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
号(∫s,Js)。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。 (1)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,Ⅴw是+l5V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 R K (1-15) R, JOR, CIS +I 将各元件值代入上式计算可得Kp=-1,故A1的输出为: Va =2v2D-VcH (1-16) (2)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为高电平(∫s为低电平)时,c点接地 b点悬空,运算放大器的增益为: R 0 R5+R6 当∫s为低电平(∫s为高电平)时,b点接地,c点悬空,运算放大器A2的增益为 R10+R6 R 10+4.994.99 R6R+R8+R,4.993×499 由此可见,斩波调制放大器将前置放大器输出的直流电压v调制成幅度为Va,频率 为128HZ的方波电压信号。方波信号经R1,R12分压后输出至带通滤波器。 (3)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R1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Y,Y,Y,Y,Y,分别为各无源元件的导纳,即Y、“R125oC Y=10C4,1y=B-,则左上图可画成左下图,由左下图考虑运算放大器反 R15
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
相端为虚地,可列出a,b节点方程如下: (H1+Y2+Y3+Y4)b-Y1V1-Y2V=0 解上述两个方程,可得滤波器的传递函数 将Y~Y5的替代元件值代入化简得: K (1-17) 式中,00为通带中心角频率,其值为:(f0为中心频率) (1-18) √R3+R4)RCC Q=f0/为品质因素,4为通频带宽度,K为通带增益(o=0,Q=1)。其表达式为: O=VR,+R).C, C, (1-19) R K (1-20) (R+ RRC,CA 调节R14下面的电位器,保持中心频率为 f0==128HZ 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。 (4)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 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 (1)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,共模抑制比髙和低输出阻抗,低噪声,低功耗的特
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