2侧向测井测井仪器2

下面以浅侧向为例说明仪器的工作原理（图 1-8）。 屏流电极 A、首先向地 1 层发射128 HZ浅屏流（返 回至主电极 A2 A2），在监 、 ′ 督电极 M1、N1 上将出现电 位差，这个电位差被监控回 路检测，放大后，立即向主 电极 A0发射主电流 IO ，并且 与屏流有相同极性。由于极 性相同，主电流出现将迫使 监督电极上的电位差趋于减
512Hz的信号供微侧向测井仪使用。 2、浅频流源 浅频流源由前置放大器、斩波调制放大器、 带通滤波器和功率放大器组成。 （1）前置放大器 前置放大器为差动 放大器，由运算放大 器 A 构成。 A1 同相端 1 输入信号为V2D，反相 端输入 VCW， VCW 是
+15V直流电源经 R1和电位器 R2 所组成的分压 器分压后得到的，其大小可在0~10V内调节， A1的增益为
N的电位差（参考电极N为地面端的电缆外皮） ，电压检测电路把电压信号放大并分离出深侧 向电压 VD、浅侧向电压 VS 。其中深侧向电压的 一部分V2D 用来控制屏流源。 电压和电流信号经脉冲编码调制发送器 （PCM发送器）发至地面。在地面，PCM调治 器把信号还原。依据基本公式 ，电压 和电流信号相除（求商）后即得地层电阻率 ρD 、ρS ，所以这种工作方式称求商式。
V0 ρ=K I0
1.3.2.3电路原理
1、控制信号发生器 控制信号发生器由三个集成电路块组成，第 一个集成块是一个频率为524.288KHz的方波 震荡器，方波信号经由第一和第二集成块组成 的十四位二进制分频器分频后，产生频率为 512、128、32Hz的三种方波，32Hz的方波 信号作为深侧向的斩波器和相敏检波器的控制 （ f 信号 f D、D ) ；128HZ的方波信号则作为浅侧向 （ f 的暂波器和相敏检波器的控制信号 f S、S ) 。双侧 向与微侧向仪器组合测井时（常常如此），
电位恒定，只测量主电流。显然测量地层的电 阻率越低，提供测量的电流信号越大，相应测 量误差小，因此，恒压式仪器适于对低阻地层 的测量。恒压式与恒流式仪器一样，仪器电路 简单，但动态范围小。 （3）自由式（求商式）：因自由式电流和 电压都是浮动的，测井时，同时测量电流、电 压两个量，因此可以得到较宽的测量动态范围。 比如地层电阻率仍从 1Ω·m变到10000Ω·m 自由式仪器只要测量电压和电流各变化100倍 即能满足测量要求。
比例，以及确定实际上有多少油气是可动的， 需要有深、中、浅三种探测深度的地层电阻率 数据。为此双侧向测井仪通常和微球形聚焦测 井仪（或者与微侧向、临近侧向测井仪）组合 下井测量。后者用来测量冲洗带 RXO。
1.3.2.1 电极系结构
双侧向的电极系可看成七侧向电极系再附加 一对聚焦电极组成，见图1-5。它共有9个环行 电极，镶嵌在一个圆柱形的绝缘棒上。主电极 A0位于中央，在主电极 A0上下对称排列4对电极， 每对电极分别用短路线连接。电极 、M1
小。这是一个负的反馈过程，因此，实际上在 M1、N1 之间（监控回路输入端）只保留一个很 小的剩余电压信号。监控回路有的增益越高，这 个剩余信号越小。这时可以认为监督电极 M1、 N1为等电位。由此可见，监控回路的作用是产 生主电流，并主动调节 主电流的大小，以保持 监督电极 M1与 N1点为 近似相等。监督电极电 位相等，表明主电流处 于聚焦状态。深侧向的 工作原理与此完全相同
时，要求仪器电压检测系统的动态范围要很大， 这在电路设计是很困难的。比如地层电阻率从 4 1Ω·m变到10000Ω·m，即变化了 倍，要求 10 电压检测系统能跟踪测量是很难办到的。设计 时，若照顾中间顾不了两头，往往对于小信号 显得放大不足，而对大信号又会出现饱和失真。 因此恒流式仪器对于高阻和低组电层的测量误 差都比较大，甚至使测量结果不能使用。总之， 恒流式仪器测量动态范围小，这是恒流式仪器 的主要缺点。优点是电路简单，三、七测向和 微测向均采用这种工作方式。 （2）恒压式：采用恒压式，主电流极表面
（屏蔽作用），因此主电流层进入地层深处才发 散，如图1-5。由于控制深度深，它所测的电阻 率接近地层的真电阻率，回流电极B在“无限远” 处。电极系的探测深度由电极系的尺寸决定。电 极系的尺寸决定了测量电流 流经多远的路径后才发散。 为了测量地层的真电阻率， 减小侵入带的影响，主电流 层应该流经地层一段长距离 后再发散；浅侧向的主电流 层在距井轴0.8 m之后发散。 A0 的中点为双侧 主电极 侧向的深度记录点。
但要测量准确，务必使测量电压和电流都处于测 量仪器的可测范围之内，若超过仪器测量范围， 测量结果就失真了。由于自由式测量的V和I不受 任何限制，很难使测量仪器的测量系统跟踪V和I 的全部变化。因此限制了仪器测量动态范围的进 一步扩展，一般自由式仪器测量动态范围只能达 4 到 10 倍。 恒功率式在测量过程中保持IV乘积不变，只 要选定最高和最低电阻率的两个极点保持功率不 变，就使测量电压和电流始终处在仪器可测量的 范围之内。也就不会出现测量电压和电流被限幅 的情况。因此，可以获得比自由式仪器更宽的测
源滤波器。该滤波器有两条反馈路径，频率高 端通过C3产生负反馈，低端通过 R16 产生负反馈， 只有介于高、低之间的频率信号传输系数才近 似等于1，其中心频率是128Hz。 假设 Y、 2 、 3 、 、 5 分别为各无源元件 Y Y4 Y 1 Y 导纳，即
1 1 Y1 = ,Y2 = jωC3 ,Y3 = , R13 R14 1 Y4 = jωC4 ,Y 5= R16
通带增益（ω = ω0 , Q = 1)。 其表达式为：
Q= (R13 + R14 )R16C3C4 (C3 + C4 )R16
（1-19） （1-20）
K=
R13C3 (R13 + R14 )R16C3C4
调节 R14 下面的电位器，保持中心频率为：
ω0 f0 = = 128HZ 2π
′ ′ ′ M1和N1、N1为两对监督电极；电极 A1、 1和A2、A2 A′ 为两对聚焦电极（屏蔽电极）。
′ 第二屏蔽电极 A2与 A2 有着双重的作用，对深侧 向电流，它与第一屏蔽极 间相当与短路，即 A2与 A1 ′ ′ （ A2与A1）保持等电位， 屏流 I1与主电流 I 0为同极 性。由于附加的屏蔽电极 ′ A2 、A2较长，增强了屏流 对主电流的聚焦作用
即
ρmax 66.6KΩ • m = ≈ 0.44 ×106 ρmin 0.15Ω • m
当然，实际以测量动态范围会比这低一些， 因为深侧向电极系系数小于1。
与自由式仪器比较，恒功率式仪器电路复 杂，如果不使用计算机控制，进行恒功率测量 是不可能的。
1.3.2求商式双侧向测井仪器工作方式
双侧向是在三、七侧向的基础上发展起来 的，他吸取了三、七侧向的优点。双侧向电极 系由9个电极组成。 双侧向测井方法由于具有交好的聚焦特性， 并可以同时进行深、浅两种探测深度的电阻率 测量，所以它完全取代三侧向和七侧向测井， 它是目前广泛使用的一种聚焦式电阻率测井方 法。 根据阿尔奇公式计算地层中油（气）水的
，只有频率不同，为32Hz，为了同时进行深侧 向和浅侧向测量，必须采用两种工作频率。通 常浅侧向的工作频率为深侧向的4~8倍，以便 于每个系统能独立进行控制。 主电流进入地层后，主电流的大小和主电流 在地层的电压降将随地层电阻率的变化而变化， 取样电阻0.025Ω上电压的变化将反映主电流的 变化。这个变化经电流检测回路检测放大后， 分离成深侧向主电流 和浅侧向主电流 ID IS 。 电压检测电路测量电极 M1相对于参考电极
因 故
Vmax = 100 ； Vmin
I max = 100 I min
ρmax Vmax I max = • = 100 •100 = 104 ρmin Vmin I min
国产801双侧向和引进的1229双侧向均采 用这种工作方式。需指出这种工作方式的仪器 在测量地层电阻率很高和很低时，仪器分别相 当于恒流式和恒压式，其测量误差较大。 （4）恒功率式由式（1-7）视电阻率公式可 知，要确定电阻率，我们并不一定要测得电压 和电流的实际值，只要知道他们的比值即可。
量动态范围。比如，保持测量功率（W）等于 0.6µW,设电极系系数K=1，测量电在介于 0.3~200mV之间，测量电流介于 3µA~2000µA之间。那么以可测量的电阻率范 围是：
Vmax 200mV Vmin 0.3mV = = 66.6KΩ • m ~~ = = 0.15Ω • m Vmin 3µA I max 2000µA
第三节 求商式双侧向测井仪
1.3.1侧向测井仪器工作方式
仪器工作方式是指仪器在测井时对主电极的供电方式。他 有恒流式、恒压式、自由式和恒功率式四种。这四种方式的特 点如下： （1）恒流式：保持主电流 I 0恒定，与测量主电极（通常用 监督电极 M1 M2 或 代替）至远处电极N之间的电位差V0，显然在 一定范围内，测量地层的电阻率越高，提供测量的电压越大， 测量误差越小。因此恒流式仪器适于对高阻地层的测量。 由于 I 0恒定，在这种情况下，当地层电阻率变化范围很大
则左上图可画成左下图， 由左下图考虑运算放大器 反相端为虚地，可列出a、 b节点方程如下：
& & − Y4Vb − Y5V0 = 0 & & & (Y1 + Y2 + Y3 + Y4 )Vb − Y1Vi − Y2V0 = 0
解上述两方程，可得滤波 器的传递函数：
& KP = Y1Y4 (Y1 + Y2 + Y3 + Y4 )Y5 + Y2Y4
R10 −10 − = ≈ −1 R5 + R6 4.99 + 4.99
当 f S 为低电平（为高电平）时，c点悬空， b点接地，这时运算放大器 A2增益是：
R10 + R6 R9 10 + 4.99 4.99 × = × ≈1 R6 R7 + R8 + R9 4.99 3× 4.99
由此可见，斩波调制放大器将前置放大器输 出的直流电压 Va调制成幅度为 Va 、频率为 R 128Hz的方波电压信号。方波信号经 R11、 12 分 压后输出至带通滤波器。 （3）带通滤波器 具有带通滤波器功能的有源滤波器有多种形 式。侧向测井仪器中所有电路为多路负反馈有
将 Y~ Y5的替代元件值代入化简的：
& KP = −
百度文库
ω 2 ω 1 1 − ( ) + j( ) ω0 ω0 Q
ω j ω0
K
（1-17）
ω 式中， 0 为带通中心角频率，其值为：（ f 0 为 中心频率）： 1 ω0 = （1-18） (R13 + R14 )R16C3C4
Q= f 0 / ∆f 为品质因素，∆f 为通频带宽度，K为
1.3.2.2仪器工作原理框图
井下仪器的原理框图示于图1-7，它由浅侧 向屏流源、深侧向屏流源、监控回路、深浅侧向 电压检测、深浅侧向电流检测、直流电源和控制 信号发生器组成（七部分）。直流稳压电源为整 个下井仪器提供+15V和-15V直流工作电源。控 制信号发生器由震荡器和分频器组成。它产生32 HZ和128 HZ的方波，为整个井下仪器中的斩波 器、相敏检波器提供相位参考信号。该信号频率 也是深侧向屏流的工作频率（32 HZ ）和浅侧向屏 流的工作频率（128 HZ ）。
R4 1 KP = − R3 jωR4C15 +1
(1-15)
将各元件值代入上式计算可得 KP=-1，故 A 的 1 输出为： Va = 2V2D −VCW (1-16) (2)斩波调制放大器 见下图，屏流源电路的第二级为斩波调制
放大器。它由运算放大器 A2和集成电路构成。 集成电路 IC4具有如下功能：当13、14端为高 电平，11、12为低电平时，它的1、3端跟2、 4、6、8端接通，而5=6端悬空；当13、14端 为低电平，11、12端为高电平时，它的1=3端 悬空，而5、7端跟2、4、6、8端接通。 根据 IC4 的功能，当浅侧向128Hz信号 f S为 128Hz 高电平（ f S 为低电平）时，c点接地，b点悬空， 运算放大器的增益为：