西安石油大学电子工程学院：《测井仪器方法及原理》课程教学资源（电子教案）第一章双侧向测井.doc_大学文库

1 第一章双侧向测井双侧向测井是应用最广泛的一种电阻率测井方法，它测量地层电阻率。自然界中不同岩石和矿物的导电能力是不相同的尤其地层中所含流体性质不同时，导电性能差别很大。因此，电阻率是地层的重要的物理参数之一。在油气井中进行电阻率测井是我们寻找和定量确定油气存在的基本方法。根据所测得的电阻率，可以区分含导电流体（如盐水，泥浆滤液）的地层和含非导电流体（如油气）的地层，应用阿尔奇公式，可以计算出地层中油气水的比例： 2 W W S FR   （1-1）式中：  —地层电阻率；RW—地层水电阻率； SW—地层含水饱和度；F——地层因素。电阻率测井是发展最早并一直沿用至今的一种测井方法。最早使用的电阻率测井方法称普通电阻率测井。经改进后，发展成为目前广泛使用的聚焦式电阻率测井，或称侧向测井。自 1950 年，首批侧向测井仪投入商业使用后，老式的普通电阻率测井方法就逐渐被淘汰。 1.1 普通电阻率测井原理为测量某一电阻的阻值 R，可应用一个电源给该电阻供电，测量流过该电阻的电流 I 和电阻两端的电压降 V。由欧姆定律即可求出该电阻的阻值。 I V R  （1-2）普通电阻率测井原理也是采用与此类似的方法，测量地层电阻率。在介质中设置一个供电电极 A，回流电极 B 放在距电极 A 无限远的地方，在距电极 A 一定距离处放置一对测量电极 M,N（见图 1-1），进行电位差测量。假定电极为点电极，介质是均匀无限的，介质电阻率为  。则从电极 A 流出的电流呈辐射状向四面八方均匀散开，等电位面是以 A 为球心的球面，如果测量电极 M,N 与供电电极的距离分别为 AM ， AN （注意电阻  的量纲为   m 长度量纲为 m）则 M 点的电位： AM I VM   4  （1-3） N 点的电位： AN I VN   4  （1-4）式中 I 为电极 A 流出的电流强度（安培）。由上式可得 M,N 两点的电位差 V： I AM AN MN V VM VN  4    电阻率：

12侧向测井 121侧向测井向测井又称聚焦式电阻率测井,电流聚焦测井的电流线沿电极轴线的侧向流入地层,这就是称侧向测井的原由。侧向测井在电阻率测井方法中是一个大家族。按构成电极系的电极数目来分,有三侧向,七侧向,八侧向和九侧向(即双侧向);按探测深度,上述每一种侧向测井又有深侧向,浅侧向之分:按主电流聚焦后的特点,还可分为普通聚焦和球形聚焦和微球形聚焦等。由上看见,侧向测井仪多种多样,但基本原理是相同的。侧向测井与普通电阻率测井的主要区别就在于它的主电流(又称测量电流)是被聚焦以后才流入地层的。普通电阻率测井法的主要缺点是测量电流的一部分沿井筒分流,测量电流不能全部流入地层;另外它也不能深入地层很远,因此,测得的电阻率与地层的真电阻率相差甚远。侧向测井方法就是针对这一问题,对电极系加以改进而发展的一种方法。下面以七侧向加以说明。 MMAMMA 七侧向测井的电极系由七个电极组成,见图1-3,其中A0是主电极M1,M2和NN2是监督电极(又称测量电极):A,A2是一对聚焦电极(又称屏蔽电极)。这三对电极以主电极A0 为中心对称排列。每对同名电极用导线连接短路,使具有相同的电位 VM1=VM,VN1=VN2,VA1=VA2。回流电极B放在无限远处这种电极系结构相当于在梯度电极系的上下附加了一对供电电极。当主电极A向地层发射测量电流L时(又称主电流),聚焦电极A1,A2也向地层发射与同极性的电流I1(称屏蔽电流)。由于同性相斥,主电流L受到屏蔽电流I1的强迫作用侧向流入地层,而不会任意散开。调节l1的大小(调节I也可以),直至两个监督电极M1,N1(M2,N2)的电位相等。监督电极的电位相等就意味着两表间没有电流流过,即测量电流I不沿井筒分流而是全部流入地层。Io的这种状态称为聚焦状态。当然对I1的调节是由电子线路自动完成的图1-3示出了电极系在均匀介质中电流线的分布。由图可见,主电流层厚度(图中阴影部分)在距井眼一段距离内保持恒定。实践证明,对低租围岩和高阻薄层,主电流层也基本保持相同形状。主电流层厚度相当于M1N1的中点与M2N2的中点之间的距离。由于聚焦作用,侧向测井电阻率测井方法大大的减小了泥浆的分流作用和低阻围岩的影响。与普通电阻率测井法相比,它所测的电阻率将更接近地层电阻率的公式假定,介质是均匀无限的,电阻率为p,电极为点状;主电流为I0,屏蔽电流为1,根

3 1.2 侧向测井 1.2.1 侧向测井向测井又称聚焦式电阻率测井，电流聚焦测井的电流线沿电极轴线的侧向流入地层，这就是称侧向测井的原由。侧向测井在电阻率测井方法中是一个大家族。按构成电极系的电极数目来分，有三侧向，七侧向，八侧向和九侧向（即双侧向）；按探测深度，上述每一种侧向测井又有深侧向，浅侧向之分；按主电流聚焦后的特点，还可分为普通聚焦和球形聚焦和微球形聚焦等。由上看见，侧向测井仪多种多样，但基本原理是相同的。侧向测井与普通电阻率测井的主要区别就在于它的主电流（又称测量电流）是被聚焦以后才流入地层的。普通电阻率测井法的主要缺点是测量电流的一部分沿井筒分流，测量电流不能全部流入地层；另外它也不能深入地层很远，因此，测得的电阻率与地层的真电阻率相差甚远。侧向测井方法就是针对这一问题，对电极系加以改进而发展的一种方法。下面以七侧向加以说明。七侧向测井的电极系由七个电极组成，见图 1-3，其中 A0是主电极;M1,M2和 N1,N2是监督电极（又称测量电极）；A1,A2是一对聚焦电极（又称屏蔽电极）。这三对电极以主电极 A0 为中心对称排列。每对同名电极用导线连接短路，使具有相同的电位。 VM1=VM2 ,VN1=VN2 ,VA1=VA2 。回流电极 B 放在无限远处。这种电极系结构相当于在梯度电极系的上下附加了一对供电电极。当主电极 A0向地层发射测量电流 I0时（又称主电流），聚焦电极 A1,A2也向地层发射与 I0 同极性的电流 I1（称屏蔽电流）。由于同性相斥，主电流 I0受到屏蔽电流 I1的强迫作用侧向流入地层，而不会任意散开。调节 I1的大小（调节 I0也可以），直至两个监督电极 M1，N1（M2, N2）的电位相等。监督电极的电位相等就意味着两表间没有电流流过，即测量电流 I0 不沿井筒分流而是全部流入地层。I0的这种状态称为聚焦状态。当然对 I1的调节是由电子线路自动完成的。图 1-3 示出了电极系在均匀介质中电流线的分布。由图可见，主电流层厚度（图中阴影部分）在距井眼一段距离内保持恒定。实践证明，对低租围岩和高阻薄层，主电流层也基本保持相同形状。主电流层厚度相当于 M1N1 的中点与 M 2N2 的中点之间的距离。由于聚焦作用，侧向测井电阻率测井方法大大的减小了泥浆的分流作用和低阻围岩的影响。与普通电阻率测井法相比，它所测的电阻率将更接近地层电阻率的公式。假定，介质是均匀无限的，电阻率为  ，电极为点状；主电流为 I0，屏蔽电流为 I1，根

4 据电场叠加原理，监督电极的电位为： 2 1 2 1 1 1 0 1 0 1 4 4 4 A M I A M I A M I VM          令屏主流比 1 0 n  I I 则 )] 1 1 ( 1 [ 4 0 1 1 1 2 1 0 1 A M A M n A M I VM      （1-8）同理 )] 1 1 ( 1 [ 4 0 1 1 1 2 1 0 1 A N A N n A N I VN      （1-9）式中， A0M1 ， A1M1 ， A2M1 与 A0N1 ， A1N1 ， A2N1 分别为电极 M1和 N1与其相应供电电极间的距离。当 I0达到聚焦状态时，VM1= VN1。由式（1-8），（1-9）可得： ( ) 0 1 0 1 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 A M A N A M A N A M A N A M A N A M A N n         （1-10）由式（1-10）可看出，在均匀介质条件下，屏蔽电流 n 有确定的值（即不变）。在七侧向测井中测量电位差 V0=VM-VN，VN是参考电极 N 的电位，由于电极 N 距离电极 A0，A1，A2，B 为无限远，因此，VN=0 则 ) 1 ( 4 0 1 1 1 2 1 0 0 1 A M n A M n A M I V  VM      （1-11）将式（1-10）代入（1-11），并利用七侧向电极系的对称关系进行代换，可得 0 0 0 1 0 1 2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 4 ( ) I V A A A M A N A M A N A M A N         令电极系常数 K 0 1 0 1 2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 4 ( ) A A A M A N A M A N A M A N K       （1-12） 0 0 I V   K （1-13）将式（1-13）与（1-7）比较，可看出二者在形式上是一样的，二者测量地层电阻率的基本原理不变，都是依据了欧姆定律。在七侧向电极系中，一般用四个参数来表示电极系结构和特性。电极系长度为 L0——它是指电极 A1，A2之间的距离，即 L0  A1A2 。它主要影响侧向测井的探测深度。在一定范围内，L0加长，相应探测深度增加，反之探测深度减小。若 L0 太长，除了使用不方便外，围岩和邻层影响也相应较大。电极距 L——指 M1 N1中点 O1与 M2N2的中点 O2之间的距离，即 L  O1O2 。L 的大小

主要决定七侧向的纵向分层能力,L较小纵向分层能力强,能划分出较薄的地层分布比S一一指电极系长度L0与电极距之比值,即S=2,它主要影响主电流层的形 L 状,S过大不仅要求屏蔽电流过大,而且对测量的影响因素复杂;S过小,主电流聚焦差般取S为3左右较为适宜。这对主电流层基本上沿水平方向流入地层。在均匀介质中, 分布比对主电流层的影响如图1-4所示聚焦系数q一指(LL)几L的比值,即q=(L0-L/L=S-1。它主要决定电极系的电流极间的电位差。式(1-12)给出了K值是在理想条件下计算得到的,它只与电极系的尺寸有关。实际使用时,K值尚需经试验修正。有时把电极系放在已知电阻率的介质中进行测量(例如大水池),根据所测得的等效电阻 R 来确定K值 K-p (1-14) Ro 122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。它有恒流式,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l恒定,只测量主电极(通常用监督电极M1和M2代替)至无穷远电极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L恒定,在地层电阻率变化范围很大时,要求仪器电压监测系统的动态范围要很大,这在电路设计上是很困难的。比如地层电阻率从192.m到1000092·m,即变化了104 倍,要求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,而对于大信号又会出现饱和失真。因此恒流式仪器对于高阻和低阻地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,三,七侧向和微侧向均采用这种工作方式 (2)恒压式:采用恒压式,主电极表面电位恒定,只测量主电流。显然测量地层的电率越低,提供测量的电流信号就越大,相应的测量误差小,因此,恒压式仪器适用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,但测量动态范围小 (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19·m变到100009·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因故 Pm==.m=100100104 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

5 主要决定七侧向的纵向分层能力，L 较小纵向分层能力强，能划分出较薄的地层。分布比 S——指电极系长度 L0与电极距之比值，即 L L S 0  ，它主要影响主电流层的形状，S 过大不仅要求屏蔽电流过大，而且对测量的影响因素复杂；S 过小，主电流聚焦差。一般取 S 为 3 左右较为适宜。这对主电流层基本上沿水平方向流入地层。在均匀介质中，分布比对主电流层的影响如图 1-4 所示。聚焦系数 q—指（L0-L）/L 的比值，即   1 q  L0  L L  S  。它主要决定电极系的电流极间的电位差。式（1-12）给出了 K 值是在理想条件下计算得到的，它只与电极系的尺寸有关。实际使用时，K 值尚需经试验修正。有时把电极系放在已知电阻率的介质中进行测量（例如大水池），根据所测得的等效电阻 0 0 0 I V R  来确定 K 值： R0 K   （1-14） 1.2.2 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。它有恒流式，恒压式，自由式和恒功率式四种。这四种方式的特点如下： ⑴ 恒流式：保持主电流 I0恒定，只测量主电极（通常用监督电极 M1和 M2代替）至无穷远电极 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 I0 恒定，在地层电阻率变化范围很大时，要求仪器电压监测系统的动态范围要很大，这在电路设计上是很困难的。比如地层电阻率从 1  m 到 10000  m ，即变化了 10 4 倍，要求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，而对于大信号又会出现饱和失真。因此恒流式仪器对于高阻和低阻地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，三，七侧向和微侧向均采用这种工作方式。 ⑵ 恒压式：采用恒压式，主电极表面电位恒定，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就越大，相应的测量误差小，因此，恒压式仪器适用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，但测量动态范围小。 ⑶ 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 1  m 变到 10000  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。因 100 min max  V V 100 min max  I I 故 4 min max min max min max    100 100  10 I I V V   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。 ⑷ 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,只要知道它们的比值即可。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到104倍。恒功率式在测量过程中保持IV成绩不变,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,可以或得比自由式更宽的测量动态范围。比如,保持测量功率(W)等于06μW,设电极系系数K=1,测量电压介于0.3—200mV之间。测量电流介于 3uA~2000uA之间。那么仪器可测量的电阻率范围是: 200m =66.6Kg 3A4 当然,实际仪器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,如果不采用计算机控制,进行恒功率测量是不可能的 13求商式双侧向测井仪双侧向是在三,七侧向的基础上发展起来的,它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较好的聚焦特性,并可以同时进行深浅两种探测深度的电阻率测量,所以它完全取代了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,邻近侧向测井仪)组合下井测量。后者用来测量冲洗带电阻率R 13.1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 个环形电极,镶嵌在一个圆柱形的绝缘棒上。主电极A0位于中央,在电极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,M1和N1,N1为两对监督电极;电极A A和A2,A2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于短 ,即A2与A1(42与)保持等电位,屏蔽电流I与主电流l为同极性。由于附加的屏蔽电极A2,A较长增强了屏蔽电流对主电流的聚焦作用(屏蔽作用),因此主电流层进入地层深处采发散,如图1-5左边。由于探测深度深,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。对浅侧向测量时,电极A2,H2起着回流电极B的作用,即电极A2与A1(H与A1)

6 电流的实际值，只要知道它们的比值即可。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 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到 10 4倍。恒功率式在测量过程中保持 IV 成绩不变，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，可以或得比自由式更宽的测量动态范围。比如，保持测量功率（W）等于 0.6µW，设电极系系数 K=1，测量电压介于 0.3—200mV 之间。测量电流介于 3µΑ~2000µΑ之间。那么仪器可测量的电阻率范围是：K m A mV V V   66.6   3 200 min max  即当然，实际仪器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，如果不采用计算机控制，进行恒功率测量是不可能的。 1.3 求商式双侧向测井仪双侧向是在三，七侧向的基础上发展起来的，它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较好的聚焦特性，并可以同时进行深浅两种探测深度的电阻率测量，所以它完全取代了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，邻近侧向测井仪）组合下井测量。后者用来测量冲洗带电阻率 Rx0。 1.3.1 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 个环形电极，镶嵌在一个圆柱形的绝缘棒上。主电极 A0位于中央，在电极 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 , M1  和 N1，N1  为两对监督电极；电极 A1， A1  和 A2， A2  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于短路，即 A2 与 A1（ A2  与 A1  ）保持等电位，屏蔽电流 I1与主电流 I0为同极性。由于附加的屏蔽电极 A2 ， A2  较长增强了屏蔽电流对主电流的聚焦作用（屏蔽作用），因此主电流层进入地层深处采发散，如图 1-5 左边。由于探测深度深，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。对浅侧向测量时，电极 A2 ，A2  起着回流电极 B 的作用，即电极 A2 与 A1（ A2  与 A1  ）

为反极性。电极间相当于绝缘,从而削弱了屏蔽电流对主电流的聚焦作用,主电流层进入地层不远的地方就发散了,如图1-5右边,由于探测深度浅,所测得的电阻率受侵入带的影响较大。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。通常,双侧向的深侧向主电流层在距井轴18m之后发散。主电极Ao的中点为双侧向的深度记录点 13.2仪器的工作原理框图井下仪器的原理框图示于图1-7,它由浅测向屏流源,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了+15V和-5V直流工作电源,控制信号发生器由振荡器和分频器组成。它产生32HZ和128HZ方波信号,为整个下井仪器中的斩波器,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(32HZ)和浅侧向屏流的工作频率(128HZ)。下面以浅侧向为例说明仪器的工作原理(图1-8)。屏流电极A1,A首先向地层发射128HZ浅屏流(返回主电极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A发射主电流I, 并且与屏流有相同的极性。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小。这是一个负的反馈过程,因此,实际上在M1和N1之间(监督回路输入端)只保留一个很小的剩余电压信号。监控回路的增益越高,这个剩余信号愈小。这时,可以认为监督电极 1,N1为等电位。由此可见,监督回路的作用是产生主电流,并自动的调节主电流的大小,以保持监督电极电位M1和N1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,只是频率不同,为32HZ,为了同时进行深侧向和浅侧向同时测量,必须采用两种工作频率。通常浅侧向的工作频率是深侧向工作频率的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0025Ω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Ib和浅侧向主电流Is 电压检测电路测量电极M1相当于参考电极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Ⅴ2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解调器把信号还原。依据基本公式p=K,电压和电流信号相除(求商)后即得地层电阻率p,ps,所以这种工作方式称求商式 13.3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524288HLZ的方波振荡器,方波信号经由第二和第二集成块组成的14位二进制分频器分频后,产生频率为512,128,32HZ的三种方波信号,32HZ的方波信号作为深侧向的斩波器和相敏检波器的控制信号(JD,D);128HZ的方波信号则作为浅侧向的斩波器和相敏检波器的控制信

7 为反极性。电极间相当于绝缘，从而削弱了屏蔽电流对主电流的聚焦作用，主电流层进入地层不远的地方就发散了，如图 1-5 右边，由于探测深度浅，所测得的电阻率受侵入带的影响较大。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。通常，双侧向的深侧向主电流层在距井轴 1.8m 之后发散。主电极 A0的中点为双侧向的深度记录点。 1.3.2 仪器的工作原理框图井下仪器的原理框图示于图 1-7，它由浅测向屏流源，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了+15V 和-15V 直流工作电源，控制信号发生器由振荡器和分频器组成。它产生 32HZ 和 128HZ 方波信号，为整个下井仪器中的斩波器，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（32HZ）和浅侧向屏流的工作频率（128HZ）。下面以浅侧向为例说明仪器的工作原理（图 1-8）。屏流电极 A1， A1  首先向地层发射 128HZ 浅屏流（返回主电极 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 I0，并且与屏流有相同的极性。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小。这是一个负的反馈过程，因此，实际上在 M1 和 N1 之间（监督回路输入端）只保留一个很小的剩余电压信号。监控回路的增益越高，这个剩余信号愈小。这时，可以认为监督电极 M1，N1为等电位。由此可见，监督回路的作用是产生主电流，并自动的调节主电流的大小，以保持监督电极电位 M1和 N1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，只是频率不同，为 32HZ，为了同时进行深侧向和浅侧向同时测量，必须采用两种工作频率。通常浅侧向的工作频率是深侧向工作频率的 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 ID和浅侧向主电流 IS。电压检测电路测量电极 M1相当于参考电极 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 解调器把信号还原。依据基本公式 0 0 I V   K ，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。 1.3.3 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 524.288HZ 的方波振荡器，方波信号经由第二和第二集成块组成的 14 位二进制分频器分频后，产生频率为 512，128，32HZ 的三种方波信号，32HZ 的方波信号作为深侧向的斩波器和相敏检波器的控制信号（ D f , D f ）；128HZ 的方波信号则作为浅侧向的斩波器和相敏检波器的控制信

8 号（ S f , S f ）。双侧向和微侧向仪器组合测井时（常如此），512HZ 信号供微侧向测井仪使用。 2. 浅屏流源浅屏流源由前置放大器，斩波调制放大器，带通滤波器和功率放大器组成。 ⑴ 前置放大器第一级前置放大器为差动放大器，由运算放大器 A1构成。A1同相端输入信号为 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 1 1 3 4 15 4    R j R C R KP  （1-15）将各元件值代入上式计算可得  1 KP ，故 A1的输出为： Va  V2D VCW 2 （1-16） ⑵ 斩波调制放大器见左图，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：在 13，14 端为高电平，11，12 端为低电平时，它的 1，3 端跟 2， 4，6，8 端接通，而 5，7 端悬空；当 13，14 为低电平，11，12 端为高电平时，它的 1，3 悬空，而 5，7 跟 2，4，6，8 端接通。根据 IC4的功能，当浅侧向 128HZ 信号 S f 为高电平（ S f 为低电平）时，c 点接地， b 点悬空，运算放大器的增益为： 1 4.99 4.99 10 5 6 10        R R R 当 S f 为低电平（ S f 为高电平）时，b 点接地，c 点悬空，运算放大器 A2的增益为: 1 3 4.99 4.99 4.99 10 4.99 7 8 9 9 6 10 6          R R R R R R R 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 128HZ 的方波电压信号。方波信号经 R11，R12分压后输出至带通滤波器。 ⑶ 带通滤波器具有带通滤波功能的有源滤波器有多种形式。侧向测井仪器中所用电路为多路负反馈有源滤波器，如左图。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 32HZ。假使 Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，分别为各无源元件的导纳，即 13 1 1 R Y  ， 2 C3 Y  j ， 14 3 1 R Y  ， 4 C4 Y  j ， 15 5 1 R Y  ，则左上图可画成左下图，由左下图考虑运算放大器反

9 相端为虚地，可列出 a，b 节点方程如下： 0  Y4V b  Y5V o  ( ) 0 Y1  Y2  Y3  Y4 V b  Y1V i  Y2V o  解上述两个方程，可得滤波器的传递函数： 1 2 3 4 5 2 4 1 4 (Y Y Y Y )Y Y Y Y Y KP        将 Y ～Y5的替代元件值代入化简得： K Q j j KP      1 1 ( ) ( ) 0 2 0 0        （1-17）式中，ω0为通带中心角频率，其值为：（f0为中心频率）： 13 14 16 3 4 0 ( ) 1 R  R R C C   （1-18） Q  f f 0 为品质因素， f 为通频带宽度，K 为通带增益（ω=ω0，Q=1）。其表达式为： 3 4 16 13 14 16 3 4 ( ) ( ) C C R R R R C C Q    （1-19） 13 14 16 3 4 13 3 (R R )R C C R C K   （1-20）调节 R14下面的电位器，保持中心频率为 f 128HZ 2 0     因此，128HZ 的方波信号输入滤波器后，在输出端将得到频率为 128HZ 的正弦波信号。 ⑷ 功率放大器见左图，功率放大器由运算放大器 A4和功率放大器组件 823 配接而成。该电路接成跟随器形式，具有输入阻抗高，输出阻抗近似为零和一定的输出功率，在常温下输出功率为 5W。 3. 监督回路如前所述，该电路的主要功能是监测监督电极间的电位差，控制产生深浅侧向主电流，维持两监督电极的电位近似相等，达到聚焦主电流的目的。由于所检测的电流是虚地的，信号又很微弱，因此前置放大器采用了差动放大器，由因为需要放大的信号包含 32HZ 和 128HZ 两种频率，因此在前置放大器后接选频放大器。选频放大的输出经功率放大产生 32HZ 和 128HZ 两种频率的主电流供 A0电极。 ⑴ 高输入阻抗差动放大器见上图，放大器由 A1，A2，A3三个运算放大器组成，它采用双端输入，单端输出的结构。具有闭环输入阻抗高，放大倍数高，共模抑制比高和低输出阻抗，低噪声，低功耗的特

西安石油大学电子工程学院：《测井仪器方法及原理》课程教学资源（电子教案）第一章 双侧向测井

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