基于DSP的三维感应测井数据采集处理系统研究

2010-09-14张家田梁亚萍严正国

石油管材与仪器 2010年2期

关键词：电平测井电阻率

张家田梁亚萍严正国

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室陕西西安)

基于DSP的三维感应测井数据采集处理系统研究

张家田梁亚萍严正国

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室陕西西安)

三维感应测井系统是一种全新的地层结构探测系统,它可以识别地层的三维特性,是人们认识地层特性,进行油、气储层评价的有效方法。本系统采用DSP芯片TMS320F2812和ADS7815作为信号采集和处理的核心,文章介绍了芯片的性能和工作原理以及相应的硬件电路设计,给出了信号处理器DSP和PC机间的通信流程。

三维感应测井;信号采集;数字信号处理器DSP

0 引言

据统计,世界上大约30%的油气层存在于砂泥岩薄互层,在我国,各向异性油气田所占的比例也非常高。因此,准确的认识这些地层的特性对于油气资源的探测和合理开发有着重要的意义。三维感应测井技术能很好识别地层的三维特性,进而可以进行准确的油气层评价,本文采用 TI公司的 DSP芯片TMS320F2812作为系统的核心,它既有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能,特别适用于大批数据处理的测控场合。模数转化部分采用BB公司的ADS7815芯片。

1 三维感应测井技术[1]

地层电阻率是评价储层含油气特性的主要参数之一。各向异性地层的电性参数主要有水平电阻率、垂直电阻率和各向异性指数(垂直电阻率和水平电阻率的比值)等。在已发现的油藏中,电阻率各向异性的储层占总油藏的20%～30%,传统的感应测井仪只能测量水平方向的电阻率,不能准确地描述油气储层的关键参数,不能准确地确定含油气饱和度,从而很容易低估和漏测各向异性储层。

三维感应测井可以很好的解决上述问题,它是一种全新的地层结构探测系统,可以识别地层的三维特性,能够探测传统方法难以探测到的薄储层、低渗透率储层。三分量感应测井系统的线圈系结构包括3个发射线圈(Tx,Ty,Tz)和3个接收线圈(Rx,Ry,Rz)以及3个平衡线圈。这3个发射线圈彼此垂直,并发射一定频率的交流电;3个接收线圈也相互垂直,并接收各个方向的地层信息,可得到9个磁场分量,经过数据处理可得到9个电导率分量,最终有用的是5个电导率分量(3个主要项:HXX,HYY,HZZ,2个交叉项 HXY,HXZ,如果所考虑的地层模型是垂直井眼和水平方向各向同性,其中很多磁场分量和电导率分量为0)。三分量感应测井仪就是通过对这些电导率分量信息进行处理,进而获得地层水平电阻率和垂直电阻率,还可得到各向异性地层模型的两种含水(油)饱和度,以及地层倾角和仪器方位角等信息。

2 三维感应测井数据采集处理系统

三维感应测井信号采集处理总体框图如图1所示,信号的采集处理系统由开关阵列,信号调理电路,A/D转换电路,DSP模块,CPLD模块以及PC机等构成。信号采集处理电路采集接收线圈上产生的感应电动势,再输送给数据处理电路进行处理。

图1 三维感应测井信号采集处理总体框图

图1 中,CPLD和其接口电路构成控制电路,主要完成多频信号发生器中信号的控制,对多路开关的切换;数据采集电路中A/D转换启动信号的控制,以及完成对信号调理电路(带通放大、自动增益等)的控制;DSP控制电路需实现接收AD采集到的数据,完成对测井上传数据的存储,数据处理,通过232接口与上位机通信,并且要能完成下行命令的接收处理以及命令的识别、存储和执行。

3 系统硬件

3.1 DSP芯片

本系统选用TI公司的TMS320F2812,该芯片是TI公司推出的C2000系列性能最高的一款芯片,也是目前市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片,主频150MHz、处理性能可达150MIPS,每条指令周期6.67ns。采用哈佛总线结构,具有密码保护机制,可进行双1616乘加和3232乘加操作,因而可兼顾控制和快速运算的双重功能[2]。

由于DSP的通用 I/O引脚有限,所以采用EPM7128来扩展 TMS320F2812的外围控制接口,该CPLD对AD转换器、通用I/O口、片外存储器等进行地址编码,完成对AD、信号调理电路的控制。

3.2 信号调理电路

信号调理电路主要包括前置放大电路、带通滤波放大电路、程控放大电路及50Hz陷波器。经过信号调理电路的放大及滤波处理,再送往ADC进行数模转换。

前置放大电路选用低电压、微功耗的前置放大芯片INA126。INA126工作电压范围为±1.35V～±18 V,静态电流为175μA,输入偏置电流最大仅为25nA,而且INA126仅需外接一个电阻及可实现10～10000倍的增益,正是由于上述特点,它特别适用于工业用传感器放大器、多通道数据采集系统等[3];程控放大选择由PGA202和PGA203组成的两级放大,PGA202与PGA203都具有高共模抑制比、高转换速度、噪声小等优点。如图2所示通过CPLD控制其控制端A1、A2分别可实现 1、10、100、1000 与 1、2、4、8 的放大倍数 ,二者级联可实现1～8000的放大倍数[4]。

图2 程控放大电路

低通滤波器和50Hz陷波器采用BB公司性能优良的通用集成有源滤波器模块UAF42。UAF42采用典型的状态变量模拟结构,可以设计成高通、低通、带通、带阻即陷波器电路,内部集成有所需的四级精密运算放大器、50kΩ0.5%的精密电阻和1000PF0.5%的精密电容,这就解决了有源滤波器设计中需要选取精密电容和电阻的问题,简化了有源滤波器的设计。更重要的是,BB公司还为该器件提供了一个CAD软件—FILTER42,该软件简化了基于UAF42的设计,只要根据具体的电路要求将参数输入到软件,它就能计算出相应的元器件值,大大简化了滤波器的设计[5]。如图3所示为UAF42设计的50Hz陷波电路,通过FILTER42的计算可知UAF42正向输入时图中 RZ1=10 kΩ、RF1=RF2=3.16MΩ、RZ2=10kΩ、RQ=3.75kΩ、RZ3=10kΩ、RG=50kΩ。

图3 UAF42正向输入50Hz陷波电路

3.3 ADC及其控制

该系统选用ADS7815作为AD芯片,它是一款16位逐次逼近型ADC,由于其分辨率高、采样速度高而且功耗低,所以应用较广。ADS7815具有250kHz采样速率,内部集成有采样保持电路、内部参考源和时钟电路。无寄生动态范围(SFDR),在100kHz全量程输入时大于100dB。2.5V输入范围,5V电压输入。

3.4 系统通信接口

TMS320F2812是通过RS-232C口与上位机进行数据交换,由于RS-232C的标准接口与TTL电平不同,因此存在电平转换的问题。故采用MAXIM公司的符合RS-232标准的驱动芯片MAX232实现TTL电平与RS-232接口电平的转换,将5V电平表示的“1”、0V 表示的“0”逻辑,转换为 -3V～ -15V 电平表示“1”、+3～ +15电平表示的“0”逻辑。MAX232具有两个接收和发送通道,功耗低、集成度高,且使用+5 V电源供电,实现于TMS320F2812之间的电平匹配,确保了通信的稳定性和可靠性。