核磁共振测井仪储能电路设计与应用

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1引言

随着能源需求的不断增长，石油勘探技术面临新的挑战。核磁共振测井作为最新的测井方法，在地层物性测量方面比常规测井更具优势。从1946年发现核磁共振现象到现在，国外核磁共振测井技术不断发展，核磁共振测井仪种类繁多。其中，Halliburton公司的MRIL－Prime核磁共振测井仪、Schlumberger公司的CMR－Plus及MRScanner核磁共振测井仪已在全球范围内推广使用［2－3］。但是只能获得核磁共振测井服务，却无法自主使用核磁测井仪，这使得我国一些地区（比如南海）石油开采成为难题。在2012年，我国中海油田服务股份有限公司（ChinaOilfieldServicesLimited，COSL）成功研制出国内首支多频核磁共振测井仪EM－RT（elismagneticresonancetool）。到目前为止，该仪器已在渤海、南海、山西和伊拉克等油田得到推广使用，并取得了较好的应用效果。为有效激发地层流体，核磁共振测井仪在工作过程中连续向地层发射满足一定功率条件的高压脉冲序列，其宽度从33～90μs不等，脉冲时间间隔最短可达0．2ms。受限于地面系统瞬时功率输出能力和电缆电能传输能力，为了保证自旋回波质量，每个脉冲发射功率不能低于某一数值，因此核磁共振测井仪必须配备储能短节。储能短节的核心是储能电路对储能电容的充放电控制。该文以EMRT为例，根据脉冲序列扳转角对能量的要求，说明储能短节是核磁共振测井仪的必要组成部分，同时设计一种储能电路，提出储能电容容值计算方法。从现场测井曲线可看出，该设计方案能满足仪器正常工作要求。

2储能电路对扳转角的影响

核磁共振测井作业期间，仪器通过向底层发射90°或180°脉冲产生交变磁场B1，达到氢核总磁矩扳转和重聚目的，扳转角θ由式（1）确定：θ＝γB1τ（1）式中：γ为氢核旋磁比，B1为交变磁场强度，τ为磁场作用时间。对于90°扳转脉冲，θ＝90°为完全扳转，θ＞90°为过扳转，θ＜90°为欠扳转。同理，对于180°脉冲，有同样的定义。为准确获取地层信息，在误差允许范围内，要求扳转角必须达到90°或180°，这是保证回波质量的必要条件［11］。从式（1）中可看出，θ与磁场强度B1、磁场作用时间τ均成正比关系，其中B1与储能电路有直接关系。通常，电流产生的感应磁场强度与电流大小成正比。针对EMRT，当工作频率确定时，其天线负载等效阻抗是一定值，因此，B1与脉冲电压幅值成正比关系。因此有关系式B1∝I∝U，故磁场强度B1的大小与天线端电压成正比关系。如引言所述，测井电缆的阻抗对EMRT测井仪脉冲发射有至关重要的影响。如图2所示，一个发射脉冲由发射初期和发射稳定期组成。在脉冲发射初期，天线电压需要在很短时间内从0上升到直流高压值，若不采用储能电路，电缆等效电阻与天线电容会构成具有较大时间常数的阻容网络，导致脉冲在发射初期就无法快速达到直流高压值；同样，脉冲稳定发射期间可产生数安培的瞬时电流，该电流通过电缆阻抗形成较大压降。该压降直接导致天线两端电压幅度降低，发射功率不足。另外，电缆等效电感在高压通断变化过程中产生数倍过电压，损坏发射电路。在现场应用中，磁场作用时间τ预先确定，根据式（1）知，在特定工作频率下，扳转角θ完全由磁场强度B1决定，在没有储能的情况下，欠扳转情况严重。

3储能电路设计

储能电路原理结构，UHV为储能电路输入端，HV＋、HV－通过测井电缆连接地面600V直流高压电源。UCAP为储能电路输出端，输出电压范围为600V±5％。

4储能电容容值计算

为准确估算储能短节储能电容总容值，脉冲序列发射期间，假设该过程储能电容电荷量的变化量为ΔQ，此过程电荷量的变化将导致电容两端电压变化量为ΔU，两者关系用式（5）：ΔQ＝ΔUCE（5）式中：CE是储能短节等效电容。脉冲序列发射前后，储能电容最大允许电压差值ΔU约为150V，因此若能估算一次脉冲序列发射过程储能电容提供的电荷量，就能估算出CE的大小。仪器发射一次脉冲序列时，一方面从储能电容获得能量；另一方面从地面高压电源获得能量，由于发射的电荷量大于从地面获得的电荷量，使得储能电容电压在发射前后存在电压差值，与其对应的电荷量，即储能电容损失的电荷量为：ΔQ＝Qt－Qc（6）式中：Qt为一个脉冲序列发射消耗的电荷量；Qc为在此期间从直流高压获得的电荷量。根据式（5）和（6）可以得出：CE＝ΔQΔU＝Qt－QcΔU（7）根据实际脉冲序列参数，上式又可以写为：CE＝ΔQΔU＝Imaxt180NE－Ip•TE•NEΔU（8）式中：Imax为发射180°脉冲时天线上最大电流值；t180为180°脉冲作用时间；NE为180°脉冲个数；Ip为发射过程中地面电源的平均电流；TE为回波间隔。通过式（8）即可估算储能电容容值大小。

5实验室测试结果

为使用储能电路时天线端电压波形；为未用储能电路时天线端电压波形。当天线端电压自由振荡到波峰或波谷时，直流高压通过驱动电路施加在天线两端，中可以看出，带有储能电路时，波峰波谷平滑，波形很好，峰－峰值接近直流高压，满足发射要求；波峰波谷畸变，且低于直流高压，不满足发射要求。

6现场应用效果

在NMR测井质量控制参数中，用Aψ表征90°脉冲发射质量，用参数BRatio表征脉冲序列发射质量。后者定义为脉冲序列最后一个180°脉冲磁场能量与第一个180°脉冲磁场能量的比值。一般要求BRatio大于0．95，最低为0．9。

7结论

根据脉冲扳转角、射频场及发射电压幅值间的关系，说明储能电路是核磁共振测井仪必不可少的组成部分，并设计一种可应用于井下高温环境的储能电路，提供储能电容容值计算方法。从EMRT的现场测井质量控制曲线可以看出，该电路有效实现高质量脉冲序列发射。

作者：陈向新 李仙枝 程晶晶 单位：华中科技大学自动化学院 中海油田服务股份有限公司油田技术研究院