北京航空航天大学硕士学位论文1第一章 绪论1.1 课题背景介绍1.1.1 石油测井简介石油作为现代社会的最重要能源之一，随着现代工业的飞速发展，人类社会对石油的需求量越来越大，人们对石油勘探和采集的投资也在不断增加，随着现代科学技术的发展，用于石油勘探的设备和技术涉及到许多技术和领域，从微电子技术到计算机技术、从机械制造到材料科学、从地质学到地球物理学等学科，几乎无所不包地球物理测井 (简称“测井”) 技术是伴随石油工业而产生和发展起来的一门学科，属于地球物理学的一个分支为了寻找石油和天然气，一般要根据地质科学的研究，先在有利于石油和天然气生产和存储的地区进行地质调查和地球物理勘探，找出可能存储石油和天然气的各种地质构造至于在这些地质构造中是否真的含有石油或天然气，以及石油或天然气的储量是多少，最终都要靠测井来证实测井分为勘探测井和生产测井两种，前者为了找石油，了解地层物理结构；后者是在石油开采过程中，为了提高采油效率，测量掌握与采油有关的油井情况 (如井径尺寸、钻井偏斜度等)、地层情况 (如油层深度、油/水比等) [1]1.1.2 石油测井的发展历史和现状测井的发展大致可以分为四个阶段[2]：第一阶段是模拟记录阶段。
从测井诞生到 60 年代末，都使用模拟记录测井仪器用灵敏度高的检流计测量回路电流得到探测系统测量端间的电位差变化，反映地层物理参数(电阻率、声波速度等)随深度的变化，记录在照相纸或胶片上，模拟记录的特点是采集的数据量小，传输速率低使用的主要测井方法有声速(纵波)测井、感应测井和普通电阻率测井，配之以井径测井、自然电位测井和自然伽马测井等第二阶段是数字测井阶段自 60 年代来，测井仪器从模拟记录过渡到数字记录这是测井技术发展的要求，测井方法的增多，特别是地层倾角测量的出现和声波变密度测井都要求高速采集地下信号，此外，某些测井方法要求在井场作一些校正、补偿和简单的计算，如中子测井计算中子孔隙度、密度测井进行脊肋校正等第三阶段是数控测井阶段新测井方法不断出现，如电磁波传播测井，碳/氧(C/O)能谱测井，其下井仪器复杂，为提高精度，须在测井过程中对仪器的某些参数实现第一章 绪论2“实时”控制和调节 (双侧向测井对屏蔽电流的“实时”调节等)，数字测井已经不能满足要求，计算机技术的高速发展提供了解决问题的途径70 年代末发展了数控测井仪数控测井仪实质上是一台以计算机为中心的遥控遥测系统，各种下井仪器作为计算机的外设，通过电缆通讯系统实现数据的交换和计算机对下井仪的控制。
仪器检测、测量数据处理和显示、曲线回放等都通过软件实现测量时，在井下将各种仪器信号变换为数字信号，通过不同的编码—解码技术将信号沿电缆送至地面，输入计算机，这样有利于下井仪的设计和更新，也有利于整个数控测井系统的扩展第四阶段是成像测井阶段随着勘探和开发更复杂更隐蔽的油气藏的发展，对测井也提出了更高的要求，薄层、薄互层、裂缝性储层低孔隙低渗透层、复杂岩性的评价；高含水油田的开发中剩余油饱和度及其分布的确定；固井质量、套管损坏等工程测井问题及地层压力、非均质和各向异性等问题需要测井从方法理论到测量技术有更新的发展，正是在这样的背景下，测井现在正向成像测井阶段发展 目前的测井手段仍以数控测井为主国内的数控测井系统从八十年代开始发展，之前国外石油公司的测井系统一直处于垄断位置，如 Mobil 石油公司、Shell 石油公司和 Schlumberger 石油公司胜利－北航钻井测控研究中心自 1985 年开发石油测井仪器以来，始终以达到国际先进技术水平为目标，制定适合国情的研制方案相继和胜利油田、滇黔贵石油钻探公司、江汉测井研究院、大庆油田测研所等单位建立了合作关系在国内率先将单片微处理器及计算机技术应用于石油测井仪器中。
已形成从测量油井各种基本物理参数如陀螺测斜仪、多参数测井仪，到具有油井分析系统功能的如碳氧比能谱测井仪等多种类系列测井仪器这些测井仪器的成功应用打破了外国公司在测井仪器领域的垄断，填补了我国测井仪器行业的空白1.2 课题的来源1.2.1 数控测井系统介绍数控测井系统通常由三部分组成：上位机、下位机和井下仪器上位机和下位机主要通过串口、并口或自行开发的总线扩展槽连接，而下位机和井下仪器则通过模拟电缆连接，数控测井系统的结构如图 1 所示[2, 3]Comment [S1]: 难道井下仪是一种而 不是所有的集合?因此上传的信号也 不是一次混着很多种?北京航空航天大学硕士学位论文3图图 1 数控测井系统结构数控测井系统结构● 上位机系统主要以工控机(或者便携电脑)为中心，辅助以打印机和示波器等外部设备数控测井软件系统的大部分软件也包含于其中主要完成对下位机系统各个接口的管理和控制功能，并实现对测井数据的处理、显示、存储、打印和回放等功能● 下位机系统主要有供电部分、模拟部分和各种测量接口部分等组成测量接口通过接口控制连接到井下仪器，常用的测井接口有深度测量接口、脉冲计数测量接口、A/D 采样测量接口、声波测量接口、碳氧比测量接口、陀螺测斜接口、DDL3 组合测井仪测量接口等。
● 井下部分负责采集数据，然后将其传送给下位机系统井下部分由井下仪、供电系统、电缆切换单元和信号监测四部分组成常用的井下仪器有声波仪、常用的井下仪器有声波仪、CCL 仪、陀螺测斜仪、碳氧比能谱测井仪和自然伽马仪等仪、陀螺测斜仪、碳氧比能谱测井仪和自然伽马仪等数控测井地面系统大都是大型车载式机柜系统，硬件配置齐全、功能强大、可以和多种井下仪器配套使用、能够满足各种测井作业的需要，但是它的体积庞大，在海上作业或长距离作业时，运输安装极为不便，影响了它的推广使用特别是面对单一的测井任务，也需要将整个数控测井系统用车拉到现场，浪费了系统资源，也浪费了人力物力因此地面测井接口的专用化和小型化成为测井行业的趋势和潮流第一章 绪论41.2.2 陀螺测斜简介陀螺测斜简介应用在石油测井领域的陀螺测斜仪是 20 世纪 90 年代初期才发展起来的一种不受地质和周围环境影响的精确油井导向系统，该系统采用动力调谐式挠性速率陀螺为核心传感器，可测量目标位置的方位，井斜、工具面等工程参数，从而获得油井的空间轨迹，同时也可为定向钻井提供导向信息此前随钻测量仪、电子多点等测量仪器等测斜系统，考虑到抗震性能要求高，均采用磁通门传感器来感应大地磁场，确定井眼方位。
而在套管中由于存在铁磁质材料，大地磁场受到屏蔽或干扰比较大，上述测量仪器确定的方位就不准确了由陀螺惯性原理可知，即使外界磁干扰很大，陀螺仍能保持原来的方位稳定，因此，陀螺测斜仪也就成为在套管中进行定向测量的必备仪器陀螺测斜系统分为地面系统和井下系统两部分[4]其中井下系统就是动调式陀螺测斜仪，它由减震器、惯性体、陀螺电路舱、电源舱、微机舱、磁定位器、马笼头等几部分组成其结构如图 2 所示图图 2 陀螺测斜井下系统陀螺测斜井下系统地面系统是一套专用的便携式计算机测控、信号采集系统，它可对井下仪器实时控制，数据采集和处理，实时显示、打印、存储测井数据，并在测井现场完成测井资料的处理工作，主要由笔记本电脑、测控接口箱、电源、打印机几部分构成其系统构成如图 3 所示图图 3 陀螺测斜系统结构图陀螺测斜系统结构图传统的陀螺测斜仪接口一般是由单片机扩展一系列外围器件组成，结构复比较杂，例如：模拟信号采样需要扩模拟多路选择器、模/数转换器、程控放大器等；与陀螺仪北京航空航天大学硕士学位论文5通信部分需要扩展曼彻斯特编解码芯片（如 HD15530）或扩展 FPGA 实现编解码；与工控机通信部分则需要扩展 USB 接口芯片（如 PDIUSBD12）或其他通信接口芯片。
图 4 为某型号陀螺测斜接口箱结构STD总线CPU板显示 驱动板深度 A/D 板通讯板显示板 （深度、速度、张力）马丁代克、 张力、CCLRS232接口去笔记本电脑单芯电缆接陀螺测斜仪图图 4 接口箱组成结构图接口箱组成结构图接口箱由 STD 总线机笼里插入 STD 总线接口板，CPU 板、深度及 A/D 板、显示驱动板、通讯板和前面板上的显示板组成这种结构板卡过多，而且在实际测井工作中也经常出现板卡松动的现象，因此需要把板卡整合在一起，既能减小体积，又能提高可靠性在电子技术、信息技术和计算机技术高度发达的今天，完全可以在不降低功能和性能甚至功能和性能有所提高的前提下大大简化硬件系统和软件系统1.2.3 声波测井简介声波测井简介50 年代出现了声波测井仪器，60 年代末提出了偶极子源能直接激发横波信号，可以解决软地层中横波勘探的问题70 年代初提出了可能的横波速度测井仪，70 年代末出现了长源距声波全波列测井仪，80 年代初研制出电磁驱动的偶极子横波测井仪，80年代中期发展了阵列声波测井仪，将常规井眼补偿声波与长源距声系以及井径等综合测量，实现了对声波全波列的数字化记录，并对管波的纪录予以重视 [6，7，8]。
声波探测数控石油测井系统主要应用是在固井后，检查和评价水泥固井的工程质量采用声幅测量和全波变密度测量两种技术相结合，可以有效的检查套管和地层间水泥环的胶结质量(包括第一胶结面的胶结质量——水泥环和套管的胶结情况，第二胶结面的胶结质量——水泥环和地层间的胶结情况)同时水泥抗压强度和套管破裂等油管固井工程质量问题都是十分重要的评价内容[9]第一章 绪论6数字声波测井仪接收到来自地面的指令，根据相应的指令控制仪器工作在井下数字声波测井仪接收到来自地面的指令，根据相应的指令控制仪器工作在井下按规定的时序发射声脉冲信号，用传感器阵列接收经地层传播的声波信号，将该信号按规定的时序发射声脉冲信号，用传感器阵列接收经地层传播的声波信号，将该信号数字化处理后传输到地面，地面系统将接收到的数据进行处理以获取地层的物理特性数字化处理后传输到地面，地面系统将接收到的数据进行处理以获取地层的物理特性要求测井仪可以控制声波发射的强度、次数和时间；采集到的信号可以缓存；具有一定的容错能力具体工作过程如下：1、逻辑控制序列，控制声波发射晶体的发射、完成声波接收器的选择及接收增益设定；2、对 4 路声波信号进行数字化采集，并根据每路采集的信号大小，产生相应的增益控制；3、集的数据、增益，按规定的序列通过遥测短节传送到地面进行纪录。
测井数据的记录方式也由最早的手工照相记录，发展到 60 年代末的数字磁带机记录，再到后来的的在计算机上实现测井数据的处理、记录、绘制曲线等[2]上位机上的软件平台也由原来的基于 DOS 操作系统向基于 Window 操作系统转变1.2.4 陀螺测斜接口改进需求陀螺测斜接口改进需求陀螺测斜专用接口改进是在原陀螺测斜接口箱的基础上进行的，原有的陀螺测斜地面系统虽然已经投入了生产应用，但在实际应用中也发现了一些问题有待改进，有的用户也提出了新的要求和改进意见1. 结构小型化、便携化：原陀螺测斜地面系统功能强，硬件配置齐全，能够满足陀螺测斜作业的需要；但是它的体积庞大，运输安装极为不便，影响了它的推广使用因此，陀螺测斜地面系统的小型化成为测井行业的趋势和潮流；2. 可靠性：原陀螺测斜地面系统由 CPU 板、深度 A/D 板、通讯接口板、显示驱动板和显示板等组成，把各功能模块组合起来以完成测井信息的采样与处理等功能由于板卡过多，而且在实际测井工作中也经常出现板卡松动的现象，因此需要把板卡整合在一起，既能减小体积，又能提高可靠性；3. USB 接口：传统的测井系统与主机的通信接口一般采用串口进行通信，串口虽然连接方便，可是它的带宽非常有限，传输速度太慢，随着数据量的增大和传输速率的提高，串口通信很难满足数据传输的要求。
而现在生产的 PC 几乎都配备了 USB 接口，Microsoft 的 Windows 系列以及 Mac OS， Linux， FreeBSD 等流行操作系统都增加了对 USB 的支持USB 有很多优点，如：速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、北京航空航天大学硕士学位论文7。