CN105604538A - 可控中子源补偿中子测井仪及其控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可控中子源补偿中子测井仪及其控制电路，本发明的控制电路具有：控制单元，用于处理与可控中子源补偿中子测井仪的通讯板以及中子发生器的通信；采集单元，用于对可控中子源补偿中子测井仪的前置放大电路所输出的脉冲信号进行处理，并且进行脉冲个数的计数测量；通信单元，由所述控制单元进行控制，与外部计算机以及中子发生器的控制电路进行通信，从而能够调节中子发生器的各项参数；复位电路，用于对所述采集单元进行复位；晶振，用于对所述采集电路提供时钟信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种在石油测井中所使用的可控中子源补偿中子测井仪以及可控中子源补偿中子测井仪中的控制电路。
背景技术
测井，也叫地球物理测井或石油测井，简称测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法之一。在石油钻井时，在钻到设计井深深度后都必须进行测井，又称完井电测，以获得各种石油地质及工程技术资料，即油层深度、厚度等信息，作为完井和开发油田的原始资料。
此外，核测井物理学是应用原子核物理的理论、方法和核技术来研究井下地层及介质性质的一门科学。中子测井是把装有中子源和探测器的下井仪器放入井内，由于中子源发射的快中子按球状向外迁移，在穿过井孔介质进入岩层的过程中，高能量中子与物质的原子核相互作用而减速、扩散和被吸收其能量不断损失或减弱。采用两个不同源距探测器来测量热中子计数率的比值，以反映地层中的中子密度随源距衰减的速率。将探测结果通过电缆输送到地面仪器，经过计算处理记录曲线。
在传统的中子源测井仪中，中子发生器采用放射性物质，但是，这存在如下问题。即，放射性物质是不可控的，无论是否需要测井仪进行工作，放射性物质都会产生放射线，因此，会对测井人员的安全产生危险并且对环境造成破坏。此外，传统的中子源测井仪还存在如下问题，即，成本高，数据采集以及处理速度慢，并且在耐高温方面也存在缺陷。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供一种在石油测井中所使用的可控中子源补偿中子测井仪以及该可控中子源补偿中子测井仪中的控制电路，能够在进行测井时使中子发生器产生中子，在不需要使测井仪工作时中子发生器不产生中子，即，中子的产生与否可以控制，此外，本发明的可控中子源补偿中子测井仪制造成本低，数据处理速度快，并且具有抗干扰能力强的特点。
本发明提供一种可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，具有：
控制单元，用于处理与可控中子源补偿中子测井仪的通讯板以及中子发生器的通信；
采集单元，用于对可控中子源补偿中子测井仪的前置放大电路所输出的脉冲信号进行处理，并且进行脉冲个数的计数测量；
通信单元，由所述控制单元进行控制，与外部计算机以及中子发生器的控制电路进行通信，从而能够调节中子发生器的各项参数；
复位电路，用于对所述采集单元进行复位；以及
晶振，用于对所述采集电路提供时钟信号。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，还具有：电平转换单元，用于将来自可控中子源补偿中子测井仪的前置放大电路的信号电压转换为所述采集单元能够处理的电压。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，所述电平转换单元采用SN74LVC1G08芯片，所述SN74LVC1G08芯片的第一输入端子和第二输入端子彼此连接并且被输入来自所述前置放大电路的脉冲信号，并且SN74LVC1G08芯片的GND端子接地。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，在所述第一输入端子和所述第二输入端子的连接点与所述GND端子之间连接有电容器。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，在所述电平转换单元的前级连接有用于对脉冲信号进行降噪的降噪器件。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，所述降噪器件是磁珠。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，还具备：下载电路，用于对所述采集单元输入其工作所需要的各种数据。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，所述下载电路采用JTAG。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，还具有与所述采集单元连接的A/D芯片，所述A/D芯片将表示可控中子源补偿中子测井仪的高压电源模块的电压大小的信号发送到所述采集单元。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，所述A/D芯片采用AD7656芯片。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，还具有用于对所述A/D芯片提供参考电压的参考电压提供器件。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，所述参考电压提供器件采用AD780芯片。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，所述控制单元采用PIC24HJ128GP504单片机，所述采集单元采用A3P060-VQG-100型号的FPGA。
此外，在本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路中，所述通信单元通过RS485芯片与中子发生器连接，能够在所述控制单元的控制下对中子发生器的各项参数进行调整。
此外，本发明提供一种可控中子源补偿中子测井仪，其特征在于，具有：
中子发生器，用于发射中子；
第一以及第二中子探测器，用于探测热中子的数量；
总电源板，用于提供可控中子源补偿中子测井仪所需的电源；
通讯板，用于与外部计算机进行通信；
第一前置放大电路板，用于处理所述第一中子探测器送出的电荷信号，将其转化为可测量的电压信号；
第二前置放大电路板，用于处理所述第二中子探测器送出的电荷信号，将其转化为可测量的电压信号；
信号处理板，用于对来自所述第一以及第二前置放大电路板的脉冲个数进行计数；以及
高压电源模块，用于提供所述中子探测器和所述第一以及第二前置放大电路板所需的高压电源，
在所述信号处理板上形成有如上所述的控制电路，
所述中子发生器是可控中子源。
根据本发明的可控中子源补偿中子测井仪及其控制电路，能够克服现有技术中放射性物质不可控，对环境产生破坏的问题。此外，在本发明中，采用了具有固件免疫错误功能并且速度快安全性高的Flash型FPGA，所以，实现了数据采集以及处理速度提高的目的，并且，由于采用了PIC单片机，所以解决了测井仪器体积大、价格高维护困难的问题。
附图说明
图1是本发明的控制电路的结构示意图。
图2是本发明的控制电路的电路板在可控中子源补偿中子测井仪中的位置图。
图3是可控中子源补偿中子测井仪的结构示意图。
图4是本发明的控制电路的另一例的结构示意图。
图5是本发明的控制电路的原理框图。
图6是本发明中的用于对控制电路提供3.3V直流电压的电路的电路原理图。
图7是本发明中的用于对控制电路提供1.5V直流电压的电路的电路原理图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地对本发明进行说明。
图3是本发明的可控中子源补偿中子测井仪的结构示意图。如图3所示那样，本发明的可控中子源补偿中子测井仪具备：可控中子源（即，中子发生器），用于发射中子；中子探测器，用于探测热中子的数量；总电源板，用于提供可控中子源补偿中子测井仪所需的电源；通讯板，用于将数据上传至PC机（外部计算机），即，用于与PC机进行通信；前置放大电路板（即，在其上形成有前置放大电路），用于处理中子探测器送出的电荷信号，将其转化为可测量的电压信号；信号处理板（即，控制电路），用于对来自前置放大电路的脉冲个数进行计数并且对来自外部的信号进行处理，例如，对来自A/D芯片的电压进行处理（详细情况后述）；高压电源模块，用于提供中子探测器和前置放大电路板所需的高压电源。此外，由于图3中只是可控中子源补偿中子测井仪的结构示意图，在图中仅示出了一个中子探测器和一个前置放大电路板，但是，实际上中子探测器（热中子探测器）为两个，并且前置放大器也为两个，两个中子探测器分别与两个前置放大电路板相连接，例如，两组高灵敏度的热中子He-3探测器探测到的信号通过前置放大器的放大作用将电荷信号转为电压信号，并传送至主控电路板（控制电路），通过测量两个探测器的计数率并算出其比值，利用补偿中子的数学模型来计算地层结构孔隙度。
如上所述，对可控中子源补偿中子测井仪的结构进行了说明。以下，详细地说明可控中子源补偿中子测井仪的工作原理。例如，装载16居里的Am-Be中子源，每秒钟产生的快中子射入地层，与地层中的物质碰撞。由于Am-Be中子源产生的中子能量为5.6MeV左右，中子本身是不带电的中性粒子，它们与物质的作用表现为相互碰撞。中子与地层碰撞的能量损失主要与被碰撞原子核的质量数以及中子本身能量有关。根据碰撞学说，快中子与质量相当的物质碰撞损失的能量最大。经过几次碰撞后，快中子将被减速，平均能量从5.6MeV衰减到0.025eV，变成热中子。这些热中子有一部分进入到中子探测器，撞击He3核，引起核反应，产生H3（氚）和质子，该质子使其它一部分He3电离，产生带电的离子和电子，在高压电场的作用下，电子向阳极运动，产生一负脉冲，该脉冲被电子线路放大并记录下来。地层中的氢原子的含量越高，快中子的减速距离越短，在中子源强度和探测器效率相同的情况下，在距离中子源一定距离的探测器探测到的热中子数与地层的含氢量存在对应关系。因此，探测器接受热中子的数量就反映了地层中的含氢量。通过测量地层中的含氢量就可以确定其孔隙度。在该可控中子源测井仪中将两个灵敏度不同的He-3探测器布置在离中子源距离不同的位置上，用它们两个计数率的比值来计算地层孔隙度的大小，降低了井眼泥饼等对测量的影响，提高了测量精度。
此外，在图1中示意性地示出了本发明中的控制电路（即，图3中所示出的信号处理板）的结构，并且，图2是本发明的控制电路的电路板在可控中子源补偿中子测井仪中的位置图。如图1所示，本发明的控制电路具有采集单元、控制单元、用于与外部进行通信的通信单元例如通用异步收发器（UART）。具体地说，在可控中子源补偿中子测井仪中，采集单元对来自前置放大电路的脉冲信号进行采集，由于图1是示意图，所以仅概括性地示出了信号的走向，实际上，例如，如上述那样在具有两个前置放大电路的情况下，会有两路脉冲信号输入到采集单元中。此外，在图1中示出了来自A/D芯片的信号也被输入到采集单元中，实际上，例如，在具有两个前置放大电路的情况下，是将这两个前置放大电路的输出电压以及高压电路板（高压电源模块）的输出电压输出给A/D芯片，A/D芯片将来自两个前置放大电路以及高压电路板的电压转换为表示上述这些电压的大小的信号，进而将这些信号输出给控制电路，从而利于控制电路对两个前置放大电路以及高压电路板的输出电压进行监视。此外，在图1中，还具有连接于采集单元和控制单元之间的锁存器（锁存器用于处理采集单元与控制单元之间数据总线和地址总线的时分复用），这是锁存器独立于采集单元的情况，但是不限于此，也可以是锁存器内置在采集单元内部的结构。此外，本发明的控制电路还可以具有用于对采集单元输入其工作所需要的数据的外围电路，例如由JTAG构成的下载电路，在此情况下，能够根据需要将控制电路工作所需的数据传输给控制电路（具体地说是采集单元），这样，能够使控制电路的使用更加灵活。但是，也可以不具备上述的下载电路，而在制造上述控制电路时将其工作所需的数据预先输入到其中。
此外，本发明的控制电路还具有用于与中子发生器以及外部计算机进行通信的通信单元，例如UART（通用异步收发器），在控制单元的控制下，通过RS232接口芯片与外部计算机连接，并且通过RS485芯片与中子发生器的控制电路进行通信，从而能够调节中子发生器的各项参数，例如高压值和粒子流等。此外，同样地，并不限于RS232接口芯片以及RS485芯片，只要是能够实现上述功能，也可以采用其他芯片。
此外，在本发明中，采集单元可以采用FPGA（现场可编程门阵列），而控制单元可以采用DSP（数字信号处理器），DSP主要用于信号处理，在数据处理速度上具有优势。此外，并不限于此，在本发明中，采集单元可以采用ACTEL公司的FPGA，而控制单元采用PIC单片机。此处，之所以采用PIC单片机，是因为在上述控制电路中应用DSP时也存在很多缺点，例如，DSP体积大、价格高、开发环境复杂并且维护难度也大。此外，由于在测井中没有特别复杂的数据计算，而只需要将FPGA采集的数据上传给PC机即可，所以，从测井仪的小型化以及低成本化的角度来看，采用PIC单片机是更优的选择。
此外，关于所采用的PIC单片机，例如采用Microchip公司的16位单片机，型号为PIC24HJ128GP504，晶振频率为20MHz，工作方式采用2CLK的方式，即40MHz。程序存储器为128KByte，数据存储器为8KByte。主要功能是控制可控中子源，同时完成读取FPGA采集的AD数据和脉冲计数，并通过通讯板上传至PC机。
此外，关于所采用的FPGA，例如采用ACTEL公司的Flash型FPGA：A3P060-VQG-100，该FPGA系统门密度64K，采用Flash结构，具有固件免疫错误功能，速度快，安全性高。FPGA完成前置放大电路输出信号的脉冲计数功能，并实现与A/D采集芯片的通信，将数据传输至单片机（即，控制电路）。
此外，例如，控制单元的一个8位端口（实际选用PB5~PB12）作为数据总线，地址锁存器在FPGA中设计实现。并由控制单元的其他IOPort模拟ALE，\WR，\RD等信号构成控制总线，协同工作对FPGA中的双口RAM进行读写操作。在实际工作中，FPGA完成前置放大电路输出信号的脉冲计数功能，并实现与A/D采集芯片的SPI通信，将数据传输至控制单元。在控制单元获取远近探测器计数后，进行相应的计算，并通过UART控制可控中子源，实现中子源的参数调节。
此外，图4是本发明的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路的另一个具体例的电路图。同样地，在图4中示出了具有两个前置放大电路的情况。如图4所示那样，在采集单元与前置放大电路之间连接有用于将脉冲信号转换为采集单元能够处理的电压的电平转换单元。具体地说，在图4中，电平转换单元采用例如SN74LVC1G08芯片，SN74LVC1G08芯片的第一输入端子（A端子）和第二输入端子（B端子）彼此连接，并且被输入来自前置放大电路的脉冲信号，SN74LVC1G08芯片的GND端子接地，通过这样构成，能够将例如5V的电压转换为采集电路能够处理的例如3.3V。此外，优选地在前置放大电路与电平转换单元之间（即，电平转换单元的前级）连接有降噪器件，降噪器件用于降低脉冲信号的噪声，降噪器件可以采用例如磁珠。此外，优选地在SN74LVC1G08芯片的端子A和端子B的连接点与GND端子之间连接有起到滤波作用的电容器。通过设置有上述的降噪器件和用于滤波的滤波器件，从而能够提高控制电路的抗干扰能力。即，在本发明中，通过以上的抗干扰设计，可以去除电荷放大产生的高频干扰信号。
此外，在图4中，作为A/D芯片，给出了使用ADI公司的AD7656芯片的情况，AD7656芯片具有6个独立的16位ADC，双极性模拟输入，带有高速串行接口SPI，吞吐速度250KSPS，内置低噪声、宽带宽采样保持放大器，可处理最高12MHz的输入频率，可以满足设计需求，但是也并不限于此，只要是能够实现上述功能，也可以采用其他的芯片。此外，在图4中用于对AD7656芯片供给3V参考电压的是AD780芯片，但是也不限于此，只要能够实现对A/D芯片的电压提供，也可以是其他类型的芯片。
此外，为了能够使采集单元正常工作，控制电路还具有用于对采集单元进行复位的复位电路以及用于向采集单元提供时钟信号的晶振，在图4中，给出了复位电路以及晶振的连接结构，但是并不限于图4中所示的情况，只要能够实现上述功能，可以采用现有技术中的其他结构的电路。
此外，图5是本发明的控制电路的原理框图。在图5中示出了采集单元（FPGA）和控制单元（MCU）、A/D芯片（ADC）以及它们的信号流向。如图5所示那样，通过17针印制板连接器引入+5V、+12V以及-12V电压，并通过板内电源转换芯片提供+3.3V和+5V电压。信号处理板引入+12VDC、-12VDC以及+5VDC，由开关电源短节提供。
此外，在本申请发明中，信号处理板（控制电路）所需的3.3V的直流电压由例如TI公司的TPS62110-HT芯片提供，其电路原理图由图6示出。此外，TPS62110-HT芯片的工作温度为－55℃～175℃，其输出电压计算公式如下，
，，，，计算得到
但是，并不限于此，只要是能够实现将3.3V的直流电压输出给本发明的控制电路，当然也可以是其他结构的电路。
此外，在本申请发明中，信号处理板（控制电路）所需的1.5V的直流电压由TI公司的TPS76901-HT芯片提供，其电路原理图由图7示出。TPS76901-HT芯片的工作温度为－55℃～210℃，其输出电压计算公式如下，
,计算得到。
但是，并不限于此，只要是能够实现将1.5V的直流电压输出给本发明的控制电路，当然也可以是其他结构的电路。
此外，通过应用上述的TPS62110-HT芯片以及TPS76901-HT芯片，从而能够实现中子源测井仪的耐高温性。
以上，对本发明的控制电路进行了说明。此外，在本发明的控中子源补偿中子测井仪中具备如上所述的控制电路，并且，本发明的控中子源补偿中子测井仪采用了可控中子源，所以，克服了现有技术中放射性物质不可控，对环境产生破坏的问题。此外，在本发明中，采用了具有固件免疫错误功能并且速度快安全性高的Flash型FPGA，所以，实现了数据采集以及处理速度提高的目的，并且，由于采用了PIC单片机，所以，解决了测井仪器体积大、价格高维护困难的问题。
如上所述，对本申请发明进行了说明，但是并不限于此，应该理解为在本发明技术思想的范围内对各实施例进行的各种变更以及组合都在本发明的范围内。
Claims (15)
1.一种可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，具有：
控制单元，用于处理与可控中子源补偿中子测井仪的通讯板以及中子发生器的通信；
采集单元，用于对可控中子源补偿中子测井仪的前置放大电路所输出的脉冲信号进行处理，并且进行脉冲个数的计数测量；
通信单元，由所述控制单元进行控制，与外部计算机以及中子发生器的控制电路进行通信，从而能够调节中子发生器的各项参数；
复位电路，用于对所述采集单元进行复位；以及
晶振，用于对所述采集电路提供时钟信号。
2.如权利要求1所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
还具有：电平转换单元，用于将来自可控中子源补偿中子测井仪的前置放大电路的信号电压转换为所述采集单元能够处理的电压。
3.如权利要求2所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
所述电平转换单元采用SN74LVC1G08芯片，所述SN74LVC1G08芯片的第一输入端子和第二输入端子彼此连接并且被输入来自所述前置放大电路的脉冲信号，并且SN74LVC1G08芯片的GND端子接地。
4.如权利要求3所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
在所述第一输入端子和所述第二输入端子的连接点与所述GND端子之间连接有电容器。
5.如权利要求2～4的任意一项所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
在所述电平转换单元的前级连接有用于对脉冲信号进行降噪的降噪器件。
6.如权利要求5所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
所述降噪器件是磁珠。
7.如权利要求1～4的任意一项所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
还具备：下载电路，用于对所述采集单元输入其工作所需要的各种数据。
8.如权利要求7所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
所述下载电路采用JTAG。
9.如权利要求1～4的任意一项所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
还具有与所述采集单元连接的A/D芯片，
所述A/D芯片将表示可控中子源补偿中子测井仪的高压电源模块的电压大小的信号发送到所述采集单元。
10.如权利要求9所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
所述A/D芯片采用AD7656芯片。
11.如权利要求9所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
还具有用于对所述A/D芯片提供参考电压的参考电压提供器件。
12.如权利要求11所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
所述参考电压提供器件采用AD780芯片。
13.如权利要求1～4的任意一项所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
所述控制单元采用PIC24HJ128GP504单片机，所述采集单元采用A3P060-VQG-100型号的FPGA。
14.如权利要求1～4所述的可控中子源补偿中子测井仪的控制电路，其特征在于，
所述通信单元通过RS485芯片与中子发生器连接，能够在所述控制单元的控制下对中子发生器的各项参数进行调整。
15.一种可控中子源补偿中子测井仪，其特征在于，具有：
中子发生器，用于发射中子；
第一以及第二中子探测器，用于探测热中子的数量；
总电源板，用于提供可控中子源补偿中子测井仪所需的电源；
通讯板，用于与外部计算机进行通信；
第一前置放大电路板，用于处理所述第一中子探测器送出的电荷信号，将其转化为可测量的电压信号；
第二前置放大电路板，用于处理所述第二中子探测器送出的电荷信号，将其转化为可测量的电压信号；
信号处理板，用于对来自所述第一以及第二前置放大电路板的脉冲个数进行计数；以及
高压电源模块，用于提供所述中子探测器和所述第一以及第二前置放大电路板所需的高压电源，
在所述信号处理板上形成有权利要求1～14的任意一项所述的控制电路，
所述中子发生器是可控中子源。
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