樂凱軍 周 洋 劉 剛 何小英 李嘉奇 吳愛平

(長江大學電子信息學院 湖北 荊州 434023)

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·開發(fā)設計·

聲波時差測井模型實驗裝置的設計*

樂凱軍 周 洋 劉 剛 何小英 李嘉奇 吳愛平

(長江大學電子信息學院 湖北 荊州 434023)

文章詳細介紹了聲波時差測井模型實驗裝置的軟硬件設計制作過程，包含聲波發(fā)射、聲波信號接收與處理、單片機測量、儀器運動控制系統(tǒng)、上位機顯示等模塊的功能介紹及制作。該裝置能很好地模擬現(xiàn)場測井，還有數(shù)據(jù)處理可視化、結(jié)果直觀、測量準確等特點。

聲波時差測井；單片機；上位機；測井裝置

0 引 言

聲波測井技術(shù)是一種發(fā)展最快和應用最廣泛的現(xiàn)代測井方法之一，我國聲波測井技術(shù)主要應用在油田、煤田和工程地質(zhì)三個方面[1]。聲波時差測井，又叫聲速測井，可以利用聲波產(chǎn)生的不同彈性方向的橫波和縱波劃分巖體風化帶、解釋軟弱夾層；利用聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，了解材質(zhì)，知其密度，方便正確判斷巖石層的情況,并利用聲波時差數(shù)據(jù)預測巖石的可鉆性[2～3]。

本文介紹了一種聲波時差測井模型實驗裝置的設計制作，該裝置采用單發(fā)雙收模式，能控制儀器下井測量，上傳數(shù)據(jù)并對測量數(shù)據(jù)進行處理及圖形顯示，數(shù)據(jù)處理可視化。通過測量數(shù)據(jù)顯示圖形，可以定性地劃分巖性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

該聲波時差測井模型實驗裝置由聲波發(fā)射、聲波信號接收與處理、單片機測量、儀器運動控制系統(tǒng)、模擬水槽、上位機顯示等模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該裝置采用單發(fā)雙收方式測量兩路接收信號時差。首先由單片機產(chǎn)生聲波邏輯控制聲波發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射聲波，然后通過接收探頭接收聲波信號，經(jīng)過硬件處理，將時差測量轉(zhuǎn)換成脈寬測量。儀器運動控制系統(tǒng)通過控制電機轉(zhuǎn)動來控制儀器在水槽水平移動，同時將深度測量信號接到單片機，用來測量深度。最后，單片機把測量的深度、時差信息通過串口傳輸至上位機進行顯示。

2 硬件設計

2.1 聲波發(fā)射接收

該裝置發(fā)射聲系探頭由一個發(fā)射探頭和兩個接收探頭組成，如圖2所示，通過120 V直流電壓供電，由單片機發(fā)出脈沖通過瞬態(tài)激發(fā)驅(qū)動電路控制發(fā)射探頭的發(fā)射。發(fā)射聲波經(jīng)過水或模擬地層傳播，再被下面的兩個接收探頭接收。接收器接收到的有滑行地層的橫波、縱波以及低頻和高頻的偽瑞利波和斯通利波，由于縱波速度比橫波快，探頭最先接收的是滑行縱波。由于兩個接收探頭與發(fā)射探頭距離即源距不同，因此接收的聲波信息存在時差。

圖2 單發(fā)雙收原理圖

2.2 聲波信號處理

聲波信號處理中有延時電路、電壓跟隨放大整形電路、D觸發(fā)器觸發(fā)與異或電路。延時電路先用555定時器設定延時時間，輸出控制模擬開關輸入信號的輸出，從而控制聲波接收，達到接收延時功能。延時電路能有效除去其他聲和電的干擾信號。電壓跟隨放大整形電路，每一路信號需要三個集成運放。第一個用于制作電壓跟隨電路；第二個用于放大信號，因為探頭接收到的信號電壓很小(毫伏級)，必須經(jīng)過反向放大；最后一個用于電壓整形，獲得方波。D觸發(fā)器觸發(fā)與異或電路將兩路整形輸出作雙D觸發(fā)器的輸入，同時需同步信號清零，最后將其輸出進行異或處理，獲得一列方波，其高電平寬即為接收到的兩列波的時差，送給單片機測量即可得到具體值。各部分信號波形如圖3所示。

圖3 信號處理各部分波形圖

2.3 儀器運動控制系統(tǒng)

該實驗裝置為模擬電纜測井，設計了單獨控制測井儀器上提、下放的電機控制系統(tǒng)，設計實物面板如圖4所示。該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)多模式升降井，即可以手動通過按鍵控制上升或下降，也可設置深度自動到達指定位置。該系統(tǒng)包含壓控電路、驅(qū)動電路、用戶界面等。壓控電路光耦將控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)隔離，同時通過MCU控制數(shù)字電位輸出可調(diào)電壓。驅(qū)動電路通過單片機產(chǎn)生PWM波，控制步進電機轉(zhuǎn)動。通過給脈沖頻率可控制電機轉(zhuǎn)速，通過改變脈沖順序，改變電機轉(zhuǎn)動方向。還可設定深度，通過測量深度，與之比較，自動控制電機轉(zhuǎn)動，直至達到設定深度。同時還設置限位保護，受電纜及水槽長度限制，探測裝置只能在一定的深度范圍內(nèi)測量。用戶界面可實時顯示工作模式、當前深度、當前速度等信息。

圖4 儀器運動控制系統(tǒng)面板

2.4 單片機測量

該裝置單片機采用C8051F060型，它是一種與51系列單片機內(nèi)核兼容的單片機，內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達25MIPS。同時它有5個通用的16位計數(shù)器/定時器，每個MCU都可在工業(yè)溫度范圍(-45℃～+85℃)工作，適合該裝置使用。該部分單片機主要用來測量時差及深度，同時把測得結(jié)果上傳至上位機。

3 軟件設計

該裝置軟件部分有兩大部分，一是運行在單片機C8051F060里的程序，它是由C51語言編寫的；另一部分是上位機程序，它是用Visual Basic語言編寫的。

3.1 單片機測量程序

單片機測量部分要實現(xiàn)的功能是測量聲波探頭實時深度和時差信息，同時要將測得的結(jié)果通過串口傳給上位機。軟件編程思路是：使用定時器0測脈寬，在方波的上升沿打開定時器0下降沿關閉定時器0，保存定時器0中的計數(shù)值和溢出次數(shù)。定時器1用于串口通信。使用定時器2對外部輸入脈沖計數(shù)。當計數(shù)脈沖達到10個即儀器移動0.1 m后讀出定時器0中的計數(shù)值和溢出次數(shù)以及定時器2中的計數(shù)值和溢出次數(shù)，使用串口將以上讀出的數(shù)據(jù)打包上傳給計算機。單片機進入下一次測量和上傳工作。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 上位機

上位機通過串口接收單片機傳來的時差、深度信息，根據(jù)通信協(xié)議先對信息有效性進行檢驗，當檢測有效后，提取有效信息，將數(shù)據(jù)處理后繪制成實時深度-時差曲線，并將測井數(shù)據(jù)以文件的形式存儲，便于測后數(shù)據(jù)回放。此外，還可通過通過上位機對單片機下達“深度清零”指令，以校準深度零點。為適應使用需求，上位機軟件還設置了用戶登陸系統(tǒng)，可登陸和修改密碼。上位機界面如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文設計的聲波時差測井模型實驗裝置，通過運動系統(tǒng)控制探測儀器在水槽的移動，采用深度驅(qū)動方式，測量出聲波在不同模擬地層中的時差，同時利用上位機顯示時差-深度曲線，直觀地描述地層信息，定性劃分地層。通過實驗室的測試表明該裝置有能很好地模擬現(xiàn)場測井，數(shù)據(jù)處理可視化，結(jié)果直觀，測量準確、重復性好等特點。

圖6 上位機界面

[1] 王建華.聲波測井技術(shù)綜述[J].工程地球物理學報，2006,3(5):395-400.

[2] 潘鐵山，李強強.聲速測井在煤田勘探中的應用[J].城市建設理論研究(電子版)，2013,(29).

[3] 王忠福,孟金城,張志邦,等.聲波時差測井在巖石可鉆性預測中的應用[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2006,25(3):94-96+110.

[4] 章成廣，江萬哲，潘和平.聲波測井原理與應用[M] .北京：石油工業(yè)出版社，2009：1-70.

[5] 陳福正，王成株.C805lF系列單片機在碳氧比測井中的應用[J].電子測量技術(shù),2007，30(3):77-78+90.

Design of Experimental Equipment about Travel Time of Sonic Logging

YUE Kaijun ZHOU Yang LIU Gang HE Xiaoying LI Jiaqi WU Aiping

(ElectronicsInformationSchool,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434023,China)

This paper introduces the design process of hardware and software of experimental equipment about travel time of sonic logging model，including function introduction and design of transmitting and receiving,acoustic signal processing,Single Chip Microcomputer measurement,the motion control system and PC display module.The device can be well simulated field logging,it also has the character of data processing visualization,intuitive results,accurate measurement and so on.

travel time of sonic logging, single chip microcomputer, PC, logging device

長江大學大學生創(chuàng)新實驗項目資助(項目編號：2013008)

樂凱軍，男，1991年生，長江大學電氣工程及其自動化專業(yè)本科，學習方向為信號檢測與控制。E-mail:yueleyue@sina.cn

TE353.+3

A

2096-0077(2015)02-0004-03

2014-07-22 編輯：馬小芳)