第四章 井壁电成像测井仪器.

Schlumberger FMI 支撑臂数目
极板个数 每个极板钮扣电极 数 钮扣电极总数 采样间距（英寸）
Atlas Star-II 6
6 24
Halliburton EMI 6
6 25
4
8 24
192 0．1
144 0．1
150 0．1
对8in井眼的覆盖率
80%
60%
60%
表4-1 FMI、STAR-II和EMI仪器参数比较
FTB总线到DTS
DTB总线到DTA
上图的具 体电路模 控 块组成如 制 图4-5所示。 短 节 图中由上 往下数的 第二层 GPIC是 FMI仪器 探 臂 附加的倾 短 斜测量仪， 节 该仪器将 不介绍。
FBCC-AB FBSC-B
/RST
EMEX
FBCC006 FBCC007 EMEX 050
RS232

U Pad R K IB
B a B a
式中 , K 为第B个钮扣电极的视器常数; U Pad 为供电极板到回路电极的电位差; I B为第B个钮扣电极的电流 .
B a
在实际资料的处理中，FMI采用浅双侧 向测井曲线进行变K值概念下的标定。这种 标定仅为井壁电成像测井资料定量评价裂 缝、孔洞进行的而不是为测量地层电阻率 值而做的。如果要真正利用井壁电成像测 井测量地层的电阻率的话，其电扣的K值则 需要象直流电测井仪器的刻度一样通过实 体刻度或理论计算得到。

5加速度校正 仪器在井中的非均匀运动，特别是当仪器偶 尔轻度遇卡，继而又靠电缆拉力解卡时，井下仪 器会在井眼中发生短暂停留和非均匀运动，而井 口电缆仍表现为均匀运动。这将使仪器的真实深 度和井口测深系统测得的深度之间存在不稳定的 偏差，从而严重地干扰了曲线采样值与真深度之 间的对应关系。速度校正的目的就是要消除仪器 非匀速运动引起的深度误差。
FBCC008
UNREG.POWER FOR FBSC
GPIC-AC 串行连接 &光耦合器
FBSC003
+12 -12 +5 -5
电源
FBSC004
ADC (主)
FBSC011
ADC (从) 保护
FBSC021 FBSC005
测试 继电器
PP
FBSC006
VGA
FBSC002/2
VGA
FBSC002/1
ADC
EV
慢通道
MUX 去混淆 滤波器 FLASH ADC PROM MAC
FBSS002 开始处理 × 结束处理 和 +
波形规范化
电扣 n 值
串行控制
多路累加器 积分运算
PBiblioteka BaiduD.1 时钟 FBSC001
串行连接 FBSC003 TO FBCC
图4-6 单一通道的FBSS和FBSC电路结构及各节点处信号波形

图4-1 FMI仪器示意图
FMI由四臂八极板组成， 其中四个主极板，四个副极板。 每个极板如图4-2所示有两排 24个圆形电极，八个极板共计 192个电极，测量过程中八个 极板推靠至井壁，并保持钮扣 电极和金属极板接近于等电位 供电，同时测量192个钮扣电 极电流，这些钮口电极电流的 大小反映了所贴井壁的介质电 阻率变化。用这192个电极的 电流值经过预处理、标定及成 像处理，可获得井眼极板覆盖 处微电阻率扫描图像。随着仪 器上提可测得全井段的数据， 经过一系列处理，即可获得测 量井段纵向上的微电阻率扫描 图像。

FBSS001
每块FBSS00# 电路板电路如图所 示。由三个超大规 模集成电路VLSI1、 VLSI2和VLSI3组 成，每个VLSI内有 16个电流缓冲器。 这16个电流缓冲器 外接16个钮扣电极， 内接同一个16转1 的多路转换开关。 多路开关的输出接 一电流前置放大器， 该放大器的输入与 输出之间跨接一阻 值为2050的电阻， 使得其能将1mA的 输入电流转化 2.05V的输出电压。 VLSI的每个电 流输入缓冲器的一 个输入端均通过一 个1的限流电阻 和内部测试信号 TEST相连接。
10 bit ADC
数字处理单元
臂D
3 VSLI 16 电扣/VSLI
10 bit ADC FBSC
数字处理单元
FBSS
Emex 控制
探臂 控制
ADC 8 bit
DTS 接口
GDHC
串行 连接
通用井下 控制单元
ADSP
图4-4 FMI仪器电路流程
FBCC
1
4
10
11
21
FBCC慢通道
ADC 慢
FBCC005
一、井壁电成像测井测量原理 全井眼地层微电阻率成像仪FMI如图4-1 所示，主要由数字遥测电子线路、数字遥测 适配器、三维加速度计、测量控制电路、柔 性接头、绝缘体、磁性定位仪、数据采集电 子线路及极板等九部分组成。数字遥测电子 线路和数字遥测适配器组成遥测系统，用于 将测量的大量数据通过电缆准确地送至地面； 三维加速度计用于记录测井过程中三维加速 度信号；测量控制线路用于确保在最短时间 内采集所需的数据，并自动调节发射电压和 放大器倍数，以确保测量线路始终工作在线 性范围内；绝缘系统用于将极板部分与上部 电子线路外壳绝缘隔离，使两者有一定的电 位差，以确保极板上圆形电极所发射的电流 经地层回流至上部仪器外壳；磁性定位器用 于测量井斜角、井斜方位角及一号极板方位 角；数据采集电子线路在有效的采集192个 电极电流信号的同时除去测量信号中的直流 成分，进行数字化，完成数字信号的数字滤 波。

6方位校正 由于井下仪器在测量过程中的旋转而 使仪器在不同深度位置同一极板所测得的 不是同一方位上的井壁，从而导致图像上 的变形。方位校正就是针对这种变形而设 计的校正处理。

7图像生成和显示 由井壁电成像测井得到的是井壁电阻 率阵列，要想用图像的形式显示出来，必 须将电阻率值转化为图像的灰度或颜色值。 为了提高图像的显示质量，经常还需要对 图像进行滤波和增强处理。
FBCC112 FBCC101
DHC
IP 接口
FBCC204
光耦合器
FBCC010
ADSP
FBCC002
+12 -12 +5
电源
FBCC112 FBCC113 FBCC014
继电器
FBCC009
串行连接
FBCC008
±14 到继电器
UNREG.POWER FOR FBCC
M5
M1/M2/M3/M4
光耦合器

遥传短节
DTA 遥传接头
FBCC
控制短节
绝缘接头
GPIC
倾斜测量短节
FBSC
探臂短节
FBSS
扫描电极系
图4-3 FMI仪器结构图
FMI仪器的基本电路流 程可以用图4-4表示，主 要由 扫描电极系(FBSS)电路、 探臂短节(FBSC)电路和 控制短节(FBCC)电路 组成。 测量信号（192个钮扣电 极电流信号）分四路通 过电极进入FBSS和 FBSC电路。 这四路的电路完全相同， 它们都经过多路转换开 关的分时选择、前置放 大、再选择、放大、去 除直流分量、模数转换 后进入数字处理单元， 然后通过串行通信进入 通用井下控制器，最后 由通用井下控制器控制 数据传输接口传到地面 计算机中。
DTC
第二节 FMI成像测井仪
一 FMI成像测井仪的测量原理图 FMI仪器基本结构如图4-3所示， 自下向上依次由扫描电极系(FBSS)、 探臂短节（FBSC）、控制短节 （FBCC）、遥传接头（DTA）和 遥传短节（DTC）组成。(1)扫描 电极系主要用来对192个钮扣电极 信号的多路切换和前置放大。(2) 探臂短节主要完成对FBSS送来的 信号的进一步多路选择、放大、去 除直流分量的功能。 (3)控制短节则用来控制井下仪器 的正常工作。 (4)遥传接头和遥传短节则用于实 现井下仪器和地面仪器的数据传输。
第四章 井壁电成像测井仪器
4.1 井壁电成像测井仪测量原理 4.2 FMI成像测井仪 习题
第一节 井壁电成像测井仪测量原理

井壁电成像测井仪器最早是斯伦贝谢公司Doll 研究中心于1986年推出的微电阻率扫描仪FMS， 紧接着又对该仪器进行了改进，发展成为如今 的全井眼地层微电阻率数字成像测井仪FMI。 另外，阿特拉斯公司和哈里伯顿公司也相继推 出他们各自的井壁电成像测井仪器STAR-II和 EMI。这三家公司的井壁电成像测井仪器的原 理相同，仪器测量极板结构相似，只是在极板 数量和电极个数有所变化而已，它们列表比较 如下：

MUX 16:1
MUX 16:1
MUX 16:1 FBSS101
3路×16扣 每扣6周期
button n
电扣 n+3
MUX 3：1 VGA 0 dB 或者 25 dB
1路×48扣 每扣2周期
S&H S&H n n+1
S&H
DC 消除器
n+2
VGA
0.25 dB 127步 水平移位 (2.27V)
消除直流偏移后
4规范化处理 井壁电成像仪器的钮扣电极很多，在测井过 程中，它们的响应特征很难保持一致，况且它们 与井壁的接触情况也各不相同，再加上各电极表 面形成的泥浆膜、油膜或其它污染物等随机因素 的变化，这样即便对相同电导率的地层，各钮扣 电极记录的数据也会存在差异。规范化处理就是 使所有的电极在较长的井段内，具有基本相同的 平均响应。其方法是采用滑动窗口，计算窗口内 的数据的均值和方差，使井段内的这两个参数基 本保持稳定。
图4-2 极板钮扣电极分布
二、数据预处理与井壁图像 的形成 井壁电成像测井记录的 数据是不同电缆深度位置上同 一时刻所有钮扣电极的电流和 极板电压以及放大倍数。另外 还有仪器状态的有关参数如电 缆加速度、井下仪器一号极板 倾斜方位和倾角等。这些数据 不经过预处理是无法显示为图 像的，必须经过坏电极剔除、 深度对齐、电压校正、规范化 处理、加速度校正、方位校正 等预处理后才能以图像的形式 显示出来。

2深度对齐
由于测量采用的是电极阵列， 不同的电极具有不同的几何坐 标，而且每次成像的数据至少 包含三次采样的数据，这些数 据的坐标有一部分是交叉的， 因此，对这些电扣必须根据它 们的几何位置进行重新排列， 与其坐标对应起来，以便后面 的图像的生成作准备。

3电压校正
由于测井仪器在测量过程中，会根据各井 段地层电导率的情况，改变供电电压，以 保证该井段内电流的大小总在有效测量范 围内。因此，不同井段的钮扣电流值是不 能比较的，必须经过电压影响校正后才能 进行比较。电压校正的实质是将钮扣电流 转换为电导率。
臂A
3 VSLI 16 电扣/VSLI
多路转换开关 DC 消除器 VGA
10 bit ADC
数字处理单元
臂B
3 VSLI 16 电扣/VSLI
多路转换开关 DC 消除器 VGA 多路转换开关 DC 消除器 VGA 多路转换开关 DC 消除器 VGA
10 bit ADC
数字处理单元
串行 连接
臂C
3 VSLI 16 电扣/VSLI

预处理小结：



1.坏电极剔除 2.深度对齐（几何校正） 3.电压校正 4.规范化处理 5.加速度校正 6.方位校正 7.图像生成与显示
三、仪器测量响应的标定 井壁电成像测井仪测得的钮扣电极电 流要转换为地层电阻率就必须进行标定或 称为刻度。经过上述的极板电压校正后一 般得到的是单位电压下的电扣电流，即钮 扣电极测得的电导，其倒数为电阻。将电 扣测得的电阻与电扣的仪器常数相乘就得 到电阻率值，即：
二、主要电路分析 FMI仪器的电路主要由： （1）扫描电极系FBSS； （2）探臂短节FBSC； （3）控制短节FBCC； （4）遥传短节等部分组成。 在本节中主要介绍前面三部分电路。

1.扫描电极系电路FBSS 扫描电极系电路FBSS包括四个臂的四 路电路。 每路电路由一块电路板FBSS001组成， 主要进行电扣信号的多路选择和前置放大 功能。


1 坏电极剔除
在井壁电成像测井过程中，仪器某一个或某 几个电极可能临时性工作不正常,其测量数据不反 映地层电导率的变化，在成像之前必须将其剔除， 否则将在图像上产生一些干扰和假象。坏电极的 数据通常表现为两种现象：一是曲线过分光滑平 缓，其方差小于某一门槛值；二是曲线变化非常 激烈，其方差大于某一门槛值。合理设置上下门 槛值可以自动识别坏电极。坏电极数据剔除后， 其上的数值用临近电极的平均值来取代。
图4-5 FMI仪器 电路组成框图
扫 描 探 臂
FBSS-B
马达 S1S2
PP amp. MUX 保护
FBSS102
VLSI 极板4
FBSS101
VLSI 极板3
FBSS101
CAL11/CAL12
±5V
VLSI 极板2
FBSS101
VLSI 极板1
FBSS101
电扣
16 16 16
phl
单路电路结构和 各个观测点处的 波形如图所示， 48个钮扣电极中 的每个电极得到 的是一系列连续 的正弦波形，而 经过第一级多路 转换开关的选择 采集后变成三路 由16个电扣的正 弦波（每个电扣6 个周期）组成的 时间系列。这三 个时间系列再经 过第二级多路开 关选择采集变为 一路由48个电扣 的正弦波（每个 电扣2个周期）组 成的时间系列。 该时间系列信号 经过自动增益放 大和直流分量去 除后进入到FBSC 层次中。