井下仪器简要.docx

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井下仪器简要

仪器简介

目录

一、信号传输方式1

1、编码传输方式1

2、脉冲传输方式3

二、仪器工作原理及刻度方法4

1、CCL磁定位仪4

2、自然伽马仪4

3、流体密度仪5

4、压力仪5

5、温度仪6

6、持水率仪6

7、流量计6

三、其它仪器工作原理9

1、X-Y井径仪9

2、四十臂井径仪9

3、四十独立臂井径仪9

仪器简介

由于我们主要的测井项目是两个剖面测井，因此主要介绍这两个剖面测井所用的仪器。

也就是七个参数的仪器。

分三个部分介绍：

信号传输方式、仪器原理和刻度。

一、信号传输方式

我们所用的基本上有两种传输方式：

编码传输方式和脉冲传输方式。

1、

编码传输方式

编码传输方式是通过遥传短节（WTC）分时传送到电缆至地面仪，编码形式为曼彻斯特码，一次可以测量多种参数。

WTC实际上是一个双微处理器系统。

六参数中的每一个仪器内部都有一个与之进行通讯的A1板。

在这块板上设置有该仪器的地址。

WTC中微处理器D2主要负责与井下仪器的A1板的相互通讯。

此处理器在程序的支持下依次对各个仪器进行寻址，经内部总线传送到各仪器的A1板，A1板中经解调电路解调成不归零码。

A1板中的微处理器D3在程序支持下，确认所接收到的地址与其设定的地址是否相同，如果不同则仪器没有任何动作；如果相同，就会将该仪器测得的数据发送到内部总线上。

WTC接到此数据，经微处理器处理后将同步、仪器地址、数据、齐偶校验等信号以曼彻斯特码的形式发送到电缆上，地面系统根据这些信号可以检测出每一种仪器的数据。

WTC每寻址一支仪器需要4ms，一帧寻址10支仪器，所用时间为40ms。

所以，每支仪器40ms才被寻址一次，每秒有25帧数据产生。

这样，每个仪器的地址和数据被不断地送到地面设备中，地面系统将这些信息处理后，即可得到每个仪器的测量参数。

一般来说，仪器要求总线工作电压为33—35V。

现在的编码传输普遍采用单片机技术，通过对测井信号进行数据采集、编码、解码等智能化处理，将多参数组合测井仪测试的数据通过单心电缆一帧帧的时分传送到地面。

下图是采用单片机的遥传技术工作原理

框图。

该框图由四部分组成，即遥测筒、测试仪、电缆总线和仪器总线。

各部分的功能简介如下：

（1）、电缆总线：

它是井下仪供电线路，又是多参数信号传输的通道，电缆总线传输的为归偏曼彻斯特码，信号位宽固定，数据格式中包括同步位、地址位、数据位、奇偶位共20位。

（2）、仪器总线：

仪器总线是遥测筒和测试仪的供电线路，也是遥测筒单片机（主机）与各测试仪的单片机（从机）联系的通道，总线传输的为归偏码，总线信号的位宽与脉宽采用统一标准设计，数据格式包括起始位、地址/数据位、标志位、奇偶位、停止位共11位。

（3）、总线隔离电路：

用于将电缆总线信号与仪器总线信号相互隔离，防止二者相互干扰，该电路也是总线的供电网络。

（4）、测试仪电路：

测试仪传感器的变化量，通过放大电路放大后，再经过V/F转换为频率，供单片机测频。

工作原理：

地面仪通过电缆向井下仪供电，各测试仪的检测转换电路将传感器的变化量处理后送各从机采集，从机采集完一道数据后，处于等待状态。

WTC的主机上电后，将一从机地址（如0#）经总线驱动电路输送至仪器总线，各测试仪从机都将从各自的接收电路中取得这组信息，因为仪器总线也传输测试仪发送给遥测筒的数据，因此各从机首先判断该信息是否为地址，若不是，则为数据码，从机不响应；若是地址码，则判断与自身地址是否相符，若相符，发送最新采集的数据到数据总线。

主机收到该数据后，按照曼彻斯特码规则对之进行编码，再经信号合成与驱动电路发送到电缆上，完成一道数据采集。

主机依次向仪器总线发送下道测试仪的地址（如1#），如此循环下去，直到WTC寻址完10支仪器后，又重新开始新的循环。

WTC每寻址一支仪器需要4ms，一帧寻址10支仪器，所用时间为40ms。

所以，每支仪器40ms才被寻址一次，每秒有25帧数据产生。

这样，每个仪器的地址和数据被不断地送到地面设备中，地面系统将这些信息处理后，即可得到每个仪器的测量参数。

一般来说，仪器要求总线工作电压为33—35V。

2、脉冲传输方式

脉冲传输方式每次只能使一种仪器工作，每一种仪器都有一定的工作电压范围，只有当供电电压满足要求时，仪器才能工作。

在测井时，操作员通过地面仪器给井下仪器供不同工作电压，就可以测量出不同的参数，仪器信号是以脉冲形式加到电缆上的。

与编码传输方式相比，仪器串中没有遥传短节（WTC），仪器内部没有发射接收板。

现在除最早的DDL-III1英寸环空测井仪是脉冲传输方式外，Φ38mm的仪器和现在引进的小仪器基上都是编码方式。

二、仪器工作原理及刻度方法

主要包括流量、密度、持水、温度、压力、自然伽马、CCL等几种仪器。

不论是哪种传输方式，不论是用于自喷井还是环空井或者是用于产液剖面还是吸水剖面，同参数仪器的工作原理都基本相同。

1、CCL磁定位仪

CCL由线圈、磁钢及放大电路组成，其中感应线圈位于两个磁钢之间，当CCL仪器在套管中移动到接箍位置时，由于仪器周围铁磁性物质的分布发生了变化，因而，感应线圈内的磁场强度也相应地变化，故此线圈中产生了感应电动势，该信号被放大器放大输出。

2、自然伽马仪

仪器探头有两种，一种为盖革管一种为光电倍增管。

由于光电倍增管灵敏度高，输出脉冲远远大于盖革管，特别在分层测试中显示巨大的优越性，因此在伽马测试仪中已广泛被使用。

现在除老的DDL仪器外，以后所进伽马仪探头都为光电倍增管。

当伽马射线进入盖革管时，量子与阴极的金属相互作用，通过光电效应、康普顿效应或电子对效应，可以产生次生电子。

在强大的电场作用下，次生电子被加速，获得相当大的动能，使管中的气体瞬间电离，其阳极将产生一个负脉冲信号，此信号经整形电路，得到与伽马强度有关的脉冲信号输出。

光电倍增管由晶体、光电阴极、阳极与若干附加的称为打拿极的电极组成，闪烁体采用碘化钠晶体，其作用是把射线的能量转化为闪烁光，光电阴极将闪烁光转换成电子被第一打拿极加速，并激发出较多的次生电子，这些次生电子又被加速汇聚到较高电位的第二打拿极并进一步被倍增，如此继续下去，打出的电子越来越多。

阳极的作用是收集最后一个打拿极所打出的次生电子，使管子导通，在负载电阻上产生一个负脉冲信号。

此信号经整形电路整形后得到伽马计数输出。

刻度：

自然伽马仪器的内部电路一般情况下不需要进行刻度和调节，测井前，地面系统的刻度取两个点，低值为本底，高值采用了相当于120API的刻度器。

先测定仪器本底计数值F1，再将刻度器置于仪器测量点垂直距离1.2米处，测120API标准源的计数值F2，则刻度值=（F2-F1）/120API

3、流体密度仪

伽马射线在介质中的衰减程度与介质的密度有着一定的关系，井内介质不同，探头接收到的伽马射线强度也不同，通过地面刻度，从而建立起伽马射线强度与井内流体密度的关系曲线，进而求出流体密度。

这就是流体密度仪的测量流体密度的基本原理。

仪器装有一个17毫居里的CS137（铯）源，在放射性源和探头之间流体可以自由进出，因此，探头测得的伽马射线的强度可以反映出流体密度的大小。

密度仪的线路与自然伽马仪器线路基本相同。

刻度：

此仪器的电路部分也不需要刻度，测井前，地面系统的刻度采用的是铅刻度块，对应的刻度值分别为0.1，0.4，0.7，1.0，1.2。

先测出仪器的空气值，设为C1CPS，再取标准刻度块，把1.0g/cm3的刻度块放在源和探头之间的框架上，读出1.0g/cm3时的计数值C2（CPS），则密度值=1.0*（lnC1-ln测量值）/（（lnC1-lnC2）g/cm3。

然后分别用0.4，0.7g/cm3的刻度块进行硝烟校验，误差应小于0.02g/cm3。

4、压力仪

该仪器探头采用的是应变电阻式传感器，它是由应变电阻和另外三个电阻组成电桥封装而成。

当外界压力变化时，应变电阻的阻值也随之变化，电桥输出的微电压变化经差动放大器放大，放大后的电压经V/F转换电路变换成相应的频率信号。

刻度：

压力仪的刻度，也就是确定压力系数，需要使用校验台，这项工作是在监测站进行的。

压力仪受温度影响较大，在刻度压力时，需同时测量温度，然后根据公式进行计算。

刻度时在不同的温度下分别改变压力值，测出仪器的输出频率，代入公式解多项式，求出G、H、I、J、K这些校正系数。

测井时只要把这些校正系数输入计算机，就可以算出井下压力值。

5、温度仪

温度仪选用的是铂金电阻，其阻值随温度线性变化。

温度仪的测量原理及线路与压力仪相似，只是热敏电阻代替了应变电阻。

刻度：

当更换新的传感器和测量不准时，都需对调节A2板上的两个电位器R3、R4，用于自喷井的Φ38mm的仪器调试的依据：

外界温度每变化1℃，频率变化90HZ；用于环空井的Φ26mm仪器调试依据是仪器输出脉冲信号频率的变化为10HZ/℃

温度仪的标定：

温度仪应定期进行标定，标定时把仪器放在恒温油浴中，用高一级的温度计读出油浴中的实际温度与仪器测出的温度，两者之差应小于1.4℃，如超差，调节调零电位器和灵敏度电位器，必要时更换温度探头，探头更换后必须进行检查和标定。

频率与温度的转换关系为：

F=T℃×90HZ+1600HZF—为频率，T—为摄氏度。

6、持水率仪

由于不同持水率的流体的电介质常数不同，因此，通过测量流体的电介质常数即可确定流体的持水率，本仪器测量流体的电介质常数采用的是电容法。

仪器的探头是一个可在两极间填充流体的电容，其电容值随着流体的电介质常数的变化而变化。

所以电容值的大小可以反应持水率的高低。

电路部分将探头中电容值转化成对应的数字量。

刻度：

持水率仪的刻度采用了水和空气两点，在两种条件下，分别调整电路内的两个电位器，Φ38mm仪器的输出的频率分别为10KHZ和30KHZ；Φ26mm仪器的输出频率分别为600和4000HZ。

7、流量计

（1）涡轮流量计

涡轮的转动变成数字量的过程是由涡轮、光电总成以及电路部分共同完成的。

光电总成内装有一对发光二极管和一对光电二极管及一个磁性遮光板，当涡轮转动时，由于磁场作用的结果，使得遮光板也随之转动，这样在两个光电二极管上便产生了两道相位差90°的方波，电路部分将两道方波处理成脉冲信号，并且涡轮每转一周产生八个脉冲，该脉冲信号频率高低即可反映出涡轮转速的快慢。

另外，电路还可以鉴别出涡轮转动的方向。

（2）、示踪流量：

示踪流量的测量是通过示踪仪和伽马仪组合起来完成的测量的。

示踪仪的结构很简单，它的主要部件是马达、滚珠丝杠和活塞，借助于马达的推动，该仪器能够吸入和排出液体天测量产液井的情况下都是将自然伽马仪器接在示踪仪的上方。

仪器下井前，需要在示踪仪中装入含有同位素的液体，当仪器下到目的层时，停下仪器并给示踪仪供电，使其发射同位素液体，此时，在随时间测井的测井图上便记录下了发射时间，当示踪停止发射后，地面系统自动改变供电电压使自然伽马仪器工作，当同位素载体随着井内液体流动到自然伽马探头附近时，伽马曲线的数值将会变大，根据测井图可以求得同位素载体从发射点移动到伽马探头的时间t，由于示踪仪的发射点到伽马探头的距离s是预先知道的，因此，利用距离除以时间s/t可以求出流体的速度，有了流体的速度，对于给定套管的生产井来说，就可以计算出流量。

（3）、集流伞式涡轮流量：

传感器采用霍尔器件。

当液体流动时，使涡轮转动，在涡轮的轴端上装有一块磁铁，当磁铁转动正对传感器时，传感器输出一低电平，经过电路处理后产生四个脉冲。

这样涡轮每转一周便有由个脉冲经电缆送至地面，然后根据图板就可以查出流速和流量数据。

集流伞是配合涡轮工作的，当地面给集流伞供张伞所需电压时，伞撑开至套管四壁，流体集流后推动涡轮旋转，可以较准确地测出低产出井的流量。

测量时必须定点测量，否则将损坏集流伞。

另外用于吸水剖面测井的还有电磁流量计和脉冲中子氧活化测井。

（4）、脉冲中子氧活化测井仪

仪器主要由两部分组成：

采集传输短接和中子发生器短接。

采集传输短接又包括磁性定位器、电源总承、远中近三个探测器、电路处理等部分。

中子发生器短接部分包括：

中子发生器总承、高压驱动电源等部分。

仪器采用单供电方式，单发三收，单向测量方式，可通过仪器掉头的方式来实现双向水流的测量。

测上水流时，发生器短接在下；测下水流时，发生器短接在上。

仪器采用曼码传输方式，并可以下传指令来控制中子发生器的工作状况。

测量原理：

脉冲中子氧活化测井仪采用高能中子发生器作为中子源。

仪器工作时以脉冲形式间歇发射快中子，中子能量为14MeV。

高能中子与仪器周围注入水和地层中所有氧原子8O16发生活化反应，产生活化核7N16，而核素7N16极不稳定，其半衰期为1.13s，很快经过衰变发射出能量为6.13MeV的活化伽马射线并生成稳定核素8O16。

其反应方程式为8O16+0N1→7N16+1P1和7N16→8O16+β+γ。

脉冲中子氧活化测井仪器采用一个较短的活化期（2s、10s视水流速度而定）和一个相对较长的数据采集期（一般为60s），以点测非集流方式进行活化测量。

当水流经中子发生器时，被快中子活化，活化后的水在流经3个不同源距的探测器时，记录下活化伽马射线（能量为6.13MeV）的时间谱，在已知探测器源距的情况下，通过测量水从中子源流动到探测器所用的时间，结合源距（远、中、近探测器源距分别为180cm、90cm、45cm），就可以计算水流速度V，流速乘以截面积，就可得出水的流量。

仪器工作原理：

仪器共包括三个不同源距的探测器，还有一路接箍信号。

这四路信号和井下仪器工作状态参数（包括一路电缆头电压、一路靶压、一路中子发生器阳极脉冲时序以及一路CPU工作温度）一同传送至地面系统，以便对仪器的工作状态进行控制。

CPU是电路控制的核心部分，在这里各路信号被编码经过驱动后传至地面，地面下传的指令也通过CPU发给各功能电路。

首先通过电缆给仪器探测器部分、接箍部分、CPU部分供电。

该电缆电压经过低压电源后转换出仪器正常工作所需要的+24V，±15V和+5V电压。

它们再给CPU、探测器高压、阳极高压和灯丝电源以及驱动部分供电。

探测器高压给近、中、远三个伽马探测电路的三个光电倍增管供电，光电倍增管探测伽马射线。

当中子管工作时，它们探测活化氧的时间谱。

中子管不工作时，远探测器可用来探测地层的自然伽马曲线。

三个探测器所最后产生的都是脉冲计数信号。

阳极脉冲高压电路的作用就是当输入端有一个0—5V的控制脉冲时，在输出端产生一个0-2KV的高压，来给中子管里的氚气产生电离。

控制信号来自于CPU，它能以30秒和60秒两种周期，任意占空比的形式来产生，这种控制是通过下发指令来实现的。

在通常情况下，阳极脉冲有一个默认的发射时间为2秒，周期为60秒的阳极脉冲信号。

灯丝电源也是下发指令来控制的，地面下发的指令到达CPU后，经过D/A转换后，产生一个0-10V的直流电平，来控制灯丝电源产生一个0-7V的灯丝电压。

该电压给灯丝供电时，通过电路部分产生一个灯丝电流参数，经A/D转换后，经CPU编码传至地面。

通过灯丝电流的调节，可以更好地控制中子发生器的工作状态，延长其使用寿命。

CCL信号经过A/D转换后，出经CPU编码传至地面，该CCL可做辅助校深，也可测量井下工具，更好的确定仪器测量点。

需要打中子时，给靶压供电。

通过地面下发一个增加占空比的命令，经过一个高压驱动电路后，给中子管的倍压器供电，在这里产生一个负10万V的高压，给中子管靶压供电。

缆头电压经采样后，也都经A/D转换后传至地面，以便对井下仪器的工作状态进行控制。

CPU将各路信号编码后，经过驱动后直接耦合到电缆传送至地面处理系统。

（5）、外流式电磁流量计

电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律。

当流体在磁场中作切割磁力线运动时，流体中的带电粒子受罗仑磁力的作用将感应出与流速成正比的感应电动势，其感生电压Ue的大小为Ue=B·D·v

式中B—磁场强度；D—测量管道的直径；v—流体的速度。

从式中可以看出，当磁场强度恒定时，感生电压与流体的速度成线性关系，与流体的压力、温度、密度、粘度等物理参数无关。

井下仪器原理：

该流量计的测量探头是一个感应电极设置在仪器的外部表面，仪器产生的磁场在感应电极四周的外部空间，所有被测流体都由流量计和油管之间的空间流过。

仪器工作时，流体流过垂直于流动方向的磁场所产生的感生电压通过与被测流体直接接触的电极检出，送至低噪声锁相放大器进行放大整形，经电压—频率转换后，微处理机便得到一个与流量相对应的记数值。

该值保存在非挥发存储器中，经过RS232接口将流量数据传送给计算机。

使用专用的数据处理软件便可计算出对应的流量值。

三、其它仪器工作原理

1、X-Y井径仪

X-Y井径仪测量的是两个垂直方向的井径，多用于测量裸眼井和套管井的井径或确定套管的形变，该仪器有四个井径臂，X方向和Y方向的两对测臂分别连接着两个电位器，当X方向或Y方向的井径发生变化时，相应电位器的阻值也会变化，电路将两个电位器的阻值转变为与之对应的脉冲信号，最后经电缆送往地面系统的正负脉冲，因此，输出脉冲信号频率的变化可以反映出井径的变化。

刻度：

地面系统的刻度采用的是刻度架，刻度点是根据具体情况而定，一般应使刻度点与测井径范围相对应。

2、四十臂井径仪

四十臂井径仪可以测量套管的最小和最大井径，对于外径已知的套管还可以计算出剩余臂厚，因此，该仪器一般用于检查套管的腐蚀及形变情况。

此仪器内部有一个最大井径电位器和一个最小井径电位器，设计巧妙的机械传动部分，使得最小井径电位器的阻值由四十臂中所测井径最小的一个决定；最大井径电位器的阻值由所测井径最大的一个决定，电路部分将两个电位器的阻值转变为与之对应的脉冲信号，最后经电缆送往地面系统的是正负脉冲，并且，正向脉冲信号的频率代表最大井径值，负向脉冲信号的频率代表着最小井径值。

测井前的刻度需要根据套管直径选择不同的检验筒和刻度钥匙，检验筒结合刻度钥匙可以产生标准的剩余臂厚和最小井径。

3、四十独立臂井径仪

DDS73F-20四十臂井径仪是通过40条测量臂来实现检查套管的变形、弯曲、断裂、孔眼、内壁腐蚀等情况。

该仪器采用无触点位移传感器，实现小直径下的高密度测量，从而得到地面套管内径的展开成像、圆周剖面成像、柱面立体成像解释图，清晰反应井下套管的受损情况。

它改变以往大多数模拟或脉冲传送信号的方式，采用三阶高密度码传送数据，传送数据包括40路井径信号、井温及舱温信号，测量范围90mm-200mm。

DDS73F-20四十臂井径仪配合本公司生产的DDS0023便携数控测井系统，可实现实际测井操作。

工作原理：

该仪器电路由电源、单片机电路、信号传输、井温和井径等部分组成。

其原理框图见图3-1所示。

当缆头电压为50V时，系统复位，电动机不工作。

此时温度探头探测到温度的变化导致电阻的变化，处理电路I将电阻的变化转换成电压的变化，V／F变换器将电压的变化转换成频率的变化，这一频率变化送给单片机的定时/计数端口由其完成计数.

40个位移传感器输出带位移信息的正弦波经由单片机控制的模拟开关依次到达12位串行A／D转换器,经A／D转变成数字量后由单片机进行采集。

正弦波的周期为720uS,单片机通过中断，定时采集正弦波的峰值，对40路传感器信号、一路基准信号、一路舱温信号循环采集，同时把采集到的数据通过串口发给单片机。

单片机将从串中接收到的数据与温度数据合并后，按每帧23道数据，分两路发出，再通过HBD3码合成电路合成HBD3码输送到电缆上。

DDS73F-20四十臂井径仪原理框图

刻度：

每次下井之前均要对仪器进行刻度，以保证仪器测量之精度，刻度步骤如下：

（1）、将仪器通-90V电压≤250mA电流，使仪器收拢到位

（2）、根据被测井径的要求选择适合的刻度环，高刻：

套管外径；低刻：

套管内径。

（3）、在测臂收拢的情况下将刻度环均套在仪器上

（4）、给仪器通电+90V，张开测臂，用手扶住相应的刻度环，使刻度环完全套在测臂上，测臂头紧靠刻度环内孔端面。

（5）、给仪器通电＋50V（要求瞬间加电，以保证井下单片机可靠复位），此时地面电流表指100mA左右。

仪器开始测量。

地面仪记录此点。

（6）、用手扶住测臂，更换另外一个刻度环，重复5.1.5.的工作。

（7）、至此仪器刻度完毕。