一种新型岩性密度测井系统的制作方法

本实用新型涉及地球物理测井技术，尤其是涉及岩性密度测井仪器电路设计领域。

背景技术：

岩性密度测井作为一种重要的孔隙度和岩性分析方法已广泛地应用于石油勘探领域。岩性密度测井的理论依据是γ射线与地层物质发生康普顿效应和光电效应，可以在一次测井中同时获取地层的光电指数P_e和地层体积密度ρ_b，主要用于确定地层岩性、密度和计算地层有效孔隙度。岩性密度测井仪应用到核地球物理探测、核电子学、数字信号处理等学科的技术,仪器的研制有许多工程和工艺技术难点。当前大部分岩性密度测井系统均采用能量窗口形式进行数据采集，该方法以核脉冲幅度为依据，将其采集归类至对应的能量窗口中进行累计计数，最后通过数据传输电缆发送至地面的计算机进行后续处理。当前岩性密度测井系统在采集速度、数据处理速度和系统稳定性方面均有待提高，同时仪器探测精度低,测得井下信息量有限等问题也日益突出。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种新型岩性密度测井系统，该系统采用 AD9235模数转换芯片和AGL060系列FGPA可编程逻辑阵列器件，实时处理能力得到显著增强，具有地层探测数据丰富，探测精度高的特点。

本实用新型的技术方案为：一种新型岩性密度测井系统，该系统包括承压金属壳体、采集单元、处理单元、传输单元、传输电缆和数据分析控制单元；所述承压金属壳体由高强度隔热抗压材料制成，承压金属壳体头部为锥形，剩下部分为柱体，内部中空，承压金属壳体柱体外壁靠下位置有方形开口，柱体顶部有防护盖，通过螺纹紧固，防护盖中央有开口，并装有防尘防水接头。所述采集单元的印刷电路板放置于承压金属壳体内腔靠底部位置，采集单元的印刷电路板上含有前置放大模块的硬件电路，采集单元还包括推靠模块和探头模块，其中推靠模块为由马达驱动的移动支架，移动支架尾部安装有探头模块，工作时马达驱动移动支架带动探头模块进行垂直地层岩壁方向的位置变化，探头模块内有单方向开口的屏蔽罩，屏蔽罩开口方向与承压金属壳体柱体外壁开口方向一致，屏蔽罩内放置有¹³⁷CS放射源，由柱体底部向上安装有垂直于承压金属壳体内壁方向的固定架一，固定架一从左至右依次夹持着短源距参考源、短源距探测器、光电倍增管；由柱体底部向上平行固定架方向还放置有另一固定架二，固定架二从左至右依次夹持着长源距参考源、长源距探测器、光电倍增管。所述的处理单元为该系统的核心部分，处理单元印刷电路板放置于柱体靠中间位置，处理单元印刷电路板上含有主放大电路，门槛滤波电路，峰位测定电路，基线恢复电路，脉冲展宽电路，A/D模块电路，FPGA模块外围电路，高压控制模块电路，参考源稳谱电路，D/A模块电路，供电模块电路。传输单元的印刷电路板放置于柱体靠上位置，其上含有CAN控制器电路，CAN收发器。与CAN收发器相连的是CAN总线传输电缆，其通过承压金属壳体柱体顶部的开孔接口，从地层钻井孔道延伸至地面与数据分析控制单元的CAN接口卡相连，最后CAN接口卡与计算机终端连接通讯。

所述采集单元中推靠模块在工作时将探头模块推靠在井壁上进行测量。

所述供电模块电路同时为采集单元、处理单元和传输单元内的电路供电。

所述采集单元、处理单元和传输单元间含有连接电路，上述三个单元位于井下，与井上的数据分析控制单元间通过CAN传输电缆连接。

短源距探测器和长源距探测器的主要有效成分均为由防潮解材料包裹的 NaI(Tl)闪烁体。短源距参考源和长源距参考源的主要有效成分为低强度的¹³⁷CS放射源。短源距参考源和短源距探测器在水平方向紧贴放置。长源距参考源和长源距探测器在水平方向紧贴放置。

所述光电倍增管上存在信号输出和供电的线路。

岩性密度测井系统工作原理是由¹³⁷CS放射源发出能量为662keV的γ射线，在地层中发生反射传播，与地层物质发生康普顿散射和光电效应，作用后的射线通过探测窗口进入长短源距探测器中的NaI(Tl)闪烁体中，因NaI(Tl)闪烁体的特殊性质，使其发生闪烁现象，发出光子。NaI(Tl)闪烁体紧挨一个低强度的¹³⁷CS参考源，用于稳谱校正。同时对应放置有光电倍增管，这些光子打击在光电倍增管的光阴极上将使光阴极放出光电子。光电倍增管各倍增电极被光电子轰击时会打出成倍的电子，而在各倍增电极上又依次加有递增的正电压，所以光阴极发出的电子将在倍增电极间不断加速与增殖，产生倍增放大的作用，最后在阳极上将搜集到一大群电子，输出一个足够大的核脉冲信号。核脉冲信号经过各级处理电路的放大、成形、AD转换、分道测量计数后，形成全频谱数据。通过FPGA进行数据集采控制，基于CAN总线通讯将数据上传，通过前端采集卡处理后进入计算机，再通过上位程序处理分析，得出所测地层的岩性密度信息。

密度测量原理：

地层体积密度的测量需使用散射伽马能谱高能部分进行分析。伽马能谱计数率与视源距具有如下关系：

式中d_a为视源距；N为在视源距d_a时的计数率；N₀为在零源距时的计数率；

σ_m为质量吸收系数；ρ_b为地层体积密度。

公式变换得：lnN＝lnN₀-σ_mρ_bd_a，令B＝lnN₀，M＝-σ_md_a，则有：

参数M、B通过仪器刻度获取。如无泥饼影响，探测器紧贴井壁，则由上式即可得到地层密度值。在实际测井过程中都将存在泥饼影响，因而，上面方法计算的只是岩层的视密度。视密度是地层真实密度和泥饼视密度的函数，可以看成是它们的加权平均值。

为了消除泥饼影响，本实用新型采用釆用双源距探测器补偿消除泥饼对测试结果的影响。

由计算出受泥饼影响的地层真实体积密度值ρ_b，与常见矿物的ρ_b值对比即可得到相应的密度信息。

式中ρ_L、ρ_S为长、短源距视密度；x_L、x_S为泥饼对长源距和短源距的影响因素，两者是不相同的，可由标定实验获取；ρ_mc为泥饼视密度；ρ_b为地层真实体积密度。

岩性测量原理：

本实用新型釆用双源距探测器，长源距探测器处探测到的伽马射线所产生的计数率同时取决于地层密度和岩石性质，而短源距探测器处所测得的计数率主要取决于地层密度。因此，在进行地层岩石性质研究时，采用长源距探测器进行岩石性质分析。

定义P_e为岩石的光电吸收截面指数，它表示岩石中一个电子的平均光电吸收截面，它对地层的岩性很敏感，所以又称它为光电吸收岩性系数。设长源距探测器所测得的长源距低能量窗口计数率N_L和长源距高能窗口计数率N_H，则光电吸收岩性系数：

其中参数k、b、c为常数值,可通过测量刻度实验获取。与常见矿物的P_e值对比即可得到相应的岩性信息。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该系统由承压金属壳体、采集单元、处理单元、传输单元、传输电缆和数据分析控制单元六个部分组成。所述采集单元由推靠模块、探头模块、前置放大模块组成，其中探头模块含¹³⁷CS放射源、屏蔽罩、长短源距探测器及其对应的长短源距参考源和光电倍增管。所述的处理单元为该系统的核心部分，含脉冲调整模块、模数转换模块、FPGA模块、高压控制模块、数模转换模块和供电模块电路等。所述的传输单元含CAN总线通信模块等。上述三个单元安装于承压金属壳体内，位于井下。所述数据分析控制单元主要含CAN接口卡和计算机终端，完成采集数据的处理分析和下发指令，位于井上，通过传输电缆与其他单元进行通讯。

所述采集单元中的推靠模块通过小型马达将探头模块推进紧挨地层壁。

所述采集单元中的探头模块由含¹³⁷CS放射源、屏蔽罩、长短源距探测器及其对应的长短源距参考源和光电倍增管组成。¹³⁷CS放射源放置于具有γ射线屏蔽作用的罩体内，罩体靠近地层壁一侧开有窗口，可以使¹³⁷CS放射源的γ射线沿垂向地层壁方向发出。

所述探头模块中长短源距探测器的NaI(Tl)闪烁体旁紧贴放置有低强度¹³⁷Cs参考源，从¹³⁷Cs参考源发射出强度为662KeV射线直接进入晶体，避免射线流散，因放射参考源发生的γ衰变是核现象，与温度无相关性，因此与其相对应的核电子脉冲信号将保持恒定的幅度。

所述探头模块中光电倍增管特性受温度变化影响，得到的核脉冲幅度将发生变化，导致γ射线进入错误的道址。为了使谱测量结果准确，必须保证核脉冲信号幅度严格正比于探测到的γ射线的能量。最重要的环节是要控制供给光电倍增管的高压，使其输出的核脉冲信号达到测量要求。但实际测井中，随深度增加及温度的变化，将严重影响光电倍增管的输出脉冲幅度。为此，必须采取稳谱措施，即动态稳高压，保证核脉冲信号幅度严格正比于探测到的γ射线的能量。本实用新型采用参考源稳谱技术动态稳压电路设计，由地面计算机通过CAN总线下发指令实时通知FPGA芯片驱动高压控制模块实时控制高压，补偿由温度引起的增益变化。

所述的采集单元中的前置放大模块的功能是完成信号的初步放大，保证整个岩性密度测井系统的信噪比。本实用新型采用电压型前置放大器，可以在输出得到比电流型前置放大器输更宽的脉冲。电压型前置放大器为反相放大，将探测器输出的负脉冲放大处理成正脉冲，脉冲可放大100倍，满足脉冲信号后续处理的需要。

所述的处理单元中的脉冲调整模块由主放大器电路、门槛电路、峰位测定电路、基线恢复电路、脉冲展宽电路五个部分组成。

所述脉冲调整模块中主放大器与前置放大器间用双芯电缆连接，减小信号经电缆传送受到时外界干扰的影响。所述主放大器由若干个负反馈放大单元 AD8610串接组成，可有效避免信号震荡，加强系统的稳定性。

所述脉冲调整模块中门槛电路用于滤除低幅值脉冲噪声，采用LT1016芯片通过分析比较输入信号的幅值与阈值电压，产生门槛逻辑信号，来表示脉冲是否有效。当输入信号大于设定门槛电压值时，产生高电平，进入后续处理；当输出信号小于设定门槛电压值时，产生低电平，脉冲被滤除。

所述脉冲调整模块中峰位测定电路用于给后续数据采集创造条件，因电路采集到的是幅度和宽度均随机离散的核脉冲信号，该信号呈上升沿陡峭，脉冲宽度较窄的特征，为了采集到有用的信息，必须采用脉冲展宽电路将脉冲峰值展宽保持。在脉冲展宽之前就需要准确的检定出峰位，这就需要高性能的峰位脉冲检测电路产生准确的峰位信号。本实用新型采用有源RC微分电路将核脉冲信号进行微分，随后通过一个比较器将核脉冲信号的峰位准确定位，之后产生1个峰位测定逻辑信号，发送至后续电路。

所述脉冲调整模块中基线恢复电路用于防止由于RC网络放电不完全，产生直流偏移，使得被测核脉冲信号叠加在不稳定的基线电压水平上，导致核脉冲幅度发生变化，使得岩性密度测井系统能量分辨率降低的问题。基线恢复的原理是：一种能跟踪基线变化，在信号到达之前，记录当前基线电平的电路。一旦信号到达，其计算该信号减去基线电平得到真实的信号电平。

所述脉冲调整模块中脉冲展宽电路用于将脉冲宽度为微秒级的随机离散核脉冲信号的峰位保持展宽，给后续模数转换A/D单元提供充足的采样时间。

所述的处理单元中的模数转换A/D模块将前端采集到的连续核脉冲模拟信号转换成离散数字化核脉冲信号，然后将该数字信号发送至FPGA芯片处理。本实用新型采用AD9235芯片作为主要转换器件，其采样速率可达40Msps，有12位分辨率。

所述的处理单元中的FPGA模块为本实用新型硬件设计中的核心模块，采用Actel公司AGL060系列可编程逻辑阵列器件。用于核脉冲信号的采集与处理，主要包括了A/D转换控制、成谱操作、谱数据存储、高压逻辑控制和通信接口几个功能。采用双端口RAM做为缓存，提高了数据存储与读取的连续性，保证了仪器数据传输的实时性。

当前端的峰位测定电路检测到有效核脉冲时，发出触发信号至FPGA芯片中的A/D转换控制器；A/D转换控制器控制AD9235启动进行模数转换，同时将转换完的数据传送至FPGA芯片，数据存入寄存器。数据包括长短γ脉冲计数，长短道脉冲死时间以及长道高压数据。通过CAN总线通信接口上传至地面计算机。

所述的处理单元中的高压控制模块接收来自FPGA的高压控制逻辑，进行高压变化控制。其中最关键的技术是如何设计稳谱方法，常用稳谱方法采用两窗口稳谱设计，该设计在低密度地层时，来自地层的γ射线大大增强，康普顿峰拖尾增强，其拖尾的部分干扰了仪器的稳谱窗，造成仪器高压不稳定，使其在稳谱耗时和稳定性上存在不足。本实用新型采用一种改进的新型四窗口稳谱设计，如附图6，其原理描述如下：

在¹³⁷Cs稳谱峰662keV附近设置有4个稳谱窗，对应能量范围分别为W1： 538KeV～600KeV，W2：600KeV～662KeV，W3:662KeV～724KeV，W4:724 KeV～786KeV，其窗口计数率分别为N1，N2，N3，N4。根据四窗口稳谱窗设计示意图推算有：设定粗调因子：和稳谱因子：先后通过改变粗调因子和稳谱因子，来调整高压稳谱电路增益，高压校正值先送到FPGA芯片中，由 FPGA芯片输出至数模转换DAC0832控制器，将数字量信号转换成模拟量，驱动光电倍增管高压直流回路进行高压调整，保证高压值准确。附图7为典型动态稳谱电路示意图。

所述处理单元中的供电模块电路通过外围升降压电路给不同单元模块供电。

所述传输单元由CAN总线通信模块组成。其中CAN总线通信模块采用 MCP2510型CAN控制器实现数据封装，同时将PCA82C250总线收发器作为 CAN控制器和物理总线之间的接口电路。

所述CAN总线传输电缆由具有屏蔽作用的材料制成，能有效防止外部地层物质干扰。

所述数据分析控制单元由CAN接口卡和计算机终端组成，完成采集数据的处理分析和指令下发。其中CAN接口卡的作用是接收来自井下CAN控制器发出的数据，然后进行帧分析处理与校准，其具有双向传输特点。最后计算机终端得到经井下各级电路处理后的核脉冲数据，经过上位机软件分析计算得到所测地层内的岩性密度数据。

本实用新型的优点在于：本实用新型设计的电路含主放大器电路、门槛电路、峰位测定电路、基线恢复电路、脉冲展宽电路等脉冲调理功能，使得采集到的核脉冲能有效的滤除杂波干扰，具备良好的可测性。本实用新型采用 AD9235模数转换芯片和AGL060系列FGPA可编程逻辑阵列器件，保证了系统的实时处理能力得到显著增强，具有地层探测数据丰富，探测精度高的特点。基线恢复电路的设计可显著提高系统稳定性和可靠性，能进一步提高系统能量分辨率。同时本实用新型采用四窗口稳谱设计，实现对光电倍增管驱动高压的实时分析控制，不产生能量误差，从而保证了核脉冲信号采集的准确性。电路采用高温防辐射元件及芯片设计，通过现场实验，在180摄氏度以下环境温度时可正常工作。

采用上述方法构建的新型岩性密度测井系统，具有数字集成度高，数据采集实时性强，探测精度高，稳定性好等特点。

附图说明

附图1是新型岩性密度测井仪整体外观示意图；

附图2是新型岩性密度测井系统整体框架示意图；

附图3是新型岩性密度测井系统采集单元框架示意图；

附图4是新型岩性密度测井系统处理单元框架示意图；

附图5是新型岩性密度测井系统传输单元框架示意图；

附图6是新型岩性密度测井系统四窗口稳谱窗设计示意图；

附图7是新型岩性密度测井系统动态稳压电路示意图。

图中：

1-承压金属壳体，101-防护盖，102-防尘防水接头；2-采集单元，201-推靠模块，202-探头模块，2021-屏蔽罩，2022-¹³⁷CS放射源，2023-短源距参考源， 2024-短源距探测器，2025-长源距参考源，2026-长源距探测器，2027-光电倍增管一，2028-光电倍增管二，2029-固定架一，2030-固定架二，203-前置放大模块；3-处理单元，301-脉冲调整模块，3011-主放大电路，3012-门槛滤波电路， 3013-峰位测定电路，3014-基线恢复电路，3015-脉冲展宽电路，302-A/D模块， 303-FPGA模块，304-高压控制模块，3041-参考源稳谱电路，305-D/A模块， 306-供电模块电路；4-传输单元，401-CAN总线通信模块，4011-CAN控制器，4012-CAN收发器；5-CAN总线传输电缆；6-数据分析控制单元，601-CAN 接口卡，602-计算机终端。

具体实施方式

附图1至附图7显示了本实用新型的一种具体实施方式。其中，附图1是本实用新型的整体外观示意图；附图2是新型岩性密度测井系统整体框架示意图；附图3是新型岩性密度测井系统采集单元框架示意图；附图4是新型岩性密度测井系统处理单元框架示意图；附图5是新型岩性密度测井系统传输单元框架示意图；附图6是新型岩性密度测井系统四窗口稳谱窗设计示意图；附图 7是新型岩性密度测井系统动态稳压电路示意图。

本实施例是一种新型岩性密度测井系统，见附图1至附图7所示，承压金属壳体1由高强度隔热抗压材料制成，其头部为锥形，内部中空，柱体外壁中央靠下位置有开口，供γ射线射出，柱体尾部有防护盖，通过螺纹紧固，其中央有开口，并装有防尘防水接头，供内部线路与CAN传输电缆连接。采集单元2的印刷电路板放置于承压金属壳体1的内腔靠底部位置。推靠模块201 为由马达驱动移动支架，支架上有置物平台，其上放置有探头模块202，可进行垂直地层岩壁方向的位置变化，探头模块202内有屏蔽罩2021，其与承压金属壳体1柱体外壁开口方向一致，屏蔽罩2021内放置有¹³⁷CS放射源2022，由柱体底部向上有低强度的¹³⁷CS短源距参考源2023，紧挨其置有NaI(Tl)短源距探测器2024，NaI(Tl)闪烁体由防潮解盒包裹，平行短源距探测器2024方向放置有光电倍增管一2027，光电倍增管一2027上存在信号输出和供电线路；长源距参考源2025，长源距探测器2026，光电倍增管二2028置放形式与前述类似；再向上放置的是前置放大模块203的硬件电路。处理单元3的印刷电路板放置于柱体靠中间位置，其上含有主放大电路3011，门槛滤波电路3012，峰位测定电路3013，基线恢复电路3014，脉冲展宽电路3015，A/D模块电路 302，FPGA模块外围电路303，高压控制模块电路304，参考源稳谱电路3041， D/A模块电路305，供电模块电路306。传输单元4的印刷电路板放置于柱体靠上位置，其上含有CAN控制器电路4011，CAN收发器4012。与 CAN收发器4012相连的是CAN总线传输电缆5，其通过承压金属壳体1柱体顶部的开孔接口，从地层钻井孔道延伸至地面与数据分析控制单元6的CAN 接口卡601相连，最后CAN接口卡601与计算机终端602连接通讯。

本实施例中，在进行测井岩性密度数据采集时，由地面电源通过各变电电路分别给岩性密度测井系统内需电装置上电。采集单元2接收到地面计算机终端602发出的采集命令时，马达驱动推靠单元201带动探头模块202靠近井壁，¹³⁷CS放射源2022向地层发射γ射线，γ射线与地层物质分别发生康普顿效应和光电效应，短源距探测器2024和长源距探测器2026接收散射返回射线，激发NaI(Tl)闪烁体发出光子，光子进入相应光电倍增管一2027、光电倍增管二 2028，光子激发电子，电子在倍增电极间经过数次的加速与增殖，最后在阳极上聚集一大群电子，输出一个足够大的信号，形成核脉冲信号，经前置放大模块203适当放大处理后，信号进入处理单元3，经主放大电路3011的再次放大作用，再通过门槛滤波电路3012将干扰杂波信号滤除，峰位测定电路3013检测模拟连续脉冲信号的峰位置，基线恢复电路3014排除由脉冲堆积引起的信号基线涨落，得到真正的信号电平，脉冲展宽电路3015在峰位确定的基础上将快窄的核脉冲信号进行脉冲展宽，为后续模拟量稳定采集提供可靠保证。然后经过AD9235模块电路302，模拟核脉冲信号被转换成离散数字的核脉冲信号。数字脉冲信号进入AGL060型FPGA模块303完成信号的前期分析计算，求取得到地层的光电指数P_e和地层体积密度ρ_b。FPGA模块303将计算得到的地层原始信息和其他数据通过通讯单元4中的CAN总线通讯模块401经过通讯电缆5传输至地面CAN总线接口601，接口卡经数据校准解码后发送至计算机终端602，计算机终端依据上位机处理程序，分析地层的光电指数P_e和地层体积密度ρ_b，处理得出测井地层中各段岩性及密度信息。

本实施例中，如附图3所示，设置了长、短源距探测器，通过长源距高能量计数来计算岩性，低能量来计算岩性；通过短源距计数来消除泥饼影响。

本实施例中，如附图3所示，短源距参考源2023和长源距参考源2025用于实时调整供给光电倍增管一2027、光电倍增管二2028，保证脉冲峰落入稳谱窗口的正确位置。(测量窗口的脉冲计数也反映了一定能量段伽马射线的强度)

本实施例中，光电倍增管一2027、光电倍增管二2028受温度影响时，仪器通过高压控制模块304中的参考源稳谱电路3041运用参考源稳谱技术进行动态稳高压。此时地面计算机终端602根据实时获取的电路信息，计算高压校正值，通过通讯线缆5向CAN总线通讯模块401发送指令，CAN总线通讯模块401解码电平信号至FPGA模块303，FPGA模块303处理分析后向参考源稳谱电路3041发送指令，电路输出电压电平数字信号，最后由模数转换 DAC0832控制器305将数字量信号转换成模拟电压值，驱动光电倍增管高压直流回路经行高压调整，保证高压值准确。

本实施例中，供电模块电路306通过各级变电电路，给岩性密度测井系统中各电路模块供电。

本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本实用新型的保护范围。