呂海泉, 蔡曉波, 程靜, 柏林

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所, 河北 邯鄲 056027)

0 引 言

巖性密度測井儀通過儀器自帶的放射源作用于地層,與地層相互作用產(chǎn)生康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng),利用康普頓效應(yīng)測量地層密度,利用光電效應(yīng)測量地層巖性[1]。

巖性密度測井儀在現(xiàn)場較驗以實際聯(lián)調(diào)刻度結(jié)果檢測儀器,須使用地面操作系統(tǒng),檢測非常不方便[2]。巖性密度測井儀探頭測試系統(tǒng)連續(xù)對脈沖幅度值進行A/D轉(zhuǎn)換,對得到的數(shù)字值在FPGA內(nèi)進行處理再得到目標窗口的值,省去了原儀器中脈沖信號的峰值保持及測量的部分。該測試系統(tǒng)體積小,重量輕,成本低,攜帶方便,即插即用,既可用于產(chǎn)品自檢,還可以用于油田的現(xiàn)場維修和調(diào)試。

1 系統(tǒng)原理

巖性密度測井儀由高壓組件、探測器和前置放大板組成。探測器由晶體和光電倍增管組成。它能將射入晶體的γ射線轉(zhuǎn)化為微弱的電信號,稱為核脈沖[3]。幅度各異的核脈沖經(jīng)過線性放大器線性放大,通過基線恢復(fù)電路進行基線恢復(fù);經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,將核脈沖的幅度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號進入FPGA中的脈沖幅度分析器進行脈沖幅度分析[4]。

不同能量的伽馬射線與脈沖幅度分析器的相關(guān)道域形成了對應(yīng)關(guān)系,最終形成1024道譜數(shù)據(jù)。ARM處理器通過SPI傳輸從FPGA中獲得譜數(shù)據(jù),通過UART傳輸將1024道譜數(shù)據(jù)傳給地面,對譜數(shù)據(jù)分析并調(diào)節(jié)高壓發(fā)生器的高壓值;通過儀器的能量刻度建立能量和道址的關(guān)系——能量刻度曲線。系統(tǒng)的方框原理圖見圖1。

圖1 測試系統(tǒng)方框原理圖

2 脈沖信號采集系統(tǒng)

2.1 核信號處理模塊

巖性密度測井儀探頭輸出的核脈沖信號進入前置放大器處理,再進入主放大器放大。探頭通常要求后級有高的輸入阻抗以利于信號輸出,在探頭和主放大電路之間放置一個前置放大器進行阻抗轉(zhuǎn)換匹配。它可以減少探測器輸出端到放大器輸入端之間的分布電容的影響,提高信噪比。

信號經(jīng)由主放大器進入比較器式基線恢復(fù)器(見圖2)。基線恢復(fù)器由比較器AD790和放大器OP284組成,其原理是當脈沖的基線大于0時,比較器輸出高電平。該電平經(jīng)過RC濾波,被OP284放大;放大后的信號輸出到運放,強迫脈沖的基線向0靠近;經(jīng)過一定時間基線恢復(fù)到0。當基線小于0,比較器的輸出低電平,該電平經(jīng)過RC濾波被OP284放大;放大后的信號輸出到運放,強迫脈沖的基線向上移動,經(jīng)過一定時間基線恢復(fù)到0。在電路中為了提高測量的精度,人為加入了抖動信號;為了簡化電路的設(shè)計,抖動信號通過基線恢復(fù)電路實現(xiàn)。由于工作頻率的不同,可以去掉AD790,分析其工作原理,在脈沖信號上疊加了三角波[5]。

圖2 基線恢復(fù)電路

2.2 脈沖幅度分析器

信號通過A/D進行連續(xù)采樣,在信號大于門檻時使用數(shù)字積分器,在信號小于門檻時停止積分,積分器將脈沖幅度進行累加,獲得脈沖的精確幅度。將脈沖幅度和數(shù)量進行統(tǒng)計,得到譜數(shù)據(jù)。譜數(shù)據(jù)通過SPI總線傳給ARM。脈沖幅度分析器的功能通過FPGA完成。

3 自動穩(wěn)高壓系統(tǒng)

為保證核脈沖信號幅度嚴格正比于探測到的伽馬射線的能量,需要控制供給光電倍增管的高壓。為此必須采取穩(wěn)譜措施,即動態(tài)調(diào)整高壓。該系統(tǒng)采用特征峰穩(wěn)譜方法穩(wěn)譜。巖性密度測井儀采用了低活度137Cs源直接貼于NaI晶體端面,從137Cs源發(fā)射的662 keV伽馬射線直接進入晶體。通過監(jiān)測特征峰的伽馬全能峰,采用四能窗穩(wěn)譜算法計算光電倍增管高壓的調(diào)整因子[6],細調(diào)光電倍增管的高壓。自動穩(wěn)高壓系統(tǒng)的計算全部在ARM處理器中完成。

為實現(xiàn)穩(wěn)峰,儀器設(shè)置了4個能窗段。窗口C1為538～600 keV;窗口C2為600～662 keV;窗口C3為662～724 keV;窗口C4為724～786 keV。窗口設(shè)置使較低2個能量窗口C1+C2的脈沖計數(shù)之和與較高2個能量窗口C3+C4的脈沖計數(shù)之和在不考慮本底影響下相等。該條件下若高壓過低,輸出脈沖幅度分布中心偏向能量較低方向的窗口,則C1+C2的計數(shù)值偏高,此時儀器通過持續(xù)調(diào)大控制電壓增加高壓,使脈沖幅度分布中心向高能量方向偏移,最終達到C1+C2和C3+C4的計數(shù)率平衡。反之,若高壓太高,則輸出脈沖幅度分布中心將偏向能量較高方向的窗口,C3+C4的計數(shù)值偏高,此時儀器調(diào)小控制電壓降低高壓,使脈沖幅度分布中心向低能量方向偏移,最終達到平衡[7]。

4 數(shù)據(jù)采集及處理

儀器采用能譜分窗測量,長、短源距能譜各被分成9個能量窗口,通過對其中的5個窗口的數(shù)據(jù)的測量及計算可以得到相應(yīng)的巖性和密度數(shù)據(jù)。能譜段劃分設(shè)置見表1。長源距譜LS窗口187～536 keV,內(nèi)含有LL和LU共2部分。通常用LS段數(shù)據(jù)求取密度。為了避免對測井的影響,對重晶石泥漿用LU段數(shù)據(jù)求取密度。LITH巖性窗口用以求取巖性。短源距譜設(shè)置2個窗口SS1和SS2。SS1用于薄泥餅矯正,SS2用于厚的泥餅矯正。

測試系統(tǒng)中ARM處理器得到脈沖幅度分析器傳來的譜數(shù)據(jù),通過對譜數(shù)據(jù)的處理,得到5個窗口的數(shù)值,在LCD顯示屏上顯示。

表1 能譜劃分設(shè)置

5 實驗及結(jié)果分析

巖性密度測井儀在高溫環(huán)境工作,實驗時對測井儀在常溫和高溫條件下的本底數(shù)據(jù)要進行測試,分析其結(jié)果是否滿足要求。實驗時,儀器在相同的狀態(tài)下連接測井系統(tǒng)得出準確的窗口計數(shù)值;接入測試系統(tǒng)得出檢測結(jié)果;將檢測結(jié)果和準確值進行比對看是否滿足要求。

常溫測試。所有測量在儀器加電工作穩(wěn)定之后進行,一般需要15 min。常溫(23 ℃左右)測量結(jié)果見表2,其中LS=LL+0.5LU。

表2 常溫測試結(jié)果

高溫測試。被檢驗儀器溫度指標升溫至最高溫度175 ℃,溫度允許偏差+0 ℃、-5 ℃。儀器芯體進行高溫試驗1.5 h。高溫測試結(jié)果見表3。

表3 高溫測試結(jié)果

由表2和表3的數(shù)據(jù)可以看出無論儀器在常溫條件還是在高溫條件下,使用測試系統(tǒng)進行測試,各個窗口的測量值都在允許范圍以內(nèi),而且測量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。整個測試系統(tǒng)滿足使用要求。

6 結(jié)束語

(1) 巖性密度測井儀探頭測試系統(tǒng)在巖性密度測井儀電路的基礎(chǔ)上采用了FPGA技術(shù)代替了原有電路中的所有數(shù)字電路,通過ARM處理器完成了自動穩(wěn)譜功能和顯示功能,代替了上位機功能。

(2) 巖性密度測井儀探頭測試系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在巖性密度測井儀的出廠檢測及現(xiàn)場維修,使用方便,測量準確,效果良好。

參考文獻:

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[2] 呂海泉, 柏林, 段敬彬. 基于FPGA的巖性密度測井儀測試系統(tǒng)的研究 [J]. 艦船防化, 2011(4): 37-41.

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