基于套管设计的过套管测井系统井下仪器研究

　　摘 要： 传统的过套管电阻率测井测量误差较大，探测深度较浅，为了解决传统测井仪器在生产测井中的局限性，有必要研究一种新型的过套管电阻率测井仪器。这种测井仪器基于一种特殊设计的套管，该新型套管由多段玻璃钢套管和金属套管交替构成。由于玻璃钢套管的绝缘性，从而达到了使更多的信号进入地层的目的。基于该新型套管设计一种新型过套管测井系统，并重点进行井下仪器系统的设计，具体包括激励信号源设计、数据采集系统设计、主控制器的选型与设计等。 

　　关键词： 测井技术； 套管设计； 过套管电阻率测井； 井下仪器 

　　中图分类号： TN710?34； P631.83 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）07?0127?03 

　　Abstract： The measurement error of the traditional cased hole resistivity logging is big and investigation depth is shallow， to solve the limitations of traditional logging tools in production logging， it is necessary to study a new cased hole resistivity logging instruments. The logging instrument was designed based on a special casing， in which the new casing was alternately composed of multi?segment glass?fiber reinforced plastics casings and metal casings. More signals can enter into the stratum due to the insulation of the glass?fiber reinforced plastics casing. A new cased hole resistivity logging system was designed based on this new casing. The downhole instrument system was emphatically designed， including incentive signal source design， data acquisition system design， main controller design and type selection . 

　　Keywords： well logging technology； casing design； cased hole resistivity logging； downhole instrument 

　　0 引 言 

　　过套管测井对于油田开发过程中油藏监测和剩余油评价都有着重要的意义和广阔的应用前景[1]。目前为止，用于过套管测井的方法有三种：C/O测井、中子寿命测井与过套管测井，这些都有其局限性，C/O测井探测深度较浅，测速低且代价高；中子寿命测井在低孔低盐等条件下测量误差大；过套管电阻率测井对高阻地层测量误差较大，对套管外壁涂防腐层的油井无法测量[2]。 

　　传统过套管电阻率测井信号通过金属套管流入地层，然后流回接收电极，通过测量该信号，得到地层的信息。但金属套管的电阻率远小于地层与油水混合物的电阻率，从电极发出的信号部分直接沿套管流回接收电极，没有进入地层。为了克服这一问题，提出基于目的层的特殊套管设计，这种套管利用玻璃钢套管的绝缘性和金属套管的导电性设计而成，它由多段金属套管与玻璃钢套管交替构成。因此，当电极发出信号，由于玻璃钢套管的绝缘性，信号只能通过地层或套管内油水混合体传送，从而达到使更多的信号进入地层的目的。 

　　本文基于这种新型套管，设计了一套新型的过套管电阻率测井系统。这种过套管测井系统可以解决传统金属套管因电阻率低，导致信号流失的问题，从而改善以往过套管测井技术测量误差较大，探测深度较浅等问题。该过套管测井方法在油田应用中有三个方面：一是探寻老井中漏掉油气，增加油气可采量；二是检测当前开采情况，为后续开发做准备；三是确定剩余油饱和度[3]。 

　　1 系统方案设计 

　　新型过套管测井系统由井下仪器系统、数据传输系统、地面控制系统构成。具体包括系统整体设计、激励源设计、数据采集系统设计、数据传输系统设计、主控制器设计、地面控制系统设计等。 

　　从设计特殊套管到构建整个系统，再将系统模块化，然后根据各模块实现的功能及在系统中的工作时序，分别进行分析和设计，最后将各模块相结合，再综合设计，完成这套基于套管设计的过套管测井系统，该系统将能很好地应用在生产测井中。新型过套管测井系统结构框图如图1所示。 

　　图1中[RL]为等效地层电阻，激励信号源向电极系上注入激励电流，从而获得地层电阻率信号。此信号进入数据采集模块进行处理，使之能够直接进入A/D转换模块。将信号进行模数转换后送达主控制器，经主控制器处理后通过传输系统经电缆送达地面控制系统，由地面控制系统发出指令控制井下主控制器，进而控制激励信号源。 

　　2 激励信号源的方案设计 

　　激励信号源的方案设计框图如图2所示，主要由控制模块、DDS模块、信号调理模块、功率放大模块等组成。控制模块收到改变信号源参数的指令，控制模块是整个激励信号源的控制中心，发送控制命令给DDS模块，改变发出信号的参数。DDS模块在控制模块的控制下，产生低频正弦信号。信号调理模块对输出信号进行调理。信号隔离模块的作用是使功率放大模块与DDS模块电气隔离。功率放大模块实现信号功率的放大，以满足微弱信号采集与系统的要求[4]。 　　2.1 控制模块 

　　控制模块主要由控制器及周边电路构成，可以控制DDS芯片。该设计使用AD公司的ADSP?2189M芯片作为控制器件，其与DDS芯片的接口如图3所示。 

　　2.2 DDS模块 

　　DDS模块设计框图如图4所示，包括DDS芯片、差分放大电路、低通滤波电路和电压放大电路等[5]。主要功能是生成信号，滤除噪声与信号放大输出等。该设计选用AD公司生产的AD9834芯片，这是一款高性能、低功耗DDS芯片，可以输出高性能正弦波、三角波以及方波信号。差分放大器将信号转换成单端输出，抵消输出信号中的直流部分；低通滤波器将输出信号滤除高频部分；电压放大器输出的信号幅度放大到±5 V。 

　　2.3 功率放大模块 

　　该模块采用PA12集成功率放大器，PA12是一款大电流型集成功率放大器件，内部耗散功率为125 W，宽电源电压工作范围为±10～±50 V，大电流输出范围为±15 A。 

　　3 数据采集的方案设计 

　　数据采集的方案设计框图如图5所示。数据采集系统包括：前置放大电路、信号调理电路、A/D转换和信号采集电路。前置放大电路和信号调理电路的功能是对微弱信号进行放大和滤波，使之能直接接入ADC。信号采集电路的主要功能是对放大电路输出的信号进行采集、处理，同时接收和执行主控制器的命令。 

　　3.1 前置放大电路 

　　减少引入观测噪声是检测微弱信号的关键，而前置放大器是噪声被引入的主要部件之一。因待测信号很微弱，所以前置放大器选用超低噪声器件，否则前置放大器自身噪声就会加深覆没以前就被噪声淹没的待测信号。这里选用OP37，由于OP37具有很高的共模抑制比，而差分放大电路又能减少共模信号而放大差模信号，故能很好地检测到有用信号。 

　　3.2 信号调理电路 

　　为了让信号适合信号采集，所以需要设计信号调理电路。一方面，需要设计单端转差分和幅度调节电路保证A/D转换芯片所需的输入信号。另一方面，要保证信号测量的精确性，应使信号在测量满量程的一半左右，所以需设计程控增益电路。 

　　3.3 信号采集电路 

　　这里选用一种具有Delta?Sigma（Δ?Σ）模数转换技术的采集芯片ADS1271，能将放大后的模拟信号转换为数字信号。控制器选用ADSP2186M，该部分主要是控制ADS1271的工作模式、串行口工作方式、A/D转换数据的读取、缓冲、处理和发送等。信号采集电路框图如图6所示。 

　　4 主控制器的方案设计 

　　主控制器实现对整个系统各个部分的控制，控制激励信号源输入地层的信号，控制数据采集系统对信号的采集处理，并将处理后的数据传输到地面控制系统，并且接收和执行地面控制系统的指令。主控制器设计为DSP加CPLD的方案。根据所选芯片的工作要求介绍主控电路的硬件实现。 

　　4.1 DSP外围电路 

　　要让DSP能正常工作，首先要设计一个最小硬件系统[6]。系统选用ADSP?2189M作为控制核心，包括外围的电源、时钟、复位、模式设置，还有FLASH拓展和CPLD接口电路等。ADSP?2189M的最小硬件系统如图7所示。 

　　5 结 语 

　　本文基于一种特殊设计的套管，提出一种新型的过套管电阻率测井系统。针对这种新型的过套管电阻率测井系统，本文进行了系统仪器设计研究，重点对井下仪器的各个组成部分进行分析和研究，研究各部分的构成及各构成模块选型与设计。这种测井仪器能够有效地改善传统过套管电阻率测井仪器在开发测井中的一些局限性，如测量误差较大、探测深度较浅等。 

　　参考文献 

　　[1] 张家田，霍菲菲，严正国.过套管电阻率测井技术及应用[J].内蒙古石油化工，2010（3）：89?90. 

　　[2] 马龙，黎伟，忽雪娇，等.智能套管测井系统研究[J].电子制作，2014（15）：19. 

　　[3] 吴银川，张家田，严正国.过套管地层电阻率测井技术综述[J].石油仪器，2006，20（5）：1?5. 

　　[4] 吴银川，张家田，严正国.过套管电阻率测井大功率超低频信号源设计研究[J].测井技术，2009，33（4）：394?397. 

　　[5] 张家田，严正国，包德洲.过套管电阻率测井技术[M].北京：科学出版社，2013：31?98. 

　　[6] 马建明.基于BF533DSP高分辨率测井数据采集系统设计[D].西安：西安石油大学，2012.