石油仪器技术测井仪器下.pptx

第第5 5章章 测井仪器技术测井仪器技术 5.1 概述 5.2 测井技术与仪器 5.3 随钻测井技术 5.4 井下成像测井技术 5.5 地面记录系统 5.6 测井信息通信 5.7 典型测井系统介绍 石油工业训练国家示范教学中心第1页/共102页 石油工业随钻测井LWDLWD（Logging Logging While While DrillingDrilling）一般是指在钻井的过程中用安装在钻梃中的测井仪器测量地层岩石物理参数，并用数据遥测系统将测量结果实时送到地面进行处理，或记录在井下仪器的存储器中的一种技术。该技术要求测井仪器应能够安装在钻梃内较小的空间里，并能承受高温、高压和钻井时产生的强烈震动。由于目前数据传输技术的限制，大量的数据存储在井下仪器的存储器中，起钻后回放。随钻测量MWDMWD（Measurement Measurement While While DrillingDrilling）一般是指钻井工程参数测量，如井斜、方位角或工具面角等的测量。有时候，MWDMWD泛指钻井时所有的井下测量。5.3 随钻测井技术随钻测井概念石油工业训练国家示范教学中心第2页/共102页 随钻测井是在钻开地层的同时实时测量地层信息的一种测井技术。目前主要有电阻率测井中的补偿双电阻率测井仪，钻头电阻率仪，放射性测井中的补偿密度中子仪，方位密度中子仪，声波测井中的新型声波测井仪，偶极声波测井仪，核磁共振测井仪等几种目前世界上较新且应用广泛的随钻测井仪器。常规随钻测井服务系统包括定向井，随钻测井和其它相关服务。常规随钻测井服务系统包括定向井，随钻测井和其它相关服务。其中定向井服务包含井下实时井斜角，方位角和工具面角等的测量；其中定向井服务包含井下实时井斜角，方位角和工具面角等的测量；随钻测井包括随钻电阻率测井，自然伽马测井，放射性测井，光电因随钻测井包括随钻电阻率测井，自然伽马测井，放射性测井，光电因子测井，井径测井及声波测井；其他服务如随钻温度测量、随钻震动子测井，井径测井及声波测井；其他服务如随钻温度测量、随钻震动测量、随钻钻头钻压测量、随钻地层压力测量和随钻可变径扶正器等，测量、随钻钻头钻压测量、随钻地层压力测量和随钻可变径扶正器等，以其高精度的测量和可靠的服务具备了取代电缆测井的能力。以其高精度的测量和可靠的服务具备了取代电缆测井的能力。5.3 随钻测井技术随钻测井概念石油工业训练国家示范教学中心第3页/共102页 随钻测井是在地层侵入之前或很浅时测量的，能更客观地反映地层特征。概括地讲，随钻测井技术的应用主要包括定向测斜导向，提供精确的轨迹测量，实时确定井眼轨迹，达到对井身的实时控制；在地层未受到污染的情况下提供实时和时间推移的地层物性测量和油气藏分析，显著增强了地质导向和地层评价功能；提高了现场钻井决策能力和钻井成功率，强化了前导模拟技术在现场的应用，对油田的整体开发有着积极意义。5.3 随钻测井技术随钻测井概念石油工业训练国家示范教学中心第4页/共102页 几乎在电缆测井诞生的同时，随钻测井的想法就形成了。国外从2020世纪3030年代开始研究随钻测井技术。2020世纪6060和7070年代，尽管随钻测井系统在设计上是可行的，但由于技术和工艺原因，仍然达不到商用水平。19781978年，TelecoTeleco公司才首次推出了具有商业用途的随钻测井仪器，早期产品只能提供自然伽马和电极电阻率测量。直到2020世纪8080年代末，大斜度井和水平井钻井活动十分活跃，随钻测井技术开始迅速发展。8080年代中期以来，能进行电、声、核随钻测井，仪器系列不断丰富。哈里伯顿公司的PathFinderPathFinder随钻测井系统；斯伦贝谢公司的VISION475VISION475测井系统；Sperry SunSperry Sun公司的三组测井系统。5.3 随钻测井技术随钻测井技术进展石油工业训练国家示范教学中心第5页/共102页 随钻测井相对于电缆测井具有很多优点。随钻测井相对于电缆测井具有很多优点。电缆测井需占用一定的钻机在用时间，井眼环境和泥浆滤液的侵入电缆测井需占用一定的钻机在用时间，井眼环境和泥浆滤液的侵入严重影响常规测井数据的质量。严重影响常规测井数据的质量。随钻测井资料是在泥浆滤液侵入地层之前或侵入很浅时测得的，更随钻测井资料是在泥浆滤液侵入地层之前或侵入很浅时测得的，更真实地反映原状地层的地质特征。在大斜度井、水平井或特殊地质环境真实地反映原状地层的地质特征。在大斜度井、水平井或特殊地质环境（如膨胀粘土或高压地层）钻井时，电缆测井困难或风险大以致不能进（如膨胀粘土或高压地层）钻井时，电缆测井困难或风险大以致不能进行作业时，随钻测井可以取而代之进行测量。这样既减少钻井在用时间，行作业时，随钻测井可以取而代之进行测量。这样既减少钻井在用时间，降低成本，又提高了地层评价测井数据的质量。目前，在海上钻井活动降低成本，又提高了地层评价测井数据的质量。目前，在海上钻井活动中几乎都使用随钻测井技术。未来中几乎都使用随钻测井技术。未来5 51010年里，全球石油钻井活动继续从年里，全球石油钻井活动继续从陆上向海上转移，水平井、大斜度井、多分支井的数量会持续增加，与陆上向海上转移，水平井、大斜度井、多分支井的数量会持续增加，与之配套的随钻测井技术也会进一步完善和发展。之配套的随钻测井技术也会进一步完善和发展。5.3 随钻测井技术随钻测井技术进展石油工业训练国家示范教学中心第6页/共102页 1 1随钻测井原理随钻测井原理 随钻测井就是在钻井的同时，对地层进行测量。在大斜度井、特别是水平井钻井中对地层进行测量是必须的。如图5.3-15.3-1所示，在钻井的同时，随钻测井仪器对地层进行测量。测量数据实时传往井上，钻井工程师可以根据测井数据，随时调整钻进方向。随钻测井仪器安装在钻梃中。随钻测井没有测井电缆，仪器供电靠自带电池或泥浆发电机发电，信号传输靠泥浆压力波、无线传输等方法实现。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第7页/共102页图5.3-1 随钻测井示意图5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第8页/共102页 2 2随钻测井系统优点随钻测井系统优点 LWDLWD是在MWDMWD的基础上，增加若干用于地层评价的参数传感器，如补偿双侧向电阻率、自然伽马、方位中子密度、声波、补偿中子密度等。随钻测井技术的发展与完善，使其成为电缆测井的一个重要补充手段，并因其“随钻”功能，使它具备以下的技术优势：1 1）利用伽马射线确定页岩层来选择套管下入深度；利用伽马射线确定页岩层来选择套管下入深度；2 2）选定储层顶部开始取心作业；选定储层顶部开始取心作业；3 3）钻进过程中与邻井对比；钻进过程中与邻井对比；5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第9页/共102页4 4）识别易发生复杂情况的地层；识别易发生复杂情况的地层；5 5）如如果果在在电电缆缆测测井井作作业业前前报报废废井井眼眼的的话话，至至少少还还有有一一些些地层地层 数据可以利用；数据可以利用；6 6）对电缆测井不适合的大斜度井能够进行测井作业；对电缆测井不适合的大斜度井能够进行测井作业；7 7）电阻率测井可以发现薄的气层的存在；电阻率测井可以发现薄的气层的存在；8 8）在在钻钻进进时时利利用用伽伽马马射射线线和和电电阻阻率率测测井井可可以以评评价价地地层层压压力；力；9 9）在在地地层层尚尚未未有有钻钻井井液液侵侵入入污污染染前前能能获获得得真真实实的的地地层层特特性和最新资料，这对正确评价地层是绝对重要和必要的。性和最新资料，这对正确评价地层是绝对重要和必要的。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第10页/共102页 3 3随钻测井系统传感器随钻测井系统传感器 正是由于上述的这些技术优势，LWDLWD在大位移井、水平井中获得了日益广泛的应用。随钻测井系统的关键模块是采集地层参数的传感器（相当于下井仪器）。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第11页/共102页 1 1）自然伽马传感器 通过测量岩石序列的伽马射线发射量，就能确定页岩区。装在LWDLWD仪器中的伽马射线传感器可在钻头钻过地层时检测到发射量。为尽快地检测到岩性的变化，伽马射线传感器装在靠近钻头的位置，以便在仪器有反应之前只钻过1 12m2m的新地层。由于在钻井液中和在钻铤中的衰减作用，实际上只有所发射的伽马射线中很小的百分数被检测出来。现在使用的传感器有2 2种：盖革-米勒管和闪烁计数器。LWDLWD的控制系统将传感器的测量结果转换为数字码，并储存起来准备传递。同定向测量一样，数据作为一系列钻井液脉冲传送到地面。最终结果是以连续测井形式沿井深画出的伽马射线响应图。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第12页/共102页 2 2）电阻率传感器 电阻率是地层对电流阻抗的度量。地层的响应取决于孔隙空间的流体含量（油和气为绝缘体，而盐水为导体）。LWDLWD仪器上的电阻率传感器是由等效的电缆测量仪器改装的。2 2个电极安在LWDLWD仪器外侧的2 2个绝缘橡胶套上。上面的电极发出电流，流过地层并由下面的电极检测出来。实际结果是受井眼直径、钻井液浸蚀和地层厚度的影响的。这些影响必须采用某些修正系数来补偿。这种类型的传感器对使用油基钻井液的井眼是无效的。已经研制成功的电感式传感器可以装在LWDLWD仪器里。如同伽马射线传感器的情况一样，电阻率装备也需尽量安在靠近钻头的位置以便对地层变化很快作出反应。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第13页/共102页 3 3）补偿双侧向电阻率（CDRCDR）由2 2个发射器、2 2个接收器、电池、伽马射线和电子线路构成。CDRCDR自带放射性磁柱，发出球面波，通过分析球面波衰减差值可得电阻率。其主要特点:高频感应（2MHz2MHz）能在各种钻井液中工作；探测2 2种深度（中深通过相位测量，深井通过衰减测量）；补偿井眼的影响；垂直分辨率大于0.4572m0.4572m，其中相位测量能识别0.1524 0.1524 m m以上的地层，衰减测量能识别0.3048m0.3048m以上的地层；伽马射线能谱分析；可在井下储存测井数据；可以通过MWDMWD进行数据实时传送。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第14页/共102页 4 4）补偿中子密度（CDNCDN）由2 2个中子源、1 1个中子探测器、1 1个密度探测器、1 1 个扶正器和电子线路构成，该工具有如下特点：使用安全性，放射源放在钻铤中间，有独特的安装方法，对周围的人员没有伤害；使用2 2个探测器的目的是补偿井眼的影响；补偿热中子密度；补偿岩石的密度；带全尺寸或欠尺寸的扶正器；可在井下存储测量数据；可用MWDMWD工具实时传递数据；可在165.1mm165.1mm和203.2mm203.2mm钻铤中使用。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第15页/共102页 5 5）方位中子密度（ANDAND）ANDAND由中子源、中子探测器、密度源、密度探测器和超声探测器等构成，该工具具有如下特点：是首创的方位核子测井工具；方位核子测量能认识非均匀性地层，并且在不规则井眼中也能得到很好的应用；与电缆测量的密度和孔隙度的精度相同；可用超声波进行偏离间隙测量；5Mb5Mb的大储存容量能储存更长的地层信息段，根据这些信息可实现井眼周围密度的安全方位图像显示。6 6）声波随测工具（ISONICISONIC），可在钻进过程中进行声波测量。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第16页/共102页 4 4随钻录井工具随钻录井工具 随钻录井工具是由测量钻井工艺参数的若干种传感器做成独立的参数短节，装在MWDMWD或LWDLWD上实现随钻测量。这些钻井工艺参数主要有钻头处的钻压、扭矩，钻柱转速、环空温度、环空压力等。以下对这些传感器作简要介绍。1 1）温度传感器 温度传感器通常装在钻铤的外壁，用来监测环空中的钻井液温度。传感元件是随温度变化的金属片（如热电偶），温度测量范围为101076.776.7。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第17页/共102页 2 2）井底钻压）井底钻压/扭矩传感器扭矩传感器 这些是由装在靠近钻头的特制接头上的灵敏应变仪系统来这些是由装在靠近钻头的特制接头上的灵敏应变仪系统来测量的。应变仪能测钻压的轴向力和扭矩的扭力。将成对的应测量的。应变仪能测钻压的轴向力和扭矩的扭力。将成对的应变片贴在接头的对边，会消除弯曲应力产生的影响。接头的设变片贴在接头的对边，会消除弯曲应力产生的影响。接头的设计必须可以补偿温度和压力的影响。计必须可以补偿温度和压力的影响。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第18页/共102页 3 3）涡轮钻速传感器）涡轮钻速传感器 用井下涡轮钻井时，在地面上并不知道钻头转动的实际速度。用井下涡轮钻井时，在地面上并不知道钻头转动的实际速度。监视转速的唯一有效方法是用连接到监视转速的唯一有效方法是用连接到MWDMWD仪器上的涡轮转速计来提仪器上的涡轮转速计来提供实时数据。井下传感器是由一个非常靠近旋转的涡轮轴顶部的直供实时数据。井下传感器是由一个非常靠近旋转的涡轮轴顶部的直径为径为50.8mm50.8mm探测器组成。在轴的顶部装探测器组成。在轴的顶部装2 2个成个成180180的磁铁。当轴转的磁铁。当轴转动时，探测器内的线圈采集由磁铁引起的电压脉冲。计算某一时间动时，探测器内的线圈采集由磁铁引起的电压脉冲。计算某一时间内的脉冲数就可以计算出涡轮每分钟转数。将这些信息编码为一系内的脉冲数就可以计算出涡轮每分钟转数。将这些信息编码为一系列钻井液脉冲，每隔一段时间就传送到地面，使司钻知道转数是在列钻井液脉冲，每隔一段时间就传送到地面，使司钻知道转数是在如何变化。如何变化。5.3 随钻测井技术随钻测井原理与应用石油工业训练国家示范教学中心第19页/共102页 1 1概述概述 成像测井技术是现代测井技术的发展方向，也是其研究热点。在众多成像测井仪器中，视频成像测井仪即井下电视（Downhole Downhole VideoVideo）以其图像直观、清晰、实时性好而在成像测井仪器中独树一帜。在套管检测、井下落物辅助打捞、套管除垢、检查井下作业效果等方面取得了十分成功的应用。5.4 井下成像测井技术视频成像测井石油工业训练国家示范教学中心第20页/共102页 最早利用摄像机来获取井下图像技术的专利出现在2020世纪5050年代。到了7070年代，井下电视在浅水井中已经开始商业化应用。到了8080年代，井下电视得到了发展并应用到石油天然气工业一些较浅的、压力较低的井段。这时的井下电视采用单芯或多芯电缆传送动画图像，还不能提供井下连续视频图像，只能得到每隔几秒钟更新一次的静态图像。此外，仪器的外径也较大。9090年代，一种采用光纤技术的光电测井电缆（Electro-Electro-opto opto Logging Logging CableCable）应用到井下电视中，极大地提高了井下电视的性能，不但提高了数据传输速率，而且电缆直径较小，能够应用到石油天然气生产井测井中，但由于光电测井电缆物理性质方面的原因，对井眼环境条件的适应性较差。5.4 井下成像测井技术视频成像测井石油工业训练国家示范教学中心第21页/共102页 目前商业化应用的井下电视成像测井仪有单芯电缆、多芯电缆、光纤测井电缆等不同的配置，最高工作温度120120175175，最大测井深度5000 5000 7000m7000m，最大耐压70 70 80MPa80MPa。配置光电测井电缆的井下电视系统能够传送实时视频图像。配置多芯电缆的井下电视的图像传输速率最高为每幅图像1.1s1.1s。普通测井电缆成本低、对井眼环境适应性强、使用广泛，但目前基于普通测井电缆的视频成像测井系统还不能传送实时视频图像，因此，研究普通测井电缆为传输载体的实时井下视频电视系统有着深远的意义。5.4 井下成像测井技术视频成像测井石油工业训练国家示范教学中心第22页/共102页 2 2井下电视成像测井系统组成井下电视成像测井系统组成 井下视频成像测井系统的组成如图5.4-15.4-1所示，井下微 型 摄 像 头 获 取 井 眼 视 频 图 像，经 过 采 样 编 码 转 换 为CCIR601CCIR601标准的数字图像，采用基于小波变换的图像压缩技术进行压缩，由发送模块进行编码和调制后经由测井电缆传送至地面。井下DSPDSP控制图像的采样、压缩、编码和传输。图像传输到地面后，首先由接收模块进行解调和解码，由地面DSPDSP控制图像的解压缩和D D/A/A转换，转换后的PALPAL制式模拟视频信号送给监视器和图像记录设备。5.4 井下成像测井技术视频成像测井石油工业训练国家示范教学中心第23页/共102页5.4 井下成像测井技术视频成像测井石油工业训练国家示范教学中心第24页/共102页 超声电视测井（SeisviewerSeisviewer，BHTVBHTV）又称井下声波电视，是一种利用声波反射原理获得井壁直观图象的测井方法可用于裸眼井和套管井。超声电视测井的换能器以固定的速率（3 36r/s6r/s）绕仪器轴（井轴）旋转，与它同步旋转的地磁仪每周产生一个磁北信号，以控制成像的方位。旋转的换能器每秒发射3000300040004000次宽度为20s20s、频率为2MHz2MHz的声脉冲，经泥浆垂直入射到井壁后又反射回来被该换能器接收。接收到的反射波幅度被电子线路转换成电信号，送到地面记录仪放大后控制电视显像管光点的辉度，反射波幅度愈小辉度愈暗反之愈亮。由于井下仪器移动速度很低（1.5 1.5 m mminmin左右），每移动1m1m换能器要旋转120 120 240240周左右。换能器每旋转l l周在井壁上有500 500 1400 1400个采样点。5.4 井下成像测井技术超声电视测井石油工业训练国家示范教学中心第25页/共102页 在显像管上控制相应数目光点的辉度,它们扫出一条水平线。若深度比例l:50l:50，则每2cm2cm胶片上水平扫描120240120240次，图像将有足够的清晰度。而对地层的垂直分辨率相当于小于lcmlcm，是仔细观察井壁情况的一种好办法。影响成像的基本因素是井壁介质的声强反射系数，对于裸眼常见的泥岩、砂岩、石灰岩和白云岩，其声强反射系数是按此顺序渐大的其电视成像将随之由暗变亮。如果井眼穿过裂缝，裂缝中有流体,则其反射系数更低，成像更暗。5.4 井下成像测井技术超声电视测井石油工业训练国家示范教学中心第26页/共102页 影响成像的另一个因素是泥浆性质及换能器与井壁间的距离。声波传播过程中泥浆的内摩擦和热传导等因索造成对超声的的吸收作用，泥浆中固相颗粒对超声的散射作用，它们都造成声波衰减，换能器与井壁间的距离愈大衰减愈大。而且，相邻两次发射声脉冲的时间间隔约3l3s3l3s，若井眼直径太小，使换能器与井壁距离大于约23.5cm23.5cm将接收不到反射波。因此,应当严格控制泥浆性能,使泥浆性质均匀，最好使悬浮颗粒的直径在2m2m以下,泥浆比重不要过大。5.4 井下成像测井技术超声电视测井石油工业训练国家示范教学中心第27页/共102页2 2超声电视测井内容超声电视测井内容1 1）判断地层岩性；2 2）确定地层面或裂缝面；3 3）确定地层面或裂缝面的产状；4 4）检查射孔质量；5 5）检查套管破损情况。5.4 井下成像测井技术超声电视测井石油工业训练国家示范教学中心第28页/共102页 当前技术比较先进的地面仪器主要有：斯仑贝谢公司的当前技术比较先进的地面仪器主要有：斯仑贝谢公司的MAXIS-500MAXIS-500、阿特拉斯的、阿特拉斯的ECLIPS-5700ECLIPS-5700及哈里伯顿的及哈里伯顿的EXCELL-EXCELL-2000 2000 型成像测井系统。型成像测井系统。国内所用测井地面记录系统种类繁多，技术水平参差不齐。国内所用测井地面记录系统种类繁多，技术水平参差不齐。先进的大型综合地面记录系统以引进为主。同时中国石化、中先进的大型综合地面记录系统以引进为主。同时中国石化、中国石油、电子工业部、船舶总公司等系统都在积极研制开发中国石油、电子工业部、船舶总公司等系统都在积极研制开发中小型数控测井地面记录系统。小型数控测井地面记录系统。5.5 地面记录系统石油工业训练国家示范教学中心第29页/共102页 1 1EXCELL-2000EXCELL-2000数控成像地面仪数控成像地面仪 EXCELL EXCELL-2000 2000 地面系统是一个采集和处理的综合性测井平台，相互完全独立的双系统允许同时完成多任务采集和处理，提供精确的高品质测井数据；兼备强大的测井数据后处理工作站的能力，并为新研制的下井仪和软件的高效运行提供了标准化平台；更重要的是，它的智能化设计，极大地提高了测井工作效率；配有陆地车载和海洋拖撬两种运载方式，能够完成陆地、海洋测井和射孔等技术服务；可与多种下井仪配套，如：高分辨率感应/数字聚焦测井仪（HRI/DFLHRI/DFL）和环周声波成像仪（CASTCAST）等。5.5 地面记录系统石油工业训练国家示范教学中心第30页/共102页 2 2ECLIPS-5700ECLIPS-5700数控成像地面仪数控成像地面仪 ECLIPS-5700ECLIPS-5700成像测井系统是阿特拉斯公司研制的新一代成像测井系统，满足了现代测井仪器阵列化、谱分析化、成像化的大规模数据处理的要求。软件建立于分布式处理及多任务UNIXUNIX系统，提供真正的多任务/多用户系统，允许井下仪刻度、数据处理、记录、储存、显示、传送等同时执行，并且可现场进行快速直观解释。该系统采用X.25 X.25 数据传输格式，野外施工小队可在ECLIPSECLIPS设备上直接将数据传回基地解释中心。ECLIPS-5700ECLIPS-5700成像测井系统除了兼有所有3700 3700 常规测井项目 外，还 配 备 了 多 种 特 殊 的 下 井 仪，如：核 磁 共 振 测 井 仪（MRILMRIL），环周声波成像测井仪（CBILCBIL）和多极子声波测井仪（MACMAC）等。5.5 地面记录系统石油工业训练国家示范教学中心第31页/共102页 3 3SL-3000SL-3000型数控地面仪型数控地面仪 SL-3000SL-3000数控测井系统是中国石化胜利测井公司推出的一种分布式测井系统。它可同时适用于裸眼井和套管井，完成测井、射孔和取心等作业。SL-3000SL-3000数控测井系统为裸眼井测井项目配备的井下仪器有：双感应-八侧向测井、高分辨率感应测井和超声成像测井等；为套管井测井项目配备的井下仪器有：固井声幅及变密度测井和井下声波电视测井等。5.5 地面记录系统石油工业训练国家示范教学中心第32页/共102页 4 4SL-6000SL-6000型高分辨率多任务测井系统型高分辨率多任务测井系统 SL-6000SL-6000地面数据采集系统是中国石化胜利测井公司推出的新一代的高分辨率多任务测井系统。系统采用完全双机配置，主机为两台双CPUCPU工控微机工作站，数据采集系统采用DSPDSP技术设计，模块采用网络化结构相互联接，实现了双机配备。测井操作系统可以同时进行多项测井操作：在进行一串测量的同时，还可以对另一串仪器的多支仪器同时进行刻度/校验、测井数据编辑预处理、资料现场解释、制作测井图头、回放测井图等等，有效地提高了测井时效。先进的数据采集平台技术，同时多采样率数据采集方法，满足了全新的成像测井数据采集及常规测井的要求，高速多CPUCPU系统保证了满足各种测井场合的需求。此系统的主要测井项目有：核磁共振测井和微电阻率扫描成像测井等。5.5 地面记录系统石油工业训练国家示范教学中心第33页/共102页 地球物理测井技术是一种综合应用技术。它涉及地球物理学、电子学、光学等学科，还涉及信号检测、信号传输、遥控遥测、远程数据通信等。井下仪器工作环境恶劣，每次测量都要经受从地面温度到井下175175的温度变化。且仪器在连续运动中实施控制。实时测得的数据用电缆遥传系统通过近10000m10000m长的电缆传至地面系统进行实时处理、显示和记录，从而了解地层的结构，为石油和其它矿藏的勘探和开发提供可靠的地质资料。测井仪器不断更新换代，测井的数据量越来越大，这对电缆遥传系统提出了更高的要求。5.6 测井信息通讯概述石油工业训练国家示范教学中心第34页/共102页 1 1系统的总体设计系统的总体设计 电缆遥传系统由地面遥传单元、自行研制插放在计算机扩展槽内的通信卡、井下遥测短节和测井电缆传输线组成。测井电缆传输线将地面单元和井下遥测短节连接起来。单芯电缆采用电源和信号复用，完成两个作用,一是给井下仪的电路提供直流电；二是完成通讯的任务，遥测短节和地面系统之间的单芯电缆将仪器采集的数据向地面传送。井下遥测短节接收地面单元传送下来的指令和往井上传送测井过程中井下仪器采集的数据。地面遥传单元接收计算机指令并向井下遥测短节转发指令，它还接收井下遥测短节传送上来的测井数据并输送给计算机。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统设计石油工业训练国家示范教学中心第35页/共102页 2 2遥测短节（遥测短节（WTCWTC）的设计）的设计 遥传系统的井下部分称为遥测短节简称WTCWTC（Wireline Wireline Telemetry Telemetry CartridgeCartridge），其体积很小，电路设计不能太复杂，井下恶劣的环境对元器件也提出了很特殊的要求。所以，在追求传输速率的同时，我们也必须考虑技术上的实现难度，既要高性能，又要简单可靠，技术上容易实现。遥测短节由两片微控制器（MCUMCU）组成双CPUCPU系统作为控制和通信核心。其硬件结构如图5.6-15.6-1所示。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统设计石油工业训练国家示范教学中心第36页/共102页 微控制器（2 2）与井下测量仪器组成主从结构，通过井下仪器总线给测量仪器发送命令，并接受井下仪器传送来的数据。并与微控制器（1 1）通过SPISPI口进行双向通信。微控制器（1 1）通过两个USARTUSART串口与地面系统进行通信。其中的一个串口使用同步方式，将井下仪器测量的数据和仪器状态发送到地面系统，另一个串口使用异步方式，接受地面系统传送下来的命令，并由微控制器对命令进行解释，然后执行命令。电缆接口包括接收部分和发送部分，发送电路就是将微控制器（1 1）出来的数据码转换成适合在单芯电缆上传输的码，并进行放大，使信号到达地面时有足够的幅度和信噪比接收电路用来对电缆传来的信号经过整形、滤波和放大，然后送至微控制器。电缆遥传系统中的传输码型采用AIMAIM码，并采用基带传输。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统设计石油工业训练国家示范教学中心第37页/共102页 数码“0”0”用零电平表示，数码“1”1”交替地用正电压和负电压表示，AIMAIM码的优点是无直流分量而且具有检错能力（因为AIMAIM码中正负脉冲一定是相间出现，当接收不符合这一规律时，就说明传输发生了错误码）；缺点是当传送连续多个“0”0”码时会长时间不出现电平的跳变，致使接收端不能直接从传送信号中提取同步信号，为了解决这一问题，可以在控制器中预先对数据进行处理，采用4B/5B4B/5B编码。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统设计石油工业训练国家示范教学中心第38页/共102页 3 3通信协议通信协议 在数据通信中，为了使数据无误地传输，通常把一批数据分成若干组帧，并对每一组数据加以必要的附加信息以标示数据的含义。如数据的来源，传送的目的地，组的长度，校验代码等，数据接收方和发送方共同遵照这种预定的数据格式，进行数据的收发。数据进行这种信息附加后就形成了一个个数据包。这种通信双方的共同的约定，就称为通信协议。这种约定还包括对同步方式、传送速度、传送步骤及检纠错方式定义等问题做出统一规定，它属于的ISOISO的OSIOSI七层参考模型中的数据链路层。它把物理层提供的可能出错的物理链路改造为逻辑上无差错的数据链路，主要完成链路管理、组帧、流量控制和差错控制的功能。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统设计石油工业训练国家示范教学中心第39页/共102页 遥传系统是一个串行、半双工、点对点的通信系统，信道是非对称的，即上传的数据量大，下行的命令数据少。数据传输过程为分时分布。帧格式分为上行数据格式和下行命令格式。下行的速率固定为9.07kb/s9.07kb/s，上行的默认数据速率为34kb/s34kb/s，也可由地面发送命令改变上传速率。数据链路层细分为链路控制子层和信道子层，信道子层的主要功能是完成信道的编码和译码，支持链路子层的运行。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统设计石油工业训练国家示范教学中心第40页/共102页 链路控制子层有以下几个功能：一是组成链路控制层协议数据单元，即控制帧、信息帧和应答帧，用以完成链路层的数据传输；二是对数传过程中的建链、拆链、选择重发过程进行控制，保证数据的完整和正确、差错控制机制选择和自动请求重传（ARQARQ），并采用ARQARQ连续协议，用滑动窗口机制来实现。上行帧是由井下遥测短节向地面系统发送的数据单元。采用同步式的发送接收方式。协议的编制采用集成开发环境，C C语言编写。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统设计石油工业训练国家示范教学中心第41页/共102页 4 4遥传系统操作程序遥传系统操作程序 打开电源，遥传系统开始工作，系统自检，向地面发送井下仪器的状态信息，并准备接收地面系统发送的命令。首先进入配置模式后，由地面系统发出命令提供服务表，建立井下仪器组合，然后进入测井模式，将各个仪器的数据传送到地面。在测井模式下，也可由地面发送命令返回到配置模式。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统设计石油工业训练国家示范教学中心第42页/共102页 1 1BAKER ATLASBAKER ATLAS电缆通信系统电缆通信系统 阿特拉斯公司（ATLASATLAS）公司的电缆通信系统发展可分三个阶 段：AMI AMI PCMPCM（3502/033502/03，35063506），Manchester Manchester PCMPCM（3504/35083504/3508，22222222），WTSWTS（AMI AMI Manchester Manchester 35103510，35143514）。第一代的AMIAMI PCM PCM 代表为35023502，它使用AMIAMI（Alternate Alternate Mask Mask InversionInversion）方式编码，它只能用来与双侧向仪器组合测井，传输速率为4 kb/s 4 kb/s，包含1010个数据道（4 4个脉冲道，6 6个模拟道）。下一代就是35043504，35083508，22222222，使用ManchesterManchester编码方式进行通讯，传输速率有了进一步的提高，达到20 kb/s 20 kb/s。20 20 世纪90 90 年代初开发了新一代通讯系统WTSWTS（Wireline Wireline Telemetry Telemetry SystemSystem）。WTSWTS使用的编码方式为AMI AMI ManchesterManchester，数据传输总和达到了230 kb/s230 kb/s。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统 石油工业训练国家示范教学中心第43页/共102页 1 1）AMIAMI通讯系统（PCM 3506PCM 3506）PCM PCM 35063506是CLS3700CLS3700系统主要运用的电缆通信短节。它采用的是AMIAMI脉冲编码调制技术，PCM PCM 数据的发送和接收是由地面计算机来控制的，计算机按一定的深度间隔，控制37003700系统内37523752面板的声波逻辑电路，产生声波逻辑脉冲。该逻辑脉冲沿电缆缆芯2#2#、5#5#送至井下仪器PCM3506PCM3506内的逻辑解码电路。逻辑解码电路一方面把声波逻辑脉冲送至井下声波测井仪器；另一方面产生启动脉冲，令PCMPCM短节向地面发送数据。声波信号经缆芯7#7#传送，编码数据由缆芯2#2#，5#5#传送。35063506数据通讯格式：使用低电平代表“0”0”数据位，高电平代表“1”1”数据位，脉冲的极性交替改变，使得电缆上传输的极性为零。一帧PCM PCM 数据有1616个数据道，1 1个模拟地道。基本时钟频率为8kHz8kHz，数据位宽125s125s。每道实际携带的测井信息为1212位，其余4 4位为特征码。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统 石油工业训练国家示范教学中心第44页/共102页 2 2）ManchesterManchester通讯系统（PCM3508PCM3508）ManchesterManchester通讯系统工作在命令响应模式。当它接收到地面采集系统命令后开始采集传输数据，与AMI AMI 35063506不同的是其数据编码方式。在ManchesterManchester数据编码中，将每个周期中心上升沿表示为“1”1”，每个周期中心下降沿表示为“0”0”，这样，它便具有消除长串“1”1”或“0”0”时直流成分的优点。在远距离的接收器内，可利用再生发生器时钟的变化，使发射数据同步成为可能。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统 石油工业训练国家示范教学中心第45页/共102页 一帧ManchesterManchester码包含2020位，前3 3位是同步码，有数据同步和命令同步。定义：周期中心上升沿表示数据，周期中心下降沿表示命令；中间1616位是数据；最后一位奇偶校验位。若数据中“1”1”的个数是偶数，则用周期中心下降沿表示，若数据中“1”1”的个数是奇数，则用周期中心上升沿表示。地面系统接收解码数据后，它会给出两个检查结果来确保所传输的数据已被正确解码。第一是要检查确保传输的数据位总和是奇数，若不是，就给出一个标志NVMNVM；第二是检查每个数据位，确保电平变化发生在位的中间，若有两个或更多的跃迁错误，则也会给出一个NVM NVM 标志。5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统 石油工业训练国家示范教学中心第46页/共102页 3 3）WTSWTS（AMI ManchesterAMI Manchester）WTS WTS 电缆遥传系统结合了AMI AMI 和ManchesterManchester两种方式，被称作AMI AMI ManchesterManchester。它仍然用电平的由高到低的变化代表“1”1”，用电平由低到高的变化代表“0”0”，但它由正负交替的脉冲组成数据，使用了3 3种传输模式M2M2、M5M5、M7M7（TM7TM7）。M2M2为双向传输模式，既可向井下传输命令，又可向地面传输数据；M5M5、M7M7则只用来向地面传输数据。传输模式M2M2、M5M5、M7M7的接法示意图如图5.6-2 5.6-2 所示。图5.6-2 M2 M5 M7 接法示意图 5.6 测井信息通讯测井电缆遥传系统 第47页/共102页 WTS M2 WTS M2 模式模式M2M2使用缆芯使用缆芯2 2、3 3相对于缆芯相对于缆芯5 5、6 6来传输命令和来传输命令和数据。传输命令时速率为数据。传输命令时速率为20 kb/s20 kb/s，传输数据时为，传输数据时为41 kb/s41 kb/s。典型的。典型的数据字同数据字同ManchesterManchester数据字具有一样的格式：占宽数据字具有一样的格式：占宽2020位，包括位，包括3 3位同位同步，步，1616位数据和位数据和1 1位校验位。位校验位。