核磁共振測井儀儲能電路設計與應用

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1引言

隨著能源需求的不斷增長，石油勘探技術面臨新的挑戰。核磁共振測井作為最新的測井方法，在地層物性測量方面比常規測井更具優勢。從1946年發現核磁共振現象到現在，國外核磁共振測井技術不斷發展，核磁共振測井儀種類繁多。其中，Halliburton公司的MRIL－Prime核磁共振測井儀、Schlumberger公司的CMR－Plus及MRScanner核磁共振測井儀已在全球范圍內推廣使用［2－3］。但是只能獲得核磁共振測井服務，卻無法自主使用核磁測井儀，這使得我國一些地區（比如南海）石油開采成為難題。在2012年，我國中海油田服務股份有限公司（ChinaOilfieldServicesLimited，COSL）成功研制出國內首支多頻核磁共振測井儀EM－RT（elismagneticresonancetool）。到目前為止，該儀器已在渤海、南海、山西和伊拉克等油田得到推廣使用，并取得了較好的應用效果。為有效激發地層流體，核磁共振測井儀在工作過程中連續向地層發射滿足一定功率條件的高壓脈沖序列，其寬度從33～90μs不等，脈沖時間間隔最短可達0．2ms。受限于地面系統瞬時功率輸出能力和電纜電能傳輸能力，為了保證自旋回波質量，每個脈沖發射功率不能低于某一數值，因此核磁共振測井儀必須配備儲能短節。儲能短節的核心是儲能電路對儲能電容的充放電控制。該文以EMRT為例，根據脈沖序列扳轉角對能量的要求，說明儲能短節是核磁共振測井儀的必要組成部分，同時設計一種儲能電路，提出儲能電容容值計算方法。從現場測井曲線可看出，該設計方案能滿足儀器正常工作要求。

2儲能電路對扳轉角的影響

核磁共振測井作業期間，儀器通過向底層發射90°或180°脈沖產生交變磁場B1，達到氫核總磁矩扳轉和重聚目的，扳轉角θ由式（1）確定：θ＝γB1τ（1）式中：γ為氫核旋磁比，B1為交變磁場強度，τ為磁場作用時間。對于90°扳轉脈沖，θ＝90°為完全扳轉，θ＞90°為過扳轉，θ＜90°為欠扳轉。同理，對于180°脈沖，有同樣的定義。為準確獲取地層信息，在誤差允許范圍內，要求扳轉角必須達到90°或180°，這是保證回波質量的必要條件［11］。從式（1）中可看出，θ與磁場強度B1、磁場作用時間τ均成正比關系，其中B1與儲能電路有直接關系。通常，電流產生的感應磁場強度與電流大小成正比。針對EMRT，當工作頻率確定時，其天線負載等效阻抗是一定值，因此，B1與脈沖電壓幅值成正比關系。因此有關系式B1∝I∝U，故磁場強度B1的大小與天線端電壓成正比關系。如引言所述，測井電纜的阻抗對EMRT測井儀脈沖發射有至關重要的影響。如圖2所示，一個發射脈沖由發射初期和發射穩定期組成。在脈沖發射初期，天線電壓需要在很短時間內從0上升到直流高壓值，若不采用儲能電路，電纜等效電阻與天線電容會構成具有較大時間常數的阻容網絡，導致脈沖在發射初期就無法快速達到直流高壓值；同樣，脈沖穩定發射期間可產生數安培的瞬時電流，該電流通過電纜阻抗形成較大壓降。該壓降直接導致天線兩端電壓幅度降低，發射功率不足。另外，電纜等效電感在高壓通斷變化過程中產生數倍過電壓，損壞發射電路。在現場應用中，磁場作用時間τ預先確定，根據式（1）知，在特定工作頻率下，扳轉角θ完全由磁場強度B1決定，在沒有儲能的情況下，欠扳轉情況嚴重。

3儲能電路設計

儲能電路原理結構，UHV為儲能電路輸入端，HV＋、HV－通過測井電纜連接地面600V直流高壓電源。UCAP為儲能電路輸出端，輸出電壓范圍為600V±5％。

4儲能電容容值計算

為準確估算儲能短節儲能電容總容值，脈沖序列發射期間，假設該過程儲能電容電荷量的變化量為ΔQ，此過程電荷量的變化將導致電容兩端電壓變化量為ΔU，兩者關系用式（5）：ΔQ＝ΔUCE（5）式中：CE是儲能短節等效電容。脈沖序列發射前后，儲能電容最大允許電壓差值ΔU約為150V，因此若能估算一次脈沖序列發射過程儲能電容提供的電荷量，就能估算出CE的大小。儀器發射一次脈沖序列時，一方面從儲能電容獲得能量；另一方面從地面高壓電源獲得能量，由于發射的電荷量大于從地面獲得的電荷量，使得儲能電容電壓在發射前后存在電壓差值，與其對應的電荷量，即儲能電容損失的電荷量為：ΔQ＝Qt－Qc（6）式中：Qt為一個脈沖序列發射消耗的電荷量；Qc為在此期間從直流高壓獲得的電荷量。根據式（5）和（6）可以得出：CE＝ΔQΔU＝Qt－QcΔU（7）根據實際脈沖序列參數，上式又可以寫為：CE＝ΔQΔU＝Imaxt180NE－Ip•TE•NEΔU（8）式中：Imax為發射180°脈沖時天線上最大電流值；t180為180°脈沖作用時間；NE為180°脈沖個數；Ip為發射過程中地面電源的平均電流；TE為回波間隔。通過式（8）即可估算儲能電容容值大小。

5實驗室測試結果

為使用儲能電路時天線端電壓波形；為未用儲能電路時天線端電壓波形。當天線端電壓自由振蕩到波峰或波谷時，直流高壓通過驅動電路施加在天線兩端，中可以看出，帶有儲能電路時，波峰波谷平滑，波形很好，峰－峰值接近直流高壓，滿足發射要求；波峰波谷畸變，且低于直流高壓，不滿足發射要求。

6現場應用效果

在NMR測井質量控制參數中，用Aψ表征90°脈沖發射質量，用參數BRatio表征脈沖序列發射質量。后者定義為脈沖序列最后一個180°脈沖磁場能量與第一個180°脈沖磁場能量的比值。一般要求BRatio大于0．95，最低為0．9。

7結論

根據脈沖扳轉角、射頻場及發射電壓幅值間的關系，說明儲能電路是核磁共振測井儀必不可少的組成部分，并設計一種可應用于井下高溫環境的儲能電路，提供儲能電容容值計算方法。從EMRT的現場測井質量控制曲線可以看出，該電路有效實現高質量脈沖序列發射。

作者：陳向新 李仙枝 程晶晶 單位：華中科技大學自動化學院 中海油田服務股份有限公司油田技術研究院