第一章绪论
石油是现代社会最重要的能源之一，随着工业的飞速发展，人类社会对它们的需求量越来越大，人们对石油勘探和采集的投资也在不断增加。用于石油勘探的设备和技术涉及到许多技术和领域，从微电子技术到计算机技术、从机械制造到材料科学、从地质学到地球物理学等学科，几乎无所不包。 地球物理测井（本论文用“测井”简称）技术是伴随石油工业而产生而发展起来的一门学科，属于地球物理学的一个分支[2]。为了寻石油和天然气，一般要根据地质科学的研究，先在有利于石油和天然气产生和存储的地区，进行地质调查和地球物理勘探，出可能存储石油和天然气的各种地质构造。至于在这些地质构造中是否含有石油或天然气，以及石油或天然气的含量有多少，最终都要靠测井来证实。
石油工业所说的测井指的是“当测量仪器穿过不同岩性的地层时，所测参数随深度变化的一种记录过程”[28]。 在钻井过程中，可以从钻速变化、钻头压力、井筒角度、泥浆性能变化等分析地质结构，在钻井结束后，可根据岩屑岩芯等资料进一步分析，粗略判断各地层中所含油气情况。
在地层中发现油气之后，还有很多问题需要解决，特别是油气层厚度、面积、储量等重要参数都有待进
一步搞清楚。而仅靠钻井时所获得的资料是远远不够的。测井则可以提供许多极为重要的资料。如可确定油井内各地层的岩性、空隙率，电阻率或电导率、各井段的温度、压力等参数。对同一地区多口井的测井资料进行对比分析，可绘制出该地区的地质结构图。这些资料对采油工业来说是极其重要的。由此可见，测井是认识地层和地质构造的重要手段。
测井不仅在石油勘探中具有重要的作用，而且在油田开发的过程中也发挥着极其重要的作用。例如在工程上利用测井资料可以估算出固井所需的水泥量，固井质量的优劣也需要用测井来进行检查和评定。根据开发方案，有计划地开发油、气、水层等资源，也要用到测井技术。油井投产后，掌握井下流体的动态参数也是十分重要的，如对同一口油井不同时期内的资料进行对比，可得出该井自身的变化以及油气储藏量的变化等。这些参数不仅可用于判断油井的故障，而且也是调整油田开发方案的重要依据。另外，用测井技术还可以出井下出水层位，甚至还可以检查出套管腐蚀程度等。 1.2.1 国外测井技术发展
地球物理测井技术是随着石油勘探和开发而产生和发展起来的一门科学技术。测井的发展大致可以分为三个发展阶段[1]：
石油测井仪器
第一阶段是定性解释阶段，大约20世纪40年代以前，测井仪器只能提供梯度电极系、电位电极系等简单的电阻率测井曲线，以及自然电位、自然伽马测井资料。测井方法不多资料比较单一，主要用来进行地层对比，划分渗透性地层以及定性判断油、气、水层。
第二阶段是定量解释阶段，大约20世纪40年代到60年代，这一阶段发展了很多新的测井方法和仪器。在电阻测井方面，普通电阻率测井逐渐淘汰，开始使用侧向测井方法；在放射性测井方面，除了自然伽马测井外，又增加了中子伽马测井、中子——热中子测井和伽马——伽马测井等新方法；在声波测井方面，Mobil 石油公司、Shell石油公司和Schlumberger公司都开发了自己的产品。
第三阶段是分析评价阶段，大约20世纪60年代至今，这一阶段的最大特点是计算机的推广使用，促进了测井技术的蓬勃发展。随着计算机和数字技术的发展，在国际上出现了数控测井系统，这种系统将井下仪器全部数字化，地面系统和计算机直接连接在一起，具有了实时处理数据的功能。具有代表性的有法国斯伦贝谢公司的CSU系统和美国西方——阿特拉斯公司的CLS系统。
以上主要是英美等西方国家的测井技术发展，下面介绍俄罗斯测井技术发展。原苏联解体以后，一些西方人开始关注俄罗斯的石油市场。他们发现，俄罗斯石油测井的技术路线与西方截然不同。美国的测井技术很难进人俄罗斯的市场；俄罗斯的测井技术也很少走出独联体之外。近年来虽有少数俄罗斯科学家到西方从事测井方法和软件研究，西方的测井公司，例如斯伦贝谢在俄罗斯测了一些井，但所
占的比重都很小。俄罗斯在石油测井中主要使用的是本国研究的方法、本国制造的仪器以及本国开发的软件。
俄罗斯的测井技术有别于美国，从硬件到软件都自成系统。俄罗斯传统上重视基础理论和方法研究，许多测井方法的理论研究居世界领先水平。俄罗斯的测井仪器尽管在总体水平上比美国还有差距，但在某些局部领域却很有特点。以感应测井为例，1949年美国人H. G. Doll首先提出了感应测井的几何因子理论，感应测井迅速发展成一种重要的电阻率测井方法。以后几十年中陆续出现的双感应、双相位感应、阵列感应测井等等，都是以Doll的几何因子理论为基础发展起来的。俄罗斯人在20世纪50年代也走过几何因子理论的路，但是从 60年代后期起，波
动理论发展并完善起来。波动理论与几何因子理论不同，它不是把地层划分成无数个互不相关的单元环，而是从场论出发，考察电磁场在整个地层空间传播时的效应。从电磁场的波动理论出发，俄罗斯的各个测井科研机构研制出了多种感应测井仪器。有趣的是，可能是由于计划经济条件下条块分割的影响，各个地区分别研制了具各自特点的感应测井仪器。我们在跟踪美国石油测井先进技术的同时，也应学习俄罗斯的某些长处。兼收并蓄，博采众长，有利于我国测井技术的进步。
1.2.2 国内测井技术发展
20世纪50、60年代，中国油田主要的测井方法和解释方法大部分是从原苏联学来的。之后，中国的石
油测井经历了一段自力更生的发展阶段。20世纪70年代末期，中国的测井工作者开始接触西方的先进技术，国内各油田陆续引进了斯伦贝谢、阿特拉斯、哈里伯顿的测井装备，并实现了3700测井系统生产技术的转让。国内各油田在引进、消化、吸收的基础上也开发了自己的全数字化测井系统或“小数控”以及配套的井下仪器[1]。原苏联的测井技术逐渐淡出了人们的视野。
目前，我国东部老油田已进入开采后期，开发难度加大，西部新油田及海上油田的勘探开发出于自然环境和节约投资考虑，要求大量采用国际先进钻井技术，尤其是水平井、大位移井技术和地质导向技术。
我国对定向井、水平井技术的实质性研究开始于八十年代中后期，虽然经过多年的探索和研究，取得了一定成果，但是由于基础薄弱，各项技术设备的配套不完善，整体技术水平与国外仍有较大差距，其中很重要的一方面体现在测井仪器的差距上。
目前国内只有中海油技术服务公司和胜利定向井公司分别引进了Halliburton 公司和Sperry-Sun公司的多参数LWD仪器，其中胜利石油管理局于1999年引进了带4道地质测量参数的随钻地层评价测量仪FEWD，在胜利油田、新疆塔里木油田进行薄油层开发水平井地质导向，取得了良好效果，并初步形成了地质导向技术。另外，大港、新疆、辽河、四川等单位均购买了带伽玛参数的MWD无线随钻测量系统，并且在水平井中进行了大量的应用，效果良好，为在定向井、水平井作业进行地层判断提供了
重要依据[21]。国内在LWD技术的研究方面处于起步阶段，而且仅限于对随钻伽玛和电阻率的研究。目前北京石油勘探开发研究院对电阻率测量做了一些理论性研究，取得了一定的成果，但在仪器的研制方面没有实质性突破。西安石油勘探仪器总厂依靠多年从事测井仪器开发和制造的技术优势，近年来在随钻电阻率研究方面作了大量的工作，并且在随钻电阻率测井响应理论研究和试验方面取得了一些实质性进展，初步形成了进一步深入研究开发的能力。胜利石油管理局钻井工艺研究院于1997年从英国Geolink公司引进了伽玛、电阻率随
钻测量仪，并开始着手研究，经过几年的努力，目前已经成功研制出整套无线随钻测井仪系统，能够完全取代同类进口仪器，并且掌握了井下工具硬件电路设计、信号处理方法、信号采集、机械结构设计及工艺等多项关键技术。由于硬件的成功研制，软件系统的研制迫在眉睫。
国外的测井系统虽然性能很好，但其价格也很高，而且其测井的费用也十分昂贵，因此开发有自主知识产权的石油测井软件系统就成为一项迫切的任务。
1.2.3 现代测井主流技术[23][26]
现代测井数据采集系统充分利用了现代科技发展的最新成果，主流技术主要体现在以下几个方面[26]：
（1）网络技术
网络技术主要用于主机与前端机的连接。事实上，它们之间的连接可以采取多种方式，但都需要网络协议支持，如使用TCP/IP网络协议等。联机时要求每台机器具有唯一的IP地址及主机名。当然前端机可以不止1台，可根据需要任意添加，以满足系统扩充的需要。通常可以采取下列方式将2台机器连接起来：直接利用2台计算机的串口或并口；使用网卡将2台计算机连接起来（每台计算机各装1个网卡）；使用主机及前端机USB口，用USB Link电缆将两台计算机的USB 接口连接起来。在设置好网络参数后，主机与前端机就可以各司其职，井下上传的数据（包括井下仪器状态数据）在前端机里形成网络数据包传给主机，完成数据采集任务。同时，地面系统下发给井下仪器的命令也以网络数据包的形式传给前端机，经电缆传输系统送到井下仪器以完成对井下仪器的控制。先进的网络技术也可用于电缆传输系统，可以使用适当的网络接入技术将井下仪器（包括遥测短节）与地面系统连接起来。当然这种连接并非简单的连接，信号在测井电缆中的传输情况比较复杂，噪声、信号衰减、串扰、码间干扰常造成信号畸变，需采取多种办法消除这些干扰，目前仍有许多问题尚需研究。当前应特别关注使用一对铜线电缆传输数据的ADSL（Asymmetric digital subscriber line）网络接入技术，它的上行数据速率可达640Kb/s~1Mb/s，而下行数据速率达1Mb/s~8Mb/s，有效传输距离为3km~5km，比现有的成像测井系统所用的遥测电缆传输速率高得多，应加强这方面的研究。
（2）使用嵌入式实时操作系统及其开发技术
这里涉及到主机与前端机的分工、高速数据及时采集问题。尽管主机装有通用的操作系统，如Window
s 2000/Unix，功能非常强大，但这些通用的操作系统实时性较差，适用于交互式应用程序领域，不适用对实时性要求非常高的高速数据采集应用程序。为了采集上传速度较高的井下仪器数据，通常采用具有实时性的
嵌入式系统来完成数据的高速采集，而将数据处理、显示、记录、人机交互等工作交给主机处理。因此，前端嵌入式系统在现代测井数据采集系统起着非常关键的作用。基于实时操作系统的嵌入式系统开发技术是现代测井数据采集系统又一关键技术。
（3）采用先进硬件及低级嵌入式系统开发技术
现代测井系统摈弃使用中小规模集成电路搭建数字系统的做法，广泛采用固件、大容量可编程逻辑器件HCPLD（如复杂可编程逻辑器件CPLD、现场可编程逻辑器件FPGA）及低级的嵌入式系统（井下仪器常使用无操作系统支持的较低级的嵌入式系统如单片机、单板机、数字信号处理器DSP），从而使系统得复杂性减小，性能、可靠性大幅提高。与此同时，系统的元器件大幅减少，大大缩小地面系统的体积及井下仪器的长度，对测井施工非常有利。之所以采用这些技术，是因为现代测井数据采集系统，特别是电缆传输系统及井下仪器的功能越来越强，复杂程度越来越高，仅靠硬件已无法减少其复杂性及提高系统的可靠性，因此对软件的依赖日益加深。例如EXCELL2000地面系统、电缆传输系统及井下仪器（如遥测短节D4TG，环井眼扫描成像测井仪CAST-V、微电阻率井壁成像测井仪EMI、
核磁共振成像测井仪MRIL-P等）里广泛使用上述技术。CPLD及FPGA多是在微机上开发的，市场上有多种硬件描述语言（如VHDL等）和开发系统及其软件包供用户选择。对于较低级的嵌入式系统，市场上也有种类繁多的开发系统供用户选择，借助这些开发系统及其软件包可以大大加快系统研发速度，减少复杂性。这些技术广泛应用于地面子系统及井下仪器板卡级小系统设计。
（4）使用先进的软件开发技术
现代测井数据采集系统广泛使用面向对象的编程语言如C++等，充分利用其提供的各种资源（集成开发环境IDE、各种类库、组件以及一些控件等）完成系统设计。编程者只考虑自己要解决的问题，无需过多考虑人机界面、程序框架及其他一些幕后机制问题，使用这种方法可以迅速形成自己的系统。
（5）采取虚拟仪器设计技术，构建通用测井平台[26]
尽管EXCELL2000及其他国外成像测井系统设计思想及所采用的技术是先进的，但都自成体系，属封闭式系统，不对用户开放，用户难以将自己开发的井下仪器及其处理软件加到系统中去。从这个意义上讲，国内一些测井数据采集系统所采取的技术、理念是非常值得称道的，这也是现代测井数据采集系统发展的趋势。
国内UL-2000通用测井软件平台是运用VC++开发的，可实现LnL，也就是即接即测：Load and Longin
g。它把测井系统划分为井下仪器及其处理方法、地面硬件接口板、通用测井软件平台开发工具等相互独立的部分。针对不同的仪器编制不同的仪器动态库，针对地面硬件接口板的个数、特点编制不同的板卡库。因为
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