一種新型巖性密度測井系統的製作方法
2023-04-23 15:49:26 1
本實用新型涉及地球物理測井技術，尤其是涉及巖性密度測井儀器電路設計領域。
背景技術：
巖性密度測井作為一種重要的孔隙度和巖性分析方法已廣泛地應用於石油勘探領域。巖性密度測井的理論依據是γ射線與地層物質發生康普頓效應和光電效應，可以在一次測井中同時獲取地層的光電指數Pe和地層體積密度ρb，主要用於確定地層巖性、密度和計算地層有效孔隙度。巖性密度測井儀應用到核地球物理探測、核電子學、數位訊號處理等學科的技術,儀器的研製有許多工程和工藝技術難點。當前大部分巖性密度測井系統均採用能量窗口形式進行數據採集，該方法以核脈衝幅度為依據，將其採集歸類至對應的能量窗口中進行累計計數，最後通過數據傳輸電纜發送至地面的計算機進行後續處理。當前巖性密度測井系統在採集速度、數據處理速度和系統穩定性方面均有待提高，同時儀器探測精度低,測得井下信息量有限等問題也日益突出。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種新型巖性密度測井系統，該系統採用 AD9235模數轉換晶片和AGL060系列FGPA可編程邏輯陣列器件，實時處理能力得到顯著增強，具有地層探測數據豐富，探測精度高的特點。
本實用新型的技術方案為：一種新型巖性密度測井系統，該系統包括承壓金屬殼體、採集單元、處理單元、傳輸單元、傳輸電纜和數據分析控制單元；所述承壓金屬殼體由高強度隔熱抗壓材料製成，承壓金屬殼體頭部為錐形，剩下部分為柱體，內部中空，承壓金屬殼體柱體外壁靠下位置有方形開口，柱體頂部有防護蓋，通過螺紋緊固，防護蓋中央有開口，並裝有防塵防水接頭。所述採集單元的印刷電路板放置於承壓金屬殼體內腔靠底部位置，採集單元的印刷電路板上含有前置放大模塊的硬體電路，採集單元還包括推靠模塊和探頭模塊，其中推靠模塊為由馬達驅動的移動支架，移動支架尾部安裝有探頭模塊，工作時馬達驅動移動支架帶動探頭模塊進行垂直地層巖壁方向的位置變化，探頭模塊內有單方向開口的屏蔽罩，屏蔽罩開口方向與承壓金屬殼體柱體外壁開口方向一致，屏蔽罩內放置有137CS放射源，由柱體底部向上安裝有垂直於承壓金屬殼體內壁方向的固定架一，固定架一從左至右依次夾持著短源距參考源、短源距探測器、光電倍增管；由柱體底部向上平行固定架方向還放置有另一固定架二，固定架二從左至右依次夾持著長源距參考源、長源距探測器、光電倍增管。所述的處理單元為該系統的核心部分，處理單元印刷電路板放置於柱體靠中間位置，處理單元印刷電路板上含有主放大電路，門檻濾波電路，峰位測定電路，基線恢復電路，脈衝展寬電路，A/D模塊電路，FPGA模塊外圍電路，高壓控制模塊電路，參考源穩譜電路，D/A模塊電路，供電模塊電路。傳輸單元的印刷電路板放置於柱體靠上位置，其上含有CAN控制器電路，CAN收發器。與CAN收發器相連的是CAN總線傳輸電纜，其通過承壓金屬殼體柱體頂部的開孔接口，從地層鑽井孔道延伸至地面與數據分析控制單元的CAN接口卡相連，最後CAN接口卡與計算機終端連接通訊。
所述採集單元中推靠模塊在工作時將探頭模塊推靠在井壁上進行測量。
所述供電模塊電路同時為採集單元、處理單元和傳輸單元內的電路供電。
所述採集單元、處理單元和傳輸單元間含有連接電路，上述三個單元位於井下，與井上的數據分析控制單元間通過CAN傳輸電纜連接。
短源距探測器和長源距探測器的主要有效成分均為由防潮解材料包裹的 NaI(Tl)閃爍體。短源距參考源和長源距參考源的主要有效成分為低強度的137CS放射源。短源距參考源和短源距探測器在水平方向緊貼放置。長源距參考源和長源距探測器在水平方向緊貼放置。
所述光電倍增管上存在信號輸出和供電的線路。
巖性密度測井系統工作原理是由137CS放射源發出能量為662keV的γ射線，在地層中發生反射傳播，與地層物質發生康普頓散射和光電效應，作用後的射線通過探測窗口進入長短源距探測器中的NaI(Tl)閃爍體中，因NaI(Tl)閃爍體的特殊性質，使其發生閃爍現象，發出光子。NaI(Tl)閃爍體緊挨一個低強度的137CS參考源，用於穩譜校正。同時對應放置有光電倍增管，這些光子打擊在光電倍增管的光陰極上將使光陰極放出光電子。光電倍增管各倍增電極被光電子轟擊時會打出成倍的電子，而在各倍增電極上又依次加有遞增的正電壓，所以光陰極發出的電子將在倍增電極間不斷加速與增殖，產生倍增放大的作用，最後在陽極上將搜集到一大群電子，輸出一個足夠大的核脈衝信號。核脈衝信號經過各級處理電路的放大、成形、AD轉換、分道測量計數後，形成全頻譜數據。通過FPGA進行數據集採控制，基於CAN總線通訊將數據上傳，通過前端採集卡處理後進入計算機，再通過上位程序處理分析，得出所測地層的巖性密度信息。
密度測量原理：
地層體積密度的測量需使用散射伽馬能譜高能部分進行分析。伽馬能譜計數率與視源距具有如下關係：
式中da為視源距；N為在視源距da時的計數率；N0為在零源距時的計數率；
σm為質量吸收係數；ρb為地層體積密度。
公式變換得：lnN＝lnN0-σmρbda，令B＝lnN0，M＝-σmda，則有：
參數M、B通過儀器刻度獲取。如無泥餅影響，探測器緊貼井壁，則由上式即可得到地層密度值。在實際測井過程中都將存在泥餅影響，因而，上面方法計算的只是巖層的視密度。視密度是地層真實密度和泥餅視密度的函數，可以看成是它們的加權平均值。
為了消除泥餅影響，本實用新型採用釆用雙源距探測器補償消除泥餅對測試結果的影響。
由計算出受泥餅影響的地層真實體積密度值ρb，與常見礦物的ρb值對比即可得到相應的密度信息。
式中ρL、ρS為長、短源距視密度；xL、xS為泥餅對長源距和短源距的影響因素，兩者是不相同的，可由標定實驗獲取；ρmc為泥餅視密度；ρb為地層真實體積密度。
巖性測量原理：
本實用新型釆用雙源距探測器，長源距探測器處探測到的伽馬射線所產生的計數率同時取決於地層密度和巖石性質，而短源距探測器處所測得的計數率主要取決於地層密度。因此，在進行地層巖石性質研究時，採用長源距探測器進行巖石性質分析。
定義Pe為巖石的光電吸收截面指數，它表示巖石中一個電子的平均光電吸收截面，它對地層的巖性很敏感，所以又稱它為光電吸收巖性係數。設長源距探測器所測得的長源距低能量窗口計數率NL和長源距高能窗口計數率NH，則光電吸收巖性係數：
其中參數k、b、c為常數值,可通過測量刻度實驗獲取。與常見礦物的Pe值對比即可得到相應的巖性信息。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：該系統由承壓金屬殼體、採集單元、處理單元、傳輸單元、傳輸電纜和數據分析控制單元六個部分組成。所述採集單元由推靠模塊、探頭模塊、前置放大模塊組成，其中探頭模塊含137CS放射源、屏蔽罩、長短源距探測器及其對應的長短源距參考源和光電倍增管。所述的處理單元為該系統的核心部分，含脈衝調整模塊、模數轉換模塊、FPGA模塊、高壓控制模塊、數模轉換模塊和供電模塊電路等。所述的傳輸單元含CAN總線通信模塊等。上述三個單元安裝於承壓金屬殼體內，位於井下。所述數據分析控制單元主要含CAN接口卡和計算機終端，完成採集數據的處理分析和下發指令，位於井上，通過傳輸電纜與其他單元進行通訊。
所述採集單元中的推靠模塊通過小型馬達將探頭模塊推進緊挨地層壁。
所述採集單元中的探頭模塊由含137CS放射源、屏蔽罩、長短源距探測器及其對應的長短源距參考源和光電倍增管組成。137CS放射源放置於具有γ射線屏蔽作用的罩體內，罩體靠近地層壁一側開有窗口，可以使137CS放射源的γ射線沿垂向地層壁方向發出。
所述探頭模塊中長短源距探測器的NaI(Tl)閃爍體旁緊貼放置有低強度137Cs參考源，從137Cs參考源發射出強度為662KeV射線直接進入晶體，避免射線流散，因放射參考源發生的γ衰變是核現象，與溫度無相關性，因此與其相對應的核電子脈衝信號將保持恆定的幅度。
所述探頭模塊中光電倍增管特性受溫度變化影響，得到的核脈衝幅度將發生變化，導致γ射線進入錯誤的道址。為了使譜測量結果準確，必須保證核脈衝信號幅度嚴格正比於探測到的γ射線的能量。最重要的環節是要控制供給光電倍增管的高壓，使其輸出的核脈衝信號達到測量要求。但實際測井中，隨深度增加及溫度的變化，將嚴重影響光電倍增管的輸出脈衝幅度。為此，必須採取穩譜措施，即動態穩高壓，保證核脈衝信號幅度嚴格正比於探測到的γ射線的能量。本實用新型採用參考源穩譜技術動態穩壓電路設計，由地面計算機通過CAN總線下發指令實時通知FPGA晶片驅動高壓控制模塊實時控制高壓，補償由溫度引起的增益變化。
所述的採集單元中的前置放大模塊的功能是完成信號的初步放大，保證整個巖性密度測井系統的信噪比。本實用新型採用電壓型前置放大器，可以在輸出得到比電流型前置放大器輸更寬的脈衝。電壓型前置放大器為反相放大，將探測器輸出的負脈衝放大處理成正脈衝，脈衝可放大100倍，滿足脈衝信號後續處理的需要。
所述的處理單元中的脈衝調整模塊由主放大器電路、門檻電路、峰位測定電路、基線恢復電路、脈衝展寬電路五個部分組成。
所述脈衝調整模塊中主放大器與前置放大器間用雙芯電纜連接，減小信號經電纜傳送受到時外界幹擾的影響。所述主放大器由若干個負反饋放大單元 AD8610串接組成，可有效避免信號震蕩，加強系統的穩定性。
所述脈衝調整模塊中門檻電路用於濾除低幅值脈衝噪聲，採用LT1016晶片通過分析比較輸入信號的幅值與閾值電壓，產生門檻邏輯信號，來表示脈衝是否有效。當輸入信號大於設定門檻電壓值時，產生高電平，進入後續處理；當輸出信號小於設定門檻電壓值時，產生低電平，脈衝被濾除。
所述脈衝調整模塊中峰位測定電路用於給後續數據採集創造條件，因電路採集到的是幅度和寬度均隨機離散的核脈衝信號，該信號呈上升沿陡峭，脈衝寬度較窄的特徵，為了採集到有用的信息，必須採用脈衝展寬電路將脈衝峰值展寬保持。在脈衝展寬之前就需要準確的檢定出峰位，這就需要高性能的峰位脈衝檢測電路產生準確的峰位信號。本實用新型採用有源RC微分電路將核脈衝信號進行微分，隨後通過一個比較器將核脈衝信號的峰位準確定位，之後產生1個峰位測定邏輯信號，發送至後續電路。
所述脈衝調整模塊中基線恢復電路用於防止由於RC網絡放電不完全，產生直流偏移，使得被測核脈衝信號疊加在不穩定的基線電壓水平上，導致核脈衝幅度發生變化，使得巖性密度測井系統能量解析度降低的問題。基線恢復的原理是：一種能跟蹤基線變化，在信號到達之前，記錄當前基線電平的電路。一旦信號到達，其計算該信號減去基線電平得到真實的信號電平。
所述脈衝調整模塊中脈衝展寬電路用於將脈衝寬度為微秒級的隨機離散核脈衝信號的峰位保持展寬，給後續模數轉換A/D單元提供充足的採樣時間。
所述的處理單元中的模數轉換A/D模塊將前端採集到的連續核脈衝模擬信號轉換成離散數位化核脈衝信號，然後將該數位訊號發送至FPGA晶片處理。本實用新型採用AD9235晶片作為主要轉換器件，其採樣速率可達40Msps，有12位解析度。
所述的處理單元中的FPGA模塊為本實用新型硬體設計中的核心模塊，採用Actel公司AGL060系列可編程邏輯陣列器件。用於核脈衝信號的採集與處理，主要包括了A/D轉換控制、成譜操作、譜數據存儲、高壓邏輯控制和通信接口幾個功能。採用雙埠RAM做為緩存，提高了數據存儲與讀取的連續性，保證了儀器數據傳輸的實時性。
當前端的峰位測定電路檢測到有效核脈衝時，發出觸發信號至FPGA晶片中的A/D轉換控制器；A/D轉換控制器控制AD9235啟動進行模數轉換，同時將轉換完的數據傳送至FPGA晶片，數據存入寄存器。數據包括長短γ脈衝計數，長短道脈衝死時間以及長道高壓數據。通過CAN總線通信接口上傳至地面計算機。
所述的處理單元中的高壓控制模塊接收來自FPGA的高壓控制邏輯，進行高壓變化控制。其中最關鍵的技術是如何設計穩譜方法，常用穩譜方法採用兩窗口穩譜設計，該設計在低密度地層時，來自地層的γ射線大大增強，康普頓峰拖尾增強，其拖尾的部分幹擾了儀器的穩譜窗，造成儀器高壓不穩定，使其在穩譜耗時和穩定性上存在不足。本實用新型採用一種改進的新型四窗口穩譜設計，如附圖6，其原理描述如下：
在137Cs穩譜峰662keV附近設置有4個穩譜窗，對應能量範圍分別為W1： 538KeV～600KeV，W2：600KeV～662KeV，W3:662KeV～724KeV，W4:724 KeV～786KeV，其窗口計數率分別為N1，N2，N3，N4。根據四窗口穩譜窗設計示意圖推算有：設定粗調因子：和穩譜因子：先後通過改變粗調因子和穩譜因子，來調整高壓穩譜電路增益，高壓校正值先送到FPGA晶片中，由 FPGA晶片輸出至數模轉換DAC0832控制器，將數字量信號轉換成模擬量，驅動光電倍增管高壓直流迴路進行高壓調整，保證高壓值準確。附圖7為典型動態穩譜電路示意圖。
所述處理單元中的供電模塊電路通過外圍升降壓電路給不同單元模塊供電。
所述傳輸單元由CAN總線通信模塊組成。其中CAN總線通信模塊採用 MCP2510型CAN控制器實現數據封裝，同時將PCA82C250總線收發器作為 CAN控制器和物理總線之間的接口電路。
所述CAN總線傳輸電纜由具有屏蔽作用的材料製成，能有效防止外部地層物質幹擾。
所述數據分析控制單元由CAN接口卡和計算機終端組成，完成採集數據的處理分析和指令下發。其中CAN接口卡的作用是接收來自井下CAN控制器發出的數據，然後進行幀分析處理與校準，其具有雙向傳輸特點。最後計算機終端得到經井下各級電路處理後的核脈衝數據，經過上位機軟體分析計算得到所測地層內的巖性密度數據。
本實用新型的優點在於：本實用新型設計的電路含主放大器電路、門檻電路、峰位測定電路、基線恢復電路、脈衝展寬電路等脈衝調理功能，使得採集到的核脈衝能有效的濾除雜波幹擾，具備良好的可測性。本實用新型採用 AD9235模數轉換晶片和AGL060系列FGPA可編程邏輯陣列器件，保證了系統的實時處理能力得到顯著增強，具有地層探測數據豐富，探測精度高的特點。基線恢復電路的設計可顯著提高系統穩定性和可靠性，能進一步提高系統能量解析度。同時本實用新型採用四窗口穩譜設計，實現對光電倍增管驅動高壓的實時分析控制，不產生能量誤差，從而保證了核脈衝信號採集的準確性。電路採用高溫防輻射元件及晶片設計，通過現場實驗，在180攝氏度以下環境溫度時可正常工作。
採用上述方法構建的新型巖性密度測井系統，具有數字集成度高，數據採集實時性強，探測精度高，穩定性好等特點。
附圖說明
附圖1是新型巖性密度測井儀整體外觀示意圖；
附圖2是新型巖性密度測井系統整體框架示意圖；
附圖3是新型巖性密度測井系統採集單元框架示意圖；
附圖4是新型巖性密度測井系統處理單元框架示意圖；
附圖5是新型巖性密度測井系統傳輸單元框架示意圖；
附圖6是新型巖性密度測井系統四窗口穩譜窗設計示意圖；
附圖7是新型巖性密度測井系統動態穩壓電路示意圖。
圖中：
1-承壓金屬殼體，101-防護蓋，102-防塵防水接頭；2-採集單元，201-推靠模塊，202-探頭模塊，2021-屏蔽罩，2022-137CS放射源，2023-短源距參考源， 2024-短源距探測器，2025-長源距參考源，2026-長源距探測器，2027-光電倍增管一，2028-光電倍增管二，2029-固定架一，2030-固定架二，203-前置放大模塊；3-處理單元，301-脈衝調整模塊，3011-主放大電路，3012-門檻濾波電路， 3013-峰位測定電路，3014-基線恢復電路，3015-脈衝展寬電路，302-A/D模塊， 303-FPGA模塊，304-高壓控制模塊，3041-參考源穩譜電路，305-D/A模塊， 306-供電模塊電路；4-傳輸單元，401-CAN總線通信模塊，4011-CAN控制器，4012-CAN收發器；5-CAN總線傳輸電纜；6-數據分析控制單元，601-CAN 接口卡，602-計算機終端。
具體實施方式
附圖1至附圖7顯示了本實用新型的一種具體實施方式。其中，附圖1是本實用新型的整體外觀示意圖；附圖2是新型巖性密度測井系統整體框架示意圖；附圖3是新型巖性密度測井系統採集單元框架示意圖；附圖4是新型巖性密度測井系統處理單元框架示意圖；附圖5是新型巖性密度測井系統傳輸單元框架示意圖；附圖6是新型巖性密度測井系統四窗口穩譜窗設計示意圖；附圖 7是新型巖性密度測井系統動態穩壓電路示意圖。
本實施例是一種新型巖性密度測井系統，見附圖1至附圖7所示，承壓金屬殼體1由高強度隔熱抗壓材料製成，其頭部為錐形，內部中空，柱體外壁中央靠下位置有開口，供γ射線射出，柱體尾部有防護蓋，通過螺紋緊固，其中央有開口，並裝有防塵防水接頭，供內部線路與CAN傳輸電纜連接。採集單元2的印刷電路板放置於承壓金屬殼體1的內腔靠底部位置。推靠模塊201 為由馬達驅動移動支架，支架上有置物平臺，其上放置有探頭模塊202，可進行垂直地層巖壁方向的位置變化，探頭模塊202內有屏蔽罩2021，其與承壓金屬殼體1柱體外壁開口方向一致，屏蔽罩2021內放置有137CS放射源2022，由柱體底部向上有低強度的137CS短源距參考源2023，緊挨其置有NaI(Tl)短源距探測器2024，NaI(Tl)閃爍體由防潮解盒包裹，平行短源距探測器2024方向放置有光電倍增管一2027，光電倍增管一2027上存在信號輸出和供電線路；長源距參考源2025，長源距探測器2026，光電倍增管二2028置放形式與前述類似；再向上放置的是前置放大模塊203的硬體電路。處理單元3的印刷電路板放置於柱體靠中間位置，其上含有主放大電路3011，門檻濾波電路3012，峰位測定電路3013，基線恢復電路3014，脈衝展寬電路3015，A/D模塊電路 302，FPGA模塊外圍電路303，高壓控制模塊電路304，參考源穩譜電路3041， D/A模塊電路305，供電模塊電路306。傳輸單元4的印刷電路板放置於柱體靠上位置，其上含有CAN控制器電路4011，CAN收發器4012。與 CAN收發器4012相連的是CAN總線傳輸電纜5，其通過承壓金屬殼體1柱體頂部的開孔接口，從地層鑽井孔道延伸至地面與數據分析控制單元6的CAN 接口卡601相連，最後CAN接口卡601與計算機終端602連接通訊。
本實施例中，在進行測井巖性密度數據採集時，由地面電源通過各變電電路分別給巖性密度測井系統內需電裝置上電。採集單元2接收到地面計算機終端602發出的採集命令時，馬達驅動推靠單元201帶動探頭模塊202靠近井壁，137CS放射源2022向地層發射γ射線，γ射線與地層物質分別發生康普頓效應和光電效應，短源距探測器2024和長源距探測器2026接收散射返回射線，激發NaI(Tl)閃爍體發出光子，光子進入相應光電倍增管一2027、光電倍增管二 2028，光子激發電子，電子在倍增電極間經過數次的加速與增殖，最後在陽極上聚集一大群電子，輸出一個足夠大的信號，形成核脈衝信號，經前置放大模塊203適當放大處理後，信號進入處理單元3，經主放大電路3011的再次放大作用，再通過門檻濾波電路3012將幹擾雜波信號濾除，峰位測定電路3013檢測模擬連續脈衝信號的峰位置，基線恢復電路3014排除由脈衝堆積引起的信號基線漲落，得到真正的信號電平，脈衝展寬電路3015在峰位確定的基礎上將快窄的核脈衝信號進行脈衝展寬，為後續模擬量穩定採集提供可靠保證。然後經過AD9235模塊電路302，模擬核脈衝信號被轉換成離散數字的核脈衝信號。數字脈衝信號進入AGL060型FPGA模塊303完成信號的前期分析計算，求取得到地層的光電指數Pe和地層體積密度ρb。FPGA模塊303將計算得到的地層原始信息和其他數據通過通訊單元4中的CAN總線通訊模塊401經過通訊電纜5傳輸至地面CAN總線接口601，接口卡經數據校準解碼後發送至計算機終端602，計算機終端依據上位機處理程序，分析地層的光電指數Pe和地層體積密度ρb，處理得出測井地層中各段巖性及密度信息。
本實施例中，如附圖3所示，設置了長、短源距探測器，通過長源距高能量計數來計算巖性，低能量來計算巖性；通過短源距計數來消除泥餅影響。
本實施例中，如附圖3所示，短源距參考源2023和長源距參考源2025用於實時調整供給光電倍增管一2027、光電倍增管二2028，保證脈衝峰落入穩譜窗口的正確位置。(測量窗口的脈衝計數也反映了一定能量段伽馬射線的強度)
本實施例中，光電倍增管一2027、光電倍增管二2028受溫度影響時，儀器通過高壓控制模塊304中的參考源穩譜電路3041運用參考源穩譜技術進行動態穩高壓。此時地面計算機終端602根據實時獲取的電路信息，計算高壓校正值，通過通訊線纜5向CAN總線通訊模塊401發送指令，CAN總線通訊模塊401解碼電平信號至FPGA模塊303，FPGA模塊303處理分析後向參考源穩譜電路3041發送指令，電路輸出電壓電平數位訊號，最後由模數轉換 DAC0832控制器305將數字量信號轉換成模擬電壓值，驅動光電倍增管高壓直流迴路經行高壓調整，保證高壓值準確。
本實施例中，供電模塊電路306通過各級變電電路，給巖性密度測井系統中各電路模塊供電。
本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬於本實用新型的實質精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍屬於本實用新型的保護範圍。