專利名稱：巖性密度測(cè)井儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種石油測(cè)井儀器，利用它可以在裸井眼內(nèi)定量測(cè)量地層物質(zhì)密度及其巖性。
二背景技術(shù)：
伽馬射線主要與組成地層物質(zhì)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(jù)其能量高低不同有三種不同形式電子對(duì)效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)。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(yīng)和光電效應(yīng)。經(jīng)過康普頓散射后的伽馬射線反映了地層物質(zhì)的電子密度，而電子密度是物質(zhì)密度的直接反映，因此測(cè)量康普頓散射后的伽馬射線的數(shù)量就可以反過來推導(dǎo)地層物質(zhì)密度。低能量的伽馬射線與地層物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)主要以光電效應(yīng)為主。在理論上光電效應(yīng)的強(qiáng)弱反映了地層物質(zhì)的巖性。通過測(cè)量低能量的伽馬射線的數(shù)量可以求得地層物質(zhì)的巖性。
巖性密度測(cè)井儀器是上述原理的具體實(shí)現(xiàn)。在地質(zhì)研究方面，巖性密度測(cè)井儀器具有重要應(yīng)用價(jià)值。
三
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是基于上述機(jī)理，提供一種在井眼內(nèi)以固定強(qiáng)度的137Cs源向地層物質(zhì)發(fā)射伽馬射線，然后應(yīng)用NaI閃爍晶體和相應(yīng)的電子信號(hào)處理電路測(cè)量與地層物質(zhì)發(fā)生作用后的伽馬射線能量譜，并且根據(jù)該能量譜計(jì)算地層物質(zhì)的密度和巖性的巖性密度測(cè)井儀。
儀器由推靠器和電子信號(hào)處理電路兩部分硬件構(gòu)成。推靠器是一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推開/收攏裝置。在推靠器上布置了2個(gè)NaI閃爍晶體和相應(yīng)的光電倍增管，一個(gè)源室、一個(gè)電機(jī)控制電路。電子信號(hào)處理電路是該儀器的核心部分，其功能是響應(yīng)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(hào)處理電路先裝入金屬保溫瓶?jī)?nèi)，然后再密封在一個(gè)金屬承壓外殼內(nèi)，以便適用于石油測(cè)井的高溫高壓地層環(huán)境。
該儀器的物理機(jī)制如下以固定強(qiáng)度的137Cs源向地層物質(zhì)發(fā)射伽馬射線。伽馬射線與地層物質(zhì)發(fā)生作用。與地層物質(zhì)發(fā)生作用后的伽馬射線能量譜反映了地層物質(zhì)的密度和巖性。不同能量的伽馬射線進(jìn)入NaI閃爍晶體時(shí)激發(fā)的閃光不同；而不同的閃光進(jìn)入光電倍增管后就引起不同幅度的電壓脈沖信號(hào)。經(jīng)過專門設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元里累加。這樣，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，所有256個(gè)存儲(chǔ)單元的脈沖計(jì)數(shù)就形成了一個(gè)譜，這個(gè)能譜攜帶著此時(shí)地層物質(zhì)的密度和巖性信息。利用專門的剝譜方法和刻度數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出地層物質(zhì)密度和巖性。
具體技術(shù)方案是儀器的硬件分成2大部分(1)推靠器；(2)電子信號(hào)處理電路。
推靠器是一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推開/收攏裝置。其功能是在測(cè)井時(shí)把探頭貼緊井筒內(nèi)壁。探頭內(nèi)布置了2個(gè)NaI閃爍晶體和相應(yīng)的光電倍增管，以及一個(gè)專門設(shè)計(jì)的放置137Cs源的源室。推靠器的上部是一個(gè)控制電路。該控制電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)推靠器推開或收攏。
電子信號(hào)處理電路是該儀器的核心部分，其功能是響應(yīng)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(hào)處理電路先裝入金屬保溫瓶?jī)?nèi)，然后再密封在一個(gè)金屬承壓外殼內(nèi)。
主控板以MCS51 MPU為核心，有多個(gè)分辨率為12位的AD和DA通道，其中AD部分完成井徑、保溫瓶?jī)?nèi)外溫度和供電電壓等信號(hào)的采集，DA部分用于高壓程控調(diào)節(jié)以及脈沖低門檻鑒別電壓的設(shè)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(qū)動(dòng)器，由于主控板MPU負(fù)載較輕，對(duì)HD6408接口的雙向串并轉(zhuǎn)換也由MPU用軟件完成。PHA板以另一個(gè)MCS51 MPU為核心，兩MPU之間采用高比特率進(jìn)行雙向串行通信。主MPU采用特殊的長(zhǎng)延遲復(fù)位電路，并且可對(duì)PHA板的從MPU強(qiáng)制復(fù)位，保證了儀器系統(tǒng)上電后的可靠運(yùn)行。伽馬射線脈沖的處理全部在PHA板完成，能譜數(shù)據(jù)量化采用12位高速AD(MAX162AMRG或AD7572ASQ)以保證轉(zhuǎn)換速度和精度，儀器實(shí)際只使用轉(zhuǎn)換結(jié)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(dá)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(tǒng)設(shè)計(jì)。RAM中分頁(yè)存儲(chǔ)PHA處理數(shù)據(jù)和待發(fā)送數(shù)據(jù)，使得能譜數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)靡圆⑿刑幚?。PHA板中由另一片CPLD(ispLSI1016-60LH44/883)完成M5數(shù)據(jù)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(jiǎn)單，運(yùn)行中只要在發(fā)送中斷服務(wù)中不斷放入數(shù)據(jù)即可。
四

圖1巖性密度測(cè)井儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖2電子信號(hào)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(shí)施方式
參照?qǐng)D1，儀器的硬件分成2大部分推靠器5，電子信號(hào)處理電路4。推靠器是一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推開/收攏裝置。其功能是在測(cè)井時(shí)把探頭6貼緊井筒內(nèi)壁。探頭6內(nèi)布置了2個(gè)NaI閃爍晶體和相應(yīng)的光電倍增管，以及一個(gè)專門設(shè)計(jì)的放置137Cs源的源室。推靠器的上部是一個(gè)控制電路。該控制電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)推靠器推開或收攏。
電子信號(hào)處理電路是該儀器的核心部分，裝入金屬保溫瓶?jī)?nèi)，然后再密封在一個(gè)金屬承壓外殼內(nèi)。其功能是通過測(cè)井電纜2、數(shù)據(jù)傳輸短節(jié)3響應(yīng)地面系統(tǒng)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(hào)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(gè)分辨率為12位的AD和DA通道，其中AD部分完成井徑、保溫瓶?jī)?nèi)外溫度和供電電壓等信號(hào)的采集，DA部分用于高壓程控調(diào)節(jié)以及脈沖低門檻鑒別電壓的設(shè)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(qū)動(dòng)器，由于主控板MPU負(fù)載較輕，對(duì)HD6408接口的雙向串并轉(zhuǎn)換也由MPU用軟件完成。PHA板以另一個(gè)MCS51 MPU為核心，兩MPU之間采用高比特率進(jìn)行雙向串行通信。主MPU采用特殊的長(zhǎng)延遲復(fù)位電路，并且可對(duì)PHA板的從MPU強(qiáng)制復(fù)位，保證了儀器系統(tǒng)上電后的可靠運(yùn)行。伽馬射線脈沖的處理全部在PHA板完成，能譜數(shù)據(jù)量化采用12位高速AD(MAX162AMRG或AD7572ASQ)以保證轉(zhuǎn)換速度和精度，儀器實(shí)際只使用轉(zhuǎn)換結(jié)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(dá)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(tǒng)設(shè)計(jì)。RAM中分頁(yè)存儲(chǔ)PHA處理數(shù)據(jù)和待發(fā)送數(shù)據(jù)，使得能譜數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)靡圆⑿刑幚怼HA板中由另一片CPLD(ispLSI1016-60LH44/883)完成M5數(shù)據(jù)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(jiǎn)單，運(yùn)行中只要在發(fā)送中斷服務(wù)中不斷放入數(shù)據(jù)即可。
測(cè)井時(shí)，首先把巖性密度測(cè)井儀器的推靠器、電子信號(hào)處理電路和測(cè)井通訊短節(jié)連接起來，再通過測(cè)井電纜2與地面系統(tǒng)1配接。把137Cs源安裝在源倉(cāng)內(nèi)，然后用測(cè)井電纜絞車把儀器下放到井眼內(nèi)。
儀器工作時(shí)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(zhuǎn)換成穩(wěn)定的低壓直流電源。
137Cs源向地層物質(zhì)發(fā)射伽馬射線。伽馬射線與地層物質(zhì)發(fā)生作用，與地層物質(zhì)發(fā)生作用后的伽馬射線進(jìn)入NaI閃爍晶體后激發(fā)的閃光信號(hào)，并且閃光信號(hào)因伽馬射線的能量變化而不同。而不同的閃光信號(hào)進(jìn)入光電倍增管后就引起不同幅度的負(fù)電壓脈沖信號(hào)。該負(fù)電荷脈沖進(jìn)入前置放大器，進(jìn)行信號(hào)放大；然后輸入到電子信號(hào)理電路的PHA分析板。PHA分析板自動(dòng)完成譜分析。
電子信號(hào)理電路的主控板接收地面下傳的各種控制命令，根據(jù)控制命令的要求，實(shí)現(xiàn)輔助參數(shù)數(shù)據(jù)采集、高壓控制、門坎調(diào)整、數(shù)據(jù)發(fā)送及控制PHA板的從單片機(jī)實(shí)現(xiàn)能譜數(shù)據(jù)采集等功能。
系統(tǒng)控制軟件的功能是(1)自動(dòng)完成對(duì)模擬信號(hào)、能譜脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)采集；(2)接收并識(shí)別地面系統(tǒng)的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下儀器的各種控制以及上傳測(cè)量數(shù)據(jù)。
主控板的任務(wù)是接收地面下傳的各種控制命令，根據(jù)控制命令的要求，實(shí)現(xiàn)輔助參數(shù)數(shù)據(jù)采集、高壓控制、門坎調(diào)整、數(shù)據(jù)發(fā)送及控制PHA板的從單片機(jī)實(shí)現(xiàn)能譜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)送、A/D控制、D/A控制、從單片機(jī)控制等子模塊組成。儀器上電后，主控單片機(jī)執(zhí)行主模塊完成的系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口、中斷控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器變量設(shè)置，另外通過D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)置光電倍增管高壓、譜分析電路低門坎。然后單片機(jī)調(diào)用命令接收子模塊及其他子模塊，執(zhí)行“命令接收—識(shí)別—執(zhí)行”循環(huán)，在地面系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)測(cè)井過程。
模式2命令接收與數(shù)據(jù)發(fā)送命令接收子模塊是主控單片機(jī)的核心模塊，井下儀器數(shù)據(jù)采集及傳輸任務(wù)是在命令驅(qū)動(dòng)下完成的。根據(jù)設(shè)計(jì)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(jī)之間采用串行接口方式。在接收命令時(shí)，由HD-15530對(duì)輸入的單極性信號(hào)進(jìn)行同步識(shí)別，之后HD-15530輸出譯碼得到的16位串行數(shù)據(jù)及時(shí)鐘。串并轉(zhuǎn)換則由單片機(jī)以軟件方式實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)在確定的時(shí)鐘沿依次讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)位，然后將其拼接即得到地面下傳的命令字。
數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊用于主控板上輔助測(cè)量參數(shù)(短源距計(jì)數(shù)率、溫度、電壓等)向地面的傳送，傳送過程中由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換并根據(jù)HD-15530的時(shí)序要求在確定的時(shí)刻輸出，由HD-15530編碼上傳。命令接收和數(shù)據(jù)發(fā)送子模塊采用軟件方式實(shí)現(xiàn)移位寄存器功能，在滿足技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化，性價(jià)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(jù)控制命令井下完成送譜數(shù)據(jù)到M5發(fā)送器、送GR計(jì)數(shù)到主控板的測(cè)井功能，實(shí)現(xiàn)上傳遙傳訓(xùn)練碼、寫訓(xùn)練譜到RAM等測(cè)試功能。PHA板MPU軟件分為主程序和中斷程序兩部分，主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)初始化，傳送譜數(shù)據(jù)、遙傳訓(xùn)練碼，寫訓(xùn)練譜到當(dāng)前RAM頁(yè)等功能；串口中斷程序完成命令接收與回傳、GR計(jì)數(shù)上傳功能，計(jì)數(shù)器中斷實(shí)現(xiàn)GR計(jì)數(shù)的進(jìn)位功能。上傳遙傳訓(xùn)練碼用來測(cè)試M5遙傳通道是否工作正常，而上傳訓(xùn)練譜不僅能測(cè)試傳輸通道，而且能測(cè)試譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取功能，測(cè)試功能更系統(tǒng)，控制命令回傳是為了校驗(yàn)MPU串行通道是否正常。
軟件流程如圖4所示，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，清除所有標(biāo)志位及兩頁(yè)RAM，設(shè)置計(jì)數(shù)器0有用GR計(jì)數(shù)并啟動(dòng)相應(yīng)中斷，設(shè)置串行通訊及其中斷進(jìn)行命令的接收和GR計(jì)數(shù)上傳；然后等待主控板通過串口送來的控制命令，當(dāng)有命令到來時(shí)，進(jìn)行命令分析，按要求進(jìn)行選擇執(zhí)行訓(xùn)練譜寫當(dāng)前RAM頁(yè)操作、上傳遙傳訓(xùn)練碼、換RAM頁(yè)上傳當(dāng)前頁(yè)GR計(jì)數(shù)并清零、上傳譜數(shù)據(jù)等操作。
權(quán)利要求1.一種巖性密度測(cè)井儀，其特征是包括推靠器和電子信號(hào)處理電路兩部分構(gòu)成，推靠器是一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推開/收攏裝置，在推靠器上布置了2個(gè)NaI閃爍晶體和相應(yīng)的光電倍增管，以及一個(gè)伽馬射線源室，推靠器內(nèi)的電機(jī)與電機(jī)控制電路連接，電子信號(hào)處理電路裝入金屬保溫瓶?jī)?nèi)，并密封在一個(gè)金屬承壓外殼內(nèi)；電子信號(hào)處理電路包括主控板和PHA板兩部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖性密度測(cè)井儀，其特征是主控板以主MPU為核心，有多個(gè)分辨率為12位的AD和DA通道，其中AD部分包括井徑、保溫瓶?jī)?nèi)外溫度和供電電壓信號(hào)源，DA部分包括高壓程控調(diào)節(jié)以及脈沖低門檻鑒別電壓的信號(hào)源，主控板以M2雙向模式與曼徹斯特編碼收發(fā)器串行對(duì)接；PHA板以另一個(gè)從MPU為核心，兩MPU之間采用高比特率進(jìn)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(gòu)成雙通道連接，同時(shí)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(shù)據(jù)發(fā)送器并行對(duì)接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種石油測(cè)井儀器，利用它可以在裸井眼內(nèi)定量測(cè)量地層物質(zhì)密度及其巖性。儀器由推靠器和電子信號(hào)處理電路兩部分硬件構(gòu)成。推靠器是一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推開/收攏裝置。在推靠器上布置了2個(gè)NaI閃爍晶體和相應(yīng)的光電倍增管，一個(gè)源室、一個(gè)電機(jī)控制電路。電子信號(hào)處理電路是該儀器的核心部分，其功能是響應(yīng)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(hào)處理電路先裝入金屬保溫瓶?jī)?nèi)，然后再密封在一個(gè)金屬承壓外殼內(nèi)，以便適用于石油測(cè)井的高溫高壓地層環(huán)境。巖性密度測(cè)井儀器在地質(zhì)研究方面，具有重要應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)E21B49/00GK2823555SQ200520085148
公開日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者劉廣盛, 滕俊兵, 王衛(wèi)華, 樊悅國(guó), 左宏英, 張磊, 南愛香, 劉洋 申請(qǐng)人:中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局測(cè)井公司