翟金海，李國玉

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

隨鉆方位電磁波電阻率測井儀測量響應及信噪比會受溫度的影響，天線結構的形變會導致測量響應的變化，寬動態(tài)范圍微弱測量信號的線性放大采集也會受到溫度影響。當儀器處于高阻、高溫地層時，測量信號微弱，受到的影響最為嚴重。DWPR相較于常規(guī)隨鉆電阻率儀器而言，采用非單匝天線設計方案，高溫對天線形變的影響會進一步增大。于頻率而言，對高頻2MHz信號影響更大；于源距而言，近源距天線受到影響更大。高頻短源距信號具有更高的信噪比及縱向分辨率，是地層評價不可缺少的重要信號，因此溫漂校正顯得尤為重要。

1 隨鉆方位電阻率測井儀

1.1 隨鉆方位電阻率測井儀原理

隨鉆時，電阻率儀的工作原理是利用電阻的阻值來測量地層孔隙度的一種儀器。它是通過一個或多個傳感器采集到地下巖石的電磁場信號，并將其轉換成相應的電信號，再經過放大器，將電信號轉化為數(shù)字量輸入單片機；同時，單片機再根據(jù)程序控制步進電機的運轉，實現(xiàn)對井下泥漿的深度測定，從而獲取到電阻率-深度曲線。

1.2 隨鉆方位電阻率測井儀組成

隨鉆方位電磁波電阻率測井儀，是通過發(fā)射天線向地層中注入不同頻率電磁場信號。不同源距的收發(fā)天線組合及具有方向增益的天線組合，可以獲取到電磁場傳播過程中測量到的地層衰減、相位偏移、地層邊界等諸多信息。中國陸地地形復雜、地質結構非常特殊，開發(fā)與利用必須要依靠新的探測手段。這需要科研人員不斷地探索新的勘探方法，來提高開采效率。

1.3 隨鉆方位電阻率測井儀關鍵設備

測井系統(tǒng)中的傳感器在隨鉆時，由于地層電阻率的變化會使電阻率有微小波動，所以測量時必須對其進行準確的響應檢測。為了提高采集的精度和穩(wěn)定性，一般采用多點位差分雙端輸入和多點位差分雙端輸出方式。多點位差分雙端輸入是指多個不同位置電極上的電壓值，但每個電極的電壓值不可能完全相同，因此需要設計一個一個電路來控制這些參數(shù)。測井控制系統(tǒng)的構成中，電阻法具有結構簡單、可靠性高、使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于地下礦體的探測工作中。

1.4 隨鉆方位測井儀參數(shù)

在傳統(tǒng)的測井過程中，由于受測量環(huán)境的影響因素很多，如溫度、氣壓、壓力等，這些都會對隨鉆的姿態(tài)產生直接的影響；同時，在使用儀器的過程中也會因為操作不當而導致誤差的存在。為了消除上述的不利條件，提高測試的精度和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用了模塊化的設計思想，通過傳感器采集井下的各種數(shù)據(jù)，并將其進行整理，形成了一個可以對不同位置的井位的整體觀測的閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對同一個量的多個單點值的連續(xù)監(jiān)測。該閉環(huán)控制系統(tǒng)由驅動裝置、檢測電路、調節(jié)機構以及顯示部分組成。驅動裝置包括電機、減速機、齒輪組、帶輪、減速器、聯(lián)軸器等。檢測電路由電阻應變片式光電探測器和電容式半導體所構成，是一種能夠將輸入信號轉變成輸出電信號的器件，其工作原理是利用電阻的變化來改變電壓的大小以達到平衡的目的，然后根據(jù)反饋的信息來決定電流的方向以獲得相應的位移量[1]。

2 多匝天線的溫漂校正方法研究

2.1 多匝天線溫漂現(xiàn)象原理

多匝天線相對于單匝天線發(fā)射電磁場信號與接收電磁場信號有極大優(yōu)勢，有利于微弱信號測量信噪比的提升。在金屬本體表面開若干長方體槽，內置選定型號的鐵氧體材料，在槽體正上方加工出多匝天線繞線固定的軸向或斜向槽體，用選定型號的導線繞制其上，最后用高溫灌封膠抽真空固定。由于金屬與灌封膠隨溫度產生的膨脹程度不一致，因而多匝天線會產生一定的位移，對信號測量產生一定的干擾，如圖1所示。

2.2 多匝天線溫漂校正方法研究

隨鉆方位電磁波電阻率測井儀（DWPR）是具有多種探測深度的陣列型儀器，具有3種源距、3個頻率測量，可以提供12條電阻率曲線，其中8條電阻率可以實現(xiàn)方位成像測量。隨鉆電磁波電阻率測量的基礎線圈系結構為“單發(fā)射天線（T）和雙接收天線（R1—R2）”構成的天線組，如圖2所示。它能夠測量地層隨著深度變化的視電阻率曲線。在測量時，通過測量兩個接收天線之間的電磁場相位差和幅度衰減，可以獲得相位差和幅度衰減所對應的電阻率數(shù)值[2]。

為了消除儀器結構的個體差異對測量值的影響，通常會采用空氣零刻度的方法去除儀器本體的影響。工業(yè)上一般將地層介電常數(shù)固定為10，此時，相位差、幅度比和地層電阻率具有一一對應的關系，減去空氣中的固定值，可以得到電阻率工程轉換圖版，如圖3、圖4所示。方位電阻率采用同樣的圖版進行轉換，根據(jù)扇區(qū)展開即可得到電阻率圖像。

感應類測量儀器一般在井下作業(yè)前會進行刻度操作。對隨鉆方位電磁波電阻率測井儀來說，空氣零刻度尤為重要。但井下工作溫度隨地層不同會有較大差異，因此針對不同溫度由幅度比和相位差轉化為視電阻率需要進行修正，將修正后的幅度比及相位差用于視電阻率轉化。修正的幅度比、相位差與測量值關系如公式（1）、公式（2）所示：

將儀器天線單獨放置于大型無感加溫烘箱中，測量溫度及不同線圈、不同頻率信號響應，通過公式（1）、公式（2）計算得出刻度乘因子K與刻度加因子b。

由圖5可以看出，近源距、高頻率信號受溫度影響明顯，基本每30℃原始測量相位差會存在0.15°的偏差，由鏈表轉換關系60Ω.m地層22in 2MHz相位差響應為1.47°，0.15°的偏差對真值影響超10%。

3 隨鉆方位電阻率測井儀溫漂校正系統(tǒng)設計

3.1 測井儀溫漂校正的總體設計方案

根據(jù)系統(tǒng)工作原理可知，要實現(xiàn)對地層的溫度和地層電阻率的精確測量，需要選擇合適的溫漂方法，而溫差的選取又是一個重要的問題。在傳統(tǒng)的測井過程中，由于地層的復雜程度和外界環(huán)境的影響（如熱傳導、大氣輻射等)，容易造成儀器的失靈。因此，在進行溫差校正時，一般都會忽略一些必要的參數(shù)來保證校正的精度。例如，讀數(shù)誤差、讀數(shù)放大電路的零點漂移等。為了解決這個難題，可以采用一種新的方式來改善這種狀況。通過使用電渦流式的磁力探測器，使其能夠對被測的介質具有一定的升阻作用，從而使被測的介質保持恒定的電位狀態(tài)，這樣就能克服因外部因素而產生的干擾或變化的讀數(shù)誤差，并且還可減小電子器件的體積以及重量，提高穩(wěn)定性。

3.2 傳感器選型

電容式電阻儀是一種以磁阻效應為基礎的測量裝置，利用了透磁體的吸電磁特性，在一定的磁場作用下，鐵心和線圈產生渦流。在渦流的影響下，鐵心會繞著磁鐵的方向移動，從而形成電流。電阻式電阻率計的工作原理就是通過對被測元件的透光鏡的反射來實現(xiàn)的，其結構簡單、體積小、重量輕、壽命長、成本低，可以用于各種電子儀器中。由于該傳感器的主要功能是檢測物體的位置、速度和加速度等參數(shù)，所以它的應用范圍也很廣。在生產生活中，人們都會使用到，如自動監(jiān)控、工業(yè)自動化、國防科研、石油化工等。因此，它的發(fā)展前景非常廣闊。綜上所述，本文選擇光電成對轉化器件。光電成對轉換器的輸出信號經過放大整形后，由A/D芯片進行整形，最后由單片機的輸入端傳輸給顯示模塊，這樣就能完成位移數(shù)據(jù)的采集與處理。

3.3 數(shù)據(jù)采集部分

電爐電阻溫度傳感器采集井下的井溫，通過A/D轉換將模擬信號轉化為數(shù)字量，并將其送入單片機進行處理。由于采用了電容式的光電元器件，所以可以直接測量電壓值。但在使用時，會產生一些誤差，如電路的零點漂移、采樣精度等。因此，需要設計一個補償?shù)姆椒▉斫鉀Q這些問題。本文的數(shù)據(jù)采集主要是由兩個通道構成的：1）電橋，利用電位器實現(xiàn)對電流的放大；2）地線，檢測電阻的位置和深度。其作用是：①電橋的功能是提供集電極間的直流電壓，地線上的互感器的輸出端可接成幅頻的脈沖波形；②電源開關的設置用于控制繼電器的開斷；③鍵盤的操作與調節(jié)；④當所測的數(shù)值超過設定的范圍時，就會啟動報警裝置，蜂鳴器發(fā)出警報聲；⑤當測得的溫差不同時，就會停止蜂鳴器的工作狀態(tài)[3]。

3.4 上位機

上位機的功能是實現(xiàn)下位機的溫度、壓力、循環(huán)次數(shù)等的顯示和報警，可以根據(jù)不同的環(huán)境設置上下限。當采集的數(shù)據(jù)超出預設值時，蜂鳴器會發(fā)出警報聲，提醒井下工作人員及時調整。在測量參數(shù)的時候需要設定上下限，當傳感器的阻值超過上限或者低于下限時，上位機會控制蜂鳴器的發(fā)聲模塊工作，使其達到預警的作用；當傳感器的阻值高于限定的數(shù)值后，上位機上就會產生相應的提示。如果大于上限或小于限制則蜂鳴器停止工作，并記錄下當前的時間信息。在測試過程中，由于采用的是數(shù)字儀表，所以通過軟件的設計來進行溫濕度的調節(jié)是可行的且具有一定的實用性。同時，也可將單片機組成一個系統(tǒng)，與STM32通訊，以方便對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

4 隨鉆方位電阻率測井儀的數(shù)據(jù)分析

4.1 隨鉆方位電阻率測井儀的誤差來源

由于隨鉆方位電阻率測試儀器的精度、測量環(huán)境的影響以及操作不當?shù)仍颍瑢е略撛O備存在一定的誤差和不足。首先，在采集數(shù)據(jù)的過程中，因為傳感器的非線性特性，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，使所測得的信息出現(xiàn)較大的偏差；其次，在對所測參數(shù)進行處理的時候也可能造成一些誤差，比如讀數(shù)時的噪聲干擾等；最后，在對溫漂校準的算法上，也有較多的因素會使其準確性降低?？偠灾?，隨鉆方位電阻率的測定是一項復雜的工程工作，需要加強基礎知識的學習與培訓，掌握其原理與計算方法，熟練使用各種分析軟件，準確無誤地去判讀待測物體的溫度及應力，從而保證實驗的可靠性及正確性。

4.2 隨鉆方位電阻率測井儀的數(shù)據(jù)處理與測量

本文所設計的隨鉆方位電阻率測井儀的工作原理是利用光電探測器與單片機的聯(lián)調。在采集數(shù)據(jù)時，由于單片機輸出的模擬量會受到環(huán)境因素的影響而產生偏差，所以需要對其進行一定的濾波，以減小誤差。為了防止數(shù)據(jù)的丟失和干擾，在數(shù)據(jù)處理過程中，采用了軟件濾波的方式來減少該差值的變化范圍。首先，將對采集到的數(shù)據(jù)使用A/D轉換的方法轉化為數(shù)字信號，然后通過A/D的轉換得到所需的電壓值。經過AD7686芯片的處理后，量化數(shù)據(jù)經DSP運算后，可以直接讀出相應的衰減電阻率、相移電阻率、地質信號等。濾波電路是一個低通濾波器，它可以將高頻信號的低頻分量過濾掉，然后再通過自激式變壓器或其他功率變換器將高信噪比的輸入輸出電流降至比較低的頻帶。為了保證濾波效果，需要對電壓增益進行調整，以使其與系統(tǒng)的實際工作點接近，所以在測量時要求電源為高電平，而在設計時則要考慮到電容的特性和電荷的衰減等問題。由于電阻的阻值會隨著溫度的變化而改變，因而當電極上的電位值發(fā)生波動的時候就會導致漏檢的產生。當出現(xiàn)漏檢的情況下，就會造成漏片的損壞；同時，因為電阻的阻值隨時間的變化而發(fā)生變化，從而使其阻值也隨之發(fā)生變化。這樣一來，就使得漏片的損耗變大，這也就是為什么一般都選用的是RC以上的器件來作為濾波元件。

4.3 隨鉆方位電阻率測井儀的誤差分析與修正

為了消除誤差，提高精度，需要對采集到的數(shù)據(jù)進行一定的修正處理，以減少誤差的影響和提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本文采用了差分法，對采集到的模擬信號與測量值之間的差分值作為差值的變化曲線，然后根據(jù)偏置采樣定理確定輸出的電流與電壓的關系式，得到其平均值；再利用標量盤的指針標定出該井的位置；最后用一個簡單的小數(shù)點標記，將小數(shù)點的坐標數(shù)值代入標準的0～9序列計算出來，并求出其最小的均方根比，即可求出其平均單位偏余百分率，減小誤差。首先，是在讀準的時候產生的讀錯。由于電容電感的存在而引起的讀錯，通過調整元器件的參數(shù)來解決；其次，是外接的電位器，用電位器來實現(xiàn)改變電阻大小的方法有兩種：一種為直接法，另一種為間接法。

5 結束語

隨鉆電磁波電阻率測井儀器（常規(guī)隨鉆電阻率及隨鉆方位電阻率）數(shù)據(jù)處理過程中，溫漂校正不可缺少。本文從理論結合多匝線圈設計出發(fā)，結合實際儀器測量響應，設計了無感、升降溫實驗并取得符合認知的結果，對溫度變化產生的測量響應確定了一套線性溫漂校正方案，此方案經實鉆測試，可使高溫、高阻情況下測量響應明顯提升，符合地質認識。