一種新型巖性密度測井儀數據采集處理電路設計

劉易，湯天知，岳愛忠

（1.成都理工大學，四川成都610059；2.中國石油集團測井有限公司技術中心，陜西西安710077）

一種新型巖性密度測井儀數據采集處理電路設計

劉易1，湯天知2，岳愛忠2

（1.成都理工大學，四川成都610059；2.中國石油集團測井有限公司技術中心，陜西西安710077）

提出一種應用于巖性密度測井儀器先采集再處理的新方法，通過核脈沖數字化處理方案完成新型巖性密度測井數據采集處理電路設計。對新儀器進行室內數據采集性能測試和室外實驗測試。相比采用先處理再采集的方法的常規巖性密度測井儀器，采用該新方法研制的巖性密度測井儀器具有更高的精度（0.015g／cm3），同時兼備更佳的性能穩定性，測井工程曲線與國外儀器吻合良好。

巖性密度測井儀；脈沖數字化；數據采集處理；電路設計

0 引 言

用于儲層孔隙度計算和評價的巖性密度測井儀器已廣泛應用于石油勘探測井領域［1］。目前國外測井儀器的測量精度在0.01～0.015g／cm3范圍內，而大部分國產儀器的測量精度實際只能達到0.03 g／cm3。在鄂爾多斯地區的特低孔隙度、低滲透率砂巖儲層，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。若采用國產儀器測量，0.03g／cm3的密度變化將產生1.1p.u.的氣層孔隙度變化量，測量相對誤差達14.7%，這將顯著影響該類儲層評價效果［2］。

研發新型巖性密度測井儀的難點在于核脈沖信號的處理與采集。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雜性還增大了電路帶來的死時間。本文提出了一種先采集再處理的新方法，即預先高速采集放大后的核脈沖信號，然后再進行核脈沖信號的數字化處理。該方法通過將核脈沖信號的數字化處理提高計數率，可用于改善系統的穩定性和分辨率。基于該方法的新型巖性密度測井儀已研制成功，本文重點介紹了新型巖性密度測井儀的數據采集處理電路開發，并通過分析相關實驗測試結果，驗證了該方法的可行性和實用性。

1 數據采集處理電路總體設計

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數據緩存，執行地面命令，控制數據的上傳，自動或按指令調節增益或高壓以實現穩譜等功能［4］。方案設計框圖見圖1。

圖1 新型巖性密度測井儀數據采集處理電路原理框圖

信號經過放大之后由FPGA控制高速高精度ADC進行信號采樣與AD轉換。由于前端采集的速度可以達到ns級（系統實際采用50ns），而核脈沖寬度一般是μs級，可以對一個核脈沖信號經過多次采樣，然后由FPGA實現高速算法，擬合出峰值。相比較而言，采用高速ADC后，脈沖前沿采樣點遠多于經典的MCA，這是由于常規方法設計的MCA采取峰值展寬后，只對幅值最大值進行一次采樣。這是對傳統的多道幅度分析器的創新，不需要外部接入峰值展寬與保持電路，利用FPGA的硬件實現高速的峰值轉換，完成數字化處理，從而達到更高的精度和更好的穩定性。

2 數據采集處理實現

2.1 FPGA模塊電路及功能

FPGA模塊主要完成核脈沖信號的數字化處理，包括實現高速A／D采樣的時鐘輸出、信號的濾波成形、采樣數據的甄別、基線恢復與加1存儲，以及與單片機的通信等功能。其功能模塊關系框圖見圖2。所有功能模塊采用Verilog HDL語言編寫代碼實現。

FPGA功能模塊主要包括串口功能模塊、數據存取模塊、數據緩存模塊、ADC峰值檢測模塊、MCA脈沖寬度檢測和加1操作模塊、時間測量模塊、通信模塊和濾波模塊。其中，串口功能模塊主要完成串口發送模塊（115 200bit／s）、串口發送計數模塊、串口接收模塊（115 200bit／s）和串口接收保存模塊；數據緩存主要包括用于1 024道MCA緩存的1 024×16的雙口RAM和用于1 024點模擬采樣數據的1 024×16的FIFO RAM；數據讀取模塊主要完成ADC數據讀取、存取模塊（脈沖模式只保存＞100的數據）；峰值檢測完成ADC峰值檢測功能；MCA脈沖寬度檢測模塊完成脈沖寬度判別和MCA加1操作功能；時間測量模塊即完成測量時間的計時功能；通訊管理模塊，實現與MCU的命令應答，數據傳輸。

圖2 FGPA電路模塊原理框圖

2.2 脈沖數字化處理原理

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

圖3 脈沖數字化處理原理框圖

對原始脈沖采集采取有效采集方式，即有脈沖時啟動ADC進行采集，無脈沖時不采集，然后扣除無脈沖采集時間。因此，在FIFO中的數據是連續的脈沖。對脈沖的拖尾處理主要放在數字基線恢復和成形處理中進行［7］。對成形后的脈沖進行幅值分析，存儲至雙口RAM中，完成能譜數據的暫存。

3 實驗測試

3.1 數據采集電路性能測試

數據采集電路性能測試包括實時原始脈沖采集測試、成形脈沖（梯形）測試和能譜測試。圖4所示原始脈沖尾長約為16μs。

實際應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。與傳統的MCA比較可用的有效測量道（址）提高到4～1 024（對于1 024道的MCA），取消了上下甄別電路，脈沖成形時間也縮短到2～8μs。

圖4 數據采集電路性能測試

3.2 新型巖性密度測井儀相關參數

為驗證新型巖性密度測井儀器的穩定性和可靠性，通過室內實驗和室外測井實驗獲取相關性能參數，并與老式儀器的測量數據進行比對分析。室內測量的新舊儀器的關鍵參數對比見表1。

表1 新舊儀器實驗室測量的關鍵參數對比

室外測井可以得到儀器的計數率、重復性與一致性和與國外高精度巖性密度測井儀工程曲線的吻合度。此外，新型巖性密度測井儀采用核脈沖數字化處理方法改善了儀器的重復性與一致性［見圖5（a）］；通過測量同一口井標準井與國外儀器比對發現［見圖5（b）］測井工程曲線與國外儀器吻合良好。新型數字型巖性密度測井儀數據采集處理電路已成功應用于EILog測井系統中，并對慶陽、華北等油田生產井與標準井進行了初步測試。

圖5 新型巖性密度儀實測工程曲線圖

4 結 論

（1）采用核脈沖信號的數字化處理提高計數率正確性，先采集后處理方法可行。

（2）新型巖性密度測井儀數據采集處理電路將經典脈沖信號處理硬件軟件化的設計方法正確，而且該方法剔除了硬件處理電路受溫度影響因素，改善了系統的穩定性，特別是譜漂問題。

（3）電路采用高溫防輻射元件及芯片設計。采用上述方法構建的新型巖性密度測井儀數據采集處理電路具有計數率高、穩定性好等特點。

［1］ 黃隆基.核測井原理［M］.北京：石油工業出版社，2000.

［2］ 湯天知.EILog測井系統技術現狀與發展思路［J］.測井技術，2007，31（2）：99－102.

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

［4］ 魯保平，張惠芳.四能窗穩譜技術在巖性密度測井儀中的應用［J］.測井技術，2008，32（1）：76－79.

［5］ 肖無云，梁衛平，邵建輝，等.基于FPGA的數字化核脈沖幅度分析器［J］.核電子學與探測技術，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

國家科技重大專項課題大型油氣田及煤層氣開發任務之一，隸屬于子課題模塊式動態地層測試系統及EILog配套裝備，項目編號：2008ZX05020，課題編號：2008ZX05020－004

劉易，男，1978年生，博士研究生，從事核信號與數據處理研究工作。