石油持水率雷達測井儀的製作方法

2023-11-04 01:29:07

專利名稱：石油持水率雷達測井儀的製作方法
技術領域：
本實用新型內容屬於電磁變量測量裝置技術領域，涉及一種石油持水率測井儀，其產品可用於油田測、試井領域中從事生產動態測井、產層評價測井及在工程技術測井中評價生產效率，了解和監測生產井的產出剖面以及注入井的注入剖面、評價井投產後的儲集層，了解產層含油性、滲透性和油水界面的變化情況(或殘餘油飽和度)、滲透率等地層參數以及評價在固井、射孔、地層處理等鑽、採工程作業的效果，檢查井眼機械狀況等方面。
背景技術：
目前公知的用於油田含水率測量的儀器有電容法持水率測井儀、阻抗法持水率測井儀、微壓差法持水率測井儀和短波諧振法測井儀等，它們都因持水率傳感器的不同而各具特點。用電容法或阻抗法持水率探頭的測井儀，因其原理決定不能測量高含水原油持水率(含水60％以上信號失真嚴重，80％以後無法測試)，其原理是藉助於油、水介電常數的區別來確定持水率大小，在含水率大於60％的高含水條件下，由於水為連續相，其電導的影響增大，將致令傳導電流遠大於位移電流從而使電容法對含水率喪失解析度，故無法在高含水條件下作為測井儀含水率傳感器使用。而阻抗法在含水率低於40％時，因為水是分散相，含水率的變化對油水混合物的阻抗改變不大，所以阻抗法在含水率小於40％時也喪失對含水率的解析度，僅在含水率大於80％時有解析度；況且阻抗的大小容易受電極表面清潔程度的影響，例如電極上吸附一層油膜，則兩電極間的阻抗變大，使輸出信號跳動，因此阻抗法僅適用於高含水率、大流量下的原油含水率的測量，這樣的測井儀不能滿足當前高含水油井的測試要求。微壓差法持水率探頭測井儀是按照液壓傳遞原理在儀器內外壓力處靜態平衡時採用一種間接測試方法的裝置，由於它面對地層壓力複雜變化的環境，壓差微弱且很難平衡，更不能應用滿足動態測井，尤其對流動方向不定的井根本無法測試，現場作業困難，無法滿足實際開發生產的需要，因而該產品很少應用。由石油大學(東營)研製的短波諧振法探頭測井儀，在原電容法測試儀器的基礎上，提高了震蕩頻率，也相對提高了測量範圍和精度，但它仍擺脫不了電容法對被測介質的要求以及高含水對電導的影響，使傳導電流遠大於位移電流而對解析度影響嚴重，必須要依靠儀器補償，即便如此也只有在同介質環境條件下標定後才能保證儀器的指標，這對變幻莫測和很難預料的井下環境，也是很難進行儀器刻度的，這樣的儀器在現場使用由於無法保證結果的正確性，且溫度和壓力以及套管、工具等對高頻電磁波影響很大，實際很難實用。
上述的幾種方法目前只有電容法、阻抗法持水率測井儀在油田中被有選擇的使用，其它兩種儀器還處在改進完善階段。面對當前持水率測井的困難局面，由石油大學(北京)的吳錫令教授發明的「油井持水率波導測量方法」(發明專利號ZL93 1 07982.9)引起大家的關注。該方法從油井內的套管和流體恰好構成有耗媒質填充的大口徑圓波導的客觀實際出發，獨創了利用橫電波在套管井中的傳輸特性測量整個流動截面上含水比例的新思路和新技術，但利用該方法在試圖進行波導含水探頭轉化時發現存在1)在測井過程中套管、流體和儀器構成的是同軸波導還是圓波導實際應用時很難界清，如果是同軸波導，則儀器必須居中，才有對稱的電磁波模式存在，不居中則對稱的電磁波模式被破壞；如果是圓波導，則套管必須是導體，且流體中的儀器影響嚴重，在實際測井中要保持儀器居中或套管都是導體很困難(套管也有非導體)，特別是斜井和水平井，儀器更達不到預期的理論定位--大口徑圓波導；2)同軸電纜是非平衡線，環形天線是平衡線，二者在發射和接收連接時需要作平衡與非平衡的轉換和隔離，否則產生嚴重的幹擾；3)波導含水探頭沒有作平衡與非平衡轉換設計，而且動態導波限制使得平衡與非平衡轉換不可能，幹擾信號將微弱的信號完全淹沒，使測試結果沒有意義；4)波導含水探頭和套管構成圓波導，忽略了金屬儀器本身對電磁場的影響，當儀器置於套管中時圓波導的工作模式被改變，套管與儀器構成了同軸波導，此時用圓波導理論無法解釋；而在同軸波導中有TEM波存在的同時也有可能存在TE波及TM波，其模式與圓波導的不同，在有兩種或三種模式的電磁波同時存在時，不利用極化分離器和多模橢圓濾波器便無法檢測出與持水率有關的電磁波信號。
實用新型內容本實用新型的目的在於對現有技術存在的問題加以解決，進而提供一種結構性能實用合理、操作方便、測量精度高、應用範圍廣的石油持水率雷達測井儀。
用於實現上述發明目的的技術解決方案是這樣的所提供的石油持水率雷達測井儀(簡稱WPRT)也稱為原油持水率雷達測井儀或原油含水率雷達測井儀，它含有持水率雷達傳感探頭、高頻信號收發處理器、數位訊號處理器、微處理器以及有線單芯搖傳模塊電路，其中雷達傳感探頭的輸入/輸出端經高頻信號收發處理器與數位訊號處理器的輸出/輸入端聯結，數位訊號處理器的輸入/輸出端接至微處理器的輸出/輸入端，微處理器的輸入/輸出端與有線單芯搖傳模塊電路的輸出/輸入端相聯，有線單芯搖傳模塊電路的輸入端外接至CBS輸出電纜模式信號端。
本實用新型所述石油持水率雷達測井儀是通過雷達探測技術原理完成地下原油中持水率測量的。雷達探測技術是應用脈衝電磁波來探測隱蔽介質的分布和目標物。電磁波在介質中傳播時，其路徑—波形將隨所通過的介質的電磁性質及參數而變化，根據接收到波的旅行時間(及雙程走時)、幅度、頻率與波形變化資料，可以確定介質內部結構及其使目標的濃度、性質等。而石油持水率雷達測井儀則利用特定335MHz頻率的電磁波在不同介質流體中傳播時，其S11相移速度和電磁波頻率將隨所通過介質的性質及含水量大小而變化，最後得出高精度的持水率。其測定的基本原理是利用WRPT測定電磁波的傳播速度和相移時間，因而可以求得介電常數，然後利用DSP技術和無線搖傳(WTC)技術，根據介電常數與含水量關係的理論模型(WeiFeng.Simulation of time domain reflectometry based on soildielectric properties[D].UASPurdue University，1999)和相移時間與含水量的理論模型(吳信民.利用探地雷達測定土體含水量[D].杭州浙江大學，2001.)計算出持水率並通過單芯電纜傳入地面儀顯示和輸出，有特殊要求的也可按要求模式輸出。這樣在實際使用時即可以方便快速地確定持水的深度和水流的方向，有效地確定油層含水量的大小。
與現有技術相比，本實用新型所具有的優點是1、將微波雷達技術應用於油田測試井領域中，解決了原油持水率測量範圍有限，測量精度差、易受井下環境制約和被測介質幹擾的技術瓶頸；2、實現了原油持水率和高頻電磁波的相位和頻率同步檢測控制，並轉化為標準電信號輸出的技術難題；3、充分利用了柔性製造技術(FMS)，將理論分析和設計、製造、仿真等技術結合生產出了無源持水率雷達敏感頭，並確定出了檢測模式、激勵頻率和極化分離器腔體；該探頭自成系統，獨立完成和被測介質持水率相關的頻率和相位的檢測，不受環境壓力、溫度，套管、工具等的影響；4、檢測頭只有環型天線和介質接觸，其它均用耐高溫、高壓的隔絕密封護管處理，解決了油田高溫、高壓環境下無法測試的現狀，最高工作溫度達175℃，壓力80Mpa；5、在信號處理上採用DSP和MPU雙晶片分工合作的模式，使地面測控系統和井下DSP數據處理系統對等互動，高效通訊，克服了傳統儀器採集遲滯，實效性差，數據傳輸緩慢等問題，特別是儀器可以在線軟體升級；6、儀器在對外接口上，提供了三種模式直接連接輸出電纜模式(CBS)、儀器總線模式(TPS)和單芯搖傳短節輸出模式(WTC)；兼容了國內外多參數儀器連接測井的需要；7、由於無源持水率雷達敏感頭體積小，重量輕，這樣持水率測井儀也能滿足多種井的測試需求，最小外25、最大可按實際定製。
總之，由於本實用新型巧秒地利用雷達探測技術解決了目前持水率測井儀技術問題，因而產品的使用不受被測介質和環境的影響，可將原油含水率的測量範圍擴大到0～100％，測量精度達0.5％，有效解決了油田高含水率生產的測量問題。


圖1為本實用新型的設計原理結構框圖。
圖2為本實用新型的雷達檢測探頭部分的結構框圖。
圖3為雷達檢測探頭中極化分離器部分的結構示意圖。
圖4為極化分離器中圓波導場方向工作示意圖。
圖5～圖8為本實用新型一個實施例的電路結構示意圖，其中圖5為高頻信號收發處理器的電聯線圖，圖6為數位訊號處理器(DSP信號處理器)的電聯線圖，圖7為數位訊號處理器和微處理器內部通訊電路的電聯線圖，圖8為微處理器(MPU)及有線單芯搖傳模塊電路(WTC)的電聯線圖。
具體實施方式
參見附圖，本實用新型所述的石油持水率雷達測井儀由持水率雷達傳感探頭1、高頻信號收發處理器2、數位訊號處理器(DSP處理器)3、微處理器(MPU處理器)4、有線單芯搖傳模塊電路5以及多路選擇開關模塊電路6、穩壓電源模塊電路7、網絡接口模塊電路8、ROM存儲器9、電源分離器模塊電路10和存儲器11、12等部分組成，其中雷達傳感探頭1的輸入/輸出端經高頻信號收發處理器2與數位訊號處理器3的輸出/輸入端聯結，數位訊號處理器3的輸入/輸出端接至微處理器4的輸出/輸入端，微處理器4輸入/輸出端與有線單芯搖傳模塊電路5的輸出/輸入端相聯，有線單芯搖傳模塊電路5的輸入端外接至CBS輸出電纜模式信號端。
本實用新型中持水率雷達傳感探頭1部分處於儀器的關鍵部位，也是雷達技術應用的核心部位。它用於接收與持水率參量變化有關的反射波頻率和相速，也可通過多路選擇開關6直接連接矢量網絡分析儀，完成持水率的測試。傳感探頭的原理結構如圖2所示，實物由環形天線1a、極化分離器1b、單腔多模橢圓濾波器、信號發射/接收濾波器1d以及同軸信號發射/接收處理器埠1e組成。天線部分直接和介質接觸，儀器通過天線1a發射335MHz電磁波的同時也接收來自地下介質界面的反射波。極化分離器1b採用圓波導型極化分離器，原理結構可參見圖3，它一端接天線1a，另一端短路，與饋線相接的兩個同軸接口1b.1、1b.2相互垂直，在兩接口之間固定有一塊金屬極化去耦板1b.3，並在接口1b.1、1b.2相對應的波導壁上加有匹配調諧螺釘1b.4、1b.5；單腔多模橢圓濾波器包括兩個濾波器1c、1c』，其中一個濾波器1c的輸出端和輸入端分別接極化分離器1b的一個同軸接口饋線和信號發射/接收濾波器1d的輸出端，另一個濾波器1c』的輸入端和輸出端分別接極化分離器1b的另一個同軸接口饋線和信號發射/接收濾波器1d的輸入端，濾波器1d的輸入/輸出端與同軸信號發射/接收處理器埠1e的發射/接收端聯結。我們知道，在同軸線中傳播的電波是橫電磁波，其電場方向與同軸線內導體垂直；而在圓波導中的電場方向必須與圓波導內壁垂直。當微波信號由同軸線接口激發圓波導時，根據理想金屬表面電場分布邊界條件，只有垂直分量存在，因此在圓波導內的電場必定與同軸線內導體平行。這樣在圓波導上開設的同軸線接口1b.1、1b.2相互垂直，它們產生的電場在圓波導內也必然垂直(圖4)。同理，以圓波導中的電場耦合到同軸線接口時，也只有與同軸線內導體平行的電場才能輸入至同軸線。因此在水平埠1b.1接發信信號，在垂直埠1b.2接收信信號，則發信輸出微波信號在圓波導中激發產生水平電場E＝，其方向與垂直埠1b.2的同軸線內導體垂直，故發信信號不會進入到接收通道而只能向天線側傳輸。而從天線接收到的垂直極化信號進入極化分離器後，在圓波導中只能激勵出垂直電場E⊥，其方向與水平埠1b.1的同軸線內導體垂直，因此收信信號不會進入發信埠，而只能送入垂直的收信埠，發信和收信埠又分別接單腔多模橢圓濾波器。極化分離器中的去耦板1b.3為水平放置，是為了進一步減小兩不同極化信號之間的相互串擾。根據金屬的邊界條件，由於水平極化波的電場方向與去耦板1b.3相平行，因此不能通過去耦板1b.3，而垂直極化波則可以通過去耦板1b.3。因此發信埠輸出的水平極化信號將被去耦板1b.3隔離而不會傳到接收埠，從而進一步提高了收發信號之間的隔離度。需要特別說明的是，發信口接在去耦板與天線之間的埠，即圖3中的1b.1口，而不接在1b.2口，這是因為發信信號要比收信信號強得多，因此發在1b.1口可以利用去耦板1b.3進行阻擋，而起到減小發信信號對收信的幹擾；若放置在1b.2則去耦板1b.3將起不到阻擋的作用。另外，為了消除極化分離器短路側的反射影響，極化分離器中應使埠1b.2至短路側的距離為信號中心頻率的1/4波長。此時在埠1b.2等效的輸入阻抗為75歐，因而信號的能量將不會向極化分離器的短路側傳輸。單腔多模橢圓濾波器用來選擇導波模式。由於在同軸波導中有TEM波存在的同時也存在無限多個TEn模和TMn，m模，必須從測量目的出發，結合不同探頭結構，選擇出TE11模的工作模式和335MHz的電磁波。信號收發處理器2通過該斷埠和DSP部分的電子線路連接，接受激勵信號的同時輸出檢測的頻率和相速信號給DSP處理器。總之，該持水率雷達傳感探頭經嚴密的科學運算和反覆的現場實驗最終定型其工作模式、激勵頻率和外型規格16×85mm(不含天線)。部分測試時，可以直接外接矢量網絡分析儀進行持水率的測試。
高頻信號收發處理器2的電路結構如圖5所示，它用於完成微波的發射和接收，給探頭1激勵高精度電磁波的同時檢測、分離出頻率和相位信號傳送給DSP處理。圖5中器件U2採用型號為ZL30406的數字鎖相環迴路集成晶片；U1A採用MAX9174器件、U1B採用MAX9382器件。
DSP信號處理器3是本實用新型儀器的核心，內置軟體，主要用於完成持水率、頻率及相位的轉換，將歸一化處理的數位訊號送給MPU處理器，也可以連接TPS總線後經多路選擇開關6輸出。圖6中U3採用TMS320F241PJ器件，其接口JP4與高頻信號收發器2之接口JP3相連；U4採用ADS7807J器件；U5採用MAX18794器件。圖7中U6採用SN75LBO031器件，接口JP6同時與U3之JP3接口及U5之JP5接口相接。
MPU處理器4主要用於完成持水率的編/解碼和出入口的通訊控制，和DSP信號處理器3分工協作，完成多參數儀器的配接和通訊。由於本實用新型儀器應用電磁波基本理論，運算複雜，信息量大，速度要求極高，通過DSP和MPU雙「芯」工作技術實現了激勵電磁波的發射、信號採集、轉換、存儲、處理和I/O等功能，將數字電路、模擬電路、信號採集和轉換電路、存儲器、MPU、DSP等集成在一塊模塊上實現一個系統功能。這裡應用分兩部分，一部分是以MPU為核心，集成各種存儲器、控制電路、時鐘電路，乃至I/O等功能於一個晶片上完成處理後信號的控制、輸出和驅動，該部分上接WPRT的I/O口，下端轉化成TPS總線，該總線可滿足與油田其它系統儀器的配接連接，完成多參數測試，該部分即為有線搖傳模塊電路5，英文縮寫為WTC，它一方面完成向其它儀器尋址，另一方面把其他儀器發送的數據重新編碼，驅動後通過電纜依次送到地面數控系統。在實際使用時，WPRT模塊可以直接和其它各參數儀器並接在總線(TPS)上，當WTC對儀器尋址時，所發出的地址信號被所有並接的儀器接收，而只有地址相同的哪支儀器響應，將數據通過儀器總線發送到WTC。另一部分是以DSP為核心，用DSP技術實現了激勵電磁波的發射、信號採集、轉換、存儲、運算、處理和I/O等，為雷達探頭髮射激勵信號並檢測與持水率有關的頻率和相位信號，經內核運算處理(內裝入WPRT數據處理軟體)後將持水率量值送給DSP。兩部分的優化組合把系統算法與晶片結構有機地整和成為系統模塊(SoM)。由於電磁波基本理論的複雜性，理論計算與正演模擬都是建立在近似基礎上的.從而設計了雷達數據處理軟體進行WPRT數據處理，並研製適合WPRT特點的專用數據處理軟體.這些理論研究成果及數據處理軟體在DSP中的應用將更有利於WPRT關於持水率測量結果的解釋。隨著基本理論、儀器、數據處理技術的進一步發展及應用，可及時通過該儀器的網絡藉口，更新其軟體的更新版本。如果變換其它算法，則本實用新型儀器可在地質、水利等工程中得到廣泛的應用。圖8中U7為WTC模塊電路，採TD823-175器件；U8為微處理器，採用AT89C2051晶片，其接口JP8與高頻信號收發器U7之接口JP7相連。
圖1中標號6為多路選擇開關模塊，該模塊可由數控測井地面儀控制井下儀器的工作模式，輸出經電纜快速接頭直接接電纜芯，纜皮接地，輸入則有四種模塊供選擇，分別是變送器輸出、TPS輸出、CBL輸出和接地；標號7為穩壓電源模塊，用於完成系統工作供電；標號8為網絡接口模塊，用於完成和地面儀器的通訊，進行井下參數的設置和DPS軟體的更新等；ROM存儲器9用於存儲儀器的出廠參數設置、保存刻度文件及儀器的IP代碼等；電源分離器模塊10經高頻淨化處理後給傳感器供電；存儲器11和12則分別用於DSP處理器和MPU處理器進行過程處理和運算時過程參數存儲。
權利要求1.一種石油持水率雷達測井儀，其特徵在於它含有持水率雷達傳感探頭(1)、高頻信號收發處理器(2)、數位訊號處理器(3)、微處理器(4)以及有線單芯搖傳模塊電路(5)，其中雷達傳感探頭(1)的輸入/輸出端經高頻信號收發處理器(2)與數位訊號處理器(3)的輸出/輸入端聯結，數位訊號處理器(3)的輸入/輸出端接至微處理器(4)的輸出/輸入端，微處理器(4)輸入/輸出端與有線單芯搖傳模塊電路(5)的輸出/輸入端相聯，有線單芯搖傳模塊電路(5)的輸入端外接至CBS輸出電纜模式信號端。
2.如權利要求1所述的石油持水率雷達測井儀，其特徵在於檢測探頭(1)由天線(1a)、極化分離器(1b)、單腔多模橢圓濾波器、信號發射/接收濾波器(1d)以及同軸信號發射/接收處理器埠(1e)組成，極化分離器(1b)採用圓波導型極化分離器，其一端接天線(1a)，另一端短路，與饋線相接的兩個同軸接口(1b.1、1b.2)相互垂直，在兩接口之間固定有一塊金屬極化去耦板(1b.3)，並在接口(1b.1、1b.2)相對應的波導壁上加有匹配調諧螺釘(1b.4、1b.5)；單腔多模橢圓濾波器包括兩個濾波器(1c、1c』)，其中一個濾波器(1c)的輸出端和輸入端分別接極化分離器(1b)的一個同軸接口饋線和信號發射/接收濾波器(1d)的輸出端，另一個濾波器(1c』)的輸入端和輸出端分別接極化分離器(1b)的另一個同軸接口饋線和信號發射/接收濾波器(1d)的輸入端，濾波器(1d)的輸入/輸出端與同軸信號發射/接收處理器埠(1e)的發射/接收端聯結。
專利摘要本實用新型涉及一種石油持水率測井儀，由持水率雷達傳感探頭、高頻信號收發處理器、數位訊號處理器、微處理器以及有線單芯搖傳模塊電路等組成，其測定的基本原理是利用儀器測定電磁波的傳播速度和相移時間，求得介電常數，然後利用DSP技術和無線搖傳(WTC)技術，根據介電常數與含水量關係的理論模型和相移時間與含水量的理論模型計算出持水率並通過單芯電纜傳入地面儀顯示和輸出。這樣在實際使用時即可以方便快速地確定持水的深度和水流的方向，有效地確定油層含水量的大小。
文檔編號G01V3/18GK2648459SQ03262730
公開日2004年10月13日 申請日期2003年9月8日 優先權日2003年9月8日
發明者楊厚榮 申請人:楊厚榮