EILog快速与成像测井系统（UIT5640超声成像测井仪）使用维修手册.doc

EILog快速与成像测井系统（UIT5640超声成像测井仪）使用维修手册 EILog EILog EEIILLoogg 快速与成像测井系统 UIT5640 UIT5640 UUIITT55664400超声成像测井仪 使用维修手册 中国石油集团测井有限公司 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 目 录 目 录 目目 录录 1 安全注意事项. 2 2 总体描述. 2 2.1仪器工作原理. 4 2.2线路描述. 6 3技术规范. 6 4 电路描述. 7 4.1 电源. 8 4.2发射. 8 4.3信号检测放大. 10 4.4 调试参数. 14 4.5 同步. 14 4.6 信号采集传输电路. 15 4.7 数据格式. 18 5 仪器检测. 21 6 参数设定. 21 7 测井程序. 21 7.1井口安装注意事项. 21 7.2仪器下井前期检查. 22 7.3 仪器供电检查. 22 8 测井组合. 26 9 测井安全. 27 10测井质量控制. 27 11资料处理与解释. 27 12一般性保养及维修. 28 13测井响应. 29 13.1 超声电视测井在裸眼井地层的测井响应. 29 13.2 超声电视测井在套眼井的测井响应. 30 14 故障诊断和操作注意事项. 31 15运输和搬运. 31 16 附图、附表. 31 1 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 1 安全注意事项 ? 测井时一定安装使用专配的扶正器。 ? 仪器最大工作电流为350mA。 ? 仪器下放速度不超过4000m/h。 ? 仪器在装卸与运输过程中，一定要注意保护透声窗，避免出现划伤、撞击透声窗等 情况。 2 总体描述 超声成像测井是一种用超声波作信息载体研究钻孔岩层的一种测井方法。与常规 测井不同的是，它不是用曲线而是用图像来表现井下地层的特性，这种图像是钻孔岩 层井壁的实际影像。 它较全面地反映了钻孔岩层井壁的结构和特征，使我们能够获得 对钻孔岩层较全面的了解。 超声成像测井是一种裂缝测井技术，美国人Zenmark 等发明超声成像测井仪的初 衷也是为了解决碳酸盐岩地层的裂缝评价问题。在致密低渗地层中，裂缝、特别是高 倾角裂缝，是油气最重要的储存空间和流动通道。由于像灰岩和白云岩等致密岩石的 低渗透特性，油气只能储存在岩石的裂缝和孔洞中，也只能通过裂缝才能流出来形成 产能。因此，寻找岩层裂缝也就成为致密低渗地层储层评价的前提。 用超声成像测井图像来评价裂缝具有明显的优越性。我们可以比较直观地从图像 上解释裂缝和孔洞，识别裂缝的形态，区分垂直裂缝还是斜交裂缝，这种裂缝及裂缝 形态的识别都无须进行任何计算。我们还可以通过简单计算求得裂缝的倾角和方位等 等。这些优越性不仅在油田勘探中有着重要的应用，而且在水文地质、煤炭等其它领 域都有重要的应用。 超声成像测井的另一重要用途是在套管井中检查套管射孔。例如检查射孔的井深、 射孔层位的厚度、射孔孔数等等。另外， 套管埋在井下，由于频繁的井下作业和地下 水的腐蚀等原因， 往往造成套管变形和腐蚀破损，影响油井的正常生产。超声成像测 井图像可为修井作业提供重要信息资料，如寻找套管破损位置，估计套管变形和破损 程度等等，这些资料将为套管修复作业提供重要依据。 超声成像测井产生的是井壁图像，解释直观、方便，裂缝、孔洞在图像上都一目 2 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 了然。超声成像测井分辨率高，而且是全方位地检测整个井壁，这也是其它同类测井 方法不能相比的。最后，超声成像测井还是一种能在油基泥浆中工作的成像测井方法。 所有这些优点使超声成像测井技术在油田勘探和开发中得到了广泛的应用，成为一种 重要的测井手段。 3 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 2.1 仪器工作原理 4 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 超声成像测井用超声波作为信息载体，通过向井壁发射超声波并对井壁扫描，从 而获得井壁图像。超声成像测井仪包括下井仪器和地面仪器两部分，下井仪器负责信 息采集，而地面仪器则负责信息处理，存储数据和产生测井图像。 上图是超声成像测井原理示意图，表示测井时仪器在井下的情况，仪器中有一个 超声换能器。在电脉冲的作用下换能器向井壁发射超声波脉冲束，而在反射超声波的 作用下换能器又能产生相应的电脉冲信号。由于换能器是圆片状的压电陶瓷片，其直 径要比厚度大许多，因而超声波的能量都集中在很小的范围内，形成一个方向性很强 的超声波束，射向井壁。当声波到达井壁后，被井壁反射回来，并沿着与入射波相反 的方向回到换能器，并被换能器接收下来，形成所谓的回波。我们可以从回波中提取 回波幅度和回波时间两种重要的信息。回波幅度的大小反映井壁介质的性质和井壁的 结构。井壁介质的密度越大，反射的能量越大，回波幅度就越大；反之回波幅度就小。 井壁结构是指井壁是否存在裂缝、孔洞等。当井壁不规则，例如存在裂缝时，由于裂 缝和孔洞对声波的散射，返回到换能器的声能就比没有裂缝的井壁要小，因而回波幅 度就小。因此，我们可以根据回波幅度的大小来判别井壁的结构。 回波时间指的是从换能器发射超声波开始到换能器接收到回波信号为止之间的时 间间隔。由于声波的传播距离等于声速乘以时间，即：L V?T 。这里 V 是声速，T L L R 是回波时间， 就是传播距离。因为 是声波来回所走的距离，显然井眼半径 为： R S + L/2 其中 S 是从仪器中心到换能器的距离，即探头的扫描半径。 所以，从回波时间信息中我们可以获得有关井径和裂缝的信息，可以根据这些信 息来解决如套管变形评价的问题。 5 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 在井下仪器中有一个电机，换能器在电机驱动下以5 圈/s 的速度顺时针旋转，从而 换能器发射的声波束将对井壁扫描，每扫描一圈换能器发射512 个点，从而产生512 个测量信息。随着仪器的提升，声波束在井壁上形成一种螺旋形的扫描轨迹。轨迹之 间的间隔取决于仪器提升的速度，速度越快，间隔就越大。一般来说，对于不同的井 径，声波束照射在井壁上的直径约为1015mm，选择适当的仪器提升速度就可以探测 到全部井壁。 当由于井壁不光滑等原因造成图像跳跃时，可通过适当提高测速或用处理软件进 行后期处理消除这种现象。 井壁是圆的，为了产生通常的平面图像，就需要将这些资料按一定的顺序排列开 来。为此，在井下仪器中还有一个方位线圈，它与换能器装在一起，并一起旋转。在 地磁场的作用下，换能器每转一圈，线圈就会产生一个正弦波信号。正弦波的相位代 表了不同的方位，因此通过方位线圈产生的正弦波信号，使每一个测量资料获得了方 位。一般我们选北方位作基准来排列井下资料。当换能器转到方位北时，就将资料排 到下一行去，这样将资料一行一行地排列开来，并显示在屏幕上或打印在纸上，就形 成了井壁的展开图像。图像的左边为方位北，依次为东、南、西方位。 2.2 线路描述 超声成像测井仪电路由电源、发射、信号检测放大、同步、信号采集传 12V 5V 34V 12V 输五部分组成：电源提供 、 、 直流电压。 用于一般集 成电路,5V 用于CPLD 芯片以及低功率发射、34V 用于高功率发射；发 射电路提供发射时序及脉冲；信号检测放大电路用于声波信号（幅度与旅行 时间）的检波及放大；同步用于适应不同的井况（套管井或裸眼井）信号采 集传输（DTB）负责井下仪器A/D 转换以及与TCC 之间的通讯。 3 技术规范 ? 最高耐温： 155 ? 最大耐压： 100MPa ? 裂缝分辨率： 1mm 6 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 ? 井眼范围： 115240mm ? 扫描速度： 5 圈/s ? 一圈采集： 512 个点 ? 220 20V 50Hz 供电电源： 交流 ? 声波探头频率：0.5MHz、 1.5MHz ? 泥浆密度： 1.01.5g/cm3 ? 适应井斜范围： 6 ? 仪器外径： 90mm ? 仪器长度： 5300mm ? 质 量： 85kg ? 测井速度： 150m/h（套损检测） 4 电路描述 超声成像测井仪电路原理框图如下图所示： 7 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 4.1 电源 100kbps 超声成像测井仪电源由12VDC、5VDC、34VDC 组成。 12VDC 20VAC D1 D2 D3 D4 ：由电源变压器输出 给整流电路（整流电路由 、 、 、 组成），整流输出约为20VDC，经过电容C5、C6 滤波，输入给U2 LM150 电压调节 12VDC C7 C8 12VDC 器，输出为 ，再经 、 滤波后提供给其它电路使用。 电路工作 原理与12VDC 相似。 5VDC: 由电源变压器输出10VAC 给整流电路（整流电路由D9、D10、D11、D12 10VDC C1 C2 U1 LM150 组成），整流输出约为 ，经过电容 、 滤波，输入给 电压调节 12VDC C3 C4 器，输出为 ，再经 、 滤波后提供给其它电路使用。 34VDC：由电源变压器输出40VAC 给整流电路（整流电路由D13、D14、D15、 D16 组成），整流输出约为40VDC，经过电容C13、C14 滤波，输入给U4 LM150 电 34VDC C15 C16 压调节器，输出为 ，再经 、 滤波后提供给发射电路使用。 4.2 发射 为适应不同井况的测井要求，超声成像仪器配有 2 个不同频率的超声换能器 0.5MHz，1.5MHz。发射电路根据操作员的命令，选择T1.5 或T0.5 任一换能器工作， 同时地面还提供换能器激励电压选择，点同步信号做换能器点火命令。 、发射部分成2个独立发射通道：1.5MHz，0.5MHz 各点对应波形示意图： 8 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 D E F A B C 、 、 对应于 、 、 。 换能器的选择由双单稳态多谐振荡器U2 完成。 F1/F2 为工作换能器选择信号： F1/F2 1 F1/F2 0 1.5MHz 换能器工作 0.5MHz 换能器工作 U2 的输出脉冲正宽度取决于各自的定时元件C4、R6 和C3、C5。 R 5 调整 使各自输出正脉冲宽度等于相应工作换能器标称周期的五倍，即每次发射 个周期的声波脉冲。一般情况为： 1.5MHz 换能器工作（U2-13） 0.5MHz 换能器工作（U2-5） 3s/ 390.6s 9s/ 390.6s 脉冲宽度 周期 脉冲宽度 周期 P+ U1 U2 TRB 为发射开始命令，经过 两次倒相后加到 的 触发端。 振荡器 1 1.5MHz 由图 方框图可见，本机发射部分分成了两个独立的发射通道，即 和 0.5MHz。 1.5MHz 振荡器由U3:A、U3:B、U4:D 组成 9 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 0.5MHz 振荡器由U3:C、U3:D、U5:D 组成 其输出为： 1.5MHz 振荡器输出（U4-11） 0.5MHz 振荡器输出（U5-11） 脉冲周期0.60.7s 脉冲周期2s 换能器驱动 1.5MHz D1 T1 H/L 以 为例：由三极管 ，变压器 组成。当发射声波强度选择信号 L U1:B U1:E U4 A U4 B 为 时，经过 、 缓冲，加至 ： 的第二脚。此时， ： 输出低电平， 振荡器的输出脉冲串只能经U4:C 驱动三极管D1 的基极，与此同时H/L 还加到D11 的 D10 5V VCC R18 D9 基极，导致 截止，由 电源 通过 、 供电。这时换能器上得到的发 Vpp 3 4Vpp 射脉冲幅度 为： 。此被称为低功率发射，这种状态特别适合于清水井或套 管井测试。 当H/L 为H 时，一方面，将U4:A 开启，三极管D1 基极由U4:C、U4:B 同时提供 D11 D10 34VDC C11 基极驱动；另一方面，将 、 同时开通， 加到电容器 上作为发射 D2 的集电极供电电压，发射幅度上升约为：70Vpp。此被称为高功率发射，这种状态 特别适合于声波衰减较大的井况测试。 0.5MHz 换能器激励电路与1.5MHz 电路相似。 4.3 信号检测放大 放大与信号检测是井下仪器的主通道，他将发射板接收到的微弱超声回波信号放 大到适合于处理要求的范围，检测出超声回波电压的峰值、超声回波的传播时间送给 信号采集传输电路。 能器选择 工作换能器选择由一片器选一模拟多路转换器CD4052 构成，占用其中2 路。 当-GAT 为低电平时，U1：X X0 或X1，此时没有信号加到放大器。当-GAT 为高 10 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 电平时，选通X2 或X3。 可变增益放大器 该部分由6 支晶体管构成，TR1、TR3 共射放大器，TR4 和TR5 构成饱和开关， GB GA 4 GB GA 基极受井上送下的命令 、 控制，设置 档 、 ，档位间隔通过调整射极电 阻来实现。 R7 R10 当控制信号为低时，开关三极管截止，射极电阻 、 对放大器来说有较大的 负反馈；当控制信号为高时，开关三极管饱和导通，将 C6 或C9 的一端与地相连，交 流成负反馈减，于是提高了放大器的放大倍数，而直流偏置不变，放大器增益与控制 信号的关系如下： GB GA dB 0 0 0 0 1 14 1 0 28 1 1 42 对数变换 井下采用了8bitA/D 转换，（8 位数码）其动态范围不能满足输入信号动态范围的 要求，采用对数放大器将其压缩，对数变换器由2 支CA3026 双差分对构成四级限幅器， 2 限幅器的输出在 支晶体管构成相加器的内相加，输出信号由集电极单端输出。 后置放大器 对数放大器输出信号最大为0.8VP-P，后置放大器将对数放大器输出信号进一步放 大约10VP-P，即再提供20dB 以上的电压增益。放大由TR9、TR10 构成10 倍电压增益 放大器，TR16 构成跟随器，TR16 和TR10 采用交流耦合，为避免放大器直流漂移对后 面检波器带来不良影响，TR16 提供射极直流电压约为0.4V，此为检波器的偏置电压。 由于半导体器件随温度变化，因此，TR16 射极电压也要随温度变化，为此其基偏由另 一半导体器件TR103 提供相同规律变化的偏置电压，起到一定的补偿作用。放大器同 时也起到信号分配作用，由TR9 集电极输出至TR8 作为时间检测的输入信号，由TR16 射极输出到R504 作为拖尾信号供给自动门限生成电路，经R514 接到幅度检测电路。 后置放大器的信号3、2 路，一路采用幅度检测，另一路作为时间检测输入信号。 11 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 回波幅度检测 回波信号由二极管TR11 的正极输入，信号正峰保持再电容C68 上，峰值电平经 U10:A 送往A/D 转换器。三极管TR14 是C68 的放电通路。在发射脉冲期间，由于选 通门的漏极或其它原因，在TR11 正端会有一个较大的无用信号。此信号往往比真实回 波信号幅度还大。如不将其放掉，必会遮盖回波。因此，在发射脉冲及其后的一段时 TR14 C69 C69 TR11 间内， 导通，将 接地，只有在有效的范围内，才允许 、 检波电路 正常工作。 C69 上保持的信号峰值电平可在较长的时间内保持稳定，A/D 转换结束后，先将 C68 U11 3 U11 上的信号电平放掉，再进行系统噪声峰值检波，噪声峰值送到 的 脚，经 采样后，送至U10:B 由R82 输出改变时间检测门限。 时间检测 时间检测完成超声波传播时间的检测，时间检测由采样保持电路，拖尾幅度检测 （门限形成电路）和快速比较构成。 1）采样保持 TR100 TR17 U100 TR101 、 、 构成换能器拖尾幅度检测，检测到的尾巴幅值经二极管 加到电容器C75。 U11、U10:B 为噪声采样保持电路。由后置放大器来的回波信号经 TR12 加到高速 比较器U12 和C75 上的门限电平进行比较，当有回波信号时，U12 输出正脉冲，经TR106 和U13:B、U14:C 缓冲后送到采集传输电路。 超声波发射的重复频率为2.56kHz，即相隔391s 发射一次。在多数情况下，约300s 0 100s 以后，超声已衰减到 ，电路中只有系统噪声存在，在下一次发射前 即可进行噪 声采样。在采样脉冲SAMP 有效期间，U11 高速采样保持电路将C68 上的噪声正常值 电平保持下来，U10 将U11 采集的噪声电平作适当缓冲放大，以保证99以上的噪声 峰值小于U10:B 的输出电平，从而使系统噪声不至于被当作信号检测出来，即噪声电 平为换能器拖尾结束后的门限电平。 2）拖尾幅度检测 12 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 在被测井径较小时，回波到达时，换能器拖尾还未结束，两者相混，要测出正确 的井径，只能将高出拖尾幅度的信号作为回波信号检测出。而换能器的拖尾与许多因 素有关，如换能器的Q 值、声系结构、匹配情况等，其中多半因素带有不确定性，这 就是说最佳的信号检测系统应该有自适应性，本仪器在时间检测中，每个发射脉冲所 产生的拖尾都被实时检测出，作为近距离时间检测的一个控制参数。 TR100 TR17 C78 三极管 、二极管 和电容 构成当次发射脉冲拖尾幅度峰值检测电路。 NPL 为检测时刻控制脉冲，只有当NPL 为低电平时，由TR15 发射极来的信号才被允 许检波，检测时刻根据发射换能器的不同分别为 P+脉冲后延迟10s（1.5MHz）或 40s 0.5MHz ，其检测开窗宽度均为12s 左右。 C78 U100 C75 C75 R82 R515 上保持的信号经 缓冲放大后加到定时电容 。 和 以及 、 U10:B 的输出内阻R0 共同构成一放电回路，其起始值为拖尾幅值，终了值为噪声电平。 C75 R6 R515 时间常数由上述 及三个电阻确定。其中 很小， 很大，均可忽略，主要影 响为R82。R82、C75 的选择由声系的等效时间常数确定。在实际电路中用调整R82 来 改变。图5 为自适应门限示意图。调整R82 即改变由拖尾幅度Vt 至噪声电平Vn 过渡 过程的长短，使曲线正好与拖尾包络一致。 3）比较器 5 U12 TR12 图 所示的自动门限加到高速比较器 的反相输入端。回波信号经 缓冲 后加到比较器的同相输入端。C74 为隔直电容。当同相端信号大于反相端门限电平时， 输入为高，否则为低。比较器输出的信号经TR106 作幅度变换和U13:B、U14:C 缓冲 后即为检测到的回波时间信号TG。 4）控制部分（附图） 13 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 a.点同步（点火开始）P+； 3s 390.6s 5 /s 512 / 脉宽 、周期 ； 周期 圈 ， 点圈。 b.放大器输入选择门，门控信号GAT； 输出脉宽为：自P+时刻起 8s（1.5MHz） 40s 0.5MHz c.回波信号幅度检测电路放电脉冲DEC； 与P+同步，脉宽及周期如图6； d.噪声采样信号SAMP； P+前100s，脉宽为10s； e.拖尾幅度采样脉冲NPL； （在拖尾幅度检测中已有叙述） 4.4 调试参数 常温下各档参数（在刻度桶内）： 1.5MHz 0.5MHz 1.5MHz 0.5MHz 11.55MMHHzz 00.55MMHHzz 精度 档位 L H 档位 L H 1 108 168 1 156 221 2 160 205 2 202 251 5% 3 205 143 3 239 255 4 237 254 4 254 255 4.5 同步 5 当电机带动换能器以每秒 圈的速度旋转时，安装在转轴上的一线圈将同步旋转。 14 EILog UIT5640 超声成像测井仪使用维修手册 该线圈切割地球磁力线，输出5 周的低频信号。该信号经滤波、放大后，使得在换能 器对准北极时形成脉冲前沿，故亦称之为北极信号，由该信号形成同步脉冲。要求行 同步脉冲的前、后沿均与点同步脉冲对齐，既脉宽390.6s（周期200ms），正好等于一 个点周期。由于行同步脉冲是由北极信号形成的，因此显示的井壁图象总是从北极开 始，最后再回到北极。由线圈感应的信号加至电子开关U1，0.5MHz 和1.5MHz 两换能 器的机械位置相差180，电子开关的作用是改变北极信号的相位，使更换发射频率时， 图象表示的方向不变。U1 的输出经过U2 前置放大、U3:A 二阶RC 有源滤波，再经过 U3:C 放大、U3:B 比较、U4:B