综合录井仪系统研究

　　摘 要：综合录井仪是集地质录井、钻井工程和信息评价于一体的钻井监测、资料录取系统。数据采集单元作为综合录井仪的核心部分，是获取原始井场数据的唯一来源。目前国内外综合录井仪规格多达几十种，数据采集单元在格式标准和硬件匹配上，矛盾尤显突出。不仅造成仪器使用繁杂，还给后期的维修和维护工作带来难度。进而导致培训难度大、服务成本高等问题，严重影响服务质量。为满足生产标准化需求，规范井场数据采集技术，实现开放性数据共享，分析并应用气体采集系统。 

　　关键词：综合录井仪；通讯方式；气体系统 

　　录井技术是油气勘探开发活动中最基本的技术，是在油气钻井施工中能及时获取井下各种信息从而为油气勘探开发和钻井施工提供决策依据的一种方法技术，是发现油气藏、评价油气藏最及时、最直接的手段。国内各大录井公司都在组织科技力量改造、研制、开发自己的设备，提高工作人员的整体素质，以市场为导向，以技术求发展。综合录井仪是集地质录井、钻井工程和信息评价于一体的钻井监测、资料录取系统。数据采集单元作为综合录井仪的核心部分，是获取原始井场数据的唯一来源。 

　　目前国内外综合录井仪规格多达几十种，数据采集单元在格式标准和硬件匹配上，矛盾尤显突出。不仅造成仪器使用繁杂，还给后期的维修和维护工作带来难度。进而导致培训难度大、服务成本高等问题，严重影响服务质量。 

　　解决录井仪器使用过程存在的品种、规格过多带来的实际问题，涉及到录井仪器从局部到整体标准化过程。文章参考相关资料和实践结果对综合录井仪系统进行研究。 

　　一、工程采集模块 

　　针对法国ALS综合录井仪，研究其数据采集系统的软、硬件数据处理技术和管理方法。 

　　二、气体采集模块 

　　（一）工程采集模块。工程数据采集单元实现井场多个传感器信号源信息的自动采集、整合，并按照一定的通讯方式，通过工程数据采集软件，实现传感器实时数据向综合录井软件的传输共享。包括采集硬件和传输软件两部分。设计和开发综合录井仪通用数据采集系统硬件单元，包括信号调理单元和数据采集计算机系统，前者主要作用是信号预处理，后者则属于上位采集计算机，安装工程数据采集软件。 

　　（1）SLJK-II采集硬件。在数据源方面，录井现场传感器已经使用工业标准的4～20mA电流型传感器和脉冲频率传感器。因此通用数据采集接口研制应在传感器的电性匹配、通用型信号调理电路设计和外型设计上实现简化和通用化。基本设计思路是规范信号的输入输出特性，研制调理电路，开发出信号调理的硬件“黑匣子”。同时考虑到生产实际需求，在信号处理流程中增加防爆功能和防雷击功能设计。 

　　（2）工程采集软件分析。在获得仪器传输格式化的基础上，开发工程数据采集软件，一方面完成对硬件单元的信号读取，一方面在完成必要的计算后，将数据传输到录井软件中，实现数据共享。该软件模块主要由系统初始化、数据显示模块、传感器信号采集模块、信号标定模块数据共享传输模块5部分组成。系统初始化模块主要完成用户对通讯卡和网络进行配置，数据显示模块实时显示采集传感器信号的变化状况，传感器信号采集模块完成对信号采集板卡原始信号的实时读取，信号标定模块完成采集电信号与对应物理量间的变化关系，数据共享传输模块完成以匹配的通讯协议向上位采集计算机传输数据。 

　　（3）数据共享传输模块。用户设置软件所应用的仪器类型及传输方法，进一步完成参数的传输。数据传输格式大体有两种，一是通用的WITS格式数据传输，能够为接收WITS格式的仪器传输数据；二是特殊格式传输，即针对特殊仪器，能够应用于3种主流综合录井仪，包括 

　　Advantage、ALS系列及SL-EXPLORERZH-2仪器。传输方式有串口和网络两种，基本上适应于各种综合录井仪。 

　　（二）色谱采集模块。（1） SLSP-2K快速色谱仪。快速色谱分析的主要指导思想则是在保证分离度和灵敏度的前提下，注重分析速度的提高。一个溶质被注射到色谱仪后，会形成一个谱带，它象一个塞子状的气体，其形状应该是圆柱形的，如将其描述为色谱峰，其峰形应该是矩形的。随着色谱过程的进行，这一柱塞形的气流会因扩散或其他因素的影响而逐渐变形，至离开色谱柱而进入检测器时，它已经成为一个高斯型的峰了。在峰上的任一点上，溶质的浓度符合正态分布。任何一个色谱过程，基本上都是谱带展宽的过程。色谱峰越窄，分析周期就可以越少，所以减少谱带宽度是快速色谱分析的主要方法。①气体分配单元。气体分配单元：为气体分析单元提供各种配气和对分析用气进行预处理。主要功能：对钻井液出、入口脱出样品气进行吸入并送入各分析系统。对空气、氢气和样品气进行干燥、净化处理。对空气、氢气和样品气进行稳压、稳流控制。②气体分析单元。分析单元作为SLSP-2K快速色谱仪的核心部分，主要分为气体分析单元和仪器控制系统两大单元。通过两套独立 

　　FID氢火焰离子化检测器系统，可同时分析样品气中总烃含量和C1～C5含量。SLSP-2K快速色谱仪的分析单元中，使用了氢气作载气，空气作助燃气。样品气经干燥和过滤后，由样品泵吸入，经稳压控制后，一路直接进入总烃FID检测器；另一路通过十通阀，由定量管到色谱柱，经过色谱预柱和主色谱柱的分离后，进入FID检测器进行组分分析。组分分析采用单定量管，双柱单流程，整个分析周期分为分析周期和反吹周期。 

　　（2）检测器系统。SLSP-2K快速色谱仪的检测范围要求从1ppm到100%的样品浓度，检测器的线性范围和灵敏度要求很高。我们在吸收了美国VARIAN公司FID检测器技术的基础上重新研制了小型FID检测器，满足了仪器的需要。FID检测器的性能依赖于气体流量的合适选择。设计的基本原则：氢气、样气、助燃气混合比（1：0.5：15）可以获得高的响应值和好的稳定性。使用中氢气做载气，可省掉一路载气。 

　　（3）气路系统。气路系统包括：进样、各种气体的净化处理、各种气体管路及其压力与流量控制、样品泵、流量计、检测器等。SLSP-2K快速色谱仪采用了8812和8831型的色谱专业气体稳压阀和针形阀。8812型稳压阀是磨片式稳压方式，该稳压阀受压截面大，受压敏感，稳压效果好。磨片式稳压方式较传统的波纹管式稳压阀稳压效果上要高出一个档次，常规录井仪器只在样品气上使用了磨片式稳压方式，空气助燃和氢气由于造型的限制均没有采用磨片式稳压阀。8831型针形阀由于具有压力选择性，同时，在8812高稳压精度的条件下，8831型可进行气体流量的精细调节，保证输出稳定的分析用气。另外，为配合FID氢火焰离子化检测器，建立起高质量的气路分析系统。在气路上进行优化设置，合理配置分析监视系统，在工艺措施上进行了针对性的设计，包括：样品气的放空、放空比例选择，样品的流径、流速、阻尼等，建立了较为理想的气路分析系统。 

　　（4）电器系统。电器系统是仪器控制的核心，要求技术指标高、自动化程度高、可靠性高、操作简便、维修方便等。在设计上采用集散式控制系统，模块化设计，将硬件按功能划分为5个模块，分别为控制模块、数据采集模块、FID微电流放大器模块、传感器模块、驱动模块等，与计算机系统共同组成完整的仪器控制系统。1）微电流放大器。使用常规放大器无法检测如非常小的电流，我们选用超高阻抗、低噪声低漂移、静电计级集成放大器AD549作为放大器。同时，又由于检测范围十分宽，从最小检知浓度1ppm～100%，所以将放大器量程分为两档，高灵敏度档可以检测从1ppm到1%的组分或总烃浓度，低灵敏度档可以检测0.1%到100%的组分或总烃浓度。量程可以由操作人员根据检测到的信号手动切换，也可以由色谱工作站软件根据采集到的信号自动切换，保证了检测最小分辨率和100%浓度的检测要求。FID放大器由于输入阻抗高，放大倍数高，灵敏度极高，极易受到外界干扰和产生自激震荡，在设计上进行了许多设计保障，如精心设计电路板元件布局和走线、选择电路板材等，最大限度地降低、避免干扰，解决了FID放大器的噪声和前级的平衡问题，消除前末级之间的干扰，提高了放大器精度和可靠性，使放大器的本底噪声达到10μV以下。2）数据采集系统。当前市场上有许多数据采集产品，采样速率可从几十到几百K/s，但多数采用16位以下A/D，从采集分辨率和线性范围上都无法满足色谱谱图采集的要求。要提高采集分辨率和线性范围必须提高A/D采集的位数，但随着A/D采集位数升高，采集速率急剧下降，目前国内有分辨率达到20位的数据采集产品，它们的采样速率仅为10次/秒以下，精度和采集速率都无法满足色谱峰的检测。因此，与色谱工作站软件厂家合作，使用高精度的24位A/D转换器，由单片机控制，组成双通道数据采集器，采集频率达到20次/秒，满足了快速色谱仪的谱图采集要求，其技术指标为：最小分辨率：1μV；输入电压范围： 

　　-1.3V～+1.3V；动态范围：107；线性度：±0.005%。3）通讯系统。SLSP-2K快速色谱仪采用集散式控制系统，仪器内部的控制系统、数据采集系统和计算机互相独立工作，控制系统和采集系统通过串口和计算机系统联系，计算机系统既可以通过串口和上位机通讯也可以通过网络接口和上位机通讯。 

　　三、成果 

　　通过研究综合录井仪工程及气体数据核心单元，包括数据采集系统、色谱分析系统的基于串口通讯方式和基于TCP/IP通讯方式的技术原理，掌握了串口通讯方式和基于TCP/IP通讯方式的多种数据通讯类型，设计开发了综合录井仪通用采集器，包括工程数据软硬采集单元和色谱气体采集软件，初步实现了通用性软硬件与国外进口综合录井仪软件的技术配套。 

　　（1）完成工程信号采集接口软硬件开发。针对目前国内外市场上的主流综合录井仪，研发了适合目前多种录井仪器的数据采集单元，形成标准数据采集系统流程和技术规范。（2）色谱仪通用数据接口研制，研发了标准化色谱仪数据工作站。 

　　随着国内市场进口综合录井仪服役时间加长，仪器逐渐进入故障多发期，通过该研究成果能够实现硬件技术配套，从而解决仪器故障维修和技术改造的现实问题，降低仪器整体运行费用，具有广阔应用前景。 

　　参考文献： 

　　[1] 田在艺.中国石油工业的发展[J].石油实验地质，2001，23（1）：3-7. 

　　[2] 武庆河.Datalog综合录井系统[J].录井技术，2002，13（1）：41-44.