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井周超声成像仪主控系统的研发

添加时间:2020/07/24 来源:电子科技大学 作者:占志鹏
本文主要论述井周超声成像仪主控系统的硬件电路及软件程序设计。首先总结井周成像领域近年来国内外的发展现状与研究态势,从井周超声成像仪的仪器结构上进行分析,阐明仪器的工作原理。
以下为本篇论文正文:

摘 要

  自人类进入工业社会,石油在社会发展上起到了无可替代的作用,成为了工业社会的"血液".石油普遍深藏在地层中,需要使用各种技术手段来探测、挖掘。提高石油探测的准确度、开采效率,研制高水平的测井仪器,对于勘探新油田、提高石油开采量乃至保障国家发展都有重要的意义。

  在石油测井领域中,井周成像测井是一个重要的分支。井周成像测井能够以直观的井壁图像来反应石油井的状况,可以清晰明了地看到井壁上裂隙与孔洞的发育情况,是评价石油井的重要手段。井周成像测井领域中主要使用的测井方法有超声成像法与微电阻率扫描法,其中超声成像法具有分辨率高、成像直观、携带信息多等优点。

  本文主要论述井周超声成像仪主控系统的硬件电路及软件程序设计。首先总结井周成像领域近年来国内外的发展现状与研究态势,从井周超声成像仪的仪器结构上进行分析,阐明仪器的工作原理。其次,从仪器的功能需求出发,阐述井周超声成像仪主控系统的总体设计方案,分析仪器的工作流程。然后分别从仪器主控系统的硬件设计与软件设计两个方面来描述具体的设计方案,阐明各个?榈墓ぷ髟硪约肮δ。从井周超声成像仪主控系统的功能需求出发,硬件设计以 PIC 单片机加 FPGA 为主处理核心。其中 PIC 单片机负责解码地面系统的各种命令、采集辅助信息、采集同步控制;FPGA 负责具体的发射、采集控制,采集数据存储、处理以及数据上传。仪器硬件电路还包括电源?、辅助信息测量?、EDIB 通信?、采集同步信号整形?。软件?橹饕鲋骺叵低惩ㄐ懦绦蛏杓、发射采集流程的同步程序设计、数据存储与数据处理的程序设计、幅度与到时提取算法设计以及辅助信息测量的程序设计。

  本文最后介绍对主控系统的每个功能?榻械牡ザ啦馐,详细描述实验的环境、实验流程以及实验结果,并对实验结果进行分析,实验结果验证了所设计的井周超声成像仪主控系统达到设计要求。所设计主控系统为后续研制井周超声成像仪整机奠定了一定的基础。

  关键词:井周成像、超声测井、信号整形、数据存储与处理、幅度与到时提取

井周超声成像仪主控系统

ABSTRACT

  Since mankind entered the industrial society, petroleum has played an irreplaceable role in social development and has become the "blood" of the industrial society. Petroleum is generally deep in the stratum, thus various technologies are needed to detect and excavate it. Improving the accuracy and efficiency of petroleum exploration and developing high-level logging tool are of great significance for exploring new oilfields, increasing the amount of petroleum extracted, and even ensuring the development of the country.

  In the field of petroleum logging, CBIL(circumferential borehole imaging logging)is an important branch. CBIL can intuitively reflect the situation of petroleum wells with well wall images, and can clearly see the development of cracks and holes on the well wall. It is an important method for petroleum well evaluation. The well logging methods mainly used in the field of CBIL include ultrasonic imaging and micro-resistivity scanning. Ultrasonic imaging method has the advantages of high resolution and intuitive imaging, it can also carry more information.

  In this thesis, the hardware circuit design and software program design of the main control system for CBUIT(circumferential borehole ultrasonic imaging tool)is mainly discussed. First of all, the development and research status of the field of CBIL at home and abroad are summarized, and the structure of the tool is analyzed to clarify the working principle of the tool. Secondly, from the functional requirements of the tool, the overall structure design of the main control system of the CBUIT is described and the working process of the tool is analyzed in the thesis. Then from the view of hardware and software design of the tool's main control system, the specific design scheme is described and the working principle and function of each module are clarified. According to the functional requirements of the main control system of the CBUIT, the core of the hardware design is PIC(Peripheral Interface Controller) and FPGA(Field Programmable Gate Array)。PIC is responsible for decoding various commands of ground system, collecting auxiliary information, synchronous control of collecting. FPGA is responsible for specific process control of fire and collecting, storage, processing and upload of collected data. The hardware circuit of the tool also includes power module, auxiliary information measurement module, EDIB communication module and acquisition synchronous signal shaping module. In the software module, the communication program design of the main control system, the synchronous program design of the fire acquisition process, the program design of storage and processing of collected data, the algorithm design of amplitude and arrival time extraction, and the program design of auxiliary information measurement are described.

  In the end of this thesis, each functional module of the main control system is tested separately, and the experimental environment, process and results are described in detail. The experiment results are analyzed and they show that the main control system of well circumferential ultrasonic imager meets the design requirements and lays a certain foundation for the development of CBUIT whole equipment.

  Keywords: Circumferential borehole imaging, ultrasonic logging, signal shaping, datastorage and processing, extraction of arrival time and amplitude

  目录
 

  第一章 绪论

  随着第一台蒸汽机的发明,人类正式从手工业社会进入工业社会时代,自此,机器运转所离不开的能源便成了社会发展的必需品。每一次能源的革命,都直接推动着社会的进步。20 世纪初,内燃机的发明之后,石油便成为了使用最为广泛的能源,更深层次意义上,可以看作是国家的战略资源。石油的开采、炼化、储备对于保障国家安全、维持国家高速发展有着重要的意义。我国的石油普遍深藏地下,开采难度相对于传统高产油国家要更大,因此,需要使用更加先进的测井技术来评估油井。目前,高尖端的测井技术主要由国外的斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿所垄断[1],其主要提供付费测井服务,并不转让技术。为了打破技术垄断,从根本上保障国家的石油开采,探索油气储量,我们需要自主研究高端测井技术,保证自主知识产权。

  1.1 井周超声成像测井技术课题研究背景和意义

  测井技术作为石油开采中重要的一环,对于发现高储存量油田、维护油井质量、保障石油产量有重要意义。其主要是在钻井之后,对现有的井孔进行检测,分析井壁的裂缝、孔洞发育程度来综合评价油井的质量[2].目前主流的测井方法有电法测井、超声波测井、核技术测井等,其中超声波测井是指利用声波在不同的泥浆、岩石中传播时,所产生的声波传播速度、波幅度以及频率等声学特性的变化来研究石油钻井的地质剖面、分析固井质量的一种技术[3,4].

  超声波测井技术的一个重要应用场景是井周成像,其原理是使用超声波在介质中传播时,井径越大则传播时间越长,井壁质地越密则波阻抗越高从而反射波幅度会变大。综合传播时间与反射波幅度两个指标[5],便能够分析裸眼井井壁的裂缝、孔洞发育情况,同时也可用于套管井的探伤[6],提升套管井使用寿命。

  在成像测井领域中,主要使用的测井方法有微电阻率扫描法与超声成像法。微电阻率扫描成像仪是通过在多个极板上分别安装若干个间距很小的纽扣状电极,当电极扣向井壁地层发射电流的时候,电极接触的岩石成分、结构及所含流体的电阻率差异会引起电流的变化,根据不同的变化可合成电阻率的井壁图像。超声成像测井仪使用的原理是超声波反射测井,所使用的传感器是超声波探头。超声波探头安装在测井仪的测杠上,在电机的带动下,探头绕测杠旋转并向四周井壁发射超声波信号。超声波信号接触到井壁反射回来后,再由超声波探头接收产生电信号。对回波电信号进行调理,从其中提取出回波的到时与幅度信息,从而推算出当前井壁的情况;夭ǖ绞毙畔⒎从车氖浅酵贩⒊龅男藕旁诰写サ氖奔,即对应当前探头与井壁的距离,借助回波到时信息可以合成井壁一周的几何图像;夭ǚ刃畔⒎从车氖浅ㄌ酵方邮盏骄诜瓷渖ㄐ藕诺那咳,这与井壁介质组成成分有关[7].井壁介质组成质地越密,例如花岗岩等,则对超声波信号的波阻抗越大,从而导致回波幅度较大;如是淤泥等质地较松的介质,则对超声波信号的波阻抗越小,从而导致回波幅度较小。根据回波幅度所合成的井壁图像可反映井壁的介质组成、岩石物性信息。

  超声成像测井法所测得的井壁图像相对于微电阻率扫描法是连续的,没有间断[8],同时超声成像法还具有可在任意深度或全井段测量、具有方向性、可以确定岩心方向等优点。

  1.2 国内外研究现状与发展进程

  井周超声成像测井技术已经有 50 多年的发展历史,早在 1969 年,美孚石油(Mobil)公司的 Zemanek 等人开发的第一代井下电视 BHTV(Borehole Televiewer)便是基于超声反射测井技术研制的。受当时的模拟电路与数字电路发展水平限制,第一版的 BHTV 仪器的测井效果不佳,仪器性能较差,并未得到广泛的使用,但为后来井周超声成像技术的发展奠定了一定的基础。

  1989 年,贝克阿特拉斯(Baker Atlas)公司通过改变换能器的扫描方式,将超声探头安装在一个旋变扫描装置上,通过电机的带动,超声探头发射超声波脉冲循环 360°扫描整个井壁,合成了全方位的图像。在此基础上,贝克公司研发人员通过提高超声波脉冲的扫描频率,成功研制出了数字井周超声测井仪 CBIL.随着测井技术的发展,该公司在此基础上还推出了 STAR-Ⅱ型声波/电阻率井周成像仪,可分别使用微电阻率扫描法与超声成像法来扫描井壁。STAR-Ⅱ型井周成像仪使用高压电脉冲来激发安装在旋转系统上的超声换能器,产生 250kHz-400kHz 的超声波信号对井壁进行扫描,并记录回波波形。STAR-Ⅱ型井周成像仪的超声成像法共有两种成像方式,分别是幅度成像与到时成像[9].一般石油井壁的形状是不规则的,超声探头发射出超声波后,碰到井壁后反射又由超声探头所接收,将超声波的在井壁中的传播时间计算出来后,结合当前井下泥浆介质的声速,便可反推出该点的井径,每一周扫描大量的点,便可合成一周的井壁图像,这种方式成为到时成像。此外,井壁的不同的材质与密度会有不同的波阻抗,从而超声波反射的能量大小不同,从而导致超声探头所接收的回波幅度不同。结合这两种成像方式,将扫描到的数据按照 360°进行排列,便可得到高分辨率的井壁图像,从而可以根据井壁图像来分析其裂缝、孔洞发育情况以及井壁的地质特点等。

  1990 年,哈里伯顿公司推出了第一代井周超声扫描成像仪 CAST,后续于 1996年对 CAST 进行了改造,推出了新一代的井周超声扫描成像仪 CAST-V.CAST-V井周成像仪上共有两个探头,一个是用于旋转扫描井壁的超声探头,并可搭配不同焦距的探头来适应不同大小的井眼;另一个是泥浆声速探头,该探头与一个已知距离的反射面固定安装在一起,通过测量泥浆声速探头所发出的超声波在泥浆中的传播时间即可反推当前介质下泥浆中的声速,用于后续测量[10].井周超声扫描成像仪 CAST-V 可用于裸眼井与套管井的测量。对于裸眼井,通过 360°的扫描即可合成幅度成像图与到时成像图,用于评价石油井地层的特质。对于套管井,CAST- V 可通过高分辨率的扫描成像来寻找套管上的孔洞、裂缝,以及腐蚀情况判断。在套管井测量模式下,CAST-V 成像仪还会额外记录套管的内外径、厚度以及周围环形空间等信息,用于套管井质量的综合评价[11][16].

  国外在井周成像测井领域比较有名的公司还有斯伦贝谢,该公司推出了用于套管井测井成像的 USI 以及裸眼井测井成像的 UBI.其中 USI 测井仪可同时提供有关套管椭圆度、厚度、水泥质量以及外部扶正器位置的信息。同时 USI 仪器也会显示套管内部状况,用于辅助评价套管状态[12].UBI 测井仪是在 USI 测井仪的基础上改进得来的,该仪器的特点是使用了高分辨率的超声波换能器,并可以选择250kHz 或者 500kHz 的换能器来适应不同的井下状况。250kHz 频率的换能器适用于耗散度更强的泥浆介质环境,穿透力更强,能获得更高信噪比的回波信号。而500kHz 的换能器能够带来更高分辨率的井壁图像,在泥浆介质比重较轻、弱耗散的情况下可以使用。

  我国对于井周超声成像测井技术的研究最早可以追溯到上个世纪 70 年代,取得了一定的研究成果。在后续的十年中,相关研究单位研制了一些井壁合成图像分辨率较高、成像效果较好的井周超声成像仪。20 世纪 80 年代后期,华北油田和原华中工学院联合研制了 BHTV 超声成像测井仪器,并实际使用在石油勘探、油井评价等领域。之后,胜利油田测井技术研究所同样推出了其井周超声成像仪,型号为 SLSI-2.自此,国内的超声成像测井领域发展迅速,各个油田测井技术公司均推出了各自的井周超声电视成像仪[13].20 世纪 90 年代,为了解决小口径油井的井壁城乡问题,国内测井公司专门研发了对应的高精度超声探头以及发射采集电路,在回波尾振处理、首波到时提取等方面取得了进展,有效提升了小口径油井的井壁合成图像的质量与分辨率。在大比重泥浆介质环境的石油井中,超声波信号传播衰减很明显,经过井壁反射回来后由超声波探头接收到的回波信号十分微弱,因此大比重泥浆介质油井的测量成了一个难题。2006 年,中国石油集团测井研究所通过改进超声波换能器的机械结构、探头材质,使的换能器产生的超声信号集中性更强,电信号-声信号转化效率更高,从而使得大比重泥浆介质油井的成像测井结果得到明显改善[14].

  1.3 本文的主要工作及结构安排

  井周超声成像仪主控系统是井周超声成像仪的控制中心,本文主要工作是结合井周超声成像仪主控系统设计要求,首先介绍井周超声成像仪的仪器结构与工作原理,从功能需求的角度阐述总体方案设计,之后依次详细介绍井周超声成像仪主控系统的硬件电路设计与软件设计,最后分别对硬件电路与软件进行测试,结合实验结果给出测试结论。本文的具体内容安排如下:

  第一章描述井周成像测井技术课题研究背景与意义,分别从国外与国内分析井周超声成像测井仪器的发展历程,最后阐述本文的内容安排。

  第二章首先分析井周超声成像仪的仪器工作原理,介绍仪器结构。其后根据井周超声成像仪主控系统的功能需求,描述主控系统的总体设计。最后简要介绍主控系统的工作流程。

  第三章主要分析主控系统的硬件电路设计。首先描述主控系统硬件电路的总体设计,其后从主控及外围电路、EDIB 通信?榈缏、BodyMark 与齿牙信号整形电路、辅助信息测量电路、电源?榈缏返确矫嫦晗该枋鲇布缏飞杓。

  第四章主要分析主控系统的软件程序设计。分别描述主控系统通信?槿砑杓、主控系统发射采集流程控制与数据存储处理程序设计、辅助信息测量程序设计、幅度与到时提取算法设计。

  第五章介绍井周超声成像仪主控电路的功能测试,包括主控系统 PIC 单片机与 FPGA 通信测试、发射采集流程控制功能测试、辅助信息测量测试。最后本章介绍主控系统与地面系统联调通信测试。

  第六章总结全文,介绍主控系统所实现的功能,并对其出后续工作给出改进建议与展望。







  第二章 主控系统总体结构设计
  2.1 井周超声成像仪仪器概述
  2.1.1 井周超声成像仪仪器结构
  2.1.2 井周超声成像仪工作原理
  2.2 井周超声成像仪主控系统功能需求

  2.3 主控系统总体结构设计与功能说明
  2.3.1 主控系统功能说明
  2.3.2 主控系统总体结构设计
  2.4 主控系统工作流程
  2.5 本章小结

  第三章 井周超声成像仪主控系统电路设计
  3.1 主控系统硬件电路总体设计
  3.2 主控及其外围电路设计
  3.2.1 主控芯片选型
  3.2.2 主控芯片外围电路设计
  3.3 EDIB 通信?榈缏飞杓

  3.4 BodyMark 与齿牙信号整形电路设计
  3.5 辅助信息测量电路设计
  3.5.1 内温测量电路设计
  3.5.2 外温测量电路设计
  3.6 电源?榈缏飞杓
  3.7 本章小结

  第四章 井周超声成像仪主控系统程序设计
  4.1 主控系统通信?槿砑杓
  4.1.1 主控系统与地面系统通信程序设计
  4.1.2 主控系统 PIC 单片机与 FPGA 通信程序设计
  4.2 主控系统发射采集流程控制与数据存储处理程序设计
  4.2.1 仪器发射采集流程控制
  4.2.2 仪器数据存储与数据处理程序设计

  4.3 辅助信息测量程序设计
  4.3.1 仪器内温测量程序设计
  4.3.2 仪器外温测量程序设计
  4.4 幅度与到时提取算法设计
  4.4.1 STA/LTA 回波到时提取法介绍
  4.4.2 STA/LTA 算法实现
  4.5 本章小结

  第五章 井周超声成像仪主控系统软硬件调试与数据分析
  5.1 软硬件调试环境介绍
  5.2 主控系统单板测试与分析
  5.2.1 主控系统 PIC 单片机与 FPGA 通信测试
  5.2.2 发射采集流程控制功能测试
  5.2.3 辅助信息测量测试
  5.3 主控系统与地面系统通信测试
  5.4 本章小结

第六章 结束语

  本文对井周超声成像仪主控系统的硬件电路设计与软件程序设计进行了详细阐述。

  主控系统是井周超声成像仪井下测井电路的控制核心,与高压发射?、地面系统配合工作完成井周成像测井工作。本文阐述了基于 PIC 单片机与 FPGA 的主控系统设计,硬件电路部分主要介绍了主控系统主控芯片选型与外围电路设计、EDIB 通信?榈缏飞杓、BodyMark 信号与齿牙信号整形电路设计、辅助信息测量电路设计及电源?榈缏飞杓;软件?榉矫嬷饕樯芰送ㄐ拍?槌绦蛏杓、发射采集流程与数据处理程序设计、辅助信息采集程序设计与幅度到时提取算法设计。本文的主要成果如下:实现了一种以 PIC 单片机加 FPGA 为硬件架构,基于嵌入式 C 语言与 Verilog 硬件描述语言为软件平台的主控系统设计;使用 PMP 并行端口与外部中断结合的方式解决了 FPGA 与 PIC 单片机之间通信的实时性与通信速度要求;在 FPGA 平台实现了基于 STA/LTA 算法的回波到时提取功能,可准确快速地从回波中提取首波到时。所设计的主控系统实现了与地面系统的通信,根据井周超声成像仪通信协议实现了主控系统与地面系统的命令与数据交互。

  井周超声成像仪主控系统的设计加速了仪器整机的研发,解决了井下测井电路与地面系统的数据交互与命令下发问题,为后续研发井周超声成像仪整机打下一定基础。为了在测井的同时能够响应地面系统命令,设计了 FPGA 与 PIC 单片机的架构。FPGA 的并行任务处理能力使得主控系统在测井周期中能够持续监控地面系统下发的命令,再由 PIC 单片机解码地面系统下发的命令,完成对应操作。

  井周超声成像仪正处于项目研发的关键阶段,主控系统的软硬件设计已经完成,功能指标也达到了项目的设计要求,正在与地面系统及高压发射?榻辛魇笛,之后将在实验室中进行水槽实验。

  井周超声成像仪主控系统研发时间进度较为紧张,受科研水平限制,现有方案仍有可以改进的地方,主要体现在如下两点:

 。1)主控系统接收到地面系统下发的命令后,需要转发给 PIC 单片机以解码命令,再由 PIC 单片机控制 FPGA 执行相关操作。下一步可通过将命令解码程序集成在 FPGA 中,加快响应地面系统命令的速度。

 。2)目前使用的回波幅度与到时提取算法仍然比较基础,在回波信噪比较低的情况下提取结果误差可能较大,后续可考虑改进现有的 STA/LTA 算法来提取回波到时与幅度。

致谢

  首先,我要向我的导师师奕兵教授致以诚挚的感谢。在研究生阶段,不论是在学习、科研还是生活上,师老师都给予了我极大的帮助。师老师待人平和、学风严谨,在我遇到问题的时候总能够从问题的本质为我讲解清楚。研究生三年,您教会我的不仅仅是专业知识,更是面对问题时追本溯源、究其本质的探索精神,这对我今后的工作以及生活有重要的意义。

  感谢张伟老师在科研项目中对我的细心指导,张老师扎实的专业能力,总是能够在项目实施遇到困难的时候,为我指出问题的关键点以及突破口。在项目攻坚阶段,您带我们努力发现问题、分析问题、解决问题的场景我永远不会忘记。同时也真诚感谢您对我研究生生活的关心,以及在为人处世方面的指导。

  感谢李焱骏老师在项目的研发过程中给予的帮助。感谢中海油田服务有限公司油田技术研究院仇傲工程师和李苏工程师在项目调试阶段给予的悉心指导,你们让我认识到了真正投入应用的产品是什么样,使我认识到了工作与学习的不同之处。

  感谢同项目组的黄昕、张军彪、杨福毅同学的指导以及帮助,项目的顺利进行离不开大家的共同努力。另外要感谢付浩瀚、刘苏浪和黄吉葵师兄,是你们带我入门科研,仔细教会我各种基础知识。同时,感谢电法测井实验室的所用同学,感谢你们的帮助。

  感谢我的父母二十多年来对我的照顾,从牙牙学语到长大成人,你们永远是我最坚实的后盾。学习生活就要结束,进入社会后,我会努力工作,报答你们的养育之恩。同时也要感谢我的女朋友梁玥,辛苦的研究生科研生活,因为你的存在增添了很多乐趣。

  最后,再次感谢我的亲人、老师、朋友们。愿你们身体健康,工作顺利,万事如意。

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