CN204371322U - 一种快测阵列感应测井系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种快测阵列感应测井系统，包括经由高性能集成电子线路、线圈系、压力平衡装置组成的井下测量装置，测井得到的快测阵列感应测量信号输送至地面采集模块，经过数据处理模块进行数据合成处理后通过记录仪显示单元显示，从而完成快测阵列感应仪器系统的信号测量。通过线圈系参数与结构优化、高性能集成电路系统、工作模式优化、厚膜集成与一体化设计等技术，在保证仪器纵向分辨率和径向探测深度不变的基础上，仪器长度由原来9.86m缩短到4.96m，测量精度由原来±1mS/m提高到±0.5mS/m。仪器现场应用表明，仪器稳定可靠，可操作性、易维护性大大提高。

Description

一种快测阵列感应测井系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于快测平台探测裸眼井周围地层电阻率的快测阵列感应成像测井系统，属于快测平台电法领域的地球物理测井技术。

技术背景

随着油田开发方式的多样化，油藏状况越来越复杂，国外三大测井公司斯伦贝谢、贝克—阿特拉斯、哈里伯顿均先后推出了自己的快测平台ExpressPlatform、LOG-IQ、FOCUS测井系统。随着国内钻井提速，井况越来越恶劣，研制长度短、时效快的快速测井平台成为油田勘探开发提速提效的迫切需求。国产EILog快测平台正是在此背景下开发，通过探测器优化、电路共用与集成，使用新的机电工艺设计，缩短了仪器长度，增强了测量的稳定性。目前，先进的快测阵列感应测井仪器应用广泛，它以电磁感应原理为理论依据，主要由电子线路、线圈系，电路共用与集成、计算机技术及数据处理等先进方法，通过多路遥测短节，把采集的大量数据送到地面，再经过计算机进行处理，得出具有5种不同探测深度和3种不同纵向分辨率曲线。快测阵列感应测井仪器的主要组成部分是线圈系结构，线圈系采用一个发射线圈、8个接收线圈阵列的三线圈系源距和工作频率与公开专利CN102042009A线圈系参数一致，以保证仪器原三种纵向分辨率和五种径向探测深度不变。但是，常规的阵列感应测井仪线圈系芯轴，选用无磁的钛合金材料。

实用新型内容

为了高效地满足快测平台现场应用要求，本实用新型实施例提供了一种石 油勘探设备快测阵列感应测井系统，仪器通过线圈系参数与结构优化、高性能集成电路系统、工作模式优化、厚膜集成与一体化设计等技术，在保证仪器纵向分辨率和径向探测深度不变的基础上，仪器长度由原来9.86m缩短到4.96m，测量精度由原来±1mS/m提高到±0.5mS/m。仪器现场应用表明，仪器稳定可靠，可操作性、易维护性大大提高。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种快测阵列感应测井系统，该系统包括包含有厚膜集成电路单元模块和高性能采集处理单元模块的高性能集成电子线路装置；包含有线圈系芯轴和线圈骨架与线圈屏蔽层的线圈系；采取皮囊压力平衡的方式与复合芯轴的结构相匹配的压力平衡装置；用于实时采集、监测快测阵列感应仪器测井数据的地面采集模块；用于对地面采集模块的原始测井数据进行处理的数据处理模块；以及用于记录地层信息曲线和图像数据的记录仪显示单元；

由所述高性能集成电子线路装置、线圈系、压力平衡装置组成井下测量装置，井下测量装置与地面采集模块相连，地面采集模块通过数据处理模块连接至记录仪显示单元，从而完成阵列感应仪器系统的信号测量。

进一步地，所述线圈系与高性能集成电子线路装置相连，高性能集成电子线路装置包括发射驱动电路、前置放大和带通滤波电路、数据采集电路和电源管理单元。

进一步地，所述发射驱动电路包括二级刻度电路和发射解码与驱动电路，二级刻度电路分别与线圈系和前置放大和带通滤波电路连接，发射解码与驱动电路分别连接线圈系和数据采集电路。

进一步地，所述前置放大和带通滤波电路包括若干个前置放大电路和带通滤 波电路，各前置放大电路和带通滤波电路分别连接线圈系的8通道和数据采集电路。

进一步地，所述数据采集电路包括与发射解码与驱动电路连接的发射控制波形电路，与若干个前置放大电路和带通滤波电路相连的电平转换电路，各电平转换电路分别依次对应连接8个PGA可编程增益放大器、高速A/D转换电路；所述发射控制波形电路和高速A/D转换电路分别连接FPGA主控单元，FPGA主控单元通过CAN接口连接DSP微处理器。

进一步地，DSP微处理器分别连接线圈系温度检测电路、自然电位SP、工作电压检测电路和电子仪温度检测电路。

进一步地，所述压力平衡装置包括皮囊支撑轴，及包裹在皮囊支撑轴外侧的皮囊，所述皮囊支撑轴的一端皮囊内镶装有皮囊左堵头，皮囊左堵头与皮囊支撑轴之间设有皮囊芯体；在皮囊支撑轴的另一端镶装有套有O型密封圈的皮囊右堵头。

进一步地，所述皮囊右堵头通过金属扎带连接球形堵头，皮囊左堵头通过金属扎带连接线圈系下管轴。

本实用新型实施提供的技术方案带来的有益效果是：

本实用新型采用的新型管材为主体、外表面覆盖玻璃钢的复合芯轴，其中芯轴是无磁铍青铜金属管长轴，外壁上有玻璃钢套，将金属管长轴与玻璃钢套复合粘接为一体构成阵列线圈系骨架，并且采用一种组合线圈的方式，将各个阵列的接收线圈和屏蔽线圈与安装的阵列线圈系一一对应，通过特殊三线圈系结构设计，解决了相邻两个接收线圈阵列主接收线圈与屏蔽线圈之间位置干涉技术难题；通过绕线工艺改进与实验优化，解决了快测阵列结构线圈各道直接 耦合信号过大技术难题。其次，是快测阵列感应集成采集系统，采用开关电源、发射接收一体化设计、电路厚膜集成技术，去掉保温瓶，减少接头，实现了仪器长度与重量均缩小一半；通过实时二级刻度技术、系统内刻信号幅度与相位同步校正技术，解决了电路的温度漂移技术难题；通过采用高性能DSP与FPGA架构，倍增采集通道数，优化采集时序与DPSD算法，利用更多采集时间和获取更大数据量来提高测量精度，解决了高密度条件下强弱信号的影响及噪声抑制难题，并实现小信号测量精度提高。压力平衡装置，本实用新型改进了活塞式压力平衡短节，采取皮囊压力平衡的方式与复合芯轴的结构相匹配设计，有效缩短整体仪器0.5m。

通过采取上述手段开发的适于快测平台的快测阵列感应测井系统已成功应用并开始产业化。仪器系统设计方法与电路一体化设计技术对于其他仪器设计具有重要参考价值。

附图说明

下面结合附图对本实用新型方法以作进一步的说明：

图1为快测阵列感应感应测井系统示意图；

图2为电子仪主控采集处理单元示意图；

图3为主控采集单元DSP&FPGA交互工作时序示意图；

图4为厚膜集成电路单元模块单元示意图；

图5为新型优化线圈系结构示意图；

图6为压力平衡结构单元示意图；

图7为测井资料解释成果图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种快测阵列感应测井系统，该系统主要由6个环节组成：

高性能集成电子线路装置1，包括高性能采集处理单元模块和厚膜集成电路单元模块。用于产生三电平控制信号提供给发射电路，启动发射控制电路。发射信号经驱动后由发射线圈向地层发射，每个接收子阵列线圈接收由地层产生的电磁感应信号，通过高性能采集处理单元模块采集接收线圈产生的地层感应电动势，并将采集数据结果上传至地面，可以实时获得8个通道的主线圈测量信号。

线圈系2，具体包括线圈系芯轴和线圈骨架与线圈屏蔽层，用于支撑阵列感应仪器线圈系总成，其上安装有一体化线圈系结构和特殊的绕线技术的线圈系总成的所有阵列线圈骨架，起到很好的绝缘、抗冲击、减震、承力作用。

压力平衡装置3，采取皮囊压力平衡的方式与复合芯轴的结构相匹配设计，用于皮囊注油的方式，在井下高温高压环境下保持线圈系玻璃钢内外压力的平衡。

地面采集模块4，用于实时采集、监测快测阵列感应仪器测井数据，包括控制仪器刻度和测井。刻度完成三个任务，一是刻度文件操作，二是车间刻度操作，三是温度传感器标定操作；测井用于完成仪器配置、加载刻度及定时测、上测或下测组成，实时监视数据，实时看快测阵列感应仪器测井曲线。

数据处理模块5，用于对地面采集模块的原始测井数据进行处理得到最终用户需求解释的地层电阻率测井曲线。数据处理模块为一直线流程，即上一处理 模块的输出为下一处理模块的输入。其中，预处理模块用到刻度系数，实现电压信号到地层电导率信号的转化；井眼校正模块用到井眼校正参数、井径和泥浆电阻率值，用于对测量数据的井眼影响校正。真分辨率聚焦处理和分辨率匹配处理模块用到聚焦滤波器库和匹配滤波器库，用于对上一级井眼校正输出数据进行真分辨率聚焦处理和分辨率匹配处理，最终完成用户需求的测井解释曲线。

记录仪显示单元6，用于记录显示地面采集模块和数据处理模块的地层信息曲线和图像数据，生成测井资料成果打印和导出、生成图片的功能。

经由高性能集成电子线路装置1、线圈系2、压力平衡装置3组成的井下测量装置，测井得到的快测阵列感应测量信号输送至地面采集模块4，经过数据处理模块5进行数据合成处理后通过记录仪显示单元6显示，从而完成快测阵列感应仪器测量地层信息包含有地层径向和纵向不同范围的地层电阻率信息及井眼信息，经过井眼环境影响校正和数据处理，得到地层径向视电阻率。

如图2所示，本实用新型实施例提供一种高性能集成电子线路，具体包括与线圈系2相连的高性能集成电子线路装置1。高性能集成电子线路装置1包括发射驱动电路102、前置放大和带通滤波电路105、数据采集电路103和电源管理单元104。

线圈系2接收由地层产生的测量信号，分别通过发射驱动电路102、前置放大和带通滤波电路105将处理后的信号传输至数据采集电路103，数据采集处理电路103将该测量信号进行信号选择、自动增益、A/D采集及数据处理再进行组织编码，并通过CAN接口电路将数据传送至井下遥测。

其中，发射驱动电路102包括二级刻度电路和发射解码与驱动电路，二级刻 度电路分别与线圈系2和前置放大和带通滤波电路105连接，发射解码与驱动电路分别连接线圈系2和数据采集电路103相连。

前置放大和带通滤波电路105包括若干个前置放大电路和带通滤波电路，各前置放大电路和带通滤波电路分别连接线圈系2的8通道和数据采集电路103，实现同步采集与处理，以及系统通讯。

数据采集电路103包括与发射解码与驱动电路连接的发射控制波形电路，与若干个前置放大电路和带通滤波电路相连的电平转换电路，各电平转换电路分别依次对应连接8个PGA可编程增益放大器、高速A/D转换电路；所述发射控制波形电路和高速A/D转换电路分别连接FPGA主控单元，FPGA主控单元通过CAN接口连接DSP微处理器。

DSP微处理器分别连接线圈系温度检测电路、自然电位SP、工作电压检测电路和电子仪温度检测电路。

本实用新型采取厚膜集成电路单元模块，其中，采集处理模块单元作为高性能集成电子线路装置1系统控制核心，完成发射波形控制、电平转换、自动增益控制与校准、辅助参数测量、8通道同步采集与处理、系统通讯等功能。基于DSP及FPGA嵌入式架构设计，如图2中数据采集框所示。采用具有32bit高速高性能DSP和FPGA作为主控元件，DSP支持1.8V内核电压、运行速度150MHz，带有0等待周期片上SRAM和128K×16bit Flash及ADC，SCI、SPI、McBSP、eCAN等丰富片上外设；采用百万门级FPGA，速度350MHz，内核电压1.5V,144Kb双端口SRAM/1Kb Flash和多达300个用户I/O。利用高速FPGA的实时性实现8通道同步采集和利用高性能DSP灵活性及处理能力实现信号处理，使得在保证仪器测量功能前提下缩小电路尺寸成为可能。

主控采集处理单元工作流程为：电平转换电路完成前端8通道调理信号的电平转换，将双极性信号调整到适于AD采集的单极性信号；可编程增益放大电路实现各通道信号的自动增益调整放大，保证仪器信号测量动态范围；FPGA控制8道AD完成信号采集，累加降噪处理，将结果保存在内部设置双口RAM，通过中断通知DSP读取数据，完成8通道3种频率信号的数字相敏检波DSPD处理，形成24组实部和44组虚部数据；一个CAN通信周期内，DSP还要通过内置AD完成电子仪及线圈系温度、自然电位SP、工作电压等辅助参数的测量，DSP数据成帧后通过内置eCAN经由遥传完成数据上传。

其中，主控采集单元DSP&FPGA交互工作时序，如图3所示，DSP收到遥传命令启动FPGA开始采集，FPGA控制AD依次完成接收线圈主测量信号预采样、PGA增益设置、主测量信号采集、二级刻度信号采集、PGA*1档和PGA*m档信号的采集，PGA每完成一种信号的采集与累加处理后均中断通知DSP取走，并由DSP完成数据处理与保存，所有8个通道由FPGA控制同步完成对应信号采集过程，由DSP分时完成处理，最后数据成帧，等待接收数据帧命令后上传数据。

厚膜集成电路单元模块，主要包括发射电路和前放带通电路，如图4所示，前放带通电路，主要由测量与刻度切换电路、前置放大电路、带通滤波电路以及求和输出电路共四部分构成。测量与刻度切换电路主要用于对测量信号与刻度信号进行切换。前置放大电路主要用于对微弱信号进行放大，为了有效抵制噪声前放带通板采取差分输入，同时为了消除漂移电压，前置放大采用两级差分输入放大结构。前级采用深度电压串联负反馈电路，后级通过减法器实现差分输入。该电路具有高输入阻抗，很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压。 发射电路，阵列感应发射信号为三电平方波信号，发射电流大小分别为：26.256kHz为1A，52.512kHz为1/4A，105.024kHz为1/16A，发射信号接收数据采集短节送来的时钟逻辑控制。为了实时刻度，发射模块设计了一个电流取样电路，其取样信号送到接收短节作为二级刻度信号源。发射模块由发射波形产生器、开关控制产生器、高压滤波和电流取样电路等部分组成。

所述厚膜集成电路单元模块，包括发射电路单元；前放带通电路单元。其中发射电路单元，设计了三种发射频率，远阵列使用低频信号，近阵列使用高频信号，中阵列使用中频信号。远阵列接收线圈离发射线圈最远，在相同的发射电磁强度情况下接收的感应信号最小，选取发射电磁强度最大，使信号幅度得到提高。相反，近阵列接收线圈离发射线圈最近，在相同的发射电磁强度情况下接收的感应信号最大，此时选取发射电磁强度最小，使接收信号幅度基本一致。这种等时交替变化的发射信号的幅度与频率的平方成反比。前放带通电路单元，由测量与刻度切换电路、前置放大电路、带通滤波电路以及求和输出电路共四部分构成，主要完成短阵列和长阵列共8道测量信号与二级刻度信号的前置放大和滤波处理。

主控采集单元产生同步发射控制波形，发射单元通过发射电路解码，将混频信号驱动后送至发射线圈T进行发射，8组接收线圈阵列接收经过地层后的二次感应信号，由前置放大电路进行低噪声放大、带通电路进行选频滤波，送主控单元完成采集、检波计算、数据成帧后通过遥测上传至地面进行合成聚焦处理。

本实用新型实施例，提供一种线圈系结构模块单元，如图5所示，所述仪器线圈系结构单元模块由线圈系芯轴和线圈骨架与线圈屏蔽层组成，其中，线 圈系芯轴采用新型管材为主体、外表面覆盖玻璃钢的复合芯轴，其中芯轴是无磁铍青铜金属管长轴，外壁上有玻璃钢套，将金属管长轴与玻璃钢套复合粘接为一体构成阵列线圈系骨架，并且采用一种组合线圈的方式，将各个阵列的接收线圈和屏蔽线圈与安装的阵列线圈系一一对应，通过特殊三线圈系结构设计，线圈系由一个发射线圈、8组接收线圈阵列组成，其中每组接收阵列由主接收线圈和屏蔽线圈组成，与发射线圈一起组成三线圈系结构。为缩短线圈系长度，而且保证径向探测深度与纵向分辨率，8组接收阵列主线圈R1至R8源距分别为6、9、12、15、21、27、39、72inch，变为单边结构8组接收线圈中间6组接收线圈R1至R6与屏蔽线圈B2至B7线圈在物理位置上存在硬件干涉，通过一体化线圈系结构设计和采用特殊的绕线工艺，将原来11组线圈(发射T、8组主接收R1-R8、8组屏蔽线圈B1-B8)，变为11组组合线圈(发射T、B1、R1B2、R2B3、R3B4、R4B5、R5B6、R6B7、R7、B8、R8)。单、双边结构线圈系布局图见图5，线圈系净长由2.5m缩短为1.8m，同时通过绕线工艺改进与布线实验优化，解决了单边结构线圈各道直接耦合信号过大技术难题。

如图6所示，所述压力平衡装置3包括皮囊301、左堵头302、皮囊支撑轴303、皮囊芯体304、O型密封圈305、皮囊右堵头306、金属扎带307。

在皮囊支撑轴303外侧包裹有皮囊301，皮囊支撑轴303的一端皮囊301内镶装有皮囊左堵头302，皮囊左堵头302与皮囊支撑轴303之间设有皮囊芯体304；在皮囊支撑轴303的另一端镶装有套有O型密封圈305的皮囊右堵头306，皮囊右堵头306通过金属扎带307连接球形堵头，皮囊左堵头302通过金属扎带307连接线圈系2下管轴。

安装本压力平衡装置3时，首先将皮囊左堵头302右端压入皮囊301内， 然后将301和302这两个零件整体从皮囊支撑轴下端套入到皮囊支撑轴303上，再将皮囊芯体304从皮囊支撑轴303下端装入皮囊301内，接着把装有O型密封圈305的皮囊右堵头306从皮囊支撑轴下端装入，让皮囊右堵头306左端压入皮囊301内，最后用金属扎带307将皮囊两端与左右堵头连接处可靠扎紧，完成整个压力平衡装置的安装。

在测井过程中，井下温度与压力不断变化，快测阵列感应仪器内部硅油的压力也随之变化，通过皮囊301膨胀，使得仪器内外压力在小压差下保持平衡。当温度升高时，测井仪内部的硅油体积膨胀，内部压力大于外部压力，皮囊膨胀；当温度降低时，测井仪内部的硅油体积缩小，内部压力小于外部压力，皮囊收缩。在测井过程中，井下压力与温度共同作用在仪器上，通过皮囊膨胀来适应仪器内部硅油体积变化，从而保持仪器内外压力平衡。

本实用新型由高性能集成电子线路装置1、线圈系2、压力平衡装置3组成的井下测量装置总长度为4.96m，其中：高性能集成电子线路装置1采取电路模块分区布置，大电流布线通过屏蔽管，微弱信号放大模块一体屏蔽等措施。并且将所有组件、电路部分的设计都采用模块化设计，组装和维修简便，长度为1.5米、线圈系2，采取发射线圈上移，八个接收线圈系依次向下排列，并且每个线圈系的补偿线圈和上个线圈系的接收线圈采用了同槽复线绕制设计。该设计在解决了线圈位置复用的同时解决了线圈间在高温高压情况下产生形变所导致的相互影响，长度为2.66米、压力平衡装置3采取皮囊式压力平衡短节，缩短了仪器长度的同时，延长了维护的周期，长度为0.8米。

本实用新型实施例提供一种快测阵列感应测井仪实测资料处理结果，如图7所示，在X井综合解释对比图，油层段响应表现为电阻率的升高，水层段表现 为低阻负差异，干层及非渗透层曲线关系重合，体现了快测阵列感应测井仪对储层渗透性及含油水的识别能力。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过工程化机械部分、硬件电路和软件编程实现，其硬件包括实现仪器线圈系、电子仪、压力平衡；软件包括采集处理单元、数据处理单元，程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：采集处理DSP、FPGA内存和计算机中的硬盘、光盘。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快测阵列感应测井系统，其特征在于，该系统包括包含有厚膜集成电路单元模块和高性能采集处理单元模块的高性能集成电子线路装置；包含有线圈系芯轴和线圈骨架与线圈屏蔽层的线圈系；采取皮囊压力平衡的方式与复合芯轴的结构相匹配的压力平衡装置；用于实时采集、监测快测阵列感应仪器测井数据的地面采集模块；用于对地面采集模块的原始测井数据进行处理的数据处理模块；以及用于记录地层信息曲线和图像数据的记录仪显示单元；

由所述高性能集成电子线路装置、线圈系、压力平衡装置组成井下测量装置，井下测量装置与地面采集模块相连，地面采集模块通过数据处理模块连接至记录仪显示单元。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述线圈系与高性能集成电子线路装置相连，高性能集成电子线路装置包括发射驱动电路、前置放大和带通滤波电路、数据采集电路和电源管理单元。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述发射驱动电路包括二级刻度电路和发射解码与驱动电路，二级刻度电路分别与线圈系和前置放大和带通滤波电路连接，发射解码与驱动电路分别连接线圈系和数据采集电路。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述前置放大和带通滤波电路包括若干个前置放大电路和带通滤波电路，各前置放大电路和带通滤波电路分别连接线圈系的8通道和数据采集电路。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据采集电路包括与发射解码与驱动电路连接的发射控制波形电路，与若干个前置放大电路和带通滤波电路相连的电平转换电路，各电平转换电路分别依次对应连接8个PGA可编程增益放大器、高速A/D转换电路；所述发射控制波形电路和高速A/D转换电 路分别连接FPGA主控单元，FPGA主控单元通过CAN接口连接DSP微处理器。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，DSP微处理器分别连接线圈系温度检测电路、自然电位SP、工作电压检测电路和电子仪温度检测电路。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压力平衡装置包括皮囊支撑轴，及包裹在皮囊支撑轴外侧的皮囊，所述皮囊支撑轴的一端皮囊内镶装有皮囊左堵头，皮囊左堵头与皮囊支撑轴之间设有皮囊芯体；在皮囊支撑轴的另一端镶装有套有O型密封圈的皮囊右堵头。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述皮囊右堵头通过金属扎带连接球形堵头，皮囊左堵头通过金属扎带连接线圈系下管轴。