三孔隙度儀器故障維修案例分析

劉鑫

（中海油田服務股份有限公司，天津 300450）

0 引言

交叉偶極陣列聲波測井儀是聲波測井的有效手段，聲波在地層中的傳播特性受地層中各種巖性的骨架成分、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性和流體性質(zhì)等影響，通過測量地層的聲學傳播特性能夠有效地分析、研究儲層特征。儀器采取單極、偶極雙激發(fā)的方式，利用具有不同頻譜的聲波發(fā)射、接收探頭，在地層中有目的地激發(fā)和接收縱波、橫波和斯通利波，對采集到的波形數(shù)據(jù)進行處理，可以準確地獲取各種類型波的慢度及聲波幅度、衰減系數(shù)等數(shù)據(jù)，可定量計算地層各向異性參數(shù)[1]。

補償中子測井儀屬于放射性測井，是利用巖石中的含氫量來研究巖石性質(zhì)和孔隙度。其利用自身的化學中子源——镅-鈹源，向地層發(fā)射高能4.1 MeV的快中子，地層物質(zhì)的原子核與這些中子發(fā)生碰撞，每次碰撞后每個中子會損失能量；氫原子與中子碰撞的影響最大，通過長、短源距兩個探測器測量尚未被地層俘獲的熱中子密度隨源距的衰減率，并把衰減率轉(zhuǎn)換為刻度過的孔隙度值[2]。

陣列密度測井儀主要用于套管井中地層密度的測量，探頭是密度測井儀的核心部分。普通雙源距密度測井儀不能滿足在套管井中的地層信息測量要求。針對這些缺陷設計了陣列密度測井儀器，采用四探測器結(jié)構(gòu)，獲取更多的測量信息，通過數(shù)據(jù)處理獲得套管井地層密度及套管信息。利用同位素伽馬源向地層輻射伽馬射線，再利用不同源距的探測器來測量經(jīng)過地層散射和吸收后的伽馬射線。陣列密度儀器具有創(chuàng)新性，打破了國外廠家的技術(shù)壟斷，大大降低了老油田、老區(qū)塊套管井開發(fā)的成本。陣列密度測井儀可以測得套管井的地層密度，根據(jù)地層密度數(shù)與物質(zhì)原子序數(shù)之間的密切關系，可定量求出地層的孔隙度[3]。

三種儀器進行組合測井后在維保過程中分別發(fā)現(xiàn)過一些典型故障，下文分別對相關故障進行總結(jié)分析，為后續(xù)儀器維保工作提供可靠依據(jù)。

1 交叉偶極陣列聲波測井：全波及時差測量模式無波形

連接地面系統(tǒng)檢查儀器發(fā)現(xiàn)儀器單極子發(fā)射探頭無響聲，全波無波形。儀器由四個短節(jié)組成，即接收短節(jié)、 隔聲體、發(fā)射短節(jié)以及發(fā)射電路。單極發(fā)射控制板和偶極發(fā)射控制板通過主控板發(fā)出的觸發(fā)脈沖，使發(fā)射變壓器激發(fā)。根據(jù)故障現(xiàn)象，確定發(fā)射電路短節(jié)出現(xiàn)異常。EXDT61FA-單極子發(fā)射控制板原理圖如圖1 所示。

圖1 EXDT61FA-單極子發(fā)射控制板原理圖

快開關特性可確保Q5（三極管5）、Q6（三極管6）消耗最小功率，即當U2 的PIN3（管腳3）為0 V時，開關管Q3（三極管3）、Q4（三極管4）導通。將聲系上的單極發(fā)射變壓器的初級正極接T7（接線柱7）、負極接T8（接線柱8），同時將骨架上的高壓儲能電容正極接到T7，此電容儲存激發(fā)換能器的直流電壓。當開關管Q3、Q4導通時，此電容通過發(fā)射變壓器向發(fā)射換能器放電，換能器接在變壓器的次級。開關管Q5、Q6在U1（移位寄存器）的PIN6（管腳6）的15 V脈沖持續(xù)期間一直保持導通狀態(tài)。當PIN6的脈沖結(jié)束變?yōu)? V時，Q3、Q4由于Q2的下拉作用保持截止狀態(tài)。開關管的通斷控制儲能電容的電流放電，其放電電流峰值超過140 A。此電路板功能為：（1）對輸入的180 V交流電壓作整流濾波；（2）將轉(zhuǎn)為直流的輸入電壓升壓到直流420 V。

U1為 一 四 比 較 器，其PIN6采 樣R6（電 阻6）、R7（電阻7）之間的電壓，當電壓超過PIN7（管腳7）上的參考電壓時，比較器打開并將電壓接入PIN5（管腳5），這將改變開關管Q1（三極管1）振蕩的占空比，并最終控制高壓儲能電容的充電。使用示波器測量T9（接線柱9） fire信號，發(fā)現(xiàn)信號未拉到地，放電不完全，導致發(fā)射變壓器無法正常工作，使用烙鐵等工具將三極管焊下進行測量，更換故障三極管，儀器工作正常[1]。三極管測試方法為：管子測量時，G（柵極）-S（源極）間阻值為無窮，D（漏極）-S（源極）間阻值約1 MΩ，將G-S短接，測量D-S間電阻無窮大，則三極管無損壞。

2 補償中子測井儀：儀器無通訊

使用地面系統(tǒng)連接ERTT（通訊短節(jié)）檢查儀器，交流電壓和電流顯示正常，中子儀器無通訊。中子通訊原理圖如圖2 所示。

圖2 中子通訊原理圖

使用萬用表檢測儀器工作電壓正常；示波器檢測IO 板上UDI（命令）信號，正常為5.0 V脈沖，基線上有明顯雜波干擾，更換芯片DS78C20后，UDI信號正常，地面系統(tǒng)顯示中子依然無通訊。繼續(xù)檢測，UDI信號到達主控板經(jīng)過驅(qū)動芯片由原來5.0 V變?yōu)閮H有1.5 V，信號出現(xiàn)明顯異常，更換驅(qū)動芯片54HC4050后，輸出的UDI信號正常，此時地面顯示中子恢復通訊，計數(shù)及其他參數(shù)正常[2]。

3 陣列密度測井儀：BACK 和SHORT 探測器無能譜

連接地面測試儀器，儀器共有四個譜峰，檢查發(fā)現(xiàn)其中兩個探測器譜峰無顯示。陣列密度測井儀由探頭和電子儀總成組成，通過交叉對比，將故障確定在電子儀總成上。陣列密度信號原理圖如圖3 所示。

圖3 陣列密度信號原理圖

抽出電子線路展開排查，MA（探頭）采集的四路原始信號進入EA（電子）后，分兩組經(jīng)由兩塊ASP（模擬板）對脈沖信號進一步處理，對應進入兩塊PHA（譜分析）板進行能譜分析及數(shù)字化，最后PHA板通過RS485（485 總線）板間通訊將信號傳到主控板，然后控制模式變壓器將數(shù)據(jù)傳給通訊節(jié)，進一步上傳到地面系統(tǒng)。用示波器測量兩個ASP處理輸出的四路脈沖信號無異常，進入PHA1（譜分析1）板的兩路脈沖信號正常，PHA2（譜分析2）板兩路輸入信號與之相同。

由于兩塊PHA板后續(xù)處理已轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，選擇交叉調(diào)換后，地面顯示現(xiàn)象無變化，故將故障排查轉(zhuǎn)移到主控板上，兩塊PHA板與主控板通過RS485方式傳輸數(shù)據(jù)，測量主控板上兩個RS485 驅(qū)動芯片時，其中一路發(fā)現(xiàn)問題，PHA1板傳輸?shù)男盘栒＃枰D(zhuǎn)換的收發(fā)信號UART1-RX（接收）、UART1-TX（發(fā)射）無顯示，再次查找發(fā)現(xiàn)該芯片的UART1-DIR（使能信號）缺失，造成主控與PHA1 板未建立通訊，而另一路PHA2板各通訊信號正常。因此將故障判定為通訊驅(qū)動芯片未工作，導致地面上兩路能譜信號缺失，兩信號同在PHA1板處理[3]。

對于該故障維修，一般認為是芯片故障將使能信號拉低丟失，更換485 驅(qū)動芯片后，現(xiàn)象依舊，進而向上一級排查。產(chǎn)生該使能信號為100 腳CPU（控制）芯片的第41 腳，對該位置稍加按壓，485 通訊則正常，地面系統(tǒng)各波形及譜峰也正常，因此故障是因CPU芯片管腳虛焊，而使產(chǎn)生的使能信號未能傳輸?shù)酵ㄓ嶒?qū)動芯片。

針對該故障完成整改：（1）在CPU芯片周圍各管腳涂抹助焊劑，少量加注焊錫以重新焊接；（2）完成焊接后用放大鏡檢查確認無粘連及虛焊，并用電路板清洗劑清洗焊接殘余；（3）同為多管腳的芯片也按同樣方式重新焊接。

4 結(jié)語

三孔隙度儀器組合測井模式相比傳統(tǒng)作業(yè)模式可極大提高作業(yè)時效，減少儀器下井次數(shù)，降低作業(yè)風險。此外，作為儀器維保人員要對儀器了解透徹，針對不同故障舉一反三、觸類旁通，不斷提高儀器穩(wěn)定性，積極響應國家能源號召，高效保障海上一線作業(yè)。