專利名稱：巖性密度測井儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種石油測井儀器，利用它可以在裸井眼內定量測量地層物質密度及其巖性。
二背景技術：
伽馬射線主要與組成地層物質原子的電子發(fā)生作用。伽馬射線與電子發(fā)生的相互作用根據其能量高低不同有三種不同形式電子對效應、康普頓效應和光電效應。137Cs源發(fā)出的伽馬射線能量為662KeV，與電子發(fā)生作用的主要形式是康普頓效應和光電效應。經過康普頓散射后的伽馬射線反映了地層物質的電子密度，而電子密度是物質密度的直接反映，因此測量康普頓散射后的伽馬射線的數量就可以反過來推導地層物質密度。低能量的伽馬射線與地層物質發(fā)生作用時主要以光電效應為主。在理論上光電效應的強弱反映了地層物質的巖性。通過測量低能量的伽馬射線的數量可以求得地層物質的巖性。
巖性密度測井儀器是上述原理的具體實現。在地質研究方面，巖性密度測井儀器具有重要應用價值。
三
發(fā)明內容
本實用新型的目的就是基于上述機理，提供一種在井眼內以固定強度的137Cs源向地層物質發(fā)射伽馬射線，然后應用NaI閃爍晶體和相應的電子信號處理電路測量與地層物質發(fā)生作用后的伽馬射線能量譜，并且根據該能量譜計算地層物質的密度和巖性的巖性密度測井儀。
儀器由推靠器和電子信號處理電路兩部分硬件構成。推靠器是一個由電機驅動的推開/收攏裝置。在推靠器上布置了2個NaI閃爍晶體和相應的光電倍增管，一個源室、一個電機控制電路。電子信號處理電路是該儀器的核心部分，其功能是響應地面命令，控制儀器的工作狀態(tài)，采集并上傳伽馬射線能量譜和其它信息。電子信號處理電路先裝入金屬保溫瓶內，然后再密封在一個金屬承壓外殼內，以便適用于石油測井的高溫高壓地層環(huán)境。
該儀器的物理機制如下以固定強度的137Cs源向地層物質發(fā)射伽馬射線。伽馬射線與地層物質發(fā)生作用。與地層物質發(fā)生作用后的伽馬射線能量譜反映了地層物質的密度和巖性。不同能量的伽馬射線進入NaI閃爍晶體時激發(fā)的閃光不同；而不同的閃光進入光電倍增管后就引起不同幅度的電壓脈沖信號。經過專門設計的脈沖幅度分析電路把一系列不同幅度的脈沖映射到0——255道地址上，并在對應存儲單元里累加。這樣，在一定的時間間隔內，所有256個存儲單元的脈沖計數就形成了一個譜，這個能譜攜帶著此時地層物質的密度和巖性信息。利用專門的剝譜方法和刻度數據就可以計算出地層物質密度和巖性。
具體技術方案是儀器的硬件分成2大部分(1)推靠器；(2)電子信號處理電路。
推靠器是一個由電機驅動的推開/收攏裝置。其功能是在測井時把探頭貼緊井筒內壁。探頭內布置了2個NaI閃爍晶體和相應的光電倍增管，以及一個專門設計的放置137Cs源的源室。推靠器的上部是一個控制電路。該控制電路控制電機的轉動從而驅動推靠器推開或收攏。
電子信號處理電路是該儀器的核心部分，其功能是響應地面命令，控制儀器的工作狀態(tài)，采集并上傳伽馬射線能量譜和其它信息。電子信號處理電路先裝入金屬保溫瓶內，然后再密封在一個金屬承壓外殼內。
主控板以MCS51 MPU為核心，有多個分辨率為12位的AD和DA通道，其中AD部分完成井徑、保溫瓶內外溫度和供電電壓等信號的采集，DA部分用于高壓程控調節(jié)以及脈沖低門檻鑒別電壓的設置，為方便布線全部采用串行IO器件。主控板以M2雙向模式與WTS的接口操作由HD6408曼徹斯特編碼收發(fā)器完成，并采用線接收和驅動器，由于主控板MPU負載較輕，對HD6408接口的雙向串并轉換也由MPU用軟件完成。PHA板以另一個MCS51 MPU為核心，兩MPU之間采用高比特率進行雙向串行通信。主MPU采用特殊的長延遲復位電路，并且可對PHA板的從MPU強制復位，保證了儀器系統上電后的可靠運行。伽馬射線脈沖的處理全部在PHA板完成，能譜數據量化采用12位高速AD(MAX162AMRG或AD7572ASQ)以保證轉換速度和精度，儀器實際只使用轉換結果的高8位，形成256道能譜。由于采用了CPLD器件(ispLSI1024-60LH68/883)，使得儀器在不使用FIFO器件作高速緩存并且只采用普通單端口RAM的條件下達到很高的PHA處理性能，并且大大減少了硬件以及連線規(guī)模，方便了井下電子系統設計。RAM中分頁存儲PHA處理數據和待發(fā)送數據，使得能譜數據采集和傳輸得以并行處理。PHA板中由另一片CPLD(ispLSI1016-60LH44/883)完成M5數據發(fā)送處理，該CPLD集成了HD6409及與MPU的并行接口功能，使得PHA板MPU的M5模式發(fā)送操作非常簡單，運行中只要在發(fā)送中斷服務中不斷放入數據即可。
四

圖1巖性密度測井儀結構簡圖；圖2電子信號處理電路原理流程圖；圖3主控板MPU軟件流程圖；圖4 PHA板MPU軟件流程圖。
五具體實施方式
參照圖1，儀器的硬件分成2大部分推靠器5，電子信號處理電路4。推靠器是一個由電機驅動的推開/收攏裝置。其功能是在測井時把探頭6貼緊井筒內壁。探頭6內布置了2個NaI閃爍晶體和相應的光電倍增管，以及一個專門設計的放置137Cs源的源室。推靠器的上部是一個控制電路。該控制電路控制電機的轉動從而驅動推靠器推開或收攏。
電子信號處理電路是該儀器的核心部分，裝入金屬保溫瓶內，然后再密封在一個金屬承壓外殼內。其功能是通過測井電纜2、數據傳輸短節(jié)3響應地面系統1命令，控制儀器的工作狀態(tài)，采集并上傳伽馬射線能量譜和其它信息。
參照附圖2，儀器的電子信號處理電路分為主控板和PHA板兩部分。主控板以MCS51 MPU為核心，有多個分辨率為12位的AD和DA通道，其中AD部分完成井徑、保溫瓶內外溫度和供電電壓等信號的采集，DA部分用于高壓程控調節(jié)以及脈沖低門檻鑒別電壓的設置，為方便布線全部采用串行IO器件。主控板以M2雙向模式與WTS的接口操作由HD6408曼徹斯特編碼收發(fā)器完成，并采用線接收和驅動器，由于主控板MPU負載較輕，對HD6408接口的雙向串并轉換也由MPU用軟件完成。PHA板以另一個MCS51 MPU為核心，兩MPU之間采用高比特率進行雙向串行通信。主MPU采用特殊的長延遲復位電路，并且可對PHA板的從MPU強制復位，保證了儀器系統上電后的可靠運行。伽馬射線脈沖的處理全部在PHA板完成，能譜數據量化采用12位高速AD(MAX162AMRG或AD7572ASQ)以保證轉換速度和精度，儀器實際只使用轉換結果的高8位，形成256道能譜。由于采用了CPLD器件(ispLSI1024-60LH68/883)，使得儀器在不使用FIFO器件作高速緩存并且只采用普通單端口RAM的條件下達到很高的PHA處理性能，并且大大減少了硬件以及連線規(guī)模，方便了井下電子系統設計。RAM中分頁存儲PHA處理數據和待發(fā)送數據，使得能譜數據采集和傳輸得以并行處理。PHA板中由另一片CPLD(ispLSI1016-60LH44/883)完成M5數據發(fā)送處理，該CPLD集成了HD6409及與MPU的并行接口功能，使得PHA板MPU的M5模式發(fā)送操作非常簡單，運行中只要在發(fā)送中斷服務中不斷放入數據即可。
測井時，首先把巖性密度測井儀器的推靠器、電子信號處理電路和測井通訊短節(jié)連接起來，再通過測井電纜2與地面系統1配接。把137Cs源安裝在源倉內，然后用測井電纜絞車把儀器下放到井眼內。
儀器工作時需要從地面供給180V交流電。井下儀器的電源電路把180V交流電轉換成穩(wěn)定的低壓直流電源。
137Cs源向地層物質發(fā)射伽馬射線。伽馬射線與地層物質發(fā)生作用，與地層物質發(fā)生作用后的伽馬射線進入NaI閃爍晶體后激發(fā)的閃光信號，并且閃光信號因伽馬射線的能量變化而不同。而不同的閃光信號進入光電倍增管后就引起不同幅度的負電壓脈沖信號。該負電荷脈沖進入前置放大器，進行信號放大；然后輸入到電子信號理電路的PHA分析板。PHA分析板自動完成譜分析。
電子信號理電路的主控板接收地面下傳的各種控制命令，根據控制命令的要求，實現輔助參數數據采集、高壓控制、門坎調整、數據發(fā)送及控制PHA板的從單片機實現能譜數據采集等功能。
系統控制軟件的功能是(1)自動完成對模擬信號、能譜脈沖信號的數據采集；(2)接收并識別地面系統的命令，實現對井下儀器的各種控制以及上傳測量數據。
主控板的任務是接收地面下傳的各種控制命令，根據控制命令的要求，實現輔助參數數據采集、高壓控制、門坎調整、數據發(fā)送及控制PHA板的從單片機實現能譜數據采集等。
主控板MPU軟件流程圖如圖3所示。主控板軟件由主模塊以及命令接收、數據發(fā)送、A/D控制、D/A控制、從單片機控制等子模塊組成。儀器上電后，主控單片機執(zhí)行主模塊完成的系統初始化，包括單片機內部定時器/計數器、串行口、中斷控制及數據存儲器變量設置，另外通過D/A轉換器設置光電倍增管高壓、譜分析電路低門坎。然后單片機調用命令接收子模塊及其他子模塊，執(zhí)行“命令接收—識別—執(zhí)行”循環(huán)，在地面系統控制下實現測井過程。
模式2命令接收與數據發(fā)送命令接收子模塊是主控單片機的核心模塊，井下儀器數據采集及傳輸任務是在命令驅動下完成的。根據設計要求，控制板與上部的傳輸短節(jié)間的通訊速率較低，曼徹斯特編碼譯碼器(HD-15530)與單片機之間采用串行接口方式。在接收命令時，由HD-15530對輸入的單極性信號進行同步識別，之后HD-15530輸出譯碼得到的16位串行數據及時鐘。串并轉換則由單片機以軟件方式實現，單片機在確定的時鐘沿依次讀出相應數據位，然后將其拼接即得到地面下傳的命令字。
數據發(fā)送子模塊用于主控板上輔助測量參數(短源距計數率、溫度、電壓等)向地面的傳送，傳送過程中由單片機實現并串轉換并根據HD-15530的時序要求在確定的時刻輸出，由HD-15530編碼上傳。命令接收和數據發(fā)送子模塊采用軟件方式實現移位寄存器功能，在滿足技術指標要求的前提下，實現了硬件設計優(yōu)化，性價比顯著提高。
PHA板MPU軟件功能分析PHA板MPU的功能是接收主控板的控制命令，然后根據控制命令井下完成送譜數據到M5發(fā)送器、送GR計數到主控板的測井功能，實現上傳遙傳訓練碼、寫訓練譜到RAM等測試功能。PHA板MPU軟件分為主程序和中斷程序兩部分，主程序實現系統初始化，傳送譜數據、遙傳訓練碼，寫訓練譜到當前RAM頁等功能；串口中斷程序完成命令接收與回傳、GR計數上傳功能，計數器中斷實現GR計數的進位功能。上傳遙傳訓練碼用來測試M5遙傳通道是否工作正常，而上傳訓練譜不僅能測試傳輸通道，而且能測試譜數據存儲與讀取功能，測試功能更系統，控制命令回傳是為了校驗MPU串行通道是否正常。
軟件流程如圖4所示，首先進行系統的初始化，清除所有標志位及兩頁RAM，設置計數器0有用GR計數并啟動相應中斷，設置串行通訊及其中斷進行命令的接收和GR計數上傳；然后等待主控板通過串口送來的控制命令，當有命令到來時，進行命令分析，按要求進行選擇執(zhí)行訓練譜寫當前RAM頁操作、上傳遙傳訓練碼、換RAM頁上傳當前頁GR計數并清零、上傳譜數據等操作。
權利要求1.一種巖性密度測井儀，其特征是包括推靠器和電子信號處理電路兩部分構成，推靠器是一個由電機驅動的推開/收攏裝置，在推靠器上布置了2個NaI閃爍晶體和相應的光電倍增管，以及一個伽馬射線源室，推靠器內的電機與電機控制電路連接，電子信號處理電路裝入金屬保溫瓶內，并密封在一個金屬承壓外殼內；電子信號處理電路包括主控板和PHA板兩部分。
2.根據權利要求1所述的巖性密度測井儀，其特征是主控板以主MPU為核心，有多個分辨率為12位的AD和DA通道，其中AD部分包括井徑、保溫瓶內外溫度和供電電壓信號源，DA部分包括高壓程控調節(jié)以及脈沖低門檻鑒別電壓的信號源，主控板以M2雙向模式與曼徹斯特編碼收發(fā)器串行對接；PHA板以另一個從MPU為核心，兩MPU之間采用高比特率進行雙向串行通信連接；PHA板上的脈沖前置處理電路接收伽馬射線脈沖后，一路連接到峰值保持電路、ADC電路與PHA總線控制器雙通道連接，另一路連接低門檻鑒別電路后與PHA總線控制器連接，由PHA總線控制器與從MPU、RAM構成雙通道連接，同時低門檻鑒別電路還與主控板上的DA部分連接，PHA板中的從MPU與M5數據發(fā)送器并行對接。
專利摘要本實用新型涉及一種石油測井儀器，利用它可以在裸井眼內定量測量地層物質密度及其巖性。儀器由推靠器和電子信號處理電路兩部分硬件構成。推靠器是一個由電機驅動的推開/收攏裝置。在推靠器上布置了2個NaI閃爍晶體和相應的光電倍增管，一個源室、一個電機控制電路。電子信號處理電路是該儀器的核心部分，其功能是響應地面命令，控制儀器的工作狀態(tài)，采集并上傳伽馬射線能量譜和其它信息。電子信號處理電路先裝入金屬保溫瓶內，然后再密封在一個金屬承壓外殼內，以便適用于石油測井的高溫高壓地層環(huán)境。巖性密度測井儀器在地質研究方面，具有重要應用價值。
文檔編號E21B49/00GK2823555SQ200520085148
公開日2006年10月4日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權日2005年7月7日
發(fā)明者劉廣盛, 滕俊兵, 王衛(wèi)華, 樊悅國, 左宏英, 張磊, 南愛香, 劉洋 申請人:中國石化集團勝利石油管理局測井公司