1、第三章 阵列感应测井仪 n阵列感应测井仪是在普通感应测井仪的基础上发展起来的具有径向探测能力的一款交流电测井仪器，它采用一系列不同线圈距的线圈系对同一地层进行测量，然后通过硬件或软件聚焦处理获得不同径向探测深度的地层电导率，从而更有效地识别油气层。n阵列感应测井仪器目前代表性的有斯仑贝谢的AIT、阿特拉斯的HDIL和哈里伯顿的HRAI。本章以阿特拉斯的HDIL为例来介绍阵列感应测井仪器。第一节第一节 阵列感应测井测量原理阵列感应测井测量原理AITn独立的8对接收线圈共用一个发射线圈。n三种工作频率：26.325kHz、52.65kHz、105.3kHzn测量28个原始实分量和虚分量信号共56个
2、。n对各信号按不同的权值进行软件聚焦。n得到三种纵向分辨率（1ft、2ft、4ft），六条不同探测深度的电阻率曲线（10in、20in、30in、60in、90in、120in)。n主接收线圈间距从6in.至94in.，按对数等间隔布置7个阵列。所有子阵列同时接收包含八个频率(10、30、50、70、90、110、130和150kHz)的时间序列波形，波形数字化后送到地面，地面用傅立叶变换将波形分解为实部和虚部信号，总共得到7*8*2=112个信号。该仪器可以为用户提供6种探测深度(10、20、30、60、90和120in.)曲线和3组分辨率(1、2和4ft)曲线以及传统双感应测井的合成曲线。
3、HDILn2 线圈系特性 HDIL线圈系结构如下图所示，其上各线圈的具体参数列于下表。图31 HDIL阵列感应线圈排列 编号类型1234567接收线圈匝数1221335182128200源距/m0.1520.2540.3990.6220.9781.5242.388去直耦线圈匝数-6-10-15-2l-31-47-70源距/m0.1210.1980.3070.4630.7071.0911.683表3-11 HDIL线圈系参数线圈系的径向探测特性如上图所示，不同的三线圈组合具有不同的径向探测深度 HDIL解释处理流程图解释处理流程图七个阵列八个频率曲线校正径向探测深度合成纵向分辨率匹配阵列感应测井
4、资料的应用RxoRtdi2r1r2RF R Rr r grrktxokmfw(,.)12真电阻率与侵入半径反演同一口井AIT测井资料的电阻率成像(左)和油气饱和度成像(右)对比n3.软件聚焦合成原理软件聚焦合成原理阵列感应测井仪器的不同探测深度是采用若干不同线圈距的线圈系通过软件聚焦的技术实现的。在软件聚焦中，通过几个简单线圈系测量信号，然后将得到的信号通过软件组合以达到聚焦的目的。聚焦的过程实际上是把事先设计好的滤波器应用到原始信号上为结果获得一个更加理想的二维几何因子。n合成原理：在一定的电导率范围内，感应测井仪的第n组线圈系测量值相当于地层各部分电导率的加权平均 （3-1）式中，权函数
5、为第n组线圈系在给定频率下信号的响应。,drdzzrzzrgnna,zzrgnn阵列感应测井给出的合成曲线相当于所有阵列线圈系原始信号(经过井眼影响校正后)的加权和：（3-2）式中，为阵列感应测井曲线；为第n组线圈系测量的电导率；N为测量线圈系的总数；n()为每组线圈系的加权值。Nnzzznanzzz1logmaxmin)(logna zn经过处理后得出的阵列感应测井曲线不同于任何一组线圈系的响应函数。实际上，它相当于阵列感应测井每组线圈系响应函数的加权和(相应工作频率下所有线圈系组的信号)。阵列感应测井曲线与地层电导率的关系用下式表示：（3-3）其中 (3-4）式中，为阵列感应测井的综合响应
6、函数，也可称为几何因子，它是每组线圈系数函数的加权平均值。n确定权系数 是阵列感应测井的关键和主要任务，考虑到合成曲线的径向和纵向分辨率匹配的综合要求，下面给出二维条件下，求解权系数 的整体过程。zn drdzzrzzrgz,loglog Nnzzznnzzrgzg1logmaxmin),()(logg),(zzrgn znn根据式(3-4)，给定目标函数表达式 (3-5)n式(3-5)对r积分得到 (3-6)n式(3-5)对z积分可得到 (3-7)Nnzzznnzzrgzzrt1maxmin),()(),(NnzzzVnVzzGzztn1maxmin)()()(maxmin1zzznNnnR
7、RzrGrt Nnzzznnzzrgzg1logmaxmin),()(n在确定加权系数的过程中，有两个约束条件：一个是所有的权系数之和为1，即归一化条件 (3 8)n另一个约束条件是响应的探测深度等于某一预先设定值，如满足通常探测深度定义的条件是 (3-9)是指半径为 的径向积分几何因子。Nnzzznz1maxmin1)(5.0maxmin10zzznNnnRzrG 0rGnR0rn目标函数 可以为一矩形窗口函数或高斯函数。n联立方程(3-6)方程(3-9)，得到一线性代数方程组。考虑到未知量(加权系数)个数与方程的个数通常是不相同的，可以用无约束的最小二乘法完成加权系数 的求解；得到 后，利
8、用式(3-4)经过简单的计算可以得到合成的测井曲线。通过合成处整理后，合成的曲线有六种探测深度。)(ztV zn zn第二节第二节 阵列感应测井仪器阵列感应测井仪器一一 HDIL仪器电路工作原理HDIL阵列感应测井仪器组成如图3-3所示，主要由DSP（C30）主控电路、控制发射电路、发射驱动电路、接收信号预处理电路、信号采集电路、接口电路以及发射线圈阵列和接收线圈阵列组成。仪器首先向地层发送电磁场，然后由各组阵列线圈接收。接收到信号经井下仪器处理后遥传至地面计算机。图3-3 HDIL阵列感应测井仪器组成框图n经由地层传来的R-信号由多组线圈接收。每组线圈，包括发送线圈，都是测量部分的子阵列，发
9、射线圈是所有子阵列的基础。仪器共有7个子阵列。都具有靠近发射线圈的接收线圈。每组接收线圈都由两个线圈组成，一个线圈是辅助线圈(靠近发射线圈)，另一个线圈是主接收线圈，图3-4给出了每个子阵列的工作方式。图3-4 子阵列的工作方式n发射线圈产生电磁场，经与地层传播形成R-信号，另外由发射线圈直接耦合形成X-信号，X-信号是无用信号，设置辅助线圈的主要目的就是用来消除X-信号。n每个子阵列都包含有一个独立的预处理通道，如图3-5所示，每个预处理通道由输入放大器、带通滤波器、输出驱动器三部分组成。图3-5 子阵列处理框图n每个子阵列的信号经预处理通道处理后经屏蔽双绞线传送到其上部的EA短节，然后由E
10、A短节中的七个DSP采集模块对每个子阵列的信号进行采集和处理，这个处理过程形象的称之为“栈式存储”，从而得到对应每个子阵列的七个特性信息，每个特性信息占用96个缓冲区，每个缓冲区字长为32位。n发射单元循环产生发射信号，接收信号中既包含有特别关注的地层信息，也包含着噪声，由于噪声信号是随机的，我们可以将每次得到的接收信号予以累加(图3-6中1+2+3+N表示采集到的接收信号序列)，从而提高信噪比，突出有用信息，累加次数越多，有用信息越“清晰”。由于受到测井速度和存储器容量的限制，因此通常采用存储累加信号的存储方式。发射信号的循环周期是96s，在每个发射信号的循环周期内采集模块对接收信号采样96
11、次，即采集模块的采样频率为1 MHz。n将每个循环周期内的96次采样信号予以对应累加以提高信噪比。“栈式存储栈式存储”的工作流程的工作流程n在主控制板，使用DSP芯片来完成所有信号的串行采集。DSP芯片有很强的数据运算能力和很高的处理速度，指令周期仅为60 ns，每秒执行3300万次浮点运算，具有单周期双数据读取能力，保证了高速数据处理，因此能更有效的完成实时的数据采集及运算处理。n主控制板的功能有：(1)与地面计算机通信(包括对控制命令的解码、发送和接收数据)。(2)采集信号并处理。(3)与发射电路通信。二、主要电路分析二、主要电路分析n1发送控制电路n2.预处理电路n3.发射驱动电路n4.
12、通信接口电路n5.信号采集电路n6.C30主控制电路图3-7 发送控制电路 单片机SAB166温度传感器线接收控制命令线发射驱动RAMEEPROM去触发EA短节中的DSP启动ADC电源电压测量跟随供电电压状态模数转换放大电流源稳压源达林管大电流驱动其它控制及反馈给主控板信号n2.预处理电路n预处理电路板的输入信号可以有三种类型:(1)子阵列接收线圈的信号；(2)“CAL”信号，它是由发送短节产生的，经衰减后连接到预处理电路的参考信号；(3)“ZERO”信号，此时预处理电路的输入信号就是仪器的外壳，即参考地。n位于预处理电路板上的闭锁继电器通过其辅助触点来控制三种不同的信号连接到预处理电路的输入
13、端。共有七个通道CH0CH6。n每个预处理通道是由输入放大器、带通滤波器、输出驱动器三部分组成。其中输入放大器的放大增益对于不同的处理通道是不同的，距离发射线圈较远的子阵列通道的放大增益也较大。n为提高信号传输过程中的抗干扰能力，前端调理电路的第三个环节是使用高速差分输出放大器SSM2142(U6)作为输出驱动器。这样输出驱动器将单端信号转换成差分信号，便于双绞线传输，提高抗干扰能力，有效抵消共模噪声、抑制EM，同时增加信号的驱动能力。预处理电路中的一道?n若是带通滤波器，则问题：（1）10kHz150kHz，每个频率各一通道？由低通和高通组成的带通（从电路结构上看不像）？n是低通滤波器（四阶
14、贝塞尔滤波器，截止频率为200kHz），有不足：低频干扰没有得到抑制，如何改进？预处理电路中的一道55V电源电路发射电流检测控制发射信号开关对管驱动3.发射驱动电路发射信号为脉冲信号4.通信接口电路去主控板从发射控制板来从主控板来去发射控制板缓冲器缓冲器收发器EPROM高速微控制器监控电路5.信号采集电路差分放大反相放大加法器对信号进行直流偏移，将双极性信号转换为单极性信号控制采集数据及程序代码程序代码地址地址比较选通偏移电平6.C30主控制电路CPLDDSPSRAM+EPROMI/OC30主控电路主控电路232口DRAM发送/接收器习题习题 1、试述阵列感应测井实现多种径向探测深度的方法原理。2、试画出HDIL阵列感应测井仪器电路原理框图，并简述其工作原理。3、试分析HDIL阵列感应测井仪器的信号预处理电路的工作过程。4、试分析HDIL阵列感应测井仪器的信号采集电路的工作原理。5、试比较阵列感应测井仪器与普通感应仪器的异同。
