隨鉆測井系統(tǒng)井下的設(shè)計
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隨鉆測井LWD(Logging WhiIe Drilling)技術(shù)是將測井儀器安裝在靠近鉆頭的部位，在地層剛鉆開后就測量地層各種信息的一種測井方法。它通過測量地層傾角和方位、鉆頭方向、鉆壓、扭矩等，進(jìn)行鉆井定向控制，測量地層的電阻率、自然電位、自然伽馬、密度／中子、核磁、聲波時差等。LWD在鉆井的過程中測量地層巖石物理參數(shù)，并用數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng)將測量結(jié)果實時送到地面進(jìn)行處理，形成地層評價。由于當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的限制，大量的數(shù)據(jù)仍存儲在井下儀器的存儲器中，起鉆后回放。其測量結(jié)果克服了井眼擴(kuò)徑、泥漿入侵等一系列環(huán)境條件的影響。隨鉆測井可實時提供地層和井深信息，對地層做出快速評價，優(yōu)化井眼軌跡和地質(zhì)目標(biāo)，指導(dǎo)鉆進(jìn)。特別是在疑難井、大斜度井、水平井中，它顯示出比電纜測井更為重要的作用。LWD系統(tǒng)主要由2部分組成：地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)。如圖1所示。
地面系統(tǒng)包括：上位機(jī)PC、接口卡、專用電纜、增效箱以及其他附屬配件。其中主機(jī)裝有LWD系統(tǒng)專用地質(zhì)導(dǎo)向鉆井配套軟件Insite。
井下系統(tǒng)包括：總線控制器(HCIM)、隨鉆自然伽馬測量儀(DGR)、隨鉆電阻率測量儀(EWR)、隨鉆中子傳感器(CNP)、隨鉆巖石密度傳感器(SLD)、工具串振動傳感器(DDS)、探管(PCD)。
由此可見，LWD井下系統(tǒng)有大量傳感器對不同參數(shù)進(jìn)行測量，耗電量非常大。由于每次鉆井設(shè)備下井都要耗費大量人力物力，而且一旦下井，鉆井設(shè)備會在地下持續(xù)長時間工作，而且鉆井深度可達(dá)幾千米，只能通過安裝在鉆頭附近的電池供電。隨鉆測井系統(tǒng)的供電由2組鋰電池(3．6 V)并聯(lián)組成，每組6節(jié)串聯(lián)，構(gòu)成21 V直流電源。電池儲能是有一定限制的。例如渤海油田的B20井就是應(yīng)用LWD技術(shù)，測量井段為2 102～3 073 km，連續(xù)工作5天。其他應(yīng)用LWD鉆井技術(shù)的石油井也是如此，有些LWD傳感器甚至要連續(xù)在井下工作半個月之久。因此降低系統(tǒng)功耗就是隨鉆測井系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮的一個十分重要的問題。
1 低功耗電路設(shè)計的基本原則
對于典型系統(tǒng)而言，其功耗大致滿足：P=C×V2×f。C是電容負(fù)載，V是電源電壓，f是開關(guān)頻率。功耗與工作電壓的平方成正比，因此工作電壓對系統(tǒng)的功耗影響最大，其次是工作頻率。電容負(fù)載也會有一些影響，但電容負(fù)載對設(shè)計人員而言一般是不可控的。因此設(shè)計低功耗系統(tǒng)，應(yīng)該考慮在不影響系統(tǒng)性能前提下，盡可能地降低工作電壓和使用低頻率的時鐘。
對于隨鉆測井系統(tǒng)，由于傳感器在地下幾千米工作，溫度極高，工作空間狹小，在設(shè)計上就提出了其他一些挑戰(zhàn)。在高溫下，電容等器件的性能會減半，因此在進(jìn)行器件選型時，這些因素都考慮其中。
另外，動態(tài)功耗管理也是降低功耗的有效途徑。動態(tài)功耗管理是當(dāng)前最重要的系統(tǒng)功耗優(yōu)化技術(shù)之一。它根據(jù)系統(tǒng)各模塊性能，動態(tài)地配置系統(tǒng)，使系統(tǒng)中各功能模塊處于滿足性能需求所需的最低功耗狀態(tài)，從而實現(xiàn)節(jié)省功耗的目的。
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