號由調制信號改為脈沖信號，可以實現在CASE和ECLIPS地面系統上同時采集接箍和伽馬信號。

通過修改接箍信號板的電路設計，以直接更換該電路板的方式進行改進。根據作業需求，目前不需要使用儀器的遙傳功能，因此可以刪減一些多余的電路，改進后的電路將接箍信號經放大后直接進入到總線。由于原接箍板上也有伽馬信號的處理電路，因此對伽馬信號處理也做了相應簡化，減少了一路反向放大電路后的伽馬信號會從原來的正脈沖信號變為負脈沖信號，電路中，R18主要是對電流起到調節作用[2]。需要注意的是，修改接箍電路板后需要將伽馬板上的PGr信號線直接短接到驅動板上的Pul點，保證伽馬信號的正常通路。改進后的電路極大簡化了原電路，其電路主要對接箍信號進行放大，改進后的接箍電路如圖4所示。

圖4 改進后的接箍電路

改進后的儀器掛接配備4503XB采集面板的CASE地面系統或ECLIPS地面系統時接箍信號和伽馬信號均正常。

由于對儀器信號模式的改變，在地面檢測時也有相應的變化，主要需要注意的有以下幾點。

(1)由于改進后儀器的伽馬信號從原來的正脈沖信號變為負脈沖信號，因此在地面檢查時軟件需選擇pfc服務表，不能選擇原來的grccl服務表。

(2)作業時注意修改測量點，可以在軟件菜單欄的Options下選擇Measure Pts修改。

(3)供電不變(35 V, 68 mA)，調節通訊時，需要在軟件上點擊Autoset, Train伽馬信號，通過訓練自動得到伽馬門檻，否則伽馬計數會明顯偏高且跳動幅度偏大。

(4)掛接4503XB采集的CASE系統測試時，為避免伽馬計數幅度偏大，需調整門檻選擇。由于改進后的WGC10的伽馬信號是負脈沖信號，因此檢查時主要是調整負脈沖的門檻，注意不把反沖信號選進門檻內。

3 結語

在測井過程中，由于井下地層的復雜性以及各種不可測的因素，所測的深度往往與實際深度有一定的誤差，而利用接箍與伽馬曲線可以準確校深，為測井人員精確的了解地層提供了依據。遙傳磁定位伽馬測井儀WGC10作為主要的測井校深儀器，在掛接4503XB采集時會出現接箍信號干擾伽馬信號的故障，長期無法有效解決，嚴重影響作業效率。通過對儀器接箍信號電路的分析，設計了一種改進電路，保證WGC10可以與配備4503XB采集面板的CASE地面系統或ECLIPS地面系統正常掛接，增加了儀器的可靠性和通用性，有力支持了現場作業，具備很好的使用價值。