彭曉光，柏 林，田彥民，劉東友

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

新型全譜巖性密度測井儀

彭曉光，柏 林，田彥民，劉東友

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

設(shè)計(jì)了1種新型全譜巖性密度測井儀。該儀器能在測井過程中對核脈沖信號進(jìn)行全譜采集，可形成完整譜圖，提供更多的地層信息，滿足用戶需要。該儀器基于現(xiàn)場可編譯邏輯器件(FPGA)設(shè)計(jì)，用于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。為保證探測精度設(shè)計(jì)了脈沖調(diào)理電路，同時(shí)配合使用高速AD進(jìn)行數(shù)字量化，采用雙端口RAM技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。通過仿真實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)測試，儀器測得譜圖準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)測井。

全譜;巖性密度;FPGA;核脈沖

0 引言

巖性密度測井儀是核測井技術(shù)中最重要的儀器之一。儀器利用伽馬射線與物質(zhì)的相互作用，測量放射性強(qiáng)度和能量變化的分布規(guī)律，得到光電吸收截面指數(shù)Pe和地層密度ρb。主要用于判別區(qū)分巖性、求泥質(zhì)含量和計(jì)算地層孔隙度［1］。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的巖性密度測井儀大都是基于能量窗口數(shù)據(jù)采集，根據(jù)幅度把核脈沖收集到對應(yīng)的能量窗口累計(jì)計(jì)數(shù)，然后傳輸至地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理?；谀芰看翱诘臄?shù)據(jù)采集方案可得到的數(shù)據(jù)少，儀器探測精度低，而新型全譜巖性密度測井儀通過高速AD數(shù)字量化，采用FPGA技術(shù)提高實(shí)時(shí)性，得到的地層數(shù)據(jù)豐富，探測精度高，可以提供完整的譜圖。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

全譜巖性密度測井系統(tǒng)主要由探頭、電子線路和地面計(jì)算機(jī)3部分組成。其中電子線路部分是本文討論的核心。儀器含有長、短源2路核脈沖線路，其結(jié)構(gòu)完全相同，以一道為例，系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中電子線路部分包含了脈沖調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA芯片及接口電路。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

儀器工作流程是由放射源發(fā)出能量為662 keV伽馬射線，在地層中經(jīng)過一次或多次與地層發(fā)生康普頓散射和光電效應(yīng)，經(jīng)物理探測窗口進(jìn)入NaI晶體，產(chǎn)生與入射伽馬射線能量成比例的光信號。光信號經(jīng)光電倍增管形成核電子脈沖信號。核脈沖信號經(jīng)過放大、成形、12位AD轉(zhuǎn)換、分道測量計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)形成。采用 FPGA控制 AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在FPGA中，儀器只使用轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位，形成256道全譜，最終匯同長、短源高壓數(shù)據(jù)等串行上傳。受溫度影響，晶體光電倍增管特性變化，核脈沖幅度產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致伽馬射線進(jìn)入錯(cuò)誤的道址，儀器通過參考源穩(wěn)譜技術(shù)動(dòng)態(tài)穩(wěn)高壓，由地面下傳指令實(shí)時(shí)控制高壓，補(bǔ)償由溫度引起的增益變化。

2 主要設(shè)計(jì)

2.1 脈沖調(diào)理

全譜巖性密度測井儀是通過測量伽馬射線的能量分布來形成譜圖，要求被測量的核脈沖要具備良好的可測性。被測核脈沖信號中含有噪聲，為抑制噪聲，在峰值測定之前設(shè)置了門檻電壓檢測電路。由高速比較器LT1016比較輸入信號的幅值與閾值電壓，之后產(chǎn)生一個(gè)門檻邏輯信號，該邏輯信號用來表示脈沖是否有效，如圖2所示。

圖2 門檻電路圖Fig.2 Circuit diagram of threshold

為了確保能量分辨率和高計(jì)數(shù)率峰值的穩(wěn)定，使用了高性能運(yùn)算放大器，其本身是完全直流耦合的。但由于連接在其輸入端的CR網(wǎng)絡(luò)放電不完全，使之產(chǎn)生了直流偏移，這就造成了放大器最初階段的直流偏移也被放大輸出了，從而使得被核測脈沖信號總是疊加在1個(gè)不穩(wěn)定的基線電壓水平上，導(dǎo)致核脈沖幅度變化，降低了能量分辨率［2］?；€恢復(fù)電路就是利用記憶元器件跟隨基線變化，得到基線電平，然后在輸入信號中相減來消除此直流偏移。

2.2 峰值精確采集

峰值采集包括峰位測定和峰值保持。峰位檢測通過有源RC微分電路將核脈沖信號微分，然后通過比較器將核脈沖信號的峰位準(zhǔn)確定位(如圖3所示)，之后產(chǎn)生1個(gè)峰位測定邏輯信號。

圖3 峰位測定電路圖Fig.3 Circuit diagram of peak position detecting

由于核脈沖信號是脈沖寬度為微秒級的隨機(jī)離散快窄脈沖信號，為保證采集時(shí)間充足，采用峰值采樣保持電路將脈沖峰位展寬。通過模擬開關(guān)來控制對電容的充放電，在接地端加入1個(gè)控制開關(guān)來控制放電，同時(shí)在輸入信號的下降期間通過阻值較大的電阻將采樣電容的放電時(shí)間延長。采用這種峰值保持方式對小信號有很好的效果［3］，如圖4所示。

圖4 脈沖展寬電路示意圖Fig.4 Circuit diagram of pulse broadening

這樣，門檻邏輯信號匯同峰位測定邏輯一齊觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換控制，之后AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，并進(jìn)行峰值高精度測量。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用AD7266，該AD采樣速率為1 Msps，12位分辨率，其將轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字化核脈沖信號送FPGA。

2.3 數(shù)據(jù)高速采集

由于測井儀要采集不同深度的地層信息，并上傳至地面計(jì)算機(jī)，由地面計(jì)算機(jī)繪出譜線，這就要求儀器具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。為保證儀器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳實(shí)時(shí)性，采用基于FPGA的雙端口RAM作為緩存［4］。雙端口RAM核心為存儲(chǔ)器陣列，具備獨(dú)立的讀寫操作、時(shí)鐘、地址總線和數(shù)據(jù)總線。將RAM進(jìn)行分塊操作，數(shù)據(jù)采集時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲(chǔ)器分塊1緩存;讀取數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)選擇單元切換至分塊2，而分塊1中的緩存數(shù)據(jù)供讀取操作。這樣下個(gè)周期又可以讀取分塊2，存儲(chǔ)操作轉(zhuǎn)到分塊1中進(jìn)行，如此反復(fù)。如圖5所示。采用雙端口RAM做為緩存，提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取的連續(xù)性，保證了儀器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

圖5 雙端口RAM框圖Fig.5 Dual port RAM block diagram

2.4 FPGA設(shè)計(jì)

為滿足儀器要求，完成有效核脈沖的采集和處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)高壓的控制操作，采用FPGA進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。發(fā)揮了以FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集電路的實(shí)時(shí)特性和高速傳輸特性，同時(shí)兼?zhèn)淞藬?shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)。選用ACTEL公司的A3P250芯片。其門容量為25萬，內(nèi)嵌式RAM容量為36 kbits，內(nèi)置1 個(gè) PLL 模塊［5］。

FPGA內(nèi)部主要設(shè)計(jì)有AD轉(zhuǎn)換控制、成譜操作、譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高壓邏輯控制和通信接口幾個(gè)功能模塊。其內(nèi)部邏輯圖如圖6所示。

FPGA完成的主要工作有:峰位檢測電路檢測到有效核脈沖時(shí)，觸發(fā)信號送至FPGA中的AD轉(zhuǎn)換控制器;AD轉(zhuǎn)換控制器控制AD啟動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)AD將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)通過SPI送至FPGA;將采集的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器;通過通信接口上傳至地面計(jì)算機(jī);完成動(dòng)態(tài)穩(wěn)高壓操作。其中動(dòng)態(tài)穩(wěn)高壓操作是將包含在256道全譜中的參考源穩(wěn)譜數(shù)據(jù)上傳至地面計(jì)算機(jī)，地面計(jì)算機(jī)通過分析下傳控制指令，經(jīng)由高壓控制邏輯啟動(dòng)DA轉(zhuǎn)換，使數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號來控制高壓模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制高壓。

圖6 FPGA內(nèi)部邏輯Fig.6 FPGA internal logic

3 仿真及測試

為了對全譜巖性密度測井儀電子線路部分進(jìn)行測試，分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)測試。仿真實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)上完成，由于篇幅所限，以AD轉(zhuǎn)換為例，如圖7所示，AD轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號convert和串行時(shí)鐘SCLK來完成啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取操作，par為并行輸出信號，clr防止AD重復(fù)觸發(fā)啟動(dòng)。

圖7 AD轉(zhuǎn)換仿真時(shí)序圖Fig.7 AD conversion timing diagram simulation

系統(tǒng)測試搭建了由探頭、脈沖調(diào)制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和FPGA調(diào)試板組成的能譜測量裝置，采集的數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)。信號輸入來自探頭。數(shù)據(jù)上傳至地面計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過編制的軟件，采用平均值濾波和卡爾曼濾波對譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)監(jiān)控脈沖幅度分布譜圖。系統(tǒng)測得Cs－137伽馬射線能量譜圖(見圖8)，可以看到，Cs－137放射性核素能量譜線清晰，特征峰明顯。

圖8 系統(tǒng)測得Cs－137伽馬射線能量譜圖Fig.8 System measured the energy spectrum of Cs－137 gamma rays

4 結(jié)語

本項(xiàng)目基于FPGA設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。采用高速AD進(jìn)行核脈沖信號的數(shù)字量化，利用FPGA進(jìn)行譜處理。該儀器實(shí)時(shí)處理能力得到顯著增強(qiáng)，測得數(shù)據(jù)豐富，提高了探測精度，并通過形成完整譜圖提供給用戶更多地層信息。本儀器設(shè)計(jì)均采用高溫元器件，在井下溫度達(dá)到175℃時(shí)，可正常工作。已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明儀器工作穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的功能。

［1］申會(huì)堂，田彥民.巖性密度測井儀的原理與應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，1996，18(6):59 －64.

［2］ORTEC產(chǎn)品手冊［Z］.Modular Pulse-Processing Electronics，2008.

［3］秦增煌.電工學(xué)(第五版)［M］.北京:高等教育出版社，1999.123 －124.

［4］柏林，田彥民，范廣軍.基于多道的自然伽馬能譜測井儀的研制［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(6):291 －293.

BAI Lin，TIAN Yan-min，F(xiàn)AN Guang-jun.Development of a natural logging Gamma-ray instrument based on multichannel［J］.Ship Science and Technology，2008，30(6):291－293.

［5］ACTEL數(shù)據(jù)手冊［Z］.ProASIC3Flash Family FPGAs Datasheet v1.3.

Development of a new full-spectrum litho-density logging tool

PENG Xiao-guang，BAI Lin，TIAN Yan-min，LIU Dong-you
(The 718 Research institute of CSIC，Handan 056027，China)

The paper introduces a new full-spectrum lithology density logging tool.It is capable to collect full spectrum data during well logging.This logging tool can generate a complete spectrogram，and provide more stratum information to satisfy users'needs.The logging tool is mainly based on field programmable logic device(FPGA)，which is practical for data collecting and processing.The pulse conditioning circuit is designed to ensure the accuracy of detection.In order to ensure real-time data transmission，the dual port RAM is applied with the use of the high-speed AD，which is applicable for data quantizing.This new full-spectrum lithology density logging tool can be widely used in well logging industry because the spectrogram is accurate and the system operation is stable after simulation experiments and system testing.

full spectrum;litho-density;FPGA;nuclear pulse

TP274.2

A

1672－7649(2012)03－0133－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.031

2011－07－15;

2011－08－04

彭曉光(1982－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闇y井儀器電路設(shè)計(jì)和信號處理。