测斜声波组合测井仪的研制

曹志福 彭伟斌

（北京中地英捷物探仪器研究所,北京100000）

图1 是该仪器的外形图，从上到下（图中

声波测井、连续测斜测井、井温测井和自然电位测井原来是四种不同的测井仪器，要想测全这四种参数，只能下四次井，既耗时又不安全。为了减少占井时间，降低井中事故，提高测井效率，我们研制了该组合测井仪。从左到右）分别为测斜部分、声波部分、井温部分和最下边的自然电位电极。仪器外径Φ52mm，长度2300mm，它适用孔径范围为Ф80mm～Ф123mm。一次下井可测量四种参数共7条曲线，它们是钻孔倾角、方位角、声波幅度、声波双收时差、声波单收时差、井温和自然电位曲线见表1。

表1 各曲线的通道号测量范围及精度

自然电位电极的接线特殊。仪器不供电时，它与电缆的③号缆芯连接，与其它任何电路是断开的；仪器供电后，由内部的继电器将自然电位电极切换到内部电路测量自然电位梯度。这样做的原因是，内部电路的测量范围是固定不可实时调节的，如果个别地区的自然电位值超出-400mv～+400mv范围，仪器将溢出。遇到这种情况，可以在非供电状态，利用井上仪器的自然电位测量功能，在地面安装地面电极后，单独测量自然电位曲线。地面仪器可以实时调节仪器的衰减系数，确保测量结果不会溢出。单独测量自然电位可以在下放时测量，上提时测量其它参数，仍能保证一次下井测量全四种参数。

1 电路的实现：

随着电子技术的快速发展，电子元件的功能既强大，体积又小，功耗还低，

这是本仪器成功研制的基础保障。本仪器采用了双微处理器（单片机），取代了原来方法仪器的大部分逻辑、时序电路，其一是TI公司的MSC1210，该MCU的特点是内置了24位 A/D转换器，1280字节 RAM，32KB FLASH程序存储器。它负责测斜部分的数据采集、计算及自然电位的数据采集工作；另一颗MCU是C8051F530，它的特点是工作温度-40°C ～ +125°C ，单周期指令，20 TSSOP封装，内置12位A/D转换器。它负责井温测量，负责声波的时序控制，负责向井上传输编码工作。两者以C8051F530为主MCU，MSC1210为从MCU。主MCU每帧（32768μs）与从MCU通过串口通讯一次，采集从MCU计算、数字滤波后的钻孔倾角、钻孔方位角和自然电位数据，与声波、井温数据一起编码后，送到井上（见图1）。

1.1 测斜部分：

测斜的方位部分采用磁阻传感器两轴加一轴的方案。HMC1022为X、Y轴组合在一起的磁阻传感器芯片，HMC1021Z为单轴磁阻传感器芯片，两者组合后，分别测量探管横截面上的X、Y轴和探管延伸方向的Z轴的磁场分量，从而计算探管倾斜方向（也是井轴的倾斜方向）。

测斜的倾角部分采用了双轴加速度传感器SCA100T。由于我们设计的测井深度小于2000m，所以加速度的第三轴(Z轴)可以由计算得出。

倾角的计算公式可以表示为：

方位角的计算公式可以表示为：

1.2 自然电位部分：

如图2所示，Vsp为测量的自然电位电压信号，送单片机，经A/D转换和简单计算后，输出表示自然电位的数字信号。我们以2000码表示自然电位的0mv，4000码表示自然电位的+400mv，0码表示自然电位的-400mv。

经电路分析，可得到Vsp=R143*(2.5V/R142+SP/R141)=2.5V+4SP

即：SP 为-400mv时，Vsp为 0.9v，SP 为0mv时，Vsp为 2.5v，SP 为+400mv时，Vsp为4.1v。

1.3 井温部分：

测温传感器采用了工业上常用的Pt100铂电阻，它的测量范围是-200°C～650°C 。0℃时它的电阻是100Ω，每增减1℃，其电阻相应的增大或减小0.38Ω，在100℃时它的阻值为138.5欧姆。我们用的传感器为φ3mm不锈钢套管封装的，它有安装方便，寿命长等优点。温度测量电路是一电桥，Pt100铂电阻作为电桥的一臂，其他3条桥臂为已知的精密电阻。电桥供有经精密稳压的2.5v电源，信号放大采用了典型的差分放大电路，后级再经反相放大输出TTL电平的直流电压，该电压的高低反映了温度的高低，经后级A/D转换为数字信号，传输到井上。RPW1为调零电位器，RPW2为满度调节电位器（见图3）。

1.4 波部分：

声波测量的放大部分采用程控放大电路，逻辑控制部分由单片机完成，测量电路只输出代表单收、双收首波到来的脉冲即可。单片机从发射时刻开始计时，分别测量单收、双收到来的脉冲时间，双收减单收时间即为双收时差。

程控放大的实现：通过调整信号线的直流电平，MCU采集此电压信号，然后控制放大电路的放大倍数。1.5信号传输部分：

本仪器的通讯部分与其他仪器兼容，采用了脉冲编码方式传送。每帧共传输8道信号，0～6道为数字信号，第7道只做同步用；每帧占用32768μS，如果按5cm采样间隔采样，理论最快测井速度可达到91m/分，即5460m/小时。

3 应用结果：

图中从左向右依次是：单收、双收、顶角、方位、井温和自然电位。顶角和方位曲线的周期性起伏，是仪器在井内碰撞自传引起的，因此，连续测斜曲线应以趋势为依据，不能以某深度点为准。

[1]黄作华．煤田测井方法与数字处理（上册）[M].北京:煤炭工业出版社，1982:86.

[2]董韶鹏．基于磁阻和倾角传感器的钻孔测斜仪的研制[D]．北京:北航硕士论文,2007:15-17.