一种新型岩性密度测井仪数据采集处理电路设计

刘易，汤天知，岳爱忠

（1.成都理工大学，四川成都610059；2.中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西西安710077）

一种新型岩性密度测井仪数据采集处理电路设计

刘易1，汤天知2，岳爱忠2

（1.成都理工大学，四川成都610059；2.中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西西安710077）

提出一种应用于岩性密度测井仪器先采集再处理的新方法，通过核脉冲数字化处理方案完成新型岩性密度测井数据采集处理电路设计。对新仪器进行室内数据采集性能测试和室外实验测试。相比采用先处理再采集的方法的常规岩性密度测井仪器，采用该新方法研制的岩性密度测井仪器具有更高的精度（0.015g／cm3），同时兼备更佳的性能稳定性，测井工程曲线与国外仪器吻合良好。

岩性密度测井仪；脉冲数字化；数据采集处理；电路设计

0 引 言

用于储层孔隙度计算和评价的岩性密度测井仪器已广泛应用于石油勘探测井领域［1］。目前国外测井仪器的测量精度在0.01～0.015g／cm3范围内，而大部分国产仪器的测量精度实际只能达到0.03 g／cm3。在鄂尔多斯地区的特低孔隙度、低渗透率砂岩储层，典型的气层孔隙度为6～9p.u.，油层孔隙度为9～12p.u.，骨架密度为2.68g／cm3。若采用国产仪器测量，0.03g／cm3的密度变化将产生1.1p.u.的气层孔隙度变化量，测量相对误差达14.7%，这将显著影响该类储层评价效果［2］。

研发新型岩性密度测井仪的难点在于核脉冲信号的处理与采集。一般老式仪器采用了先处理再采集的方法，即先采用模拟滤波成形（包括峰值展宽与保持电路）、极零相消和基线恢复等处理，再由低速ADC完成脉冲采集［3］。这种做法不仅增加了电路的复杂性还增大了电路带来的死时间。本文提出了一种先采集再处理的新方法，即预先高速采集放大后的核脉冲信号，然后再进行核脉冲信号的数字化处理。该方法通过将核脉冲信号的数字化处理提高计数率，可用于改善系统的稳定性和分辨率。基于该方法的新型岩性密度测井仪已研制成功，本文重点介绍了新型岩性密度测井仪的数据采集处理电路开发，并通过分析相关实验测试结果，验证了该方法的可行性和实用性。

1 数据采集处理电路总体设计

脉冲采集与处理电路包括主放大电路、高速AD采集、FPGA模块电路。该部分电路主要完成伽马散射能谱采集、分析、处理等功能。与之通信的MCU完成256～2 048道多道幅度分析器（MCA）缓存或256～2 048B的FIFO数据缓存，执行地面命令，控制数据的上传，自动或按指令调节增益或高压以实现稳谱等功能［4］。方案设计框图见图1。

图1 新型岩性密度测井仪数据采集处理电路原理框图

信号经过放大之后由FPGA控制高速高精度ADC进行信号采样与AD转换。由于前端采集的速度可以达到ns级（系统实际采用50ns），而核脉冲宽度一般是μs级，可以对一个核脉冲信号经过多次采样，然后由FPGA实现高速算法，拟合出峰值。相比较而言，采用高速ADC后，脉冲前沿采样点远多于经典的MCA，这是由于常规方法设计的MCA采取峰值展宽后，只对幅值最大值进行一次采样。这是对传统的多道幅度分析器的创新，不需要外部接入峰值展宽与保持电路，利用FPGA的硬件实现高速的峰值转换，完成数字化处理，从而达到更高的精度和更好的稳定性。

2 数据采集处理实现

2.1 FPGA模块电路及功能

FPGA模块主要完成核脉冲信号的数字化处理，包括实现高速A／D采样的时钟输出、信号的滤波成形、采样数据的甄别、基线恢复与加1存储，以及与单片机的通信等功能。其功能模块关系框图见图2。所有功能模块采用Verilog HDL语言编写代码实现。

FPGA功能模块主要包括串口功能模块、数据存取模块、数据缓存模块、ADC峰值检测模块、MCA脉冲宽度检测和加1操作模块、时间测量模块、通信模块和滤波模块。其中，串口功能模块主要完成串口发送模块（115 200bit／s）、串口发送计数模块、串口接收模块（115 200bit／s）和串口接收保存模块；数据缓存主要包括用于1 024道MCA缓存的1 024×16的双口RAM和用于1 024点模拟采样数据的1 024×16的FIFO RAM；数据读取模块主要完成ADC数据读取、存取模块（脉冲模式只保存＞100的数据）；峰值检测完成ADC峰值检测功能；MCA脉冲宽度检测模块完成脉冲宽度判别和MCA加1操作功能；时间测量模块即完成测量时间的计时功能；通讯管理模块，实现与MCU的命令应答，数据传输。

图2 FGPA电路模块原理框图

2.2 脉冲数字化处理原理

核脉冲经过高速ADC采集后（离散化处理）分3路进行处理，一路经过2 048B的FIFO后，直接送控制单元，通过通讯接口送至PC进行原始脉冲显示；一路经过脉冲成形后存储至2 048B的FIFO，也可以通过PC进行成形脉冲显示；另一路是经过脉冲成形（高斯成形或梯形成形［6］等）后，进行幅值分析进行加1存储至双口RAM，通过逻辑控制单元送至PC进行谱数据分析与显示。前2路信号采取脉冲模式处理，后一路信号则进行多道能谱分析器方式处理［5］。脉冲数字化处理原理框图见图3。其中虚线框内设计的功能完全由FPGA完成。

图3 脉冲数字化处理原理框图

对原始脉冲采集采取有效采集方式，即有脉冲时启动ADC进行采集，无脉冲时不采集，然后扣除无脉冲采集时间。因此，在FIFO中的数据是连续的脉冲。对脉冲的拖尾处理主要放在数字基线恢复和成形处理中进行［7］。对成形后的脉冲进行幅值分析，存储至双口RAM中，完成能谱数据的暂存。

3 实验测试

3.1 数据采集电路性能测试

数据采集电路性能测试包括实时原始脉冲采集测试、成形脉冲（梯形）测试和能谱测试。图4所示原始脉冲尾长约为16μs。

实际应用中还加入了一定的脉冲宽度选择逻辑，可以用于抑制干扰等。与传统的MCA比较可用的有效测量道（址）提高到4～1 024（对于1 024道的MCA），取消了上下甄别电路，脉冲成形时间也缩短到2～8μs。

图4 数据采集电路性能测试

3.2 新型岩性密度测井仪相关参数

为验证新型岩性密度测井仪器的稳定性和可靠性，通过室内实验和室外测井实验获取相关性能参数，并与老式仪器的测量数据进行比对分析。室内测量的新旧仪器的关键参数对比见表1。

表1 新旧仪器实验室测量的关键参数对比

室外测井可以得到仪器的计数率、重复性与一致性和与国外高精度岩性密度测井仪工程曲线的吻合度。此外，新型岩性密度测井仪采用核脉冲数字化处理方法改善了仪器的重复性与一致性［见图5（a）］；通过测量同一口井标准井与国外仪器比对发现［见图5（b）］测井工程曲线与国外仪器吻合良好。新型数字型岩性密度测井仪数据采集处理电路已成功应用于EILog测井系统中，并对庆阳、华北等油田生产井与标准井进行了初步测试。

图5 新型岩性密度仪实测工程曲线图

4 结 论

（1）采用核脉冲信号的数字化处理提高计数率正确性，先采集后处理方法可行。

（2）新型岩性密度测井仪数据采集处理电路将经典脉冲信号处理硬件软件化的设计方法正确，而且该方法剔除了硬件处理电路受温度影响因素，改善了系统的稳定性，特别是谱漂问题。

（3）电路采用高温防辐射元件及芯片设计。采用上述方法构建的新型岩性密度测井仪数据采集处理电路具有计数率高、稳定性好等特点。

［1］ 黄隆基.核测井原理［M］.北京：石油工业出版社，2000.

［2］ 汤天知.EILog测井系统技术现状与发展思路［J］.测井技术，2007，31（2）：99－102.

［3］ 鞠晓东，李会银，成向阳，等.新型岩性密度测井仪研制［J］.测井技术，2005，29（1）：59－62.

［4］ 鲁保平，张惠芳.四能窗稳谱技术在岩性密度测井仪中的应用［J］.测井技术，2008，32（1）：76－79.

［5］ 肖无云，梁卫平，邵建辉，等.基于FPGA的数字化核脉冲幅度分析器［J］.核电子学与探测技术，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 本文编辑 余迎）

1004－1338（2012）04－0397－04

国家科技重大专项课题大型油气田及煤层气开发任务之一，隶属于子课题模块式动态地层测试系统及EILog配套装备，项目编号：2008ZX05020，课题编号：2008ZX05020－004

刘易，男，1978年生，博士研究生，从事核信号与数据处理研究工作。