CN2648459Y - 石油持水率雷达测井仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种石油持水率测井仪，由持水率雷达传感探头、高频信号收发处理器、数字信号处理器、微处理器以及有线单芯摇传模块电路等组成，其测定的基本原理是利用仪器测定电磁波的传播速度和相移时间，求得介电常数，然后利用DSP技术和无线摇传(WTC)技术，根据介电常数与含水量关系的理论模型和相移时间与含水量的理论模型计算出持水率并通过单芯电缆传入地面仪显示和输出。这样在实际使用时即可以方便快速地确定持水的深度和水流的方向，有效地确定油层含水量的大小。

Description

石油持水率雷达测井仪

所属技术领域

本实用新型内容属于电磁变量测量装置技术领域，涉及一种石油持水率测井仪，其产品可用于油田测、试井领域中从事生产动态测井、产层评价测井及在工程技术测井中评价生产效率，了解和监测生产井的产出剖面以及注入井的注入剖面、评价井投产后的储集层，了解产层含油性、渗透性和油水界面的变化情况(或残余油饱和度)、渗透率等地层参数以及评价在固井、射孔、地层处理等钻、采工程作业的效果，检查井眼机械状况等方面。

背景技术

目前公知的用于油田含水率测量的仪器有电容法持水率测井仪、阻抗法持水率测井仪、微压差法持水率测井仪和短波谐振法测井仪等，它们都因持水率传感器的不同而各具特点。用电容法或阻抗法持水率探头的测井仪，因其原理决定不能测量高含水原油持水率(含水60％以上信号失真严重，80％以后无法测试)，其原理是借助于油、水介电常数的区别来确定持水率大小，在含水率大于60％的高含水条件下，由于水为连续相，其电导的影响增大，将致令传导电流远大于位移电流从而使电容法对含水率丧失分辨率，故无法在高含水条件下作为测井仪含水率传感器使用。而阻抗法在含水率低于40％时，因为水是分散相，含水率的变化对油水混合物的阻抗改变不大，所以阻抗法在含水率小于40％时也丧失对含水率的分辨率，仅在含水率大于80％时有分辨率；况且阻抗的大小容易受电极表面清洁程度的影响，例如电极上吸附一层油膜，则两电极间的阻抗变大，使输出信号跳动，因此阻抗法仅适用于高含水率、大流量下的原油含水率的测量，这样的测井仪不能满足当前高含水油井的测试要求。微压差法持水率探头测井仪是按照液压传递原理在仪器内外压力处静态平衡时采用一种间接测试方法的装置，由于它面对地层压力复杂变化的环境，压差微弱且很难平衡，更不能应用满足动态测井，尤其对流动方向不定的井根本无法测试，现场作业困难，无法满足实际开发生产的需要，因而该产品很少应用。由石油大学(东营)研制的短波谐振法探头测井仪，在原电容法测试仪器的基础上，提高了震荡频率，也相对提高了测量范围和精度，但它仍摆脱不了电容法对被测介质的要求以及高含水对电导的影响，使传导电流远大于位移电流而对分辨率影响严重，必须要依靠仪器补偿，即便如此也只有在同介质环境条件下标定后才能保证仪器的指标，这对变幻莫测和很难预料的井下环境，也是很难进行仪器刻度的，这样的仪器在现场使用由于无法保证结果的正确性，且温度和压力以及套管、工具等对高频电磁波影响很大，实际很难实用。

上述的几种方法目前只有电容法、阻抗法持水率测井仪在油田中被有选择的使用，其它两种仪器还处在改进完善阶段。面对当前持水率测井的困难局面，由石油大学(北京)的吴锡令教授发明的“油井持水率波导测量方法”(发明专利号：ZL93 1 07982.9)引起大家的关注。该方法从油井内的套管和流体恰好构成有耗媒质填充的大口径圆波导的客观实际出发，独创了利用横电波在套管井中的传输特性测量整个流动截面上含水比例的新思路和新技术，但利用该方法在试图进行波导含水探头转化时发现存在：1)在测井过程中套管、流体和仪器构成的是同轴波导还是圆波导实际应用时很难界清，如果是同轴波导，则仪器必须居中，才有对称的电磁波模式存在，不居中则对称的电磁波模式被破坏；如果是圆波导，则套管必须是导体，且流体中的仪器影响严重，在实际测井中要保持仪器居中或套管都是导体很困难(套管也有非导体)，特别是斜井和水平井，仪器更达不到预期的理论定位--大口径圆波导；2)同轴电缆是非平衡线，环形天线是平衡线，二者在发射和接收连接时需要作平衡与非平衡的转换和隔离，否则产生严重的干扰；3)波导含水探头没有作平衡与非平衡转换设计，而且动态导波限制使得平衡与非平衡转换不可能，干扰信号将微弱的信号完全淹没，使测试结果没有意义；4)波导含水探头和套管构成圆波导，忽略了金属仪器本身对电磁场的影响，当仪器置于套管中时圆波导的工作模式被改变，套管与仪器构成了同轴波导，此时用圆波导理论无法解释；而在同轴波导中有TEM波存在的同时也有可能存在TE波及TM波，其模式与圆波导的不同，在有两种或三种模式的电磁波同时存在时，不利用极化分离器和多模椭圆滤波器便无法检测出与持水率有关的电磁波信号。

实用新型内容

本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种结构性能实用合理、操作方便、测量精度高、应用范围广的石油持水率雷达测井仪。

用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：所提供的石油持水率雷达测井仪(简称WPRT)也称为原油持水率雷达测井仪或原油含水率雷达测井仪，它含有持水率雷达传感探头、高频信号收发处理器、数字信号处理器、微处理器以及有线单芯摇传模块电路，其中雷达传感探头的输入/输出端经高频信号收发处理器与数字信号处理器的输出/输入端联结，数字信号处理器的输入/输出端接至微处理器的输出/输入端，微处理器的输入/输出端与有线单芯摇传模块电路的输出/输入端相联，有线单芯摇传模块电路的输入端外接至CBS输出电缆模式信号端。

本实用新型所述石油持水率雷达测井仪是通过雷达探测技术原理完成地下原油中持水率测量的。雷达探测技术是应用脉冲电磁波来探测隐蔽介质的分布和目标物。电磁波在介质中传播时，其路径—波形将随所通过的介质的电磁性质及参数而变化，根据接收到波的旅行时间(及双程走时)、幅度、频率与波形变化资料，可以确定介质内部结构及其使目标的浓度、性质等。而石油持水率雷达测井仪则利用特定335MHz频率的电磁波在不同介质流体中传播时，其S₁₁相移速度和电磁波频率将随所通过介质的性质及含水量大小而变化，最后得出高精度的持水率。其测定的基本原理是利用WRPT测定电磁波的传播速度和相移时间，因而可以求得介电常数，然后利用DSP技术和无线摇传(WTC)技术，根据介电常数与含水量关系的理论模型(WeiFeng.Simulation of time domain reflectometry based on soildielectric properties[D].UAS：Purdue University，1999)和相移时间与含水量的理论模型(吴信民.利用探地雷达测定土体含水量[D].杭州：浙江大学，2001.)计算出持水率并通过单芯电缆传入地面仪显示和输出，有特殊要求的也可按要求模式输出。这样在实际使用时即可以方便快速地确定持水的深度和水流的方向，有效地确定油层含水量的大小。

与现有技术相比，本实用新型所具有的优点是：

1、将微波雷达技术应用于油田测试井领域中，解决了原油持水率测量范围有限，测量精度差、易受井下环境制约和被测介质干扰的技术瓶颈；

2、实现了原油持水率和高频电磁波的相位和频率同步检测控制，并转化为标准电信号输出的技术难题；

3、充分利用了柔性制造技术(FMS)，将理论分析和设计、制造、仿真等技术结合生产出了无源持水率雷达敏感头，并确定出了检测模式、激励频率和极化分离器腔体；该探头自成系统，独立完成和被测介质持水率相关的频率和相位的检测，不受环境压力、温度，套管、工具等的影响；

4、检测头只有环型天线和介质接触，其它均用耐高温、高压的隔绝密封护管处理，解决了油田高温、高压环境下无法测试的现状，最高工作温度达175℃，压力80Mpa；

5、在信号处理上采用DSP和MPU双芯片分工合作的模式，使地面测控系统和井下DSP数据处理系统对等互动，高效通讯，克服了传统仪器采集迟滞，实效性差，数据传输缓慢等问题，特别是仪器可以在线软件升级；

6、仪器在对外接口上，提供了三种模式：直接连接输出电缆模式(CBS)、仪器总线模式(TPS)和单芯摇传短节输出模式(WTC)；兼容了国内外多参数仪器连接测井的需要；

7、由于无源持水率雷达敏感头体积小，重量轻，这样持水率测井仪也能满足多种井的测试需求，最小外25、最大可按实际定制。

总之，由于本实用新型巧秒地利用雷达探测技术解决了目前持水率测井仪技术问题，因而产品的使用不受被测介质和环境的影响，可将原油含水率的测量范围扩大到0～100％，测量精度达0.5％，有效解决了油田高含水率生产的测量问题。

附图说明

图1为本实用新型的设计原理结构框图。

图2为本实用新型的雷达检测探头部分的结构框图。

图3为雷达检测探头中极化分离器部分的结构示意图。

图4为极化分离器中圆波导场方向工作示意图。

图5～图8为本实用新型一个实施例的电路结构示意图，其中图5为高频信号收发处理器的电联线图，图6为数字信号处理器(DSP信号处理器)的电联线图，图7为数字信号处理器和微处理器内部通讯电路的电联线图，图8为微处理器(MPU)及有线单芯摇传模块电路(WTC)的电联线图。

具体实施方式

参见附图，本实用新型所述的石油持水率雷达测井仪由持水率雷达传感探头1、高频信号收发处理器2、数字信号处理器(DSP处理器)3、微处理器(MPU处理器)4、有线单芯摇传模块电路5以及多路选择开关模块电路6、稳压电源模块电路7、网络接口模块电路8、ROM存储器9、电源分离器模块电路10和存储器11、12等部分组成，其中雷达传感探头1的输入/输出端经高频信号收发处理器2与数字信号处理器3的输出/输入端联结，数字信号处理器3的输入/输出端接至微处理器4的输出/输入端，微处理器4输入/输出端与有线单芯摇传模块电路5的输出/输入端相联，有线单芯摇传模块电路5的输入端外接至CBS输出电缆模式信号端。

本实用新型中持水率雷达传感探头1部分处于仪器的关键部位，也是雷达技术应用的核心部位。它用于接收与持水率参量变化有关的反射波频率和相速，也可通过多路选择开关6直接连接矢量网络分析仪，完成持水率的测试。传感探头的原理结构如图2所示，实物由环形天线1a、极化分离器1b、单腔多模椭圆滤波器、信号发射/接收滤波器1d以及同轴信号发射/接收处理器端口1e组成。天线部分直接和介质接触，仪器通过天线1a发射335MHz电磁波的同时也接收来自地下介质界面的反射波。极化分离器1b采用圆波导型极化分离器，原理结构可参见图3，它一端接天线1a，另一端短路，与馈线相接的两个同轴接口1b.1、1b.2相互垂直，在两接口之间固定有一块金属极化去耦板1b.3，并在接口1b.1、1b.2相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉1b.4、1b.5；单腔多模椭圆滤波器包括两个滤波器1c、1c’，其中一个滤波器1c的输出端和输入端分别接极化分离器1b的一个同轴接口馈线和信号发射/接收滤波器1d的输出端，另一个滤波器1c’的输入端和输出端分别接极化分离器1b的另一个同轴接口馈线和信号发射/接收滤波器1d的输入端，滤波器1d的输入/输出端与同轴信号发射/接收处理器端口1e的发射/接收端联结。我们知道，在同轴线中传播的电波是横电磁波，其电场方向与同轴线内导体垂直；而在圆波导中的电场方向必须与圆波导内壁垂直。当微波信号由同轴线接口激发圆波导时，根据理想金属表面电场分布边界条件，只有垂直分量存在，因此在圆波导内的电场必定与同轴线内导体平行。这样在圆波导上开设的同轴线接口1b.1、1b.2相互垂直，它们产生的电场在圆波导内也必然垂直(图4)。同理，以圆波导中的电场耦合到同轴线接口时，也只有与同轴线内导体平行的电场才能输入至同轴线。因此在水平端口1b.1接发信信号，在垂直端口1b.2接收信信号，则发信输出微波信号在圆波导中激发产生水平电场E_＝，其方向与垂直端口1b.2的同轴线内导体垂直，故发信信号不会进入到接收通道而只能向天线侧传输。而从天线接收到的垂直极化信号进入极化分离器后，在圆波导中只能激励出垂直电场E_⊥，其方向与水平端口1b.1的同轴线内导体垂直，因此收信信号不会进入发信端口，而只能送入垂直的收信端口，发信和收信端口又分别接单腔多模椭圆滤波器。极化分离器中的去耦板1b.3为水平放置，是为了进一步减小两不同极化信号之间的相互串扰。根据金属的边界条件，由于水平极化波的电场方向与去耦板1b.3相平行，因此不能通过去耦板1b.3，而垂直极化波则可以通过去耦板1b.3。因此发信端口输出的水平极化信号将被去耦板1b.3隔离而不会传到接收端口，从而进一步提高了收发信号之间的隔离度。需要特别说明的是，发信口接在去耦板与天线之间的端口，即图3中的1b.1口，而不接在1b.2口，这是因为发信信号要比收信信号强得多，因此发在1b.1口可以利用去耦板1b.3进行阻挡，而起到减小发信信号对收信的干扰；若放置在1b.2则去耦板1b.3将起不到阻挡的作用。另外，为了消除极化分离器短路侧的反射影响，极化分离器中应使端口1b.2至短路侧的距离为信号中心频率的1/4波长。此时在端口1b.2等效的输入阻抗为75欧，因而信号的能量将不会向极化分离器的短路侧传输。单腔多模椭圆滤波器用来选择导波模式。由于在同轴波导中有TEM波存在的同时也存在无限多个TE_n模和TM_n，m模，必须从测量目的出发，结合不同探头结构，选择出TE₁₁模的工作模式和335MHz的电磁波。信号收发处理器2通过该断端口和DSP部分的电子线路连接，接受激励信号的同时输出检测的频率和相速信号给DSP处理器。总之，该持水率雷达传感探头经严密的科学运算和反复的现场实验最终定型其工作模式、激励频率和外型规格16×85mm(不含天线)。部分测试时，可以直接外接矢量网络分析仪进行持水率的测试。

高频信号收发处理器2的电路结构如图5所示，它用于完成微波的发射和接收，给探头1激励高精度电磁波的同时检测、分离出频率和相位信号传送给DSP处理。图5中器件U2采用型号为ZL30406的数字锁相环回路集成芯片；U1A采用MAX9174器件、U1B采用MAX9382器件。

DSP信号处理器3是本实用新型仪器的核心，内置软件，主要用于完成持水率、频率及相位的转换，将归一化处理的数字信号送给MPU处理器，也可以连接TPS总线后经多路选择开关6输出。图6中U3采用TMS320F241PJ器件，其接口JP4与高频信号收发器2之接口JP3相连；U4采用ADS7807J器件；U5采用MAX18794器件。图7中U6采用SN75LBO031器件，接口JP6同时与U3之JP3接口及U5之JP5接口相接。

MPU处理器4主要用于完成持水率的编/解码和出入口的通讯控制，和DSP信号处理器3分工协作，完成多参数仪器的配接和通讯。由于本实用新型仪器应用电磁波基本理论，运算复杂，信息量大，速度要求极高，通过DSP和MPU双“芯”工作技术实现了激励电磁波的发射、信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、MPU、DSP等集成在一块模块上实现一个系统功能。这里应用分两部分，一部分是以MPU为核心，集成各种存储器、控制电路、时钟电路，乃至I/O等功能于一个芯片上完成处理后信号的控制、输出和驱动，该部分上接WPRT的I/O口，下端转化成TPS总线，该总线可满足与油田其它系统仪器的配接连接，完成多参数测试，该部分即为有线摇传模块电路5，英文缩写为WTC，它一方面完成向其它仪器寻址，另一方面把其他仪器发送的数据重新编码，驱动后通过电缆依次送到地面数控系统。在实际使用时，WPRT模块可以直接和其它各参数仪器并接在总线(TPS)上，当WTC对仪器寻址时，所发出的地址信号被所有并接的仪器接收，而只有地址相同的哪支仪器响应，将数据通过仪器总线发送到WTC。另一部分是以DSP为核心，用DSP技术实现了激励电磁波的发射、信号采集、转换、存储、运算、处理和I/O等，为雷达探头发射激励信号并检测与持水率有关的频率和相位信号，经内核运算处理(内装入WPRT数据处理软件)后将持水率量值送给DSP。两部分的优化组合把系统算法与芯片结构有机地整和成为系统模块(SoM)。由于电磁波基本理论的复杂性，理论计算与正演模拟都是建立在近似基础上的.从而设计了雷达数据处理软件进行WPRT数据处理，并研制适合WPRT特点的专用数据处理软件.这些理论研究成果及数据处理软件在DSP中的应用将更有利于WPRT关于持水率测量结果的解释。随着基本理论、仪器、数据处理技术的进一步发展及应用，可及时通过该仪器的网络借口，更新其软件的更新版本。如果变换其它算法，则本实用新型仪器可在地质、水利等工程中得到广泛的应用。图8中U7为WTC模块电路，采TD823-175器件；U8为微处理器，采用AT89C2051芯片，其接口JP8与高频信号收发器U7之接口JP7相连。

图1中标号6为多路选择开关模块，该模块可由数控测井地面仪控制井下仪器的工作模式，输出经电缆快速接头直接接电缆芯，缆皮接地，输入则有四种模块供选择，分别是变送器输出、TPS输出、CBL输出和接地；标号7为稳压电源模块，用于完成系统工作供电；标号8为网络接口模块，用于完成和地面仪器的通讯，进行井下参数的设置和DPS软件的更新等；ROM存储器9用于存储仪器的出厂参数设置、保存刻度文件及仪器的IP代码等；电源分离器模块10经高频净化处理后给传感器供电；存储器11和12则分别用于DSP处理器和MPU处理器进行过程处理和运算时过程参数存储。

Claims (2)

1、一种石油持水率雷达测井仪，其特征在于它含有持水率雷达传感探头(1)、高频信号收发处理器(2)、数字信号处理器(3)、微处理器(4)以及有线单芯摇传模块电路(5)，其中雷达传感探头(1)的输入/输出端经高频信号收发处理器(2)与数字信号处理器(3)的输出/输入端联结，数字信号处理器(3)的输入/输出端接至微处理器(4)的输出/输入端，微处理器(4)输入/输出端与有线单芯摇传模块电路(5)的输出/输入端相联，有线单芯摇传模块电路(5)的输入端外接至CBS输出电缆模式信号端。

2、如权利要求1所述的石油持水率雷达测井仪，其特征在于检测探头(1)由天线(1a)、极化分离器(1b)、单腔多模椭圆滤波器、信号发射/接收滤波器(1d)以及同轴信号发射/接收处理器端口(1e)组成，极化分离器(1b)采用圆波导型极化分离器，其一端接天线(1a)，另一端短路，与馈线相接的两个同轴接口(1b.1、1b.2)相互垂直，在两接口之间固定有一块金属极化去耦板(1b.3)，并在接口(1b.1、1b.2)相对应的波导壁上加有匹配调谐螺钉(1b.4、1b.5)；单腔多模椭圆滤波器包括两个滤波器(1c、1c’)，其中一个滤波器(1c)的输出端和输入端分别接极化分离器(1b)的一个同轴接口馈线和信号发射/接收滤波器(1d)的输出端，另一个滤波器(1c’)的输入端和输出端分别接极化分离器(1b)的另一个同轴接口馈线和信号发射/接收滤波器(1d)的输入端，滤波器(1d)的输入/输出端与同轴信号发射/接收处理器端口(1e)的发射/接收端联结。

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