劉易，湯天知，岳愛忠

（1.成都理工大學(xué)，四川成都610059；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心，陜西西安710077）

一種新型巖性密度測(cè)井儀數(shù)據(jù)采集處理電路設(shè)計(jì)

劉易1，湯天知2，岳愛忠2

（1.成都理工大學(xué)，四川成都610059；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心，陜西西安710077）

提出一種應(yīng)用于巖性密度測(cè)井儀器先采集再處理的新方法，通過核脈沖數(shù)字化處理方案完成新型巖性密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集處理電路設(shè)計(jì)。對(duì)新儀器進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)采集性能測(cè)試和室外實(shí)驗(yàn)測(cè)試。相比采用先處理再采集的方法的常規(guī)巖性密度測(cè)井儀器，采用該新方法研制的巖性密度測(cè)井儀器具有更高的精度（0.015g／cm3），同時(shí)兼?zhèn)涓训男阅芊€(wěn)定性，測(cè)井工程曲線與國(guó)外儀器吻合良好。

巖性密度測(cè)井儀；脈沖數(shù)字化；數(shù)據(jù)采集處理；電路設(shè)計(jì)

0 引 言

用于儲(chǔ)層孔隙度計(jì)算和評(píng)價(jià)的巖性密度測(cè)井儀器已廣泛應(yīng)用于石油勘探測(cè)井領(lǐng)域［1］。目前國(guó)外測(cè)井儀器的測(cè)量精度在0.01～0.015g／cm3范圍內(nèi)，而大部分國(guó)產(chǎn)儀器的測(cè)量精度實(shí)際只能達(dá)到0.03 g／cm3。在鄂爾多斯地區(qū)的特低孔隙度、低滲透率砂巖儲(chǔ)層，典型的氣層孔隙度為6～9p.u.，油層孔隙度為9～12p.u.，骨架密度為2.68g／cm3。若采用國(guó)產(chǎn)儀器測(cè)量，0.03g／cm3的密度變化將產(chǎn)生1.1p.u.的氣層孔隙度變化量，測(cè)量相對(duì)誤差達(dá)14.7%，這將顯著影響該類儲(chǔ)層評(píng)價(jià)效果［2］。

研發(fā)新型巖性密度測(cè)井儀的難點(diǎn)在于核脈沖信號(hào)的處理與采集。一般老式儀器采用了先處理再采集的方法，即先采用模擬濾波成形（包括峰值展寬與保持電路）、極零相消和基線恢復(fù)等處理，再由低速ADC完成脈沖采集［3］。這種做法不僅增加了電路的復(fù)雜性還增大了電路帶來的死時(shí)間。本文提出了一種先采集再處理的新方法，即預(yù)先高速采集放大后的核脈沖信號(hào)，然后再進(jìn)行核脈沖信號(hào)的數(shù)字化處理。該方法通過將核脈沖信號(hào)的數(shù)字化處理提高計(jì)數(shù)率，可用于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分辨率。基于該方法的新型巖性密度測(cè)井儀已研制成功，本文重點(diǎn)介紹了新型巖性密度測(cè)井儀的數(shù)據(jù)采集處理電路開發(fā)，并通過分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的可行性和實(shí)用性。

1 數(shù)據(jù)采集處理電路總體設(shè)計(jì)

脈沖采集與處理電路包括主放大電路、高速AD采集、FPGA模塊電路。該部分電路主要完成伽馬散射能譜采集、分析、處理等功能。與之通信的MCU完成256～2 048道多道幅度分析器（MCA）緩存或256～2 048B的FIFO數(shù)據(jù)緩存，執(zhí)行地面命令，控制數(shù)據(jù)的上傳，自動(dòng)或按指令調(diào)節(jié)增益或高壓以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)譜等功能［4］。方案設(shè)計(jì)框圖見圖1。

圖1 新型巖性密度測(cè)井儀數(shù)據(jù)采集處理電路原理框圖

信號(hào)經(jīng)過放大之后由FPGA控制高速高精度ADC進(jìn)行信號(hào)采樣與AD轉(zhuǎn)換。由于前端采集的速度可以達(dá)到ns級(jí)（系統(tǒng)實(shí)際采用50ns），而核脈沖寬度一般是μs級(jí)，可以對(duì)一個(gè)核脈沖信號(hào)經(jīng)過多次采樣，然后由FPGA實(shí)現(xiàn)高速算法，擬合出峰值。相比較而言，采用高速ADC后，脈沖前沿采樣點(diǎn)遠(yuǎn)多于經(jīng)典的MCA，這是由于常規(guī)方法設(shè)計(jì)的MCA采取峰值展寬后，只對(duì)幅值最大值進(jìn)行一次采樣。這是對(duì)傳統(tǒng)的多道幅度分析器的創(chuàng)新，不需要外部接入峰值展寬與保持電路，利用FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)高速的峰值轉(zhuǎn)換，完成數(shù)字化處理，從而達(dá)到更高的精度和更好的穩(wěn)定性。

2 數(shù)據(jù)采集處理實(shí)現(xiàn)

2.1 FPGA模塊電路及功能

FPGA模塊主要完成核脈沖信號(hào)的數(shù)字化處理，包括實(shí)現(xiàn)高速A／D采樣的時(shí)鐘輸出、信號(hào)的濾波成形、采樣數(shù)據(jù)的甄別、基線恢復(fù)與加1存儲(chǔ)，以及與單片機(jī)的通信等功能。其功能模塊關(guān)系框圖見圖2。所有功能模塊采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫代碼實(shí)現(xiàn)。

FPGA功能模塊主要包括串口功能模塊、數(shù)據(jù)存取模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、ADC峰值檢測(cè)模塊、MCA脈沖寬度檢測(cè)和加1操作模塊、時(shí)間測(cè)量模塊、通信模塊和濾波模塊。其中，串口功能模塊主要完成串口發(fā)送模塊（115 200bit／s）、串口發(fā)送計(jì)數(shù)模塊、串口接收模塊（115 200bit／s）和串口接收保存模塊；數(shù)據(jù)緩存主要包括用于1 024道MCA緩存的1 024×16的雙口RAM和用于1 024點(diǎn)模擬采樣數(shù)據(jù)的1 024×16的FIFO RAM；數(shù)據(jù)讀取模塊主要完成ADC數(shù)據(jù)讀取、存取模塊（脈沖模式只保存＞100的數(shù)據(jù)）；峰值檢測(cè)完成ADC峰值檢測(cè)功能；MCA脈沖寬度檢測(cè)模塊完成脈沖寬度判別和MCA加1操作功能；時(shí)間測(cè)量模塊即完成測(cè)量時(shí)間的計(jì)時(shí)功能；通訊管理模塊，實(shí)現(xiàn)與MCU的命令應(yīng)答，數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 FGPA電路模塊原理框圖

2.2 脈沖數(shù)字化處理原理

核脈沖經(jīng)過高速ADC采集后（離散化處理）分3路進(jìn)行處理，一路經(jīng)過2 048B的FIFO后，直接送控制單元，通過通訊接口送至PC進(jìn)行原始脈沖顯示；一路經(jīng)過脈沖成形后存儲(chǔ)至2 048B的FIFO，也可以通過PC進(jìn)行成形脈沖顯示；另一路是經(jīng)過脈沖成形（高斯成形或梯形成形［6］等）后，進(jìn)行幅值分析進(jìn)行加1存儲(chǔ)至雙口RAM，通過邏輯控制單元送至PC進(jìn)行譜數(shù)據(jù)分析與顯示。前2路信號(hào)采取脈沖模式處理，后一路信號(hào)則進(jìn)行多道能譜分析器方式處理［5］。脈沖數(shù)字化處理原理框圖見圖3。其中虛線框內(nèi)設(shè)計(jì)的功能完全由FPGA完成。

圖3 脈沖數(shù)字化處理原理框圖

對(duì)原始脈沖采集采取有效采集方式，即有脈沖時(shí)啟動(dòng)ADC進(jìn)行采集，無(wú)脈沖時(shí)不采集，然后扣除無(wú)脈沖采集時(shí)間。因此，在FIFO中的數(shù)據(jù)是連續(xù)的脈沖。對(duì)脈沖的拖尾處理主要放在數(shù)字基線恢復(fù)和成形處理中進(jìn)行［7］。對(duì)成形后的脈沖進(jìn)行幅值分析，存儲(chǔ)至雙口RAM中，完成能譜數(shù)據(jù)的暫存。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 數(shù)據(jù)采集電路性能測(cè)試

數(shù)據(jù)采集電路性能測(cè)試包括實(shí)時(shí)原始脈沖采集測(cè)試、成形脈沖（梯形）測(cè)試和能譜測(cè)試。圖4所示原始脈沖尾長(zhǎng)約為16μs。

實(shí)際應(yīng)用中還加入了一定的脈沖寬度選擇邏輯，可以用于抑制干擾等。與傳統(tǒng)的MCA比較可用的有效測(cè)量道（址）提高到4～1 024（對(duì)于1 024道的MCA），取消了上下甄別電路，脈沖成形時(shí)間也縮短到2～8μs。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路性能測(cè)試

3.2 新型巖性密度測(cè)井儀相關(guān)參數(shù)

為驗(yàn)證新型巖性密度測(cè)井儀器的穩(wěn)定性和可靠性，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和室外測(cè)井實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)性能參數(shù)，并與老式儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。室內(nèi)測(cè)量的新舊儀器的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 新舊儀器實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

室外測(cè)井可以得到儀器的計(jì)數(shù)率、重復(fù)性與一致性和與國(guó)外高精度巖性密度測(cè)井儀工程曲線的吻合度。此外，新型巖性密度測(cè)井儀采用核脈沖數(shù)字化處理方法改善了儀器的重復(fù)性與一致性［見圖5（a）］；通過測(cè)量同一口井標(biāo)準(zhǔn)井與國(guó)外儀器比對(duì)發(fā)現(xiàn)［見圖5（b）］測(cè)井工程曲線與國(guó)外儀器吻合良好。新型數(shù)字型巖性密度測(cè)井儀數(shù)據(jù)采集處理電路已成功應(yīng)用于EILog測(cè)井系統(tǒng)中，并對(duì)慶陽(yáng)、華北等油田生產(chǎn)井與標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行了初步測(cè)試。

圖5 新型巖性密度儀實(shí)測(cè)工程曲線圖

4 結(jié) 論

（1）采用核脈沖信號(hào)的數(shù)字化處理提高計(jì)數(shù)率正確性，先采集后處理方法可行。

（2）新型巖性密度測(cè)井儀數(shù)據(jù)采集處理電路將經(jīng)典脈沖信號(hào)處理硬件軟件化的設(shè)計(jì)方法正確，而且該方法剔除了硬件處理電路受溫度影響因素，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是譜漂問題。

（3）電路采用高溫防輻射元件及芯片設(shè)計(jì)。采用上述方法構(gòu)建的新型巖性密度測(cè)井儀數(shù)據(jù)采集處理電路具有計(jì)數(shù)率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

［1］ 黃隆基.核測(cè)井原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2000.

［2］ 湯天知.EILog測(cè)井系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展思路［J］.測(cè)井技術(shù)，2007，31（2）：99－102.

［3］ 鞠曉東，李會(huì)銀，成向陽(yáng)，等.新型巖性密度測(cè)井儀研制［J］.測(cè)井技術(shù)，2005，29（1）：59－62.

［4］ 魯保平，張惠芳.四能窗穩(wěn)譜技術(shù)在巖性密度測(cè)井儀中的應(yīng)用［J］.測(cè)井技術(shù)，2008，32（1）：76－79.

［5］ 肖無(wú)云，梁衛(wèi)平，邵建輝，等.基于FPGA的數(shù)字化核脈沖幅度分析器［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2008，28（6）：1069－1071.

［6］ Cosimo Imperiale，Alessio Imperiale.On Nuclear Spectrometry Pulses Digital Shaping and Processing［J］.Measurement，2001，30：49－73.

［7］ ZHOU Jianbin etc.Study of Digital Gaussian Shaping for a Semiconductor X－ray Detector in Real Time［C］∥Proceeding of 10th International Conference on Electronic Measurement ＆Instruments，ICEMI′2011，Beijing，China，IEEE，Inc.2011：163－165.

Design of Data Acquisition and Processing Circuit for a New Litho－density Logging Tool

LIU Yi1，TANG Tianzhi2，YUE Aizhong2
（1.Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China；2.Technical Center，China Petroleum Logging CO.LTD.，Xi’an，Shaanxi 710077，China）

Proposed is a new data pre－acquiring ＆post－processing method for the new lithodensity logging tool.The data acquisition and processing circuit design is implemented through digital nuclear－pulse signal processing technique in the new litho－density logging tool.Indoor data acquisition test and outdoor experiment are carried out for the new tool，results of which show that the new tool with the new method has higher precision（0.015g／cm3）and better stability than the conventional litho－density logging tools.Logging curves provided by the new tool are better agreement with that by foreign instruments.

litho－density logging tool，digital pulse，data acquisition and processing，circuit design

P631.63

A

2011－12－26 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）04－0397－04

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題大型油氣田及煤層氣開發(fā)任務(wù)之一，隸屬于子課題模塊式動(dòng)態(tài)地層測(cè)試系統(tǒng)及EILog配套裝備，項(xiàng)目編號(hào)：2008ZX05020，課題編號(hào)：2008ZX05020－004

劉易，男，1978年生，博士研究生，從事核信號(hào)與數(shù)據(jù)處理研究工作。