CN1760507A - 自然伽马能谱测井仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油测井仪，利用它可以在井眼内对天然存在的放射性马射线能量谱进行测量。其技术方案包括：包括探头部分、机械结构部分和电路部分，其中机械结构部分主要包括上接头、外壳、电源骨架、电路骨架、刻度线和下接头组成。电路部分主要包括电源板、主控板和PHA板，电源板安装在铝合金骨架上。探头部分的主要组件包括一个碘化铯晶体、一个光耦合片和一个光电倍增管，光电倍增管的管脚上焊接有分压电阻和相应的滤波电容，所行组件被封装在一个铝金属筒内，探头上端有三根引出线，分别为高压供电线、信号输出线和接地线。主控板和PHA板的电路组成为能谱前放电路、能谱通讯接口、能谱测量与控制电路、脉冲幅度分析电路、M5数据遥传控制电路。该仪器通过对地层中伽马射线能量谱的分析，可以测量地层中钾、铀系、钍系3类放射性核素的含量，从而可以帮助地球物理学家：识别钾蒸发岩、确定粘土含量、识别粘土矿物、研究沉积环境、进行井间对比。

Description

自然伽马能谱测井仪

一、技术领域：

本发明涉及一种石油测井仪，利用它可以在井眼内对天然存在的放射性马射线能量谱进行测量，从而定量确定地层中放射性核素钾(K)、铀(U)、钍(Th)的含量。

二、背景技术：

地层中天然存在的马射线基本可以归结为钾元素、铀系元素和钍系元素这3类放射性核素发生衰变时所发出的射线，具有3种高低不同的特征能量。

现有类似的伽马射线测井仪器采用碘化钠闪烁晶体和光电倍增管作为探头，处理电路简单，只能对超过一定能量的伽马射线总量进行记录，没有谱分析功能，不能具体求取地层中钾、铀系、钍系3类放射性核素的含量。

三、发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种可以测量地层中天然存在的各种不同能量的马射线数量，同时提供全部伽马射线计数率、“无铀”计数率、钾-铀-钍含量等曲线的自然伽马能谱测井仪。

该仪器的物理机制如下：地层中的天然马射线基本可以归结为钾、铀系、钍系3类放射性核素发生衰变时所发出的射线，具有3种高低不同的特征能量。不同能量的马射线进入碘化铯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，这个能谱代表此时地层的放射性特征。利用专门的剥谱方法和刻度数据就可以计算出地层中钾、铀系、钍系3类放射性核素的含量。

其技术方案包括：包括探头部分、机械结构部分和电路部分，其中机械结构部分主要包括上接头、外壳、电源骨架、电路骨架、刻度线和下接头组成电路部分主要包括电源板、主控板和PHA板，电源板安装在铝合金骨架上。探头部分的主要组件包括一个碘化铯晶体、一个光藕合片和一个光电倍增管，光电倍增管的管脚上焊接有分压电阻和相应的滤波电容，所有组件被封装在一个铝金属筒内，探头上端有三根引出线，分别为高压供电线、信号输出线和接地线。主控板和PHA板的电路组成为能谱前放电路、能谱通讯接口、能谱测量与控制电路、脉冲幅度分析电路、M5数据遥传控制电路。其中能谱前放电路包括两个运算放大器U1、U2组成，U1对来自探头的信号进行反相，U2则对反相信号进行放大，可变电阻R6主要控制脉冲宽度，可变电阻R5调整采样幅度，R11用来控制信号基线，经放大处理后的信号分别连接到能谱幅度分析电路和门坎比较器。能谱通讯接口包括单片机U6、曼彻斯特编/译码芯片U11及外围器件组成，T2变压器接受命令信号，经过U13芯片整形、去噪音并将双极信号转换为单极信号，以串行方式输出到U11进行命令译码，U11是一个编译码芯片，由U12为其提供译码时钟，经过U11编码的M2数据信号由U10驱动后经T1上传，单片机U6的作用是接收并执行地面命令、以M2方式发送数据和效验码、采集数据。能谱测量与控制电路包括ADC及DAC电路、高压控制电路、温度采集电路组成，ADC转换电路U14在程序控制下采集高压控制电路中TP7的电压、门坎电压、代表温度的电压信号，DAC转换电路U15在程序控制下数字化的门坎和高压信号变为模拟量GRSVT、GRSHVC，温度采集电路包括温度传感器Q1、运放OP400器件组成，可变电阻W4用于调整温度刻度，高压控制电路主要由U16D和U20组成把控制高压的信号GRSHVC放大，产生控制电压HVC。该控制电压通过控制K15电源得到需要的工作高压。脉冲幅度分析电路包括采样保持电路和高速ADC构成，来自能谱前置放大电路的脉冲信号GRIN经电阻R9输入到由U2、U3组成的采样保持电路，采样保持信号输入到高速ADC(U4：MAX162)，ADC把脉冲幅度变为能量道的地址信号。M5数据遥传控制电路包括单片机U6、可编程逻辑芯片U10、M5通讯编码电路U8组成，其电路在程序控制下执行GR采集命令、谱冻结命令、以M5方式传送能谱数据。电源板的电路为变压器有三个次级绕组；第一绕组由桥D1～D4整流，经电容C1、C2滤波，经稳压管IC1稳压，经C3滤波得到+5V；第二个次级绕组输出由D5～D8整流，电容C4、C5滤波，经稳压器U2，电容C7、C8滤波，得到+15V电源；第三个次级绕组输出由D9～D12整流，C9、C10滤波，经稳压器U3，C11、C12滤波，得到-15V电源。

本仪器的主要技术效果表现在：在PHA实现方面，本仪器的马射线脉冲信号处理全部在一块PHA电路板内完成。能谱数据量化采用12位高速AD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，使得仪器在不使用FIF0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。

在数据处理及传输方式上，本仪器主控板与数据传输接口的M2双向模式通讯操作由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MCS51 MPU为核心，两MPU之间采用高比特率进行双向串行通信。

该仪器通过对地层中伽马射线能量谱的分析，可以测量地层中钾、铀系、钍系3类放射性核素的含量，从而可以帮助地球物理学家：识别钾蒸发岩、确定粘土含量、识别粘土矿物、研究沉积环境、进行井间对比。

四、附图说明：

图1自然伽马能谱测井仪硬件结构图；

图2电子信号处理电路原理图；

图3电源原理图；

图4能谱前放电路图；

图5能谱通讯接口；

图6能谱测量与控制电路；

图7脉冲幅度分析电路；

图8M5数据遥传控制电路。

图9主控板MPU软件流程图；

图10PHA板MPU软件流程图；

五、具体实施方式：

仪器的硬件分成三大部分：(1)探头；(2)电子信号处理电路；(3)承压外壳，如图1所示。

仪器探头的主要组件包括一个专门设计的碘化铯晶体、一个光藕合片和一个光电倍增管。这三个组件靠弹簧的弹力紧密压合在一起。光电倍增管的管脚上焊接有分压电阻和相应的滤波电容。所有组件被封装在一个铝金属筒内。探头上端有三根引出线，分别为高压供电线、信号输出线和接地线。仪器探头的功能是把入射到晶体内的伽马射线按其能量大小转化为幅度不同的负电荷脉冲，经由信号线输出到仪器电子信号处理电路的前置放大器。

仪器的电子信号处理电路原理如图2所示，分为主控板和PHA板两部分主控板以MCS51 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，为方便布线全部采用串行IO器件。主控板与数据传输接口的M2双向模式通讯操作由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。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。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。

主控板和PHA板的电路组成为能潜前放电路(图4)、能谱通讯接口(图5).能谱测量与控制电路(图6)、脉冲幅度分析电路(图7)、M5数据遥传控制电路(图8)。其中能谱前放电路包括两个运算放大器U1、U2组成，U1对来自探头的信号进行反相，U2则对反相信号进行放大，可变电阻R6主要控制脉冲宽度，可变电阻R5调整采样幅度，R11用来控制信号基线，经放大处理后的信号分别连接到能谱幅度分析电路和门坎比较器。能谱通讯接口包括单片机U6、曼彻斯特编/译码芯片U11及外围器件组成，T2变压器接受命令信号，经过U13芯片整形、去噪音并将双极信号转换为单极信号，以串行方式输出到U11进行命令译码，U11是一个编译码芯片，由U12为其提供译码时钟，经过U11编码的M2数据信号由U10驱动后经T1上传，单片机U6的作用是接收并执行地面命令以M2方式发送数据和效验码、采集数据。能谱测量与控制电路包括ADC及DAC电路、高压控制电路、温度采集电路组成，ADC转换电路U14在程序控制下采集高压控制电路中TP7的电压、门坎电压、代表温度的电压信号，DAC转换电路U15在程序控制下数字化的门坎和高压信号变为模拟量GRSVT、GRSHVC，温度采集电路包括温度传感器Q1、运放OP400器件组成，可变电阻W4用于调整温度刻度，高压控制电路主要由U16D和U20组成，把控制高压的信号GRSHVC放大，产生控制电压HVC。该控制电压通过控制K15电源得到需要的工作高压。脉冲幅度分析电路包括采样保持电路和高速ADC构成，来自能谱前置放大电路的脉冲信号GRIN经电阻R9输入到由U2、U3组成的采样保持电路，采样保持信号输入到高速ADC(U4：MAX162)，ADC把脉冲幅度变为能量道的地址信号。M5数据遥传控制电路包括单片机U6、可编程逻辑芯片U10、M5通讯编码电路U8组成，其电路在程序控制下执行GR采集命令、谱冻结命令、以M5方式传送能谱数据。电源板的电路(见图3)为变压器有三个次级绕组；第一绕组由桥D1～D4整流，经电容C1、C2滤波，经稳压管IC1稳压，经C3滤波得到+5V；第二个次级绕组输出由D5～D8整流，电容C4、C5滤波，经稳压器U2，电容C7、C8滤波，得到+15V电源；第三个次级绕组输出由D9～D12整流，C9、C10滤波，经稳压器U3，C11、C12滤波，得到-15V电源。

本仪器的主要技术效果表现在：在PHA实现方面，本仪器的马射线脉冲信号处理全部在一块PHA电路板内完成。能谱数据量化采用12位高速AD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，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。

参照附图9和10，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井数据。

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。主控板MPU软件流程图如图9所示。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。

PHA板MPU软件的功能是接收主控板的控制命令，然后根据控制命令完成送谱数据到M5发送器、送GR计数到主控板的功能，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。PHA板MPU软件流程图如图10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。遥传谱数据和训练码时，需要使用外部总线进行RAM谱数据读及清零、送遥传数据等操作，这可能与会与CPLD在当前RAM内进行谱数据操作冲突，为了避免冲突，必须先向CPLD发出使用总线申请，当CPLD允许其使用总线时，才能使用总线进行各种操作，由于CPLD对能谱数据缓存能力有限，不能占有太长时间，否则会造成谱数据丢失，所以RAM读、清零及送M5控制器数据必须分次申请，每次只能利用外部总线进行一个字节的操作；完成当前主控MPU的命令后，重新等待新命令的到来。

在PHA实现方面，本仪器的伽马射线脉冲信号处理全部在一块PHA电路板内完成。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。

在数据处理及传输方式上，本仪器主控板与数据传输接口的M2双向模式通讯操作由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MCS51 MPU为核心，两MPU之间采用高比特率进行双向串行通信。

Claims (8)

1、一种自然伽马能谱测井仪，包括探头部分、机械结构部分和电路部分，其中机械结构部分主要包括上接头、外壳、电源骨架、电路骨架、刻度线和下接头组成，电路部分主要包括电源板、主控板和PHA板，电源板安装在铝合金骨架上，其特征是：探头部分的主要组件包括一个碘化铯晶体、一个光藕合片和一个光电倍增管，光电倍增管的管脚上焊接有分压电阻和相应的滤波电容，所有组件被封装在一个铝金属筒内，探头上端有三根引出线，分别为高压供电线、信号输出线和接地线。

2、根据权利要求1所述的自然伽马能谱测井仪，其特征是：主控板和PHA板的电路组成为能谱前放电路、能谱通讯接口、能谱测量与控制电路、脉冲幅度分析电路、M5数据遥传控制电路。

3、根据权利要求2所述的自然伽马能谱测井仪，其特征是：能谱前放电路包括两个运算放大器U1、U2组成，U1对来自探头的信号进行反相，U2则对反相信号进行放大，可变电阻R6主要控制脉冲宽度，可变电阻R5调整采样幅度，R11用来控制信号基线，经放大处理后的信号分别连接到能谱幅度分析电路和门坎比较器。

4、根据权利要求2所述的自然伽马能谱测井仪，其特征是：能谱通讯接口包括单片机U6、曼彻斯特编/译码芯片U11及外围器件组成，T2变压器接受命令信号，经过U13芯片整形、去噪音并将双极信号转换为单极信号，以串行方式输出到U11进行命令译码，U11是一个编译码芯片，由U12为其提供译码时钟，经过U11编码的M2数据信号由U10驱动后经T1上传，单片机U6的作用是接收并执行地面命令、以M2方式发送数据和效验码、采集数据。

5、根据权利要求2所述的自然伽马能谱测井仪，其特征是：能谱测量与控制电路包括ADC及DAC电路、高压控制电路、温度采集电路组成，ADC转换电路U14在程序控制下采集高压控制电路中TP7的电压、门坎电压、代表温度的电压信号，DAC转换电路U15在程序控制下数字化的门坎和高压信号变为模拟量GRSVT、GRSHVC，温度采集电路包括温度传感器Q1、运放OP400器件组成，可变电阻W4用于调整温度刻度，高压控制电路主要由U16D和U20组成，把控制高压的信号GRSHVC放大，产生控制电压HVC。该控制电压通过控制K15电源得到需要的工作高压。

6、根据权利要求2所述的自然伽马能谱测井仪，其特征是：脉冲幅度分析电路包括采样保持电路和高速ADC构成，来自能谱前置放大电路的脉冲信号GRIN经电阻R9输入到由U2、U3组成的采样保持电路，采样保持信号输入到高速ADC(U4：MAX162)，ADC把脉冲幅度变为能量道的地址信号。

7、根据权利要求2所述的自然伽马能谱测井仪，其特征是：M5数据遥传控制电路包括单片机U6、可编程逻辑芯片U10、M5通讯编码电路U8组成，其电路在程序控制下执行GR采集命令、谱冻结命令、以M5方式传送能谱数据。

8、根据权利要求1或2所述的自然伽马能谱测井仪，其特征是：电源板的电路为变压器有三个次级绕组；第一绕组由桥D1～D4整流，经电容C1、C2滤波，经稳压管IC1稳压，经C3滤波得到+5V；第二个次级绕组输出由D5～D8整流，电容C4、C5滤波，经稳压器U2，电容C7、C8滤波，得到+15V电源；第三个次级绕组输出由D9～D12整流，C9、C10滤波，经稳压器U3，C11、C12滤波，得到-15V电源。

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