声波时差测井模型实验装置的设计*

乐凯军 周 洋 刘 刚 何小英 李嘉奇 吴爱平

(长江大学电子信息学院 湖北 荆州 434023)



·开发设计·

声波时差测井模型实验装置的设计*

乐凯军 周 洋 刘 刚 何小英 李嘉奇 吴爱平

(长江大学电子信息学院 湖北 荆州 434023)

文章详细介绍了声波时差测井模型实验装置的软硬件设计制作过程，包含声波发射、声波信号接收与处理、单片机测量、仪器运动控制系统、上位机显示等模块的功能介绍及制作。该装置能很好地模拟现场测井，还有数据处理可视化、结果直观、测量准确等特点。

声波时差测井；单片机；上位机；测井装置

0 引 言

声波测井技术是一种发展最快和应用最广泛的现代测井方法之一，我国声波测井技术主要应用在油田、煤田和工程地质三个方面[1]。声波时差测井，又叫声速测井，可以利用声波产生的不同弹性方向的横波和纵波划分岩体风化带、解释软弱夹层；利用声波在不同介质中的传播速度不同，了解材质，知其密度，方便正确判断岩石层的情况,并利用声波时差数据预测岩石的可钻性[2～3]。

本文介绍了一种声波时差测井模型实验装置的设计制作，该装置采用单发双收模式，能控制仪器下井测量，上传数据并对测量数据进行处理及图形显示，数据处理可视化。通过测量数据显示图形，可以定性地划分岩性。

1 系统结构及工作原理

该声波时差测井模型实验装置由声波发射、声波信号接收与处理、单片机测量、仪器运动控制系统、模拟水槽、上位机显示等模块组成，系统框图如图1所示。

图1 系统结构框图

该装置采用单发双收方式测量两路接收信号时差。首先由单片机产生声波逻辑控制声波发射系统发射声波，然后通过接收探头接收声波信号，经过硬件处理，将时差测量转换成脉宽测量。仪器运动控制系统通过控制电机转动来控制仪器在水槽水平移动，同时将深度测量信号接到单片机，用来测量深度。最后，单片机把测量的深度、时差信息通过串口传输至上位机进行显示。

2 硬件设计

2.1 声波发射接收

该装置发射声系探头由一个发射探头和两个接收探头组成，如图2所示，通过120 V直流电压供电，由单片机发出脉冲通过瞬态激发驱动电路控制发射探头的发射。发射声波经过水或模拟地层传播，再被下面的两个接收探头接收。接收器接收到的有滑行地层的横波、纵波以及低频和高频的伪瑞利波和斯通利波，由于纵波速度比横波快，探头最先接收的是滑行纵波。由于两个接收探头与发射探头距离即源距不同，因此接收的声波信息存在时差。

图2 单发双收原理图

2.2 声波信号处理

声波信号处理中有延时电路、电压跟随放大整形电路、D触发器触发与异或电路。延时电路先用555定时器设定延时时间，输出控制模拟开关输入信号的输出，从而控制声波接收，达到接收延时功能。延时电路能有效除去其他声和电的干扰信号。电压跟随放大整形电路，每一路信号需要三个集成运放。第一个用于制作电压跟随电路；第二个用于放大信号，因为探头接收到的信号电压很小(毫伏级)，必须经过反向放大；最后一个用于电压整形，获得方波。D触发器触发与异或电路将两路整形输出作双D触发器的输入，同时需同步信号清零，最后将其输出进行异或处理，获得一列方波，其高电平宽即为接收到的两列波的时差，送给单片机测量即可得到具体值。各部分信号波形如图3所示。

图3 信号处理各部分波形图

2.3 仪器运动控制系统

该实验装置为模拟电缆测井，设计了单独控制测井仪器上提、下放的电机控制系统，设计实物面板如图4所示。该控制系统可实现多模式升降井，即可以手动通过按键控制上升或下降，也可设置深度自动到达指定位置。该系统包含压控电路、驱动电路、用户界面等。压控电路光耦将控制系统与机械系统隔离，同时通过MCU控制数字电位输出可调电压。驱动电路通过单片机产生PWM波，控制步进电机转动。通过给脉冲频率可控制电机转速，通过改变脉冲顺序，改变电机转动方向。还可设定深度，通过测量深度，与之比较，自动控制电机转动，直至达到设定深度。同时还设置限位保护，受电缆及水槽长度限制，探测装置只能在一定的深度范围内测量。用户界面可实时显示工作模式、当前深度、当前速度等信息。

图4 仪器运动控制系统面板

2.4 单片机测量

该装置单片机采用C8051F060型，它是一种与51系列单片机内核兼容的单片机，内核采用流水线结构，速度可达25MIPS。同时它有5个通用的16位计数器/定时器，每个MCU都可在工业温度范围(-45℃～+85℃)工作，适合该装置使用。该部分单片机主要用来测量时差及深度，同时把测得结果上传至上位机。

3 软件设计

该装置软件部分有两大部分，一是运行在单片机C8051F060里的程序，它是由C51语言编写的；另一部分是上位机程序，它是用Visual Basic语言编写的。

3.1 单片机测量程序

单片机测量部分要实现的功能是测量声波探头实时深度和时差信息，同时要将测得的结果通过串口传给上位机。软件编程思路是：使用定时器0测脉宽，在方波的上升沿打开定时器0下降沿关闭定时器0，保存定时器0中的计数值和溢出次数。定时器1用于串口通信。使用定时器2对外部输入脉冲计数。当计数脉冲达到10个即仪器移动0.1 m后读出定时器0中的计数值和溢出次数以及定时器2中的计数值和溢出次数，使用串口将以上读出的数据打包上传给计算机。单片机进入下一次测量和上传工作。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

3.2 上位机

上位机通过串口接收单片机传来的时差、深度信息，根据通信协议先对信息有效性进行检验，当检测有效后，提取有效信息，将数据处理后绘制成实时深度-时差曲线，并将测井数据以文件的形式存储，便于测后数据回放。此外，还可通过通过上位机对单片机下达“深度清零”指令，以校准深度零点。为适应使用需求，上位机软件还设置了用户登陆系统，可登陆和修改密码。上位机界面如图6所示。

4 结束语

本文设计的声波时差测井模型实验装置，通过运动系统控制探测仪器在水槽的移动，采用深度驱动方式，测量出声波在不同模拟地层中的时差，同时利用上位机显示时差-深度曲线，直观地描述地层信息，定性划分地层。通过实验室的测试表明该装置有能很好地模拟现场测井，数据处理可视化，结果直观，测量准确、重复性好等特点。

图6 上位机界面

[1] 王建华.声波测井技术综述[J].工程地球物理学报，2006,3(5):395-400.

[2] 潘铁山，李强强.声速测井在煤田勘探中的应用[J].城市建设理论研究(电子版)，2013,(29).

[3] 王忠福,孟金城,张志邦,等.声波时差测井在岩石可钻性预测中的应用[J].大庆石油地质与开发,2006,25(3):94-96+110.

[4] 章成广，江万哲，潘和平.声波测井原理与应用[M] .北京：石油工业出版社，2009：1-70.

[5] 陈福正，王成株.C805lF系列单片机在碳氧比测井中的应用[J].电子测量技术,2007，30(3):77-78+90.

Design of Experimental Equipment about Travel Time of Sonic Logging

YUE Kaijun ZHOU Yang LIU Gang HE Xiaoying LI Jiaqi WU Aiping

(ElectronicsInformationSchool,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434023,China)

This paper introduces the design process of hardware and software of experimental equipment about travel time of sonic logging model，including function introduction and design of transmitting and receiving,acoustic signal processing,Single Chip Microcomputer measurement,the motion control system and PC display module.The device can be well simulated field logging,it also has the character of data processing visualization,intuitive results,accurate measurement and so on.

travel time of sonic logging, single chip microcomputer, PC, logging device

长江大学大学生创新实验项目资助(项目编号：2013008)

乐凯军，男，1991年生，长江大学电气工程及其自动化专业本科，学习方向为信号检测与控制。E-mail:yueleyue@sina.cn

TE353.+3

A

2096-0077(2015)02-0004-03

2014-07-22 编辑：马小芳)