嚴(yán)明明，王志剛，師奕兵

（電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引 言

成像測井技術(shù)是目前最先進(jìn)的測井技術(shù)，該技術(shù)是在傾角測井技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[1-3]。利用地層的電學(xué)性質(zhì)，通過密集組合的電流傳感器，陣列測量地層電阻率或電導(dǎo)率的微小變化，并進(jìn)行高密度采樣和高分辨率成像處理，形成井壁圖象，用于地層分析。成像測井儀是研究地質(zhì)構(gòu)造、沉積特征、裂縫等地質(zhì)現(xiàn)象的最佳儀器之一[4-5]，它不僅能對井壁周圍的巖石進(jìn)行定向描述，還能反映巖石的內(nèi)部地質(zhì)特征，而且適應(yīng)面寬[6]。

該文討論了一種測井儀器的控制電路的設(shè)計與成像測試，以DSP+FPGA為基本結(jié)構(gòu)設(shè)計了井下測井儀器控制電路的硬件和軟件。重點介紹了系統(tǒng)原理設(shè)計、系統(tǒng)軟件流程設(shè)計、與地面的通信設(shè)計以及系統(tǒng)測試與調(diào)試4個方面。

1 功能分析

控制與通信電路是成像測井儀的重要組成部分，它主要負(fù)責(zé)與地面建立通信以及控制井下儀器的其他模塊的工作?？刂婆c通信電路主要由DSP處理器、FPGA全局邏輯、儀器總線接口構(gòu)成，控制電路主要任務(wù)有：

（1）等待來自地面的指令。若為采傳命令，首先將命令傳給數(shù)據(jù)處理模塊板，其次給ADC控制模塊發(fā)送采集使能，然后把上一次采集打包好的數(shù)據(jù)傳給FIFO中并給發(fā)送使能信號，再接收ADC此次采集的輔助數(shù)據(jù)，最后接收數(shù)據(jù)處理模塊送來的成像數(shù)據(jù)和各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）通過McBSP接口控制數(shù)據(jù)處理模塊和信號采集模塊工作，SCI接口控制信號發(fā)射模塊工作，3路數(shù)字控制線控制電機(jī)控制器工作。

（3）完成儀器測試數(shù)據(jù)的讀取、封裝并定時傳輸速率傳到地面系統(tǒng)上去。其中傳輸?shù)拿繋瑪?shù)據(jù)中包含來自數(shù)據(jù)處理模塊的成像數(shù)據(jù)、狀態(tài)字，信號發(fā)射模塊的電壓、電流、占空比和狀態(tài)字以及電極方位數(shù)據(jù)和測徑數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)原理設(shè)計

儀器控制模塊的原理框圖如圖1所示。儀器控制模塊主要由DSP系統(tǒng)、FPGA系統(tǒng)、參數(shù)采集系統(tǒng)、電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路構(gòu)成。DSP是控制電路的核心,控制電路的所有命令解釋、分發(fā)、參數(shù)采集控制以及數(shù)據(jù)的打包與封裝都是在DSP中實現(xiàn)的。FPGA中的主要邏輯包括：與地面控制系統(tǒng)通信的全雙工雙向異步通信串口，Manchester編碼/解碼器，ADC采集控制信號，配置各外部電機(jī)、附加模塊的MUX選通信號。參數(shù)采集電路主要由A/D轉(zhuǎn)換器和多路復(fù)用芯片兩部分組成，主要是為了完成輔助參數(shù)的采集和診斷電壓的采集。電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路主要是為了把從其他模塊得到的輔助信號和診斷信號轉(zhuǎn)換成能夠適合A/D采樣范圍的信號。在系統(tǒng)中，所有井下儀器包括成像井下儀器都處于被動受控制的地位，也就是說井下儀器的所有工作狀態(tài)由地面系統(tǒng)來確定。地面系統(tǒng)按照一定的時序，通過一系列指令來控制所有井下儀器。不同的井下儀器以儀器地址來區(qū)分，每種井下儀器的地址都是唯一的。成像井下儀器的儀器地址也是唯一的[7]，地面系統(tǒng)將指令發(fā)送給儀器控制模塊后，主控模塊對所接收到的攜帶本地儀器地址的指令進(jìn)行指令譯碼，指令的格式及含義在指令協(xié)議中必須有明確的約定。對于成像井下儀器來說，指令一般包括復(fù)位、通信訓(xùn)練、數(shù)據(jù)采集、上傳、輔助信號采集等5個命令[8]。

圖1 控制與通信電路結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

在井下成像測井儀器的控制與通信電路中，DSP是控制的核心，所有命令的解析和處理以及數(shù)據(jù)的緩存和發(fā)送都是由它負(fù)責(zé)實施。其DSP的總體軟件工作流程見圖2，其操作流程如下：

（1）接通電源后，DSP復(fù)位進(jìn)入正常工作模式。

（2）等待來自地面指令，指令經(jīng)FPGA解碼，然后送入DSP進(jìn)行編譯。DSP產(chǎn)生同步指令，使信號發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與控制模塊保持同步，DSP編譯的命令通過DSP的SCI接口實現(xiàn)對信號發(fā)射模塊控制，通過FPGA對輔助信號板和電機(jī)的控制。

（3）信號發(fā)射模塊通過緩沖器實現(xiàn)與控制模塊的串口通信，信號發(fā)射模塊中的電壓電流信號及占空比、狀態(tài)字通過串行傳輸送入到DSP中。

（4）DSP接收來自數(shù)據(jù)處理模塊的測井?dāng)?shù)據(jù)，并將輔助數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)打包在一起。

（5）DSP在接收到一幀數(shù)據(jù)的同時將前一幀數(shù)據(jù)傳到地面系統(tǒng)，傳輸?shù)拿繋瑪?shù)據(jù)中包含來自數(shù)據(jù)處理模塊的電阻率成像數(shù)據(jù)、狀態(tài)字，信號發(fā)射模塊的電壓、電流、占空比和狀態(tài)字以及輔助數(shù)據(jù)。

（6）由輔助信號采集板采集的數(shù)據(jù)通過多路復(fù)用器連接到控制模塊中。由電源產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的對儀器各個模塊進(jìn)行供電的各種電壓也由多路復(fù)用器接入。FPGA對多路復(fù)用器地址進(jìn)行控制，選通的信號由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸入到FPGA中，并由FPGA輸送到DSP。

圖2 控制與通信模塊工作流程

（7）根據(jù)譯碼結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的操作。若為采傳命令，首先將命令傳給數(shù)據(jù)處理模塊，其次給ADC控制模塊發(fā)送采集使能，然后把上一次采集打包好的數(shù)據(jù)傳給FIFO中并給發(fā)送使能信號，再接收ADC本次采集的輔助數(shù)據(jù)，最后接收數(shù)據(jù)處理模塊送來的測井?dāng)?shù)據(jù)和各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。

4 儀器總線接口設(shè)計

井下儀器總線是用于系統(tǒng)掛接的井下儀器的接口總稱。該總線采用主從結(jié)構(gòu)和Manchester編碼，這種數(shù)據(jù)傳輸方式非常適合于惡劣的工作環(huán)境，它可以有效地避免數(shù)據(jù)傳輸中電荷的累積，也有很強(qiáng)的抗干擾性?？偩€從傳輸短節(jié)下端開始，在FPGA中，采用Verilog HDL硬件描述語言對Manchester碼解碼模塊進(jìn)行設(shè)計，在數(shù)據(jù)傳輸中，數(shù)據(jù)塊的長度不固定，數(shù)據(jù)字的長度是16位，數(shù)據(jù)塊的長度可自行定義，數(shù)據(jù)塊的前部有8個采用Manchester碼編碼的“0”和3位起始位作為同步頭，沒有奇偶校驗位。Manchester碼的開始部分波形如圖3所示。

圖3 Manchester碼開始部分波形圖

5 系統(tǒng)調(diào)試與測試

5.1 編碼調(diào)試

數(shù)據(jù)速率設(shè)為93.75 Kb/s。在這里連續(xù)發(fā)送0×CA55，其調(diào)試結(jié)果圖見圖4，其中數(shù)據(jù)塊的前部有8個采用Manchester碼編碼的“0”和3位起始位作為同步頭。

圖4 Manchester編碼測試

5.2 現(xiàn)場測試分析

圖5為在訓(xùn)練模式下控制與通信模塊和地面測井系統(tǒng)通信狀態(tài)監(jiān)測窗口。所謂的訓(xùn)練模式，就是為了地面測井系統(tǒng)用于檢查儀器通道是否正常，它通常傳輸一些固定的數(shù)據(jù)，用于地面測井系統(tǒng)進(jìn)行校驗。一般來說，地面系統(tǒng)一次校驗都會發(fā)送具有一定時間間隔的命令100次，其中每次接收的數(shù)據(jù)都完全正確才表明訓(xùn)練成功。

圖5 地面測井系統(tǒng)總線通信監(jiān)測

如圖5所示，窗口中第1行為地面測井系統(tǒng)下行通道發(fā)送命令監(jiān)測，第4、5、6行為井下測井儀控制與通信模塊回傳給地面測井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，第2、3行為接入伽馬和方位測量儀器的傳輸通道。第1列中T/O狀態(tài)為4表示未接入該儀器，第2列NVM表示累計錯誤幀數(shù)，第3列OK為灰色表示通信完全正常。從實時監(jiān)測圖中可以看出井下測井儀器和地面測井系統(tǒng)通信穩(wěn)定。

5.3 系統(tǒng)成像聯(lián)合測試

系統(tǒng)成像聯(lián)合測試所用到的設(shè)備有：

（1）地面測井系統(tǒng)，包括地面系統(tǒng)的軟、硬件；

（2）7 km的實際測井電纜，用來在室內(nèi)模擬實際傳輸信號衰減情況；

（3）傳輸短節(jié)，用于傳輸通道數(shù)據(jù)發(fā)送電平的提升；

（4）井下測井儀相關(guān)電子線路模塊，包括控制與通信模塊、處理模塊、采集模塊、發(fā)射模塊、馬達(dá)模塊、井徑模塊和電源模塊等；

（5）井下測井儀骨架，主要起著固定各電子線路模塊的作用；

（6）6個電阻箱，每個電阻箱上25個不同的電阻，用于模擬地層電阻。

圖6為實際測試過程中極板掃描數(shù)據(jù)的成像圖。它的測試環(huán)境為：在測試水槽中人為的壘了一些地層，這些地層中壘的圖案包括‘T’字型的縫隙、‘一’字型縫隙和4行小洞穴，每行設(shè)置2個，共8個洞穴。測試中把一號極板緊貼模擬地層，以一定的速度把極板拉過地層。

圖6 極板成像測試圖

一般來說，尋找石油就是尋找滿足石油生、儲、蓋條件的圈閉或裂縫地層。如果在某一區(qū)域含有能生成石油的地質(zhì)地層，那么生成的石油必將發(fā)生運(yùn)移，找到石油合適的儲藏空間，這些空間包括圈閉、裂縫或褶皺等，如果再有很好的地質(zhì)蓋層，石油在該區(qū)域儲集起來。如圖6所示，成像圖掃描的裂縫清晰可見，通過測井成像資料的處理，可以得到地層中裂縫的類型、產(chǎn)狀以及走向。研究地質(zhì)裂縫有非常重要的實際意義，地層中的裂縫就為石油或天然氣提供了良好的儲藏條件。

6 結(jié)束語

該文針對微電阻率掃描成像井下測井儀控制與通信電路設(shè)計的要求，實現(xiàn)了井下儀器穩(wěn)定的控制和通信，并通過系統(tǒng)測試與調(diào)試，在某新型微電阻率掃描成像測井中得到成功應(yīng)用。

[1]王相森.聲電成像測井儀器分析[J].石油儀器，2007，21（5）：32-34.

[2]原宏壯.一種新的成像測井儀器設(shè)計方案[J].中國石油大學(xué)學(xué)報，2007，31（2）：51-54.

[3]范斐，龐巨豐，徐佳，等.井周聲波成像測井儀原理與應(yīng)用[J].計量與測試技術(shù)，2009，36（8）：74-76.

[4]劉向君.測井原理及工程應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

[5]王珺，王長春，許大華，等.微電阻率掃描成像測井方法應(yīng)用及發(fā)展前景[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20（2）：37-41.

[6]雷綠銀，何豹，楊偉金，等.升級后的XRMI與EMIT的比較[J].石油儀器，2006，20（3）：37-41.

[7]嚴(yán)明明.一種井下成像儀器控制電路設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[8]王淑明.微電阻率掃描成像測井儀器檢測技術(shù)研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2008.