快测平台阵列感应成像测井仪研制与应用

陈涛，陈章龙，宋青山，白彦，贺秋丽，王水航

（中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西 西安710077）

0 引 言

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Schlumberger、Baker Atals、Halliburton先后推出了自己的快测平台Platform Express、LOG－IQ、FOCUS 测 井 系 统［1］。国产EILog快测平台也随之开发，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，增强了仪器测量的稳定性。常规电法测井仪串长12．8m，其包括三参数、遥传伽马、井径连斜、数字声波、阵列感应，添加能谱、补中、岩密等放射性测井仪器的总长约20m，一次下井可提供常规地层评价所需的所有测井资料。单边阵列感应成像测井仪MIT1530为了适应EILog快测平台需要而研制开发。

1 测量原理、组成及技术指标

单边阵列感应成像测井仪MIT1530基于电磁感应测井原理，通过发射线圈发射3种频率的混频信号、8组接收线圈接收来自地层的二次感应信号，在井下完成8组线圈3种频率信号的实部和虚部信号提取，得到24条实部和24条虚部电导率曲线，在地面通过软件合成聚焦处理，得到3种纵向分辨率、5种径向探测深度的电阻率曲线。多个接收线圈的测量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，得到反映地层径向视电阻率、地层流体性质的二维成像图，用于分析薄层和层内非均质性，描述泥浆侵入特征，判断油水层［2－4］。

单边阵列感应成像测井仪MIT1530由电子仪（1．46m）、线圈系（3．50m，含压力平衡）2部分组成，采用电子仪与线圈系一体化设计，电源、发射、采集与处理电路均置于电子仪内。已开发的阵列感应测井仪有3个型号MIT5530、MIT6532和MIT1530，主要技术指标见表1。其中MIT1530增加了自然电位测量功能。

表1 MIT阵列感应成像测井仪3个型号仪器主要技术指标

2 关键技术

单边阵列感应线圈系仍采用1个发射线圈、8个接收线圈阵列的三线圈系结构，源距（6、9、12、15、21、27、39、72in＊非法定计量单位，1ft＝12in＝0．3048m，下同）和工作频率（26．256、52．512、105．024kHz）与 MIT5530原双边结构线圈系一致，以保证仪器原3种纵向分辨率和5种径向探测深度不变。采用主辅一体化线圈结构设计，解决了相邻2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；绕线工艺改进与实验优化，解决了单边结构线圈各道直接耦合信号过大技术难题；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；采用实时二级刻度技术、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；采用高性能微处理芯片DSP与FPGA架构，倍增采集通道数，优化采集时序与DPSD算法，提高采样频率、增大测量信号采集时间，获取单位时间内更大数据量的处理提高系统信噪比［5－6］；采用多层PCB优化布局、强弱信号屏蔽隔离、发射信号双绞屏蔽、接收信号多层屏蔽及优化接地方式等措施，解决了高密度电子线路条件下强弱信号的影响及噪声抑制难题，实现小信号测量精度提高［7－8］。

2．1 单边线圈系结构设计

单边阵列感应线圈系采用三线圈系结构。为缩短线圈系长度，保证径向探测深度与纵向分辨率，8组接收阵列由先前分布在发射线圈两侧改为分布在发射线圈一侧，通过组合线圈结构模型解决线圈干涉问题，即变为11组组合线圈（T、B1、R1B2、R2B3、R3B4、R4B5、R5B6、R6B7、R7、B8、R8）；通过对组合线圈工艺上的优化，即主辅线圈双线并绕改为主辅线圈独立互绕，解决了单边结构线圈各道直接耦合信号过大以及基值漂移技术难题。单边阵列线圈系结构以及双线互绕组合线圈结构见图1。

根据电磁场理论和单边阵列感应线圈系结构，确定各接收线圈的互感电动势以及复视电导率关系式。从仿真子阵列的视电导率实部与地层电导率的关系可以看出（见图2），当线圈间距不变时，对一定范围的地层电导率0．0001～10S／m变化时，测量信号包含更多的地层信息。同样也可以看出，单边阵列感应线圈系的间距与趋肤效应成正比，间距大趋肤效应严重，反之，则小。所以在长阵列上采用低频发射信号减小趋肤效应影响。

图1 单边阵列线圈系结构以及双线互绕组合线圈结构图

图2 MIT1530子阵列视电导率实部与地层电导率关系

2．2 系统主控模块设计

MIT1530系统框图见图3，主要由电源、发射、前放带通及主控采集处理等单元组成。其中，主控采集处理单元由DSP与PFGA组合实现8道线圈系感应信号与1道线圈系温度信号的采集与处理。系统工作流程：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。

主控采集处理单元作为系统控制核心，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。利用高速FPGA的实时性实现8通道同步采集，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［9－12］。主控采集处理单元工作流程：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24组虚部数据；1个CAN通信周期内DSP要通过内置AD完成电子仪及线圈系温度、自然电位、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。

图3 MIT1530系统框图

MIT1530主控采集单元DSP ＆FPGA交互工作时序见图4。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，等待接收遥传数据帧命令后上传数据。

图4 MIT1530主控采集单元DSP＆FPGA交互工作时序

2．3 实时校准技术

实时二级刻度校正技术和自动增益精确校准技术。实时二级刻度校正技术是通过在发射电路中设计1个电流取样变压器，直接对发射电流进行取样作为仪器的二级刻度信号，与测量信号同样经过前放、带通电路，实时测量和处理，使测量信号的幅度和相位得到归一化，既可以降低发射波形质量的要求，又可以消除整个电路增益和相位因环境温度变化而引起的漂移，从而进一步提高微弱信号的测量精度。各通道原始信号量级不同，通过可编程自动增益控制技术实现信号的二次调理放大倍数也各不相同，以满足AD转换器最佳测量范围提高信号测量精度，但PGA芯片本身个体和温度影响都会带来实际倍数与理论设置倍数的差异，为此设计了DDS信号发射单元，由FPGA控制产生与发射频率一致的三频混合信号，在每个测量周期，每一个通道在完成主线圈测量信号和二级刻度信号采集处理后，电平转换电路前端切换选择DDS混频信号，FPGA通过控制PGA分时选择×1和×m档，并分时完成采集处理，将处理结果上传至地面，可以实时获得每个通道当前时刻PGA实际精确的放大倍数，对主线圈测量信号进行二次放大后的归一化，从而消除可编程程控增益放大电路本身非线性和温漂带来的增益误差的影响，提高系统测量动态范围和小信号的测量能力。

2．4 自适应合成处理技术

自适应校正合成处理技术是阵列感应测井信号处理的重要环节。通过建立考虑偏心影响的井眼响应数据库，设计自适应井眼影响校正算法，自适应搜索泥浆、井径、偏心参数，得到井眼模型响应和均值地层响应。井眼校正的目的就是消除井眼泥浆电导率对原状地层造成的不利影响，恢复到均值状况，进而从测量信号中减去井眼影响实现井眼校正，并通过合成处理得到5条不同探测深度的测井曲线。为了检验自适应处理技术的效果，使用了现场提供的某井测井资料进行了自适应合成处理，井径变化范围为8～12．5in，泥浆电导率变化范围为0．33～1．06s／m。自适应处理效果与HDIL阵列感应仪器的处理效果进行对比见图5。

图5 MIT1530自适应合成处理效果图

从图5中对比明显可以看出在1460．01m处的层段Atlas的井眼环境校正合成处理结果，2ft分辨率匹配曲线（10in探测深度）达到20Ω·m，明显地比其他几条高，而MIT1530自适应合成处理井眼环境校正结果，合成处理2ft分辨率匹配曲线（10 in探测深度）为10．5Ω·m，显然，自适应处理结果更合理，而且，从反映侵入特征上看，自适应校正的处理结果也是合理的。

3 室内测试

表2和图6为MIT1530在室内使用不同刻度环电阻进行整机测试结果。数据表明仪器在200Ω电阻以内线性良好，能够保证2%测量精度，刻度电阻越大对应测量信号越小，线性度变差。

表3为MIT1530与MIT5530仪器相同条件下仪器各原始曲线基值扰动对比，扰动越小对应测量误差越小、测量准确性越高。数据表明MIT1530各原始曲线基值扰动变化范围±0．2～±0．5mS／m，比MIT5530的±0．5～±1mS／m的变化范围约缩小1倍，表明仪器高阻测量能力也进一步提高。

表2 MIT1530室内刻度环线性测试表（部分数据）

图6 MIT1530室内刻度环电阻变化线性测试图

4 应用效果

MIT1530仪器采用优化线圈系结构，在长庆油田城××井原始曲线重复性对比图［13］。表4为整段曲线平均相对误差和2支仪器一致性相对误差统计，满足仪器设计重复性误差不大于5%的技术指标。数据说明仪器的稳定性和一致性效果理想。

图7为MIT1530挂接“一串测”EILog快测平台的在里××井综合解释对比图。油层段响应表现为电阻率的升高，水层段表现为低电阻率负差异，干层及非渗透层曲线关系重合，体现了MIT1530对储层渗透性及含油水的识别能力。

表3 MIT1530与MIT5530背景基值扰动对比表（部分数据）

表4 MIT1530××标准井重复性一致性误差统计表（部分数据）

图7 EILog快测平台（MIT1530）里××井测井资料解释成果图

5 结 论

（1）单边阵列感应成像测井仪 MIT1530突破了传统感应测井仪器发射、接收电路分离设计模式（为了降低强发射信号对弱接收信号的影响），在硬件上采用了高性能采集和低噪声放大电路、屏蔽、隔离、接地优化等多种措施，软件上通过工作时序优化、数字信号处理方法改进，实现了一体化设计条件下对微弱信号的有效检测，缩短了电子仪长度。

（2）组合线圈设计保证线圈系源距不变，实现线圈系长度缩短而纵向分辨率和径向探测深度不降低；通过机电工艺优化等多种措施，解决了复合线圈结构带来的直耦值过大和基值漂移等技术难题。

（3）通过探测器结构优化和系统集成设计，开发的适于EILog快测平台的MIT1530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，对于其他测井仪器小型化设计具有重要参考价值。

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