DSC多功能氧活化水流測井儀系統介紹
西安思為電子科技有限責任公司 程輝
概述:
DSC多功能氧活化水流測井儀是一套獨立的數控測井系統(四參數測井、中子壽命測井、氧活化水流測井),自問世以來,由于它能夠定性地測量注入剖面、產出剖面、找漏等,加之它發揮了核測井的優勢,可以測量管外流,故在各油田的生產測井領域獲得了廣泛的應用。
該儀器由一套獨立的地面數控生產測井系統和一套(兩支)井下儀器組成。
部分:地面系統
一、地面系統的組成:
地面系統由兩個機箱組成:上機箱(標準6U機箱)
下機箱(標準4U機箱)
1、 上機箱:
以上機箱中的接口電路插件可以根據需要選配,目前,絕大多數用戶只配有工控機主板、深度接口板和脈沖中子板(也稱PCM解碼板或通信接口板)。
關于A/D張力板:由于其設計上的缺陷,在其輸入端沒有設計信號處理電路,只能接收+5V的張力信號,而一般張力計的輸出都是很微弱的小信號,故一般用戶都無法選配。
特點:ISA總線;獨立供電;自帶繪圖儀;自帶深度系統;自帶液晶屏顯示;采用WINDOWS98操作系統平臺。
2、 下機箱:
下機箱為一標準的4U機箱,僅設計為供電系統,是一穩定性很高的直流開關型穩壓電源,只用于給井下儀器供電。其指標為:供電電流為0~1A;供電電壓為0~300V。
3、 軟件配置: a. 測井軟件;
b. 測試軟件;
c. 流量計算軟件(解釋軟件)。
4、測井工藝:A、四參數測井:只連接井下儀器的遙傳短節,供電后直接拉曲線并記錄;
B、中子壽命測井:
a.連接井下儀器三節,其順序為:遙傳短節+采集短節+下發生器。
b.地質條件要求:孔隙度至少10%以上;礦化度至少10萬PPM以上;
c.儀器供電,待發生器電離穩定(Ia=85uA左右)后,加靶壓85KV左右,然后拉曲線并記錄;
d.重復c項工作。
C、氧活化水流測井:
a.連接井下儀器四節,其順序為:遙傳短節+上發生器+采集短節+下發生器;
b.校深:先拉一條四參數曲線,用GR或CCL與原始蘭圖進行比較,然后給面板深度“+”或“-”;
c.選點測量。
二、地面脈沖中子板:
地面脈沖中子板(也稱PCM解碼板或通信接口板),其主要作用是地面系統和井下儀器的通信。其通信采用PCM編碼方式(脈沖編碼調制方式),每秒20幀數據,每幀數據占50MS,且分成5個部分,其結構如下:
地面脈沖中子板的電路原理圖如下:
注:配電纜時,主要是調RP1、RP2、RP3。其中RP1是調地面接收井下儀器上傳信號的幅度;RP2主要是調地面接收信號的門檻,既要合適的信號通過,又要傳給單片機89S52的信號是真正的方波;而RP3的主要作用是調整地面下發給井下儀器命令的幅度。在配電纜時,若單獨接遙傳短節,其命令碼在壽命方式下,NG16為4的整倍數(對應不同的F因子);而在水流方式下,其命令碼NG16為變化的4的整倍數。
三、地面深度接口板:
地面深度接口板的功能主要是將接收到的馬丁代克送來的光電脈沖編碼信號經過處理,一方面通過ISA總線傳送給工控機主板供測井軟件讀取使用;另一方面將經過處理的該信號送顯示面板用來顯示當前的儀器深度。
地面深度接口板的電路原理圖如下:
注:地面深度接口板上跳接線的功能:
光電脈沖信號不通過光耦。
光電脈沖信號通過光耦。
第二部分:井下儀器
井下儀器一套,包括兩支遙傳短節,兩支采集短節和兩支發生器短節。測雙向水流時全連接的總長度為6.76米(其中遙傳短節的長度為2.16米;采集短節長度為2.20米;兩支發生器的總長度為1.20×2=2.40米)。
一、遙傳短節:
遙傳短節的功能如下:
1、 與地面系統進行通信,接收地面系統下發的命令并上傳數據;
2、 與其它短節進行通信,傳遞命令并接受其它短節的數據;
3、 實現溫度、壓力、節篐和自然伽瑪信號的數據采集;
4、 提供+90V直流穩壓電源,為本短節和其它供電。
溫度、壓力、節篐信號經過調整后變為電壓信號,又經過V/F(AD650)轉換為頻率信號;而自然伽瑪信號經過放大和門檻鑒別后轉變成脈沖信號。
TU2單片機——對壓力和GR信號計數;
TU3單片機——對溫度和節篐信號計數,同時對+90V直流電源的采樣信號Viw進行A/D轉換,得到穩壓電流Iw,還根據坪檢狀態用D/A轉換輸出GR的門檻電壓,正常時輸出+2.5V,正坪檢時輸出+5V,負坪檢時輸出0V,分別對應GR門檻為:-300mV;-250 mV和-350 mV。
另外,單片機TU3上有上電復位和看門狗功能,它用P1.7腳給TU1和TU2單片機提供復位信號,平時監視TU1和TU2單片機的工作狀態,當TU1和TU2不能正常工作時,使它們復位。
單片機TU1以50 mS的幀周期進行工作,通過6條片內通信線(D0~D3、幀同步信號FR和字節同步信號SYNC)與單片機TU2和TU3進行通信,得到TEM、PRE、CCL、GR和Iw的值,同時,接收地面的PCM命令并進行解碼,得到地面命令,并通過UART串行口與其它短節通信(COM),傳遞地面的命令,也接收其它短節的數據。UART串行口設計為9位多機通信方式,其波特率為25KBIT。,TU1將所有數據同樣以PCM方式編碼輸出,通過SIGA(正脈沖)和SIGB(負脈沖)經電平轉換電路和PCM驅動電路送到電纜并上傳給地面系統。
+90V直流穩壓電源當電纜電壓高于+90V時方能工作,給整個儀器提供穩定的+90V供電,并可根據需要,儲存足夠大的Iw(一定要理解這段話!)。
低壓電源模塊產生+5V、+15V和-15V電源供本短節使用;
高壓電源模塊產生0~1800V的可調直流高壓給GR探頭使用。
附圖1:遙傳短節電原理圖
二、采集短節:
采集短節的功能如下:
1、實現四個測量探頭GR1、GR2、GR3、GR4、陽極電壓Vam和電離電流Ia的數據采集(Ia的采樣信號實際是Vj);
2、接收遙傳短節中TU1轉發的地面系統的命令,以實現壽命測井方式與水流測井方式;上、下水流方式;以及在不同譜周期、不同占空比、不同活化時間之間的轉換;
3、產生陽極電壓Vau(Vad)(+1800V)和燈絲電流Ifu(Ifd)供中子發生器工作,并利用氣控電路控制中子發生器的電離電流Ia;
4、與遙傳短節進行通信,將采集到的數據(GR1~GR4、Vam和Ia)經遙傳短節的TU1發送給地面系統。
單片機SU1起門定時的作用,產生基本信號NB、/NB和NBD,供離子源電路的陽極脈沖電路工作;同時產生字節同步信號SYNC供采集短節的內部單片機SU2和U5進行數據傳送;還產生16個遠、近門定時序列;另外,還根據地面命令控制儀器工作在壽命測井方式或者水流測井方式,是上水流還是下水流,以及對應命令的F因子的狀態等。
如:對應命令的四個F因子狀態是:
(01)H: 對應 F=1;
(05)H: 對應 F=√3;
(06)H: 對應 F=1/√3;
(07)H: 對應 F=3.
單片機SU4原設計為用于進行探頭高壓控制,其調節范圍為0∽+5V(這就是我們在面板上看到的HVC:+4.98V),其控制的直流高壓范圍是0∽+1800V,現在此項功能已經取消,不再使用了。而僅用于根據收到的四個探頭的GR信號,輸出坪檢信號PC,也是正常時輸出+2.5V,正坪檢時輸出+5V,負坪檢時輸出0V;分別對應GR門檻為:-300mV;-250 mV和-350 mV。
單片機U5的功能是門計數,即采集數據或根據自檢狀態產生數據。在測井情況下,其將采集到的數據經過處理交換給SU2,由SU2經通信線傳送到地面,顯示于不同的門序列中,如GR1、GR2、GR3、GR4除顯示于ND1、ND2、ND3、ND4外,還被顯示于門序列的ND2、ND3、ND4和ND5中;而GR、TEM、PRE、CCL除在相應的位置顯示外,還被顯示于門序列的FG14、FG15和NG14、NG15中。而在儀器進行自檢時,其內部程序根據不同的情況,如壽命方式下根據不同的F因子,水流方式下根據不同的占空比產生相應的數據顯示于相應的門序列中。以下是該儀器正常時壽命方式下自檢的數據:
條件:7#遙傳+7#采集+010#發生器;
壽命方式:V=130V,I=330mA,Iw=51∽53 Ma, Ia=80∽82Ua.
常溫自檢:F因子 FG1∽FG15(NG1∽NG15) FG16(NG16)
1 26/27 52/53
1/√3 45/46 89/90
√3 15/16 30/31
3 8/9 17/18
U5和SU2單片機通過8根數據總線D0∽D7進行數據交換。
IU3單片機的主要作用是監視離子源電路中的陽極脈沖電路的工作狀態,將其20腳采集到的數據(04版儀器為從放電回路采集的+2V信號;而06版儀器是從T2變壓器次級直接采集到的+5V信號)經處理送到地面顯示于Vam,以監視陽極脈沖電路是否正常工作(所以,如果地面顯示Vam燈不亮的話,只與陽極脈沖電路有關,而與其它電路均沒有關系)。另外,IU3還根據地面命令輸出不同的邏輯信號以控制燈絲電流是Ifu還是Ifd,即控制是上發生器工作還是下發生器工作(04版儀器是根據IU3的13腳的輸出是0還是1來控制電磁繼電器的吸合的;而06版儀器是根據IU3的13腳和14腳是否有輸出來控制你不同的開關器件2013來決定那個發生器工作的)。更重要的是,IU3還依據采集到的Vj信號,在其3腳輸出Vout信號,以控制燈絲電流If的大小,從而達到控制發生器電離電流Ia的目的,這就是所謂的氣控電路。
低壓電源模塊產生+5V、+15V和-15V電源供本短節使用;
高壓電源模塊產生0~1800V的可調直流高壓給ND1、ND2、ND3、ND4四個探頭使用。
附圖2:采集短節電原理圖。
三、發生器短節:
發生器短節功能如下:
1、在陽極電壓Vau(Vad)(+1800V)和燈絲電流Ifu(Ifd)的作用下,受離子源電路的控制進行電離,產生電離電流Ia;
2、根據收到的地面命令,以改變控制脈沖寬度的方式增大或減小靶壓;
3、采樣靶壓信號,并將采樣信號送地面顯示,以達到監視靶壓的目的;
4、產生核反應,將周圍的物質活化,釋放出熱中子,用于中子壽命測井或氧活化水流測井。
以下是中子發生器高控短節的功能描述:
+15V電源的作用是從+90V產生一個+15V為LM1524供電。
HU1單片機接收TU1轉發的地面“+”、“-”靶壓命令,在其內部程序的控制下,在其3腳輸出一基準電壓給LM1524,該基準電壓在0∽+5V之間變化,隨著基準電壓的增加LM1524的11腳和14腳輸出的方波即變寬,加給中子發生器的靶壓也就升高;反之,則降低。
HU1單片機還對靶壓信號VT進行采樣,采樣信號VT′經過HU1處理由通信線送到TU1,并由TU1轉發到地面顯示。
附圖3:中子發生器高控短節部局/連線圖。
第三部分:該系統目前存在的問題
目前,該系統還存在以下問題,需要我們做進一步的改進,這也是我們一直努力的方向:
1、 按照最初的設計,地面系統應是便攜式的,從其名稱“便攜式數控測井地面系統”就可以看出來,但事實上并不是這樣,兩個很笨重的箱體,給從事測井工作的同志帶來了極大的不便。我們的目標是:一個真正能手提的或者至少一個人能夠搬移的箱體+一臺筆記本電腦!實現真正意義上的便攜。
2、目前,所有的地面軟件都是基于WINDOWS98系統而編寫的,而WINDOWS98系統的陳舊和必然淘汰是眾所周知的,況且,WINDOWS98系統在資源共享方面的缺陷也給測井工作帶來了一定的困難。如非法操作;如有時測井軟件不能正常工作,需要啟動一次測試軟件,再重新進入測井軟件;如60秒的譜周期不能顯示,而40秒的譜周期卻能夠顯示等等。所以,一套基于更版本操作系統的測井軟件,也是我們所共同期待的。
3、電路設計方面的問題是,陽極電壓Va偏低。由于該儀器是在原SMJ中子壽命儀器的基礎上改進的,所以該儀器才具有中子壽命測井和氧活化水流測井兩大功能。但是,為了兼顧兩者,也帶來了一定的矛盾,即中子壽命測井方式下,靶壓是連續加給中子發生器的,而陽極電壓Va卻是方波(這是由SU1所產生的基本信號決定的),這就需要離子源電路有放電回路,放電回路就必須承受與Va一樣大的耐壓,目前的放電回路主要是由3個W30N120組成的,每個W30N120承受600V的分壓,故Va最大為1800V。這樣,與中子發生器所要求的陽極電壓Va為2200V—2400V相比,中子發生器幾乎是不能正常工作的。我認為這就是該儀器目前不能很好的進行中子壽命測井的主要原因,也同樣是氧活化水流測井時電離電流Ia和靶壓VT不穩的主要原因。但若改動SU1的程序,必然造成兩種測井功能不能兼顧;若升高陽極脈沖變壓器T2的輸出電壓,則放電回路就會承受不了。我們也同樣在于這一問題的改善。