专利名称：岩性密度测井仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石油测井仪器，利用它可以在裸井眼内定量测量地层物质密度及其岩性。
背景技术：
伽马射线主要与组成地层物质原子的电子发生作用。伽马射线与电子发生的相互作用根据其能量高低不同有三种不同形式电子对效应、康普顿效应和光电效应。137Cs源发出的伽马射线能量为662KeV，与电子发生作用的主要形式是康普顿效应和光电效应。经过康普顿散射后的伽马射线反映了地层物质的电子密度，而电子密度是物质密度的直接反映，因此测量康普顿散射后的伽马射线的数量就可以反过来推导地层物质密度。低能量的伽马射线与地层物质发生作用时主要以光电效应为主。在理论上光电效应的强弱反映了地层物质的岩性。通过测量低能量的伽马射线的数量可以求得地层物质的岩性。
岩性密度测井仪器是上述原理的具体实现。在地质研究方面，岩性密度测井仪器具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的就是基于上述机理，提供一种在井眼内以固定强度的137Cs源向地层物质发射伽马射线，然后应用NaI闪烁晶体和相应的电子信号处理电路测量与地层物质发生作用后的伽马射线能量谱，并且根据该能量谱计算地层物质的密度和岩性的岩性密度测井仪。
仪器由推靠器和电子信号处理电路两部分硬件构成。推靠器是一个由电机驱动的推开/收拢装置。在推靠器上布置了2个NaI闪烁晶体和相应的光电倍增管，一个源室、一个电机控制电路。电子信号处理电路是该仪器的核心部分，其功能是响应地面命令，控制仪器的工作状态，采集并上传伽马射线能量谱和其它信息。电子信号处理电路先装入金属保温瓶内，然后再密封在一个金属承压外壳内，以便适用于石油测井的高温高压地层环境。
该仪器的物理机制如下以固定强度的137Cs源向地层物质发射伽马射线。伽马射线与地层物质发生作用。与地层物质发生作用后的伽马射线能量谱反映了地层物质的密度和岩性。不同能量的伽马射线进入NaI闪烁晶体时激发的闪光不同；而不同的闪光进入光电倍增管后就引起不同幅度的电压脉冲信号。经过专门设计的脉冲幅度分析电路把一系列不同幅度的脉冲映射到0--255道地址上，并在对应存储单元里累加。这样，在一定的时间间隔内，所有256个存储单元的脉冲计数就形成了一个谱，这个能谱携带着此时地层物质的密度和岩性信息。利用专门的剥谱方法和刻度数据就可以计算出地层物质密度和岩性。
具体技术方案是仪器的硬件分成2大部分(1)推靠器；(2)电子信号处理电路。
推靠器是一个由电机驱动的推开/收拢装置。其功能是在测井时把探头贴紧井筒内壁。探头内布置了2个NaI闪烁晶体和相应的光电倍增管，以及一个专门设计的放置137Cs源的源室。推靠器的上部是一个控制电路。该控制电路控制电机的转动从而驱动推靠器推开或收拢。
电子信号处理电路是该仪器的核心部分，其功能是响应地面命令，控制仪器的工作状态，采集并上传伽马射线能量谱和其它信息。电子信号处理电路先装入金属保温瓶内，然后再密封在一个金属承压外壳内。
主控板以MCS51MPU为核心，有多个分辨率为12位的AD和DA通道，其中AD部分完成井径、保温瓶内外温度和供电电压等信号的采集，DA部分用于高压程控调节以及脉冲低门槛鉴别电压的设置，为方便布线全部采用串行IO器件。主控板以M2双向模式与WTS的接口操作由HD6408曼彻斯特编码收发器完成，并采用线接收和驱动器，由于主控板MPU负载较轻，对HD6408接口的双向串并转换也由MPU用软件完成。PHA板以另一个MCS51MPU为核心，两MPU之间采用高比特率进行双向串行通信。主MPU采用特殊的长延迟复位电路，并且可对PHA板的从MPU强制复位，保证了仪器系统上电后的可靠运行。伽马射线脉冲的处理全部在PHA板完成，能谱数据量化采用12位高速AD(MAX162AMRG或AD7572ASQ)以保证转换速度和精度，仪器实际只使用转换结果的高8位，形成256道能谱。由于采用了CPLD器件(ispLSI1024-60LH68/883)，使得仪器在不使用FIFO器件作高速缓存并且只采用普通单端口RAM的条件下达到很高的PHA处理性能，并且大大减少了硬件以及连线规模，方便了井下电子系统设计。RAM中分页存储PHA处理数据和待发送数据，使得能谱数据采集和传输得以并行处理。PHA板中由另一片CPLD(ispLSI1016-60LH44/883)完成M5数据发送处理，该CPLD集成了HD6409及与MPU的并行接口功能，使得PHA板MPU的M5模式发送操作非常简单，运行中只要在发送中断服务中不断放入数据即可。
四
图1电子信号处理电路原理流程图；图2主控板MPU软件流程图；图3PHA板MPU软件流程图；图4岩性密度测井仪结构简图。
五具体实施例方式参照图1，仪器的硬件分成2大部分推靠器5，电子信号处理电路4。推靠器是一个由电机驱动的推开/收拢装置。其功能是在测井时把探头6贴紧井筒内壁。探头6内布置了2个NaI闪烁晶体和相应的光电倍增管，以及一个专门设计的放置137Cs源的源室。推靠器的上部是一个控制电路。该控制电路控制电机的转动从而驱动推靠器推开或收拢。
电子信号处理电路是该仪器的核心部分，装入金属保温瓶内，然后再密封在一个金属承压外壳内。其功能是通过测井电缆2、数据传输短节3响应地面系统1命令，控制仪器的工作状态，采集并上传伽马射线能量谱和其它信息。参照附图2，仪器的电子信号处理电路分为主控板和PHA板两部分。主控板以MCS51MPU为核心，有多个分辨率为12位的AD和DA通道，其中AD部分完成井径、保温瓶内外温度和供电电压等信号的采集，DA部分用于高压程控调节以及脉冲低门槛鉴别电压的设置，为方便布线全部采用串行IO器件。主控板以M2双向模式与WTS的接口操作由HD6408曼彻斯特编码收发器完成，并采用线接收和驱动器，由于主控板MPU负载较轻，对HD6408接口的双向串并转换也由MPU用软件完成。PHA板以另一个MCS51MPU为核心，两MPU之间采用高比特率进行双向串行通信。主MPU采用特殊的长延迟复位电路，并且可对PHA板的从MPU强制复位，保证了仪器系统上电后的可靠运行。伽马射线脉冲的处理全部在PHA板完成，能谱数据量化采用12位高速AD(MAX162AMRG或AD7572ASQ)以保证转换速度和精度，仪器实际只使用转换结果的高8位，形成256道能谱。由于采用了CPLD器件(ispLSI1024-60LH68/883)，使得仪器在不使用FIFO器件作高速缓存并且只采用普通单端口RAM的条件下达到很高的PHA处理性能，并且大大减少了硬件以及连线规模，方便了井下电子系统设计。RAM中分页存储PHA处理数据和待发送数据，使得能谱数据采集和传输得以并行处理。PHA板中由另一片CPLD(ispLSI1016-60LH44/883)完成M5数据发送处理，该CPLD集成了HD6409及与MPU的并行接口功能，使得PHA板MPU的M5模式发送操作非常简单，运行中只要在发送中断服务中不断放入数据即可。
测井时，首先把岩性密度测井仪器的推靠器、电子信号处理电路和测井通讯短节连接起来，再通过测井电缆2与地面系统1配接。把137Cs源安装在源仓内，然后用测井电缆绞车把仪器下放到井眼内。
仪器工作时需要从地面供给180V交流电。井下仪器的电源电路把180V交137Cs源向地层物质发射伽马射线。伽马射线与地层物质发生作用，与地层物质发生作用后的伽马射线进入NaI闪烁晶体后激发的闪光信号，并且闪光信号因伽马射线的能量变化而不同。而不同的闪光信号进入光电倍增管后就引起不同幅度的负电压脉冲信号。该负电荷脉冲进入前置放大器，进行信号放大；然后输入到电子信号理电路的PHA分析板。PHA分析板自动完成谱分析。
电子信号理电路的主控板接收地面下传的各种控制命令，根据控制命令的要求，实现辅助参数数据采集、高压控制、门坎调整、数据发送及控制PHA板的从单片机实现能谱数据采集等功能。
系统控制软件的功能是(1)自动完成对模拟信号、能谱脉冲信号的数据采集；(2)接收并识别地面系统的命令，实现对井下仪器的各种控制以及上传测量数据。
主控板的任务是接收地面下传的各种控制命令，根据控制命令的要求，实现辅助参数数据采集、高压控制、门坎调整、数据发送及控制PHA板的从单片机实现能谱数据采集等。
主控板MPU软件流程图如图3所示。主控板软件由主模块以及命令接收、数据发送、A/D控制、D/A控制、从单片机控制等子模块组成。仪器上电后，主控单片机执行主模块完成的系统初始化，包括单片机内部定时器/计数器、串行口、中断控制及数据存储器变量设置，另外通过D/A转换器设置光电倍增管高压、谱分析电路低门坎。然后单片机调用命令接收子模块及其他子模块，执行“命令接收—识别—执行”循环，在地面系统控制下实现测井过程。
模式2命令接收与数据发送命令接收子模块是主控单片机的核心模块，井下仪器数据采集及传输任务是在命令驱动下完成的。根据设计要求，控制板与上部的传输短节间的通讯速率较低，曼彻斯特编码译码器(HD-15530)与单片机之间采用串行接口方式。在接收命令时，由HD-15530对输入的单极性信号进行同步识别，之后HD-15530输出译码得到的16位串行数据及时钟。串并转换则由单片机以软件方式实现，单片机在确定的时钟沿依次读出相应数据位，然后将其拼接即得到地面下传的命令字。
数据发送子模块用于主控板上辅助测量参数(短源距计数率、温度、电压等)向地面的传送，传送过程中由单片机实现并串转换并根据HD-15530的时序要求在确定的时刻输出，由HD-15530编码上传。命令接收和数据发送子模块采用软件方式实现移位寄存器功能，在满足技术指标要求的前提下，实现了硬件设计优化，性价比显著提高。
PHA板MPU软件功能分析PHA板MPU的功能是接收主控板的控制命令，然后根据控制命令井下完成送谱数据到M5发送器、送GR计数到主控板的测井功能，实现上传遥传训练码、写训练谱到RAM等测试功能。PHA板MPU软件分为主程序和中断程序两部分，主程序实现系统初始化，传送谱数据、遥传训练码，写训练谱到当前RAM页等功能；串口中断程序完成命令接收与回传、GR计数上传功能，计数器中断实现GR计数的进位功能。上传遥传训练码用来测试M5遥传通道是否工作正常，而上传训练谱不仅能测试传输通道，而且能测试谱数据存储与读取功能，测试功能更系统，控制命令回传是为了校验MPU串行通道是否正常。
软件流程如图4所示，首先进行系统的初始化，清除所有标志位及两页RAM，设置计数器0有用GR计数并启动相应中断，设置串行通讯及其中断进行命令的接收和GR计数上传；然后等待主控板通过串口送来的控制命令，当有命令到来时，进行命令分析，按要求进行选择执行训练谱写当前RAM页操作、上传遥传训练码、换RAM页上传当前页GR计数并清零、上传谱数据等操作。
权利要求
1.一种岩性密度测井仪，其特征是推靠器和电子信号处理电路两部分构成，推靠器是一个由电机驱动的推开/收拢装置，在推靠器上布置了2个NaI闪烁晶体和相应的光电倍增管，以及一个伽马射线源室，推靠器由电机控制电路控制，电子信号处理电路先装入金属保温瓶内，然后再密封在一个金属承压外壳内；电子信号处理电路分为主控板和PHA板两部分。
2.根据权利要求1所述的岩性密度测井仪，其特征是主控板以主MPU为核心，有多个分辨率为12位的AD和DA通道，其中AD部分完成井径、保温瓶内外温度和供电电压等信号的采集，DA部分用于高压程控调节以及脉冲低门槛鉴别电压的设置，主控板以M2双向模式与WTS的接口操作由HD6408曼彻斯特编码收发器完成，并采用线接收和驱动器；PHA板以另一个从MPU为核心，两MPU之间采用高比特率进行双向串行通信；主控板的主MPU采用长延迟复位电路，并且可对PHA板的从MPU强制复位，伽马射线脉冲的处理全部在PHA板完成，能谱数据量化采用12位高速AD，转换结果的高8位，形成256道能谱，RAM中分页存储PHA处理数据和待发送数据，能谱数据采集和传输得以并行处理，PHA板中由另一片CPLD完成M5数据发送处理，该CPLD集成了HD6409及与MPU的并行接口功能。
全文摘要
本发明涉及一种石油测井仪器，利用它可以在裸井眼内定量测量地层物质密度及其岩性。仪器由推靠器和电子信号处理电路两部分硬件构成。推靠器是一个由电机驱动的推开/收拢装置。在摊靠器上布置了2个NaI闪烁晶体和相应的光电倍增管，一个源室、一个电机控制电路。电子信号处理电路是该仪器的核心部分，其功能是响应地面命令，控制仪器的工作状态，采集并上传伽马射线能量谱和其它信息。电子信号处理电路先装入金属保温瓶内，然后再密封在一个金属承压外壳内，以便适用于石油测井的高温高压地层环境。岩性密度测井仪器在地质研究方面，具有重要应用价值。
文档编号E21B49/00GK1719000SQ20051004401
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月7日 优先权日2005年7月7日
发明者刘广盛, 滕俊兵, 王卫华, 樊悦国, 左宏英, 张磊, 南爱香, 刘洋 申请人:中国石化集团胜利石油管理局测井公司