張 志，唐聯(lián)級，楊愛華

(中海油田服務股份有限公司上海分公司 上海 200233 )

0 引 言

目前世界上多數(shù)超深井的井深多在5000 m以上，而中國海上深井主要集中在南海和東海區(qū)域，地層中隨著井深的增加，井溫會隨著梯度不斷增加。當井溫超過150 ℃時，一般達到了常規(guī)測井儀器的作業(yè)溫度，原因是石油測井儀器雖然大部分設計溫度是175 ℃[1]，但是使用的半導體器件是基于125 ℃的工業(yè)級及軍品級器件篩選而成，這在業(yè)界包括斯倫貝謝、哈里伯頓和貝克阿特拉斯公司都普遍采用這一方法[2]。在后續(xù)儀器量產(chǎn)時，考慮到高溫對半導體器件壽命的影響，儀器制造加溫測試時，一般都加溫到170 ℃，恒溫半小時。但是由于不同儀器的測量地層的間隔不一致，大滿貫測井時間會比實驗室條件嚴苛更多，實際上地球物理測井儀器經(jīng)常需要在井下5 000～7 000 m的井深下，井下連續(xù)工作的時間往往達到十幾個小時，甚至幾天時間，長期在井下高溫、高壓條件下儀器內(nèi)部芯片和電子元件的性能將會受到很大影響。近幾年在現(xiàn)場使用中發(fā)現(xiàn)部分儀器在高溫環(huán)境下出現(xiàn)了工作不穩(wěn)定甚至不工作的現(xiàn)象，通過探索影響儀器溫度性能的主要因素，摸索出一套行之有效的儀器溫度性能測試方案及評價方法，極大地提高了測井儀器作業(yè)能力。

1 高溫篩選測試方法研究

儀器高溫篩選測試需要對現(xiàn)有儀器的機械部件和電子元件分開測試，根據(jù)測試儀器的部位和要求不同，可按先后順序分為電子元件級、電路板級、測井儀器總成、儀器串組合測試4個階段和方法。

1.1 電子元件級測試

元器件是組成儀器的最基本的單元[3]，只要有一個元器件耐溫性能不佳，都可能影響整支儀器的性能，因此對單個元器件進行加溫測試很有必要。目前可以將元器件分為RES(電阻)、CAP(電容)、IC(集成電路)、TISTR(三極管)、CHOKE(電感)、變壓器等類別。電阻高溫測試可以用熱風槍和溫度探頭配合或使用小烘箱，對單個電阻邊加溫邊用萬用表測量電阻阻值，記錄不同溫度下電阻的阻值變化情況，篩選出溫漂較小的電阻[3]。對單個元器件邊加溫邊測量參數(shù)，記錄不同溫度下元器件的參數(shù)變化情況，對該類器件的溫度性能進行摸底，獲得經(jīng)驗數(shù)據(jù)；篩選出溫漂較小的元器件。

對于芯片、二極管、三極管、電感和變壓器等元器件，其功能需要接入電路才能測試，通過芯片延伸插座，將單個芯片與電路板隔離開來，對于二極管、三極管、電感和變壓器等元器件也可以用引線接入電路，用加溫箱(或熱風槍和溫度探頭配合)對單個器件進行加溫，觀察芯片隨溫度變化對電路的影響[4]，篩選出耐溫性能較好的元器件，并做好記錄。一般建議：對做過溫度篩選后的元件級器件，可以把每種器件留出2件，作為樣品，每隔3個月，再做一次溫度測試，并做好測試記錄，以此進行1年，持續(xù)跟蹤高溫測試對器件的性能影響，以便客觀評價高溫測試的負面影響程度。

1.2 電路板級測試

用加溫箱(或熱風槍和溫度探頭配合)，對儀器每塊電路板進行逐一的加溫測試，觀察記錄儀器參數(shù)隨溫度變化情況，確保儀器上每塊電路板測試都能達到高溫篩選的溫度指標。如果有電路板達不到，用熱風槍和溫度探頭配合對電路板上的元器件進行局部加溫，初步確定出耐溫性能不好的器件，更換后繼續(xù)對電路板進行加溫測試，直到儀器上所有電路板都能達到高溫篩選的溫度指標。

1.3 測井儀器總成測試

在確保每塊板在實驗室測試都達到高溫篩選的溫度指標后，將儀器電子線路放入烘箱進行梯度加溫測試，記錄儀器參數(shù)隨溫度變化情況。對做完高溫篩選的電子線路進行詳細的工藝檢查，確保加溫后儀器所有器件緊固可靠，將電子線路連接地面系統(tǒng)，對儀器狀態(tài)和參數(shù)進行檢查,若儀器帶有保溫瓶，則要先對保溫瓶進行測試，保溫瓶測試合格后再對儀器做加溫實驗。儀器溫度試驗包括常溫測試、升溫測試和溫度沖擊試驗，在加溫過稱中采用梯度加溫法[4]，并在一定的溫度下恒溫測試，目前我們分別選取100 ℃、125 ℃、150 ℃、175 ℃作為恒溫段。

1.4 儀器串系列組合測試

高溫篩選后的儀器接入儀器串進行組合測試，確保儀器自身狀態(tài)正常，也不影響其它儀器的正常工作，然后下入試驗井進行測井，直到取得合格的測井曲線。儀器溫度試驗通過采用測井儀器加熱帶纏繞儀器外殼進行加溫和溫度控制，包括常溫測試、升溫測試和溫度沖擊試驗。在加溫過程中采用梯度加溫法，并在一定的溫度下恒溫測試，目前分別選取100 ℃、125 ℃、150 ℃、175 ℃作為恒溫段。

2 不同種類儀器篩選關鍵要點

2.1 電法類測井儀器篩選要點

電法類井下儀器主要分為通訊短節(jié)和雙側(cè)向測井儀器和微球測井儀器的整合測試。連接測井地面測試系統(tǒng)，加電檢查儀器內(nèi)外部值均正常，并將常溫狀態(tài)下儀器各參數(shù)記錄下來，儀器加電工作2～4 h，工作正常穩(wěn)定。

篩選測試方法：拆卸外殼抽出電子線路，對儀器電路進行工藝檢查，并對關鍵信號進行測量并記錄,對通訊短節(jié)保溫瓶進行測試，合格后才能進行加溫。打開烘箱后，當溫度達到100 ℃后，恒溫30 min，記錄雙側(cè)向內(nèi)部值，微球內(nèi)外部值及通訊和換擋情況[5]。此后，烘箱溫度設置到125 ℃、150 ℃、175 ℃，恒溫30 min，記錄雙側(cè)向內(nèi)部值，微球內(nèi)外部值，及通訊和換擋情況。保溫測試是在不斷電的情況下，讓烘箱內(nèi)溫度降溫，從175 ℃降到150 ℃，恒溫30 min，然后從150 ℃降溫到125 ℃，恒溫30 min，然后從125 ℃降溫到100 ℃，恒溫30 min，最后恢復至常溫，再做常溫測試，記錄雙側(cè)向內(nèi)部值，微球內(nèi)外部值及ESAT61XB滿貫適配器的通訊和換擋情況。

按照上述方法在進行電法類儀器篩選測試中，發(fā)現(xiàn)關鍵問題來自于測試內(nèi)部信號CAL/ZERO的溫度穩(wěn)定性，通過烘箱溫度的變化，內(nèi)零和內(nèi)刻值受到容值和阻值影響[6]，均會發(fā)生不同程度的漂移，合理的漂移不會影響測量值，通過計算可以確定儀器狀態(tài)的好壞，式(1)為微球溫度漂移計算公式，超過范圍5%則需要檢查電路。

(1)

表1是雙側(cè)向儀器的刻度原始值的范圍，加溫測試過程中需要保證內(nèi)部值均在范圍內(nèi)，如出現(xiàn)超出范圍，需要采用具備加溫測試進行電路板耐溫測試。

表1 雙側(cè)向內(nèi)零內(nèi)刻檔各值范圍[5] mV

2.2 聲波類測井儀器篩選要點

聲波測井儀器一般包括電子線路和包含壓電陶瓷的探頭系，在加溫測試過程中，關鍵問題有兩個，一是需要分離測試電子線路部分和探頭部分，二是根據(jù)聲波測井的傳播特性將儀器串接放入水槽中才能檢測信號的正確性，并需要特定頻率信號發(fā)生器產(chǎn)生輸入信號。

通過研究找到了合適的測試方法，在常溫條件下連接地面系統(tǒng)，泡水槽后加電檢查儀器通訊、發(fā)聲和波形均正常，按照經(jīng)驗將儀器串加電使儀器穩(wěn)定工作2～4 h確保儀器工作正常穩(wěn)定。其中電子線路部分放入烘箱內(nèi)擱在支撐架上，32芯高溫線一端接到聲波儀器頭部，另一端接到烘箱外，由專用67芯引出線直接連接到儀器尾部，引出到烘箱外面。其中輸入信號的選取，可將信號發(fā)生器輸出調(diào)節(jié)為頻率為2～5 kHz 、峰峰值為100 mV的正弦波信號，正弦波信號通過夾子線連接到67芯引出線上。其余烘箱控制方法如電法測井儀器保持一致即可。

按照上述測試篩選方法，可對發(fā)射和接收回路進行整體測試。測試發(fā)現(xiàn)受溫度影響嚴重的地方，主要在多通道控制板，是板上前部的放大芯片OPA2725和多路開關ADG659的溫度性能不好所致。

2.3 放射性類測井儀器篩選要點

放射性類測井儀主要包括伽馬能譜儀EDST61XA+補償中子測井儀ECNT73XA+巖性密度測井儀EZDT71XA。需在在常溫條件下將放射性儀器串連接地面測井檢測系統(tǒng)，加電檢查儀器狀態(tài)均正常，并將常溫狀態(tài)下儀器各參數(shù)記錄下來。其中EZDT71XA需使用專用加溫線把EZDT71MA電源部分和探頭部分連接起來。篩選測試方法同電法類測井儀器，不再贅述。

測試主要關注伽馬能譜儀EDST61XA的通訊、GR計數(shù)、譜峰和保溫瓶內(nèi)溫度是否正常，檢查ECNT73XA的通訊、長短源距的計數(shù)和保溫瓶內(nèi)溫度是否正常，檢查EZDT71XA的通訊、譜峰、保溫瓶內(nèi)溫度、馬達收開腿及其它參數(shù)是否正常。特別需注意對放射線儀器的加溫，一定要注意，在儀器加溫和降溫過程中，速度不能過快，特別是在降溫過程中，若儀器降溫過快，可能導致儀器探頭損壞。

3 實施評價和跟蹤機制

評價儀器高溫篩選結(jié)果包括兩部分。第一部分是實驗室通過烘箱加溫進行測試，確保在整個加溫過程中，儀器工作正常，各個參數(shù)在儀器設計允許的溫漂范圍內(nèi)；第二部分是下高溫井進行測試，儀器的耐溫性能是否能夠達到高溫井的要求，儀器的測量范圍和精度，測井資料的準確性，儀器的一致性、重復性是否達到測井資料的要求。

對井下儀器完成高溫篩選后，應建立一套完善的跟蹤機制。對加溫后儀器的工作狀態(tài)和性能進行跟蹤和改進，了解加溫效果和一些元器件的性能是否穩(wěn)定，不斷地完善儀器高溫篩選流程。按季度或年份統(tǒng)計篩選儀器的測井作業(yè)情況，包含井溫、井況信息，儀器工作狀態(tài)以及出現(xiàn)的故障等等。儀器進行高溫篩選時，一定要將每支儀器的原始記錄及性能改進做一個詳細的表單，便于以后參考對比。對高溫測井出現(xiàn)問題的儀器進行跟蹤測試，找出不符合要求的元器件，尋找同型號性能更好的元器件或進行元器件篩選，不斷改進，直到儀器性能的可靠性和穩(wěn)定性達到應用要求。

4 應用實例分析

EXDT61XA交叉偶極陣列聲波測井儀在高溫篩選前后不同井段作業(yè)情況對比分析見表2。篩選前，在井溫164 ℃和155 ℃分別出現(xiàn)了通道波形問題和通訊丟失故障。大部分故障在常溫檢測時無法復原，只有通過烘箱加溫才能復現(xiàn)。其中因通道板的OPA2725芯片故障，拉低電壓后通訊時好時壞，導致MONOFULL和MONO DT出現(xiàn)波形丟失。按照上述聲波類儀器加溫測試篩選方法，對此儀器加入頻率5 kHz、峰峰值為100 mV的正弦波模擬聲波信號，避免了因地面無法獲得有效的聲波信號的困難。在引出線上可以很好地檢測測量點波形，從而判斷出故障芯片。篩選完成后，儀器在NB12-X-X和NB11-X-XS某井段作業(yè)中，在164 ℃下順利完成作業(yè)，作業(yè)時效保證了100%。

表2 EXDT61XA交叉偶極陣列聲波測井儀高溫篩選前后作業(yè)對比分析

5 結(jié)束語

隨著測井井下儀器使用年限增加以及多次高溫井作業(yè)后，經(jīng)歷高溫高壓等井下惡劣環(huán)境后有些元器件的性能可能有所下降，會影響儀器的工作狀態(tài)。通過研究分析，可以建立不同耐溫測試方法和評價方法，可有效保障現(xiàn)場作業(yè)時效，對儀器進行預防性強制保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)耐溫性能差的電子元件和O型圈，更換耐溫性能不佳的關鍵元器件，對出現(xiàn)的問題及時分析解決。經(jīng)過高溫篩選的井下儀器多次順利完成了高溫滿貫作業(yè)，極大地提升了國產(chǎn)測井儀器完成高溫作業(yè)的質(zhì)量。