微球聚焦测井仪EMSF工作原理、典型故障维修及极板的改进

贾斌，朱招，宛文宇，刘鑫

(中海油服油田技术事业部塘沽作业公司，天津 300450)

0 引言

微球聚焦测井仪[1]EMSF是微电阻率[2]测井的方法之一，是一种泥饼补偿式的电流聚焦形微电阻率测井方法，适用于水基泥浆(淡水或盐水)、砂泥岩或石灰岩剖面的中深井中进行测井。由于微球极板[3]的特殊结构及采用泥饼校正电极，使其有效地消除了泥饼及原状地层对测量的影响，能更准确地测量出地层冲洗带电阻率。在现场测井应用中，常与双侧向测井仪组合，可准确判断渗透地层及泥浆侵入情况，从而确定地层含油、气、水的性质。

1 微球聚焦测井仪的组成和工作原理

1.1 微球聚焦测井仪组成

微球聚焦测井仪EMSF包括两大部分：电子线路部分和机械推靠部分。电子线路部分又分为电源供电部分、主流与检波电路部分、屏流与刻度和井径电路等几部分。机械推靠部分则由电机传动、弹簧、井径电位器、限位开关、支撑臂和极板等几部分组成。极板根据井眼尺寸的大小可分为大极板和小极板两种，在测井时不同大小的井眼选用不同的极板，一般情况下，8寸及以上井眼采用大极板，6寸井眼采用小极板。

1.2 微球聚焦测井仪工作原理

微球聚焦测井仪EMSF的极板有主电极A0、泥饼校正电极M0、屏蔽电极A1、监督电极M1、M2五个电极。泥饼校正电极M0位于主电极A0和屏蔽电极A1之间，极板的最外边是监督电极M1、M2，五个电极均固定在用硬橡胶制成的极板上。在仪器工作参考信号的作用下，屏蔽电流I1和主电流I0均从主电极A0供出，屏蔽电流I1的回路电极是屏蔽电极A1，主电流I0的回路电极是仪器外壳，其中屏蔽电流I1填充泥饼，对主电流I0起屏蔽作用，主电流I0则穿过泥饼进入地层，屏蔽电流I1和主电流I0共同作用，经过增益放大器的自动调节，最后使监督电极M1M2之间的电位差趋向于零，达到动态平衡[4]。

2 典型故障分析及解决思路

微球聚焦测井仪EMSF有推靠臂部分和极板部分，在推靠部分的带动下井径电位器产生井径信号，可以提供井径信息，极板贴靠在井壁上，可将极板采集到的地层数据传送至地面系统进行处理。此外，仪器能够正常开、收腿可以避免仪器遇卡等意外情况。所以在整个测井作业过程中，仪器能正常稳定的工作显得尤为重要。微球仪器电子线路部分、机械部分和极板故障均会导致测井资料异常，下面通过实际案例分析，与大家分享。

2.1 测井时各档位内部值和外部值异常

2.1.1 故障现象

小队在测井过程中，微球聚焦测井仪EMSF出现数值偏大，同时EM及IM值异常，大部分井段EM和IM变化微弱，造成微球曲线大部分平直，且与地层响应不符。

2.1.2 故障分析和排查

(1)仪器返回车间后，连接地面系统，上电测试仪器，发现仪器Zero、Cal、Log档位的EM和IM值均不正确，浮现了小队所描述的故障。对仪器进行直观检查、FIT检查均正常，拆开仪器外筒，抽出电子线路，对电子线路部分进行直观检查，也无元器件损坏、脱落等异常现象。

(2)再次连接地面系统给仪器上电，测试仪器供电部分和信号，按照电路图，首先测试仪器各供电部分，电源板输出的供电主要为+15V1、+15V2、-15V1、-15V2，使用万用表测试以上四个测量点的输出电压，发现+15V2的输出电压只有2.3 V左右，不符合供电电压要求，由于+15V2电压负责为各个芯片提供工作电压，其值异常则会导致芯片不工作，所以怀疑仪器故障应是由电源板上的+15V2输出值不正常导致的。为了缩小故障范围，首先将+15V2的输出引线焊掉，使其与后面的电路板断开，结果测试发现+15V2输出值为+15.02 V，其值正常，此时，确定故障点不在电源板上，应是后面相关联的电路板出现故障拉低了电源板上的+15V2供电电压。

(3)接着排查后面关联的电路板，查找电路图发现，+15V2电压输入到了电压与屏流输出板、主流放大输出板以及信号产生屏流放大板这三个板子，决定将这三个板子的插头逐个断开，进行测试。结果发现在断开电压与屏流放大板的插头后，+15V2恢复了正常，于是判断仪器故障应出现在电压与屏流放大板上。

(4)查找电压与屏流放大板的电路原理图得知，与+15V2电压有关的主要是U1与U3芯片的供电以及其相对应的滤波电路。将电压与屏流放大板的芯片U1与U3取下，再次测试仪器，结果+15V2仍旧为2.3V，不满足供电电压要求，于是排除了U1与U3的故障，将重点锁定在了U1和U3两个芯片的滤波电路上。使用万用表测试电压与屏流放大板的+15V2对GND点的阻值，结果发现其阻值只有15 Ω左右，对比测试-15V2对GND的阻值发现，其阻值为2.3 kΩ以上，所以怀疑+15V2的滤波电路出现了故障的部分，导致其阻值降低，拉低了+15V2。

(5)查找电压与屏流放大板供电电压+15V2的滤波电路的原理图得知，与供电电压+15V2相关的只有C1、C2、C11和C12四个电容，决定逐个焊接下来进行判断。将C1与C11焊接下来后，故障仍旧存在，同时使用万用表测量C1与C11的容值，发现其容值22 μF左右，与原理图中所标识的值一致。再将C12焊接下来，结果故障仍旧，使用万用表测试C12的容值为0.1 μF左右，与电路图所标识的值一致，最后将C2焊接下来后，测试其容值，结果为5个nF左右与电路图所标识的值不一致，判断C2电容损坏。

2.1.3 解决方法

将电子线路的各个板子的元器件恢复到原位，在电压与屏流放大板的+15V2滤波电路部分焊接一个新的0.1 μF的电容在C2处，使用万用表测量+15V2与GND的阻值，为K级以上的电阻，用地面系统给仪器上电，再次用万用表测量电源板的+15V2输出电压正常，为+15.02 V，此时仪器换挡正常，内部值正常，使用测试盒测试仪器外部线性值也正常，故障得以修复。

2.2 微球极板的改进

2.2.1 微球极板故障总结

微球极板是微球聚焦测井仪的“探头”，其特殊的结构设计能有效消除泥饼和原状地层对测量的影响，从而准确获取冲洗带电阻率。在总结、整理微球聚焦测井仪EMSF的故障案例时，主要涵盖了三大子系统的故障，分别为：电子线路、传动机构、传感器及连接件。易损部件则涵盖了电源电路、厚膜电路、继电器、限位开关、弹簧内杆故障、极板、电位器等。其中由于极板出现的故障占比最多，占微球故障总数的38.3%，在各类型故障中占比最高。

故障表现为极板磨损、撕裂变形，或极板不绝缘。分析其原因主要为：应用较为广泛的极板是一体化橡胶极板，但存在不耐磨、易撕裂等缺陷，导致仪器故障高发，如图1所示。

图1 损坏严重的微球极板

2.2.2 微球极板的发展史

第一代微球极板采用插针式非一体化橡胶极板，电极使用40铬镍钼合金制作，在极板背面使用三件套连接至电子线路。如图2所示，这种极板主要使用于2011年之前的作业中，实际使用中经常发生测井绝缘问题，已淘汰。

图2 非一体化极板

第二代极板改变了插针式结构，采用一体化浇铸工艺，减少了不绝缘故障。初期电极仍采用40铬镍钼合金制作，后期电极逐步改良成较软的铜电极，如图3所示，该极板成为当前广泛使用的极板类型。相比一代极板，总体上降低了作业故障率，在一定程度上提高了维保效率。

图3 一体化橡胶极板

2.2.3 微球极板的改进

随着新材料应用的不断进步，PEEK材料因其优异的耐磨损性能逐步成为制作极板的良好材料。因此PEEK型极板诞生，如图4所示，PEEK型极板采用PEEK材料制作，同时在极板的边缘设计了护板，有效地减少了恶劣井况对极板的磨损、刮伤，仍采用一体化设计，铍铜电极。PEEK极板极大地提升耐用性，减少了设备作业故障，同时使极板逐步趋于免维护，连续作业多口井次无异常。

图4 PEEK型极板

3 结语

微球聚焦测井仪EMSF在海上测井作业中起到非常重要的作用，常见的故障主要出现在电子线路、传动机构、传感器及连接件三大子系统，要在实际工作中能够快速、准确地定位到仪器的故障，还需要对仪器的工作原理、信号流程和结构有着清晰的理解和掌握，在解决故障的同时积累一定的经验，便于以后的故障排查，保障仪器顺利出海完成测井作业。