核磁共振測(cè)井儀儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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1引言

隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)，石油勘探技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。核磁共振測(cè)井作為最新的測(cè)井方法，在地層物性測(cè)量方面比常規(guī)測(cè)井更具優(yōu)勢(shì)。從1946年發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象到現(xiàn)在，國(guó)外核磁共振測(cè)井技術(shù)不斷發(fā)展，核磁共振測(cè)井儀種類繁多。其中，Halliburton公司的MRIL－Prime核磁共振測(cè)井儀、Schlumberger公司的CMR－Plus及MRScanner核磁共振測(cè)井儀已在全球范圍內(nèi)推廣使用［2－3］。但是只能獲得核磁共振測(cè)井服務(wù)，卻無(wú)法自主使用核磁測(cè)井儀，這使得我國(guó)一些地區(qū)（比如南海）石油開(kāi)采成為難題。在2012年，我國(guó)中海油田服務(wù)股份有限公司（ChinaOilfieldServicesLimited，COSL）成功研制出國(guó)內(nèi)首支多頻核磁共振測(cè)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(yīng)用效果。為有效激發(fā)地層流體，核磁共振測(cè)井儀在工作過(guò)程中連續(xù)向地層發(fā)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(shí)間間隔最短可達(dá)0．2ms。受限于地面系統(tǒng)瞬時(shí)功率輸出能力和電纜電能傳輸能力，為了保證自旋回波質(zhì)量，每個(gè)脈沖發(fā)射功率不能低于某一數(shù)值，因此核磁共振測(cè)井儀必須配備儲(chǔ)能短節(jié)。儲(chǔ)能短節(jié)的核心是儲(chǔ)能電路對(duì)儲(chǔ)能電容的充放電控制。該文以EMRT為例，根據(jù)脈沖序列扳轉(zhuǎn)角對(duì)能量的要求，說(shuō)明儲(chǔ)能短節(jié)是核磁共振測(cè)井儀的必要組成部分，同時(shí)設(shè)計(jì)一種儲(chǔ)能電路，提出儲(chǔ)能電容容值計(jì)算方法。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井曲線可看出，該設(shè)計(jì)方案能滿足儀器正常工作要求。

2儲(chǔ)能電路對(duì)扳轉(zhuǎn)角的影響

核磁共振測(cè)井作業(yè)期間，儀器通過(guò)向底層發(fā)射90°或180°脈沖產(chǎn)生交變磁場(chǎng)B1，達(dá)到氫核總磁矩扳轉(zhuǎn)和重聚目的，扳轉(zhuǎn)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(chǎng)強(qiáng)度，τ為磁場(chǎng)作用時(shí)間。對(duì)于90°扳轉(zhuǎn)脈沖，θ＝90°為完全扳轉(zhuǎn)，θ＞90°為過(guò)扳轉(zhuǎn)，θ＜90°為欠扳轉(zhuǎn)。同理，對(duì)于180°脈沖，有同樣的定義。為準(zhǔn)確獲取地層信息，在誤差允許范圍內(nèi)，要求扳轉(zhuǎn)角必須達(dá)到90°或180°，這是保證回波質(zhì)量的必要條件［11］。從式（1）中可看出，θ與磁場(chǎng)強(qiáng)度B1、磁場(chǎng)作用時(shí)間τ均成正比關(guān)系，其中B1與儲(chǔ)能電路有直接關(guān)系。通常，電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小成正比。針對(duì)EMRT，當(dāng)工作頻率確定時(shí)，其天線負(fù)載等效阻抗是一定值，因此，B1與脈沖電壓幅值成正比關(guān)系。因此有關(guān)系式B1∝I∝U，故磁場(chǎng)強(qiáng)度B1的大小與天線端電壓成正比關(guān)系。如引言所述，測(cè)井電纜的阻抗對(duì)EMRT測(cè)井儀脈沖發(fā)射有至關(guān)重要的影響。如圖2所示，一個(gè)發(fā)射脈沖由發(fā)射初期和發(fā)射穩(wěn)定期組成。在脈沖發(fā)射初期，天線電壓需要在很短時(shí)間內(nèi)從0上升到直流高壓值，若不采用儲(chǔ)能電路，電纜等效電阻與天線電容會(huì)構(gòu)成具有較大時(shí)間常數(shù)的阻容網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致脈沖在發(fā)射初期就無(wú)法快速達(dá)到直流高壓值；同樣，脈沖穩(wěn)定發(fā)射期間可產(chǎn)生數(shù)安培的瞬時(shí)電流，該電流通過(guò)電纜阻抗形成較大壓降。該壓降直接導(dǎo)致天線兩端電壓幅度降低，發(fā)射功率不足。另外，電纜等效電感在高壓通斷變化過(guò)程中產(chǎn)生數(shù)倍過(guò)電壓，損壞發(fā)射電路。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，磁場(chǎng)作用時(shí)間τ預(yù)先確定，根據(jù)式（1）知，在特定工作頻率下，扳轉(zhuǎn)角θ完全由磁場(chǎng)強(qiáng)度B1決定，在沒(méi)有儲(chǔ)能的情況下，欠扳轉(zhuǎn)情況嚴(yán)重。

3儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能電路原理結(jié)構(gòu)，UHV為儲(chǔ)能電路輸入端，HV＋、HV－通過(guò)測(cè)井電纜連接地面600V直流高壓電源。UCAP為儲(chǔ)能電路輸出端，輸出電壓范圍為600V±5％。

4儲(chǔ)能電容容值計(jì)算

為準(zhǔn)確估算儲(chǔ)能短節(jié)儲(chǔ)能電容總?cè)葜?，脈沖序列發(fā)射期間，假設(shè)該過(guò)程儲(chǔ)能電容電荷量的變化量為ΔQ，此過(guò)程電荷量的變化將導(dǎo)致電容兩端電壓變化量為ΔU，兩者關(guān)系用式（5）：ΔQ＝ΔUCE（5）式中：CE是儲(chǔ)能短節(jié)等效電容。脈沖序列發(fā)射前后，儲(chǔ)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(fā)射過(guò)程儲(chǔ)能電容提供的電荷量，就能估算出CE的大小。儀器發(fā)射一次脈沖序列時(shí)，一方面從儲(chǔ)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(fā)射的電荷量大于從地面獲得的電荷量，使得儲(chǔ)能電容電壓在發(fā)射前后存在電壓差值，與其對(duì)應(yīng)的電荷量，即儲(chǔ)能電容損失的電荷量為：ΔQ＝Qt－Qc（6）式中：Qt為一個(gè)脈沖序列發(fā)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(jù)式（5）和（6）可以得出：CE＝ΔQΔU＝Qt－QcΔU（7）根據(jù)實(shí)際脈沖序列參數(shù)，上式又可以寫(xiě)為：CE＝ΔQΔU＝Imaxt180NE－Ip•TE•NEΔU（8）式中：Imax為發(fā)射180°脈沖時(shí)天線上最大電流值；t180為180°脈沖作用時(shí)間；NE為180°脈沖個(gè)數(shù)；Ip為發(fā)射過(guò)程中地面電源的平均電流；TE為回波間隔。通過(guò)式（8）即可估算儲(chǔ)能電容容值大小。

5實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

為使用儲(chǔ)能電路時(shí)天線端電壓波形；為未用儲(chǔ)能電路時(shí)天線端電壓波形。當(dāng)天線端電壓自由振蕩到波峰或波谷時(shí)，直流高壓通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路施加在天線兩端，中可以看出，帶有儲(chǔ)能電路時(shí)，波峰波谷平滑，波形很好，峰－峰值接近直流高壓，滿足發(fā)射要求；波峰波谷畸變，且低于直流高壓，不滿足發(fā)射要求。

6現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在NMR測(cè)井質(zhì)量控制參數(shù)中，用Aψ表征90°脈沖發(fā)射質(zhì)量，用參數(shù)BRatio表征脈沖序列發(fā)射質(zhì)量。后者定義為脈沖序列最后一個(gè)180°脈沖磁場(chǎng)能量與第一個(gè)180°脈沖磁場(chǎng)能量的比值。一般要求BRatio大于0．95，最低為0．9。

7結(jié)論

根據(jù)脈沖扳轉(zhuǎn)角、射頻場(chǎng)及發(fā)射電壓幅值間的關(guān)系，說(shuō)明儲(chǔ)能電路是核磁共振測(cè)井儀必不可少的組成部分，并設(shè)計(jì)一種可應(yīng)用于井下高溫環(huán)境的儲(chǔ)能電路，提供儲(chǔ)能電容容值計(jì)算方法。從EMRT的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井質(zhì)量控制曲線可以看出，該電路有效實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量脈沖序列發(fā)射。

作者：陳向新 李仙枝 程晶晶 單位：華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院