核磁測井儀通用采集平臺輔助測量系統研制

為了使新一代核磁測井儀器能高效準確獲取核磁輔助測量參數信息，設計了一種基于通用采集平臺的核磁測井儀器輔助測量系統。基于通用采集平臺技術，詳細分析了核磁測井儀器輔助測量的必測參數及性質，提出核磁測井儀器輔助參數測量系統，探究輔助測量系統硬件中信號調理、多通道切換、數模轉換功能以及發送輔助測量參數選擇通道命令時序、讀取輔助測量參數采集數據時序的設計與實現。單板測試結果表明，輔助測量參數通道選擇和采集數據上傳可行；儀器聯調測試結果表明，設計的輔助測量系統能夠準確獲取核磁輔助測量參數信息，反映核磁儀器實際工作狀態。研究結果可為偏心核磁、隨鉆核磁及過鉆具核磁等測井儀器輔助測量系統設計、研究及應用提供技術基礎。

核磁測井；通用采集；硬件設計；時序設計；輔助測量

中圖分類號：TE925

文獻標識碼：A

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.006

基金項目：中國石油集團測井有限公司科技項目“先進制造關鍵技術研究”（C-CNLC2022-1E03）。

Development of Auxiliary Measurement System of NMR Logging

Tool Based on Universal Acquisition Platform

Zhong Jian" Ma Xiao" Hou Xueli" Gong Yuming" Huang Yan" Lu Yapu

（China National Logging Corporation）

An auxiliary measurement system of nuclear magnetic resonance （NMR） logging tool based on universal acquisition platform was designed to enable the new generation of NMR logging tool to efficiently and accurately acquire information about auxiliary measurement parameters.Based on the universal acquisition platform technology，a detailed analysis was conducted on the necessary parameters and properties in auxiliary measurement of NMR logging tool，and an auxiliary measurement system of NMR logging tool was proposed.The design and realization of the hardware functions （e.g.signal conditioning，multichannel switching and digital-analog conversion） of the auxiliary measurement system，as well as the time sequence of sending auxiliary measurement parameter selection channel commands and reading auxiliary measurement parameter acquisition data，were investigated.The single board test results show that the selection of auxiliary measurement parameter channels and the uploading of acquired data are feasible.The joint debugging test results show that the designed auxiliary measurement system can accurately obtain the information about auxiliary measurement parameters of NMR logging tool，and reflect the actual working status of the tool.The research results provide a technical basis for the design，research and application of auxiliary measurement systems of eccentric，while drilling and through-bit NMR logging tools.

NMR logging；universal acquisition；hardware design；time sequence design；auxiliary measurement

0" 引" 言

核磁共振測井技術測量信息豐富，可以有效評價地層孔隙結構和流體性質識別，且地層分層能力強，適用于常規和非常規儲層評價，特別是在油氣藏非常規高精度測量應用方面優勢明顯［1-6］。目前，測井井況越來越苛刻，核磁共振測井儀電路結構和控制系統復雜，需要實時測量多種溫度和電壓輔助參數來準確反映儀器工作狀態、測量探頭溫度參數及高壓發射功率參數來進行核磁測井數據實時校正，確保獲得合格的核磁測井資料［7-11］。核磁輔助參數測量結果已作為現場核磁測井資料驗收標準要求的一部分，準確獲取核磁輔助測量參數信息，第一時間掌握核磁儀器工作狀態和分析核磁測井資料質量，可提高核磁儀器測井作業效率。因此，準確測量核磁輔助參數信息對核磁儀器測井應用尤為重要。哈里伯頓和國內核磁測井儀器輔助測量系統采用DSP芯片ADSP21992，16位定點運算，接口資源少，程序開發為匯編語言，可開發性差；除了DSP硬件接口資源限制外，對研發人員專業技術要求較高，程序開發及驗證周期較長，無法滿足新一代核磁測井儀器快速高效研制需求。而通用采集平臺是中國石油集團測井有限公司建設的井下測井儀器通用數據采集平臺，其采用DSP芯片TMS320F28335，已經過充分調研和論證，可滿足新型測井儀器高效研制需求。該DSP為32位浮點運算，接口資源豐富，程序開發為C語言，可開發性強；除了DSP硬件接口資源豐富外，研發人員也易于掌握，程序開發及驗證周期短，滿足新一代核磁測井儀器快速高效研制需求。本文從核磁共振測井儀輔助測量參數實際需求出發，基于通用采集平臺技術，設計一種核磁輔助測量系統，以準確獲取核磁輔助測量參數信息。研究結果可為偏心核磁、隨鉆核磁及過鉆具核磁等測井儀器輔助測量系統的設計、研究及應用提供技術基礎。

鐘劍，等：核磁測井儀通用采集平臺輔助測量系統研制

1" 核磁測井輔助測量系統原理

井下MRT核磁共振測井儀輔助測量主要包括15個參數，即1個高壓發射功率B1信號，3個溫度（發射溫度、線路溫度、探頭溫度）信號，9個直流電源電壓（數字+5 V、模擬±5 V、未穩壓數字+5 V、常規模擬±15 V、發射模擬+15 V、未穩壓模擬±15 V）信號，2個高壓發射電壓信號（發射前高壓高信號和發射后高壓低信號）。

基于通用采集平臺核磁輔助測量系統整體設計框圖如圖1所示。主控制芯片采用通用采集平臺DSP芯片TMS320F28335，此款芯片為32位浮點高速數字信號處理器，具有豐富的外部接口資源［12-13］。通用采集平臺DSP芯片TMS320F28335通過多通道緩沖輔助串口McBSP模塊，產生輔助測量參數采集控制時序、下發采集通道命令和接收輔助測量參數采集數據；TMS320F28335同時對輔助測量參數采集數據進行處理與運算，并負責上傳輔助測量參數數據至上位機，實現對核磁儀器工作狀態進行實時監控。

system of NMR logging tool

2" 輔助測量系統硬件設計與實現

輔助測量系統流程圖如圖2所示，主要包括信號調理、16路選擇開關、12位模數轉換器、移位寄存器、編碼緩沖器和觸發器等硬件模塊。

信號調理模塊中對15個輔助測量參數分別設計信號調理電路，主要采用電阻電容對輔助測量參數信號進行濾波，通過高精度精密電阻對信號進行分壓處理，保證處理后信號大小在模數轉換器采樣值合理的范圍之內；對關鍵的探頭溫度參數信號和高壓發射功率B1參數信號設計了專門的信號調理電路，采用運放OP400AY緩沖和消除共模干擾的儀表放大器AD620SQ相結合的信號調理方式。16路選擇開關采用ADG506ATQ，雙極性電源供電，使能端一直處于有效狀態，由4位二進制碼控制16路通道的選擇。12位模數轉換器采用AD7870TQ，雙極性電源供電，采樣值范圍為-3～3 V，參考電源使用模數轉換器內部參考電源+3 V；設置模數轉換器為12位工作模式；時鐘控制管腳設為低電平，采集時鐘采用模數轉換器內部時鐘振蕩器。移位寄存器采用54HC299，編碼緩沖器采用54HC574，觸發器采用D觸發器54HC74，三者組合電路在串行時鐘信號SCLK、同步幀信號FS、通道命令下發數據信號FDOUT-和采集數據上傳信號FIN-控制下，實現下發不同通道命令切換多路選擇開關，啟動模數轉換器工作，上傳輔助測量參數采集數據。

3" 輔助測量系統控制時序設計與實現

輔助測量參數采集控制時序主要包括4個控制信號，即串行時鐘信號、同步幀信號、發送數據信號、接收數據信號；設計時序應滿足在串行時鐘信號和同步幀信號控制下，實現切換不同輔助測量參數通道和接收模數轉換器采集數據［14-17］。

發送輔助測量參數選擇通道命令設計時序如圖3所示。SCLK為串行時鐘信號，FS為同步幀信號，S0、S1為移位寄存器的移位方向控制信號，INT為模數轉換器工作狀態指示信號，FDOUT-為輔助測量參數通道命令下發數據信號。FDOUT-對通用采集平臺來說為輸出信號，對輔助參數測量系統來說為輸入信號。以輔助測量參數選擇通道1為例，需要發送數據0x001，設計電路需要對其取反，對應FDOUT-數據為0b1111 1111 1110，在串行時鐘信號SCLK控制下，第一個同步幀信號FS下降沿處開始觸發傳輸通道選擇命令，且在串行時鐘信號SCLK上升沿讀取數據；S0S1為10，移位寄存器處于右移狀態，經過12個串行時鐘周期后，12位通道選擇命令數據通過移位寄存器右移送至編碼緩沖器。在第2個同步幀信號FS上升沿處，觸發編碼緩沖器輸出12位通道選擇命令，使16路選擇開關的通道1有效，同時觸發啟動模數轉換器開始工作，S0S1為00，移位寄存器處于保持狀態；經1個串行時鐘周期后，INT從高電平變為低電平，說明模數轉換器完成本次轉換，轉換數據處于可讀狀態；INT低電平保持半個串行時鐘周期后，S0S1為11，移位寄存器處于數據導入狀態，即模數轉換器數據可在串行時鐘控制下導入至移位寄存器。由此可知，設計的發送輔助測量參數選擇通道命令設計時序在串行時鐘信號和同步幀信號控制下，可實現輔助測量參數通道選擇；發送不同的通道選擇命令，選擇不同的輔助測量參數通道，實現測量多個核磁輔助測量參數。

讀取輔助測量參數采集數據設計時序如圖4所示。SCLK為串行時鐘信號，FS為同步幀信號，S0、S1為移位寄存器的移位方向控制信號，INT為模數轉換器工作狀態指示信號，FDIN-為輔助測量參數采集數據上傳信號。FDIN-對通用采集平臺來說為輸入信號，對輔助測量系統來說為輸出信號。以輔助測量參數選擇通道1為例，發送數據通道選擇命令0x001后，在第一個同步幀為高電平，且模數轉換器的轉換數據已導入至移位寄存器，移位寄存器中的數據依次在串行時鐘信號SCLK控制下傳送至FDIN-數據線上，且在串行時鐘信號SCLK下降沿獲取數據，傳輸的數據為0b1011 0010 0010，設計電路需要對其取反，獲得實際采集的數據為0x4DD。在串行時鐘信號和同步幀信號控制下，可實現讀取輔助測量參數采集數據。

輔助測量參數采集控制時序主要通過TMS320F28335的多通道緩沖串口McBSP模塊實現，配置McBSP的A模塊為同步串口.McBSP總共有6個功能管腳，只需使用串行發送時鐘管腳MCLKXA、同步幀發送管腳MFSXA、發送數據管腳MDXA和接收數據管腳MDRA，分別對應本設計電路中的SCLK、FS、FDOUT-和FDIN-，在程序中配置接收串行時鐘信號和接收同步幀信號直接復用McBSPA模塊的發送串行時鐘信號和發送的同步幀信號。串行時鐘頻率設為112.5 kHz；發送數據字長設為12位，0位數據延遲；接收數據字長設為12位，0位數據延遲。同步幀有效寬度為3個時鐘周期，下一幀同步信號有效時間范圍為15個時鐘周期；1個輔助測量參數采集過程設計為30個串行時鐘周期，前15個時鐘周期實現下發通道選擇命令，后15個時鐘周期實現采集數據上傳；在核磁CPMG時序固定時間前采集探頭溫度、發射溫度、線路溫度、發射前高壓高信號、數字+5 V、模擬±5 V、未穩壓數字+5 V、常規模擬±15 V、發射模擬+15 V、未穩壓模擬±15 V。在CPMG時序控制過程中前10個180°脈沖發射后采集高壓發射功率B1信號，在CPMG時序完成后固定時間采集發射后高壓低信號。

4" 輔助測量系統測試實際效果

為驗證基于通用采集平臺核磁輔助測量系統的準確性，設計了專門的單板測試程序，循環發送輔助測量參數選擇通道1命令，采集輔助測量參數對應為數字+5 V電壓；用直流穩壓電源輸出直流電壓+5 V，作為數字+5 V電壓，接入輔助測量系統；燒寫程序至通用采集平臺DSP芯片TMS320F28335，連接仿真工具XDS100V3進行在線仿真調試，用示波器進行關鍵波形測試。發送輔助測量參數選擇通道命令實測波形如圖5所示。通道1為串行時鐘信號SCLK，通道2為同步幀信號FS，通道3為輔助測量參數通道命令下發數據信號FDOUT-。在第一個同步幀信號FS下降沿后，12個時鐘周期內對應的數據為0b1111 1111 1110，對應的真實發送通道選擇命令為0b0000 0000 0001，即0x001，說明發送選擇通道命令正確。

讀取輔助測量參數采集數據實測波形如圖6所示。通道1為串行時鐘信號SCLK，通道2為同步幀信號FS，通道3為輔助測量參數采集數據上傳信號FDIN-。在第一個同步幀信號FS下降沿前半個串行時鐘周期開始，12個時鐘周期內對應的數據為0b1011 0001 1101，對應的真實輔助參數采集數據為0b0100 1110 0010，即0x4E2，對應十進制大小為1 250；通過模數轉換器采樣原理轉換和精密電阻分壓還原，計算得到采樣的輔助參數值為5.02 V，而實際輸入輔助參數通道1的信號為5.00 V，說明讀取輔助測量參數采集數據正確。

基于通用采集平臺核磁輔助測量系統與MRT核磁共振測井儀器聯調測試，將設計的基于通用采集平臺核磁輔助測量系統工作程序燒寫至通用采集平臺DSP芯片TMS320F28335，觀察模式為D9TWA，加高壓測試，測試結果如圖7所示。在實時監控界面中，發射溫度為33.88 ℃，線路溫度為23.65 ℃，探頭溫度為19.59 ℃，V5D表示數字+5 V為5.10 V，V5A表示模擬+5 V為5.11 V，V5AN表示模擬-5 V為-5.10 V，V5UM表示未穩壓數字+5 V為12.18 V，V15表示常規模擬+15 V為15.21 V，V15N表示常規模擬-15 V為-15.11 V，V15T表示發射模擬+15 V為15.30 V，V15UM表示未穩壓模擬-15V絕對值為23.26 V，V15UP表示未穩壓模擬+15 V為23.26 V，HVMAX表示發射前高壓高信號為576.8 V，HVMIN表示發射后高壓低信號為551.2 V，C Group列的B1表示頻帶4的高壓發射功率B1為698。示波器測得頻帶4高壓發射功率直流信號為1.03 V，換算成高壓發射功率B1為703。

核磁輔助測量系統采集數據與測試數據對比如表1所示。測試值為儀器聯調過程中利用溫度計、萬用表或示波器的測量值，作為參考標準；采集數據和測試數據結果表明，核磁輔助測量參數實時監控界面顯示值與測量值符合，進一步說明核磁輔助測量系統輔助參數測量可靠，可以通過核磁輔助測量參數值反映核磁儀器工作狀態。

5" 結" 論

（1）基于通用采集平臺核磁輔助測量系統的整體方案設計、硬件設計、控制時序設計可行，可實現核磁輔助測量多參數采集和數據上傳，準確反映核磁測井儀器工作狀態，滿足核磁測井儀器多輔助參數實時測量需求。

（2）通用采集平臺核磁輔助測量系統與傳統核磁輔助測量系統相比具有2方面優點：一是程序開發為通用的C語言，研發人員易于掌握，可縮短核磁測井儀器研制的程序開發及驗證周期，提高核磁測井儀器研制效率；二是采集指令下發和數據上傳均基于同步串口技術實現，便于增減核磁測井儀器輔助測量參數數量。

（3）基于通用采集平臺核磁輔助測量系統兼容性強，接口資源豐富，擴展性強，研究結果可為偏心核磁、隨鉆核磁及過鉆具核磁等測井儀器輔助測量系統設計、研究及應用提供一定的參考。

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第一鐘劍，高級工程師，生于1984年，2011年畢業于西南石油大學油氣測控工程專業，獲碩士學位，現主要從事石油信息化、數字化產品研制工作。地址：（400021）重慶市江北區。電話：（023）67310864。email：zycjzhongjian@cnpc.com.cn。

2024-06-01王剛慶