MRIL-P型核磁共振仪仪器故障分析及排除.doc

MRIL-P型核磁仪器故障分析及排除Failure analysis and Removal of MRIL-P NMR instrument摘要：中油测井吐哈事业部于2007年引进MRIL-P型核磁共振测井仪并成功挂接在EXCELL-2000测井采集系统上，为油田评价低阻、碳酸盐、火成岩油气层提供了准确的依据，部分解决了传统测井解释在面对地层水矿化度异常油气层、非砂岩油气层所遇到阿尔奇公式的不适用性等问题。MRIL-P核磁测井仪是大功率、精密仪器，在测井现场同样存在着一些问题。本文介绍了MRIL-P的基本原理、在使用过程中所遇到的问题以及解决方法。Summary：Tuha Division of China Petroleum Logging Co.LTD introduced into MRIL-P logging instrument which has been equipped EXCELL-2000 collecting system in 2007 in order to offer exact foundation for estimation of low resistance and carbonate oil field. Its introduction has partly solved the problems, for instance, inapplicability of Archie equation. MRIL-P logging instrument exist some problems used in the field because of high-power. The article introduces the basic principle of MRIL-P and some problem and methods to solve these problems.关键字：EXCELL-2000、MRIL-P、FET、拉莫尔频率Key Words：EXCELL-2000、MRIL-P、FET、Larmor Frequency0 引 言MRIL-P型核磁测井仪电路主要分为弱电部分和强电部分；本文将围绕MRIL-P高压RF脉冲的产生原理，介绍使用中遇到的问题。1 核磁测井原理拉莫尔频率：对于一个单个质子来说，质子本身的自旋磁矩在外加静磁场的作用下，质子自旋磁矩沿外加静磁场B0的方向进动，进动频率：，该频率既是拉莫尔频率，拉莫尔频率既是核磁共振频率。当在垂直于磁场B0施加一个频率为拉莫尔频率的交变电磁场时，氢原子就会产生跃迁，从宏观上看也就是磁场方向逐渐由B0方向扳倒在B1方向。那么在这个过程中通过采集宏观上的一些参数，比如：极化时间T1，驰豫时间T2和宏观上的磁场强度M，就能够获得地层信息和流体信息。2 高压正弦波RF信号图一 高压正弦波RF信号产生流程 为了能够使天线发射出单一频率的电磁场，就必须有能够产生单频率正弦波信号的电信号，具体方法就是：通过发射器模块前半程的处理用大功率FET开关电路产生了600V的高压方波信号，然后，在发射器模块的后半程通过低通滤波器处理成基本只具有基波成分的正弦波。MRIL-P核磁共有两个发射器模块A、B，组成相同，所不同的只是驱动信号不同；A的驱动信号为互补信号，B的驱动信号为互补信号，两个发射器模块相互配合共同为天线接口模块提供正弦波RF信号。在核磁发射脉冲的过程中，随着大量存储系统能量的耗尽，将会引起高压HV的下降，HV的变化将直接导致发射能量的变化，发射能量的变化就会导致氢原子的欠扳倒和过扳倒情况的出现，测得的孔隙度偏小。 图二 电容短节电压随时间变化情况单纯依靠电缆为井下仪提供能量已远远不能满足发射能量的需要，为了解决发射时有足够的能量用于发射的问题，MRIL-P主要采用了两种方法：增添了电容短节；相位差补偿技术。电容短节：在Relay模块输出的高压线HV，并联了电容短节和发射器模块高压的两个输入端，当Relay模块吸合之后高压也就给电容短节充电，当过大的功率将高压总线上的电压拉低时，此时电容短节发挥作用，对高压总线放电使高压能够维持发射的需要，由于电容是存在放电常数，所以随着发射的持续，高压逐渐被拉低，电容并不能够维持高压为一常数，为了保证在发射器模块的输出端输出恒定，在Exciter模块内部存在这相位差补偿技术进一步补偿高压的不稳定。在核磁共振仪器中需要引入反馈自动调节系统，来实时地进行调节，保证发射脉冲能量的稳定。MRIL-P型核磁对于能量的补偿并不是通过智能元器件，例如：DSP来完成的，而是通过一种纯硬件机制高效地完成-相位差技术。在EXCITER模块中，有4个输入：AM、HV、sinout、cosout与“相位差”技术有关系： sinout、cosout用来控制方波的频率，该频率由扫频结果和activation决定； AM：软件输入的强度信号Amp HV：高压直流电电压在ECITER模块中，AD734为四象限模拟乘法器，不同的接法对输入信号进行不同表达式的运算。具体就是： HV与AM通过U12在12脚处输出A，A=10*AM/HV，其中一路输入到U8，一路输入到U11； U8对cos(wt+900)和A进行相乘处理，在12脚处输出M=Acos(wt+900)； U11对A处理输出信号P，P再由U10处理输出B，此时B=Sqrt(100-A2)； U9对coswt和B进行相乘处理，在12脚处输出N=Bcos(wt)； 求和放大器U1、U3输出：out1=-（Asinwt+Bcoswt）=-10sin(wt+)，out2=Asinwt-Bcoswt=10sin(wt+)out1和out2分别输出至U2、U4。U2,U4类似于电压比较器，并且具有互补双输出。-(M+N)、M-N在经过U2,U4处理之后，输出互补方波信号XLLA、XLLB，作为Transmitter Module的驱动信号，如下图所示。 图三 EXCITER模块输出FET驱动信号XGATE1信号对发射高压的控制MRIL-P信号采集可以分为几个过程：发射、释放残余能量、接收。当处于接收状态时，一定要关闭FET开关电路的驱动信号，否则，当在接收状态发射时，直接会烧毁仪器。XGATE1就是发射器、激发器使能信号。U2、U4输出信号在与XGATE信号“与非”以后，使得只有XGATE有效时，Transmitter Module才能获得驱动信号，产生高压方波信号。通过以上处理， EXCITER模块就输出了两组频率相同，存在相位差的用于驱动Transmitter模块FET DRIVER的信号。在井下仪高压总线上，分别存在着600V高压，在发射器模块中共有4组场效应管开关电路，每组有3个大功率FET场效应管，标称值：10.5A、1000V。这4组开关电路每两组一起工作，具体就是Q1、Q2、Q3与Q4、Q5、Q6以及Q7、Q8、Q9、与Q10、Q11、Q12同时断开和闭合，从而在RFA和RFB两个输出端产生600V的方波信号。因为发射功率很大，因此在发射器模块中设计了很大保护电路：以Q1、Q2、Q3为例：电感L2，D1D2，D11D15以及D8D10均是保护电路的一部分。因为FET场效应管在高频工作时，存在电容效应，因此在开关Q1、Q2、Q3导通，Q10、Q11、Q12断开瞬间，由于电容效应的存在，实际上Q10、Q11、Q12仍处于导通状态，如果不采取措施的话，Q1、Q2、Q3和Q10、Q11、Q12将都被击穿，因此在两组开关电路之间串联了电感L2，以减少电流高峰；当Q1、Q2、Q3断开时，由于电感自感现象的存在会产生感应电动势: U(t)=L*di(t)/dt，显然当Q1、Q2、Q3断开时，di(t)/dt0，所以在Q1、Q2、Q3源极出现负的尖峰脉冲,因此,必须采用合适的回路将电感的剩余能量释放掉，放电电路就是由D11D15和D8D10组成的串联电路。Transmitter模块包括两部分：高压方波发生器和低通滤波器，通过以上处理FET开关电路输出高压600V方波。发射器模块滤波电路也就是一个谐振选频电路，通过改变电路容性大小，改变滤波器的谐振频率，从而输出方波的基波信号。在这两组驱动信号的驱动下，Transmitter模块A、B输出：TXA =-HVsin(wt+)、TXB=HVsin(wt-)。在天线接口模块，通过变压器组成的减法器，将正弦波合成为：TX=-HVsin(wt+a)-HVsin(wt-a)=-2HVcosa*sinwt=-2AMsinwt，很显然，在天线模块输出的RF能量强度已经脱离了具体的直流高压，而只与软件参数AM和频率有关，也就是说通过以上的处理，天线模块就能够输出恒定的RF脉冲。3 天线部分图四 天线部分天线等效电路如图所示：天线共有5个工作模式，分别是：BandA(590KHz)、BandB(615KHz)、BandC(642KHz)、BandD(675KHz)、BandE(775KHz)。BandA（588Khz）=11，12，13，14 closedBandB（615Khz）=11，12，14 closedBandC（634Khz）=11，12，13 closedBandD（670Khz）=11，12 closedBandE（760Khz）=All Open继电器的开合直接影响天线等效电容，根据拉特拉斯变换在电路中的应用的原理，对于每一种LCR电路的存在一种频率使得流经的电流最小，也就是天线的负载最小，在这个频率上工作不容易由于功率过大把仪器烧毁。这5个频率就是Class软件扫频所得到的扫频结果。4 故障现象及原因分析 4.1 Transmitter模块FET效应管击穿-短路现象：吸合电子线路的继电器（方法：在软件主界面，单击attach），供少量DC power，尚未发射，观察到DC power 有功率输出。原因分析：当继电器模块吸合时，高压将直接加到Transmitter模块输入端，由于此时FET开关电路已被击穿且输入端短路，未发送“发射”命令之前，就已经有了功率输出。4.2 FET效应管烧毁-断路 现象之一：B1mod不稳定，处于不断变化的过程中，而且变化的幅度较大（此时没有了补偿高压波动的机制）；现象之二：同样的AMP对应比平时小得多的A0和B1原因分析：当Transmitter A或B FET开关电路处于断开状态时，将不能够完成“相位差”补偿功能，其结果，在天线接口模块内，生成的高压RF脉冲幅度得不到稳定，发射能量处于不断变化中，因此，此时B1mod不断地变化且幅度大；其次，在天线接口模块内，完成的是两高压正弦波信号矢量减法运算，此时，实际上只有一个Transmitter模块工作，实际输出的RF脉冲幅度小于正常输出，由它激发的B1就会偏小，回波幅度偏小。4.3 电子线路中的Relay Module问题现象：在软件界面上，发送“吸合”命令，提示“不成功”，或即使提示“成功”，但是供高压HVMax、HVMin没有高压显示。原因分析：在排除地面系统故障前提下，当继电器吸合之后，高压直接加载到高压采样电阻之上，此时没有高压显示，可认定继电器模块问题（采样电阻或Exciter模块尚未出过问题） 4.4 高压直流电供不到井下仪故障处理MRILP采用中间抽头的方法进行交流工作电贺高压直流电的传输，在测井工程中，若发现高压供不下去的现象，可以从以下方面考虑：4.4.1EXCELL-2000地面系统对于DITS仪器，高压直流电是在PCP面板处通过隔离变压器耦合到井下的；CH2DCRET、CH1DC高压直流电受继电器开关电路的控制当两个继电器任意一个打开都会导致高压直流供不下去，因此PCP面板开关必须达到MRIL和W2DC位置。图五 EXCELL-2000供电系统4.4.2考虑井下仪的问题HV接到Relay模块，Relay模块受Class软件中“吸合”命令的控制，在未吸合时，高压直流电无法到达直流电采样电阻，因此，软件界面上HVMin和HVMax显示0v，当吸合之后高压到达采样电阻HVMin和HVMax显示高压电压(未发射之前两者基本相同)。可能是Relay模块坏掉了。4.5天线继电器坏现象：在准备测井时，扫频，扫频结果发现与平时正常结果出入较大或根本找不到Gain最大点。原因分析：井下仪通过天线继电器部分在BandABandE之间不断切换，改变天线的电抗大小，从而改变谐振频率，当发现扫频结果异常时，很有可能天线的继电器部分损坏，当然，也可能是天线的接入电容损坏。4.6chi偏大chi是核磁共振测井质量控制的核心指标，表征指数拟合程度的好坏，能够反映井下仪状况。MRIL-P核磁，在天线部分，回波信号是模拟信号部分，信号强度弱，易受干扰。仪器连接扣连接不紧固或有杂质未擦干净，会将噪音窜入回波信号中，导致chi偏大，例如：在测前、测后刻度时，chi偏大，有时是因为模拟探头的接触问题。测井速度偏大，Running Avg过小导致纵向分辨率下降，同时Gain变化更加剧烈。纵向分辨率：VR = L + v*RA*T/FL：天线长度；V：测井速度；RA：测量平均；T：测量时间；F多频测量频率个数此时，降低测井速度，增加Running avg(测量平均，