现代测井系统研究方法及开发技术.ppt

现代测井系统研究方法及开发技术,测井仪器研究方向硕士研究生课程,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,2,目标与要求,通过本课程的学习，使学生比较全面、系统的了解现代测井系统（数控测井系统、成象测井系统）的组成与技术特征，通过对系统主要部件的深入剖析使学生基本掌握深度子系统、数据采集、数据传输、实时控制以及测井系统软件的基本原理及设计方法，为以后从事现代测井系统或相关领域的研究和开发打下基础。要求学生已学完电路分析、模拟电路基础、数字电路基础、线性代数、复变函数、程序设计语言（ASM、C、PASCAL等）、微机接口原理、电法测井、声波测井、放射性测井、测井仪器和测井资料数字处理等课程，并具有一定的电路设计和实验技能，能够按照课程中的有关要求进行设计和实验。,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,3,总目录,第1章 现代测井系统概论第2章 成象测井仪器概论第3章 测井数据采集方法和技术第4章 测井应用软件开发方法和技术第5章 现代测井系统分析及设计模型,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,4,第1章 现代测井系统概论,1.1 测井装备发展史及技术特征1.2 现代测井系统组成原理1.3 现代测井系统研发中的关键方法和技术1.4 思考题,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,5,1.1 测井装备发展史及技术特征,第一代（模拟式）半自动、全自动电测仪第一代测井“系统”的核心是模拟记录装置，本质上是一个大型的电工仪表。少量下井仪器使用电子管或晶体管，电路以硬连线为主（分压，分流，LC滤波，等）。典型代表有前苏联的51型和国产的JD581。地面仪器包括供电、前端、记录等主要部件 供电部分：电极系供电，由机械换向器产生频率可调的交流矩形波；前端部分：接线矩阵，档位、灵敏度调节；记录部分：多线模拟照像记录仪，510通道高灵敏的光点检流计，同步驱动，格式化光路的照像记录；下井仪器：SP，GR，电阻率测量（电位，梯度，微电极，等），感应，声波，等。,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,6,测井装备发展史及技术特征（续）,第二代 数字化测井仪（系统）地球物理方法的进步使下井仪器形成电、声、核完整系列是第二代测井系统的为主要特征。仪器控制和信号处理由分立元件逐步过渡到以集成电路为主。系统复杂，操作繁琐，精度不高。典型代表有Atlas3600系列和国产的SJD801。电流聚焦（电极式传感器）测井仪：双侧向，微侧向，微球形聚焦；感应系列（线圈式、天线式传感器）测井仪:双感应，介电测井仪，电磁波传播；声波测井仪：单（双）发双（四）收声速，水泥胶接；核测井仪：补偿中子，补偿密度（岩性密度），C/O，中子寿命；信号传输：以模拟为主，个别采用低速非标准的数字传输（如Atlas 3506PCM）；地面系统：为每种（或系列）仪器配有复杂的模拟和数子化处理面板（模块）（如Atlas3600系列的3456电阻率测井面板，3457放射性测井面板）模拟记录：保留了模拟照像记录仪（如Atlas的3314）；数字记录：模拟信号数字化（数据采集），工业九轨数字磁带机，与测井数据处理解释中心计算机接口。,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,7,测井装备发展史及技术特征（续）,第三代 数控测井仪（系统）以装备了车载计算机为主要特征的第三代数控测井系统是测井装备史上的划时代的进步，将测井装备引入现代技术领域。典型代表有AtlasCLS3700，Schlumbegger CSU，国产SKC3700，等；各类“小数控”在功能上几乎完全相同，也属第三代测井系统。车载计算机系统：工业加固小型机（Atlas CLS3700 3782PE8/16，Schlumbegger CSU CPUPDP11/34双机冗余备份），机架，定点CPU，浮点FPU，内部总线，外设总线，TTY（人机交互设备），存储器，外部存储设备（硬盘，磁带机）；测井曲线绘图（硬拷贝机）、监视设备：光栅（热敏，静电）绘图机（双机），CRT；数据传输设备（中、低速，10100kbps）：3506PCM，3508Machester，CCS，CTS，等；通用信号接口面板（CLS3752，CSUTIU，等）：与计算机外设总线连接（MUXBUS，QBUS），深度编码，各种信号（低、中频率）的采集处理；专用信号接口面板（CLS3764）：生产测井。以及供电单元、电缆、信号转接面板、信号模拟、观测仪表等。,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,8,测井装备发展史及技术特征（续）,第四代 成象测井系统成像测井系统的重要特征是下井仪器传感器系列产生了重大变革（同时也兼容第三代下井仪），阵列化的传感器（主要集中在电、声、核磁等方法）发明和应用使得获得地层信息的精细程度大幅度增加。其典型代表有Atlas的ECLIPS5700，Schlumbegger的MAXIS500和Halliburton的EXCEL2000，国产的EiLog、SL6000等。成像测井仪器主要代表：微电阻率扫描成像测井仪（FMS，FMI，StarII，WDS，等）；阵列感应测井仪（AIT，HIDL，MIT，等）；交叉偶极阵列声波测井仪（DSI，XMAC，LFD，等）；超声波井周成像测井仪（CBIL，USI，MUST，等）；核磁共振成像测井仪（CMR，MRIL，等）。,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,9,测井装备发展史及技术特征（续）,第四代 成象测井系统（续）成像测井地面系统的主要特征：计算机性能大幅度提高，并出现了通过网络连接的多机“并行”系统构架，如Schlumbegger的MAXIS500系统使用了三台MicroVAXIII工作站，而Atlas的ECLIPS5700使用了两台HP9000700工作站，近代发展了基于PC的便携式系统；彩色大屏幕显示器完成人机交互和测井曲线显示；多种高密度的数据存储设备；先进的操作系统UNIX(VMS)，WindowsNT（XP）等；复杂庞大的测井专用软件系统；高速数据传输通道（200kbps）加入前端处理子系统:VME，VXI，cPCI，等；并使用RTOS；引入DSP进行信号采集和数据通讯处理。,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,10,测井装备发展史及技术特征（续）,斯仑贝谢主要测井仪器（系统）快速平台组合测井系列PEX上部：高组合伽玛中子HNGS中部：三探头岩性密度TLD+微电阻率柱状聚焦MCFL+高分辨率井径液压驱动HRMS下部：阵列感应AIT或高分辨率方位侧向HALS高温高压测井系列Xtreme（260/172MPa，连续工作）恶劣环境遥测和自然伽马短节HTGC恶劣环境自然伽马能谱HNGS恶劣环境超热中子孔子度HAPS（采用脉冲中子作为放射源）恶劣环境岩性密度HLDS恶劣环境声波HSLT恶劣环境阵列感应HIT,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,11,测井装备发展史及技术特征（续）,斯仑贝谢主要测井仪器（系统）小井眼和复杂井眼系列SlimAccess（直径63.569.9mm）小井眼遥测伽玛短节STGC小井眼补偿中子SCNT小井眼声波时差SSLT（可CBL+VDL）小井眼阵列岩性密度SLDT小井眼阵列感应SAIT生产测井系列PS Platform基本参数组合探头：CCL+压力+温度流体井径成像组合探头PFCS：流速+持率+泡计数图像+XY井径压差密度计PGMS线性流量计PILS气体持率光学探头GHOST流体持率成像FloView-Plus储层饱和度测井仪RSTPro水泥胶结测井仪SCMT，,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,12,测井装备发展史及技术特征（续）,斯仑贝谢主要测井仪器（系统）水平井生产测井系列PL Flagship过套管测井系列ABC过套管电阻率CHFR-Plus储层饱和度RSTPro过套管孔子度CHFP偶极声波成像DSI过套管动态测试仪CHDT模块化地层测试MDT井眼地震成像随钻测井LWD系列国内主要测井仪器（系统）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,13,测井装备发展史及技术特征（续）,下一代 测井系统性能预测下井仪器：在第四代基础上进一步提高成像的分辨率和探测深度；实现三维电、声成像，测量地层的各向异性；耐高温高压性能有较大提高，出现一批7Km深井的高性能仪器；井下系统高速、高性能互连。地面系统：超级（Tips级）计算能力，实现高分辨率多维实时成像；超高速数据传输（电缆2Mbps，光缆100Mbps）；测井现场与中心实现高速无线网络互连；强大的现场数据处理和储层评价能力。,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,14,测井仪器（装备）在测井技术中的地位和作用测井技术的几个主要领域测井方法测井仪器测井解释（数字处理，储层评价）测井技术中的地球物理方法和仪器电法信号激励和接收：电极，线圈，天线仪器类型：电位，梯度，微电极三侧向，双侧向，微球，地层倾角，微电阻扫描，方位侧向.感应，双感应，阵列感应，介电常数，电磁波,1.2 现代测井系统组成原理,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,15,现代测井系统组成原理（续）,声波信号激励和接收：换能器（压电陶瓷，磁致伸缩）仪器类型：单发双收，双发双收，长源距声波，阵列声波，CBL/VDL偶极声波井下声波电视（超声扫描）核（放射性）信号激励和接收：伽马，中子；晶体，PMT仪器类型：自然伽马，补偿密度，岩性密度井壁中子，补偿中子，阵列中子碳氧比（C/O），中子寿命，中子伽马磁（核磁）井斜，套损测井，核磁共振测井热（井温）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,16,现代测井系统组成原理（续）,测井系统的组成探测器（探头或传感器，是与地球物理测井方法密切相关的部分）井下模拟、数字信号处理，电源模拟、数字化信息传输地面多通道信号处理，数据采集深度信号采集、处理车载计算机数字处理，成果显示、绘图、数据文件,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,17,1.3 现代测井系统研发中的关键方法和技术,模拟信号处理技术测井仪器中的模拟信号信号放大低漂移直流、低频放大选频放大远距离信号传送及共模抑制滤波（有源滤波）LPF，HPF，BPF，BRF脉冲信号处理脉冲分离极零点补偿，基线补偿脉冲鉴别峰值保持模拟处理器件性能分析,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,18,现代测井系统研发中的关键方法和技术（续）,数据采集技术模/数转换的基本概念采样定理ADC的编码ADC的误差主要性能指标高性能模/数转换器积分型ADC 型ADC逐次比较型ADC高速ADCADC接口电路设计脉冲信号采集,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,19,现代测井系统研发中的关键方法和技术（续）,（复杂）数字系统设计IC发展及系统需求可编程ASIC原理FPGA、CPLD（Xilinx，Altera，Lattice，Actel.）主要生产厂商及产品系列设计工具:ActiveVHDL，FPGAexpress，ispLEVEL，MAX-Plus,第三方工具.数字系统设计原理基本概念：设计中的抽象级别典型的EDA平台：cadencePSD，AlteraQuartus，XilinxISE，Lattice ispLEVEL，SynopsysFPGA，SynplicitySynplify，AldecActiveHDL，MentorGraphicsModelSimxHDL：VHDL，VerilogHDL描述方法（电路图，布尔方程、真值表、状态机）信号仿真器件编程或下载,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,20,现代测井系统研发中的关键方法和技术（续）,系统架构及其互连（系统内和系统间）系统架构通用MPU、DSP开发环境信号采集，数字信号处理，数字系统控制，数字系统接口计算机系统总线PC总线（ISA），PC104总线EISA总线STD总线VME、VXI总线PCI、cPCI、PXI总线主要性能描述，总线信号定义，总线命令，总线数据传输，配置空间及配置访问，接口技术及典型桥接芯片,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,21,现代测井系统研发中的关键方法和技术（续）,计算机外设总线串行通讯接口基本概念串行通讯协议串行接口标准GPIB（IEEE488）接口总线通用串行接口总线USB基本原理，硬件结构描述，传输类型及事件处理，配置操作，USB应用技术测井接口前端及嵌入式应用测井前端接口的主要功能嵌入式MPU（ARM，Coldfire），RTOS（VxWorks，uCLinux，QNX）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,22,现代测井系统研发中的关键方法和技术（续）,计算机网络计算机网络的功能计算机网络的分类网络体系结构网络传输介质网络主设备，连接设备网络OS网络传输协议Internet协议TCP/IP，传输控制协议、网络互连协议应用层：FTP，Telnet，DNS传输层：数据传输（TCP，UDP）网络层：数据报文，路由（IP）接口层：EarthNet，ATM，X.25Internet及其应用IP地址和域名功能：WWW，FTP，BBS，eMail，NetNews,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,23,现代测井系统研发中的关键方法和技术（续）,数据传输技术信道与数据编码测井铠装电缆特性香农定理，数据编码调制与解调数字信号的模拟传输测井数据传输Atlas3506PCMAtlas3508曼彻斯特编码传输斯仑贝谢CCS、CTS（DTB井下总线）Atlas3510WDSMAXIS500 QAMEILog COFDMxDSL技术:ADSL的DMT和CAP；QAM,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,24,测井系统应用软件技术软件方法学数据结构，算法.OOx：OOA、OOD、OOM、OOP；CASE.软件工程学贯穿软件生命周期的软件生产技术：需求分析、可行性分析，系统设计、编码、测试、运行和维护.OS平台及API Unix、Linux，Windows，API、SDKDDK（Driver Develop Kits，核心编程技术），Win3.x，9x的VxD，WinNT、Win2000和WinXP的KMD，Win98、Me、2k和XP的WDM网络，数据库，对象 Socket、CGI，ODBC、OLEDB，COM、DCOM、CORBA，ActiveX.,现代测井系统研发中的关键方法和技术（续）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,25,1.4 思考题,从早期的模拟测井到现代的成像测井系统，简述每次升级和换代的显著技术特征是什么？试述典型测井系统组成结构和各部分的作用。为什么说测井技术的进步与现代电子、信息科学的进步密不可分，试举例说明？,现代测井系统研究方法及开发技术第2章 成象测井仪器概论,中国石油大学（北京）测井研究中心鞠晓东2010年3月,测井仪器研究方向硕士研究生课程,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,27,一、国内外测井服务及装备概况,1、国内主流测井装备中石油CNPC，EILog系统集成化常规系列（HCT快测平台）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,28,一、国内外测井服务及装备概况,1、国内主流测井装备中石油CNPC，EILog系统成像系列微电阻率扫描MCI阵列感应MIT阵列侧向HAL多极子阵列声波MPAL超声成像UIT,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,29,一、国内外测井服务及装备概况,1、国内主流测井装备中石油CNPC，EILog系统套管井系列HSR,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,30,一、国内外测井服务及装备概况,1、国内主流测井装备中石油CNPC的EILog系统随钻地层评价系列FELWD可控源中子孔隙度CNP电磁波电阻率WPR方位伽马感应GIR,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,31,一、国内外测井服务及装备概况,2、国内主流测井装备中石化SINOPEC的SL6000系统成像系列微电阻率扫描超声井周成像高分辨率阵列感应正交多极子阵列声波快测平台系列套管井系列随钻地质导向系列中海油COSL的ELIS系统,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,32,一、国内外测井服务及装备概况,2、国内主流测井装备我国现代主流测井装备发展轨迹起步阶段SJD581，伽马、中子、声感组合、横向电阻率组合上世纪70年代末，引进国外先进装备和技术阶段引进DresserAtlas-3600数字测井系列，仿制SJD801引进WesternAtlas-3700数控测井系列，仿制SKC3700引进Schlumbegger-CSU数控测井系列，仿制520上世纪90年代初，独立自主的研发成像测井系列电成像：微电阻率扫描，阵列感应，方位阵列侧向声成像：井周超声，多极子交叉阵列核磁共振成像,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,33,一、国内外测井服务及装备概况,2、国内主流测井装备我国测井装备面临的问题自主创新能力不足主要测井方法和仪器探测器设计全部来自国外高端仪器和系统研发滞后核磁共振类成像仪器元素分析核能谱仪器套管内流体成像仪器主要随钻仪器系列MDT类地层测试器恶劣环境测井系统（200，170MPa）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,34,二、测井装备研发及发展趋势,3、测井方法和探测器研究测井仪器的电磁波谱,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,35,二、测井装备研发及发展趋势,3、测井方法和探测器研究测井仪器的电磁波谱,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,36,二、测井装备研发及发展趋势,3、测井方法和探测器研究测井仪器的空间探测能力,现代测井系统研究方法及开发技术（3）,中国石油大学（北京）测井研究中心鞠晓东2009年3月,测井仪器研究方向硕士研究生课程,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,38,第三章 测井数据采集方法和技术,3.1 数据采集基本原理3.2 模拟信号处理方法3.3 高精度数据采集3.4 高速数据采集3.5 脉冲信号数据采集3.6 数据采集接口电路3.7 测井深度子系统3.8 测井数据传输3.9 可编程ASIC器件在测井接口电路中的应用3.10 思考题,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,39,3.1 数据采集基本原理,数据采集是使计算机能够对模拟信息进行处理的桥梁测井信息类型非常广泛电流、电压（位）、磁感应、机械波、核反应、压力、温度、流量，等，通过传感器后一般均变成电信号信号类型：连续变化的模拟量，脉冲形式的模拟量信号：频率范围从10-1109 Hz，幅度范围从10-8101模拟信号的量化采样定理（shannon定理）和奈氏准则对于带宽不大于fm的模拟信号，可唯一的由时间间隔不大于1/2fm的采样值确定，即 Ts1/2fm，其中fs/2称为奈奎斯特频率(奈氏域kfsfm）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,40,3.1 数据采集基本原理(续),在欠采样fs2fm时或没有理想低通滤波器时，fsfm部分将进入0fm信号频带，产生混叠（Alias，或假频）欠采样应用信号带宽和谐波采样条件 fs 2B（1k/n）解决方法过采样，fs（35）fm，形成所谓的保护带，保护带与动态范围的关系如果信号含有高频噪声：预滤波（抗混叠滤波）举例：XMACII与MPAL抗混叠滤波设计比较（fm20kHz）Ts8us，4阶LPF（4阶HPF）Ts4us，6阶LPF（2阶HPF）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,41,3.1 数据采集基本原理(续),ADC编码：对于分辨率为n位的ADC，量化间隔总数为2n1 LSB和MSB，满量程电压Vfs，输入电压分辨率Vfs/2n表示：二进制，二十进制单极性：02n1双极性：满量程电压Vfs，常用的有补码和偏移二进制表示,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,42,3.1 数据采集基本原理(续),转换速度和采样保持必须使转换期间Vin的变化小于ADC最小量化电平VVfs/2n对于VinVfs sint，则Vmax在t0时刻，VTc(dV/dt)|t=0TcVfs，有1/2nTcTc2fmax，则fmax1/(2n+1Tc)（Hz）为最高转换频率这说明如果不采取措施，ADC的分辨率越高，同样Tc时的fm越低，12位10s的ADC其fmax不到4Hz！采用S/H(sample/hold，或trace/hold)电路或SHA，可在数百ps至数十ns左右完成采样，使fmax大大提高实质上是由S/H完成对模拟信号的离散化，再由ADC完成对模拟信号的量化S/H(或T/H)电路即可在ADC内部，也可外接孔径时间TA 和孔径时间不定性TA孔径时间TA使得实际采集被延迟（孔径延迟）SHA的孔径时间，转换精度和速度对TA的要求孔径时间不定性TA（转换周期抖动）将对波形数据采集造成转换噪声，在同样SNR时ENOB将随TA增大按3.3bits/dec下降,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,43,3.1 数据采集基本原理(续),ADC的误差积分非线性INL，相对精度FSR微分非线性DNL，无失码分辨率偏移OFFSET，失调设q1LSB，则量化噪声为锯齿波的有效值，当输入满量程sin信号时，信噪比SNR6.02n+1.76（dB）对于过采样：设过采样率Kfs/2fm，有SNR6.02n1.7610lgK（dB），也即采样率每提高一倍，SNR提高3dB（1/2bit）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,44,3.1 数据采集基本原理(续),ADC的动态性能指标总谐波失真（单频正弦波输入时的输出失真）THD 信噪失真比SINADS/（NTHD）S/THD（一般）ADC的有效位数ENOB（SINAD1.7610lgK）/6.02小信号带宽（Vfs/10或20dB）和全功率带宽，即如果降低有效位数（相对分辨率）则可以获得更好的信号带宽无杂散动态范围SFDR，信号与最大杂散分量之比（dB，有效值）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,45,第三章 测井数据采集方法和技术,3.1 数据采集基本原理3.2 模拟信号处理方法3.3 高精度数据采集3.4 高速数据采集3.5 脉冲信号数据采集3.6 数据采集接口电路3.7 测井深度子系统3.8 测井数据传输3.9 可编程ASIC器件在测井接口电路中的应用3.10 思考题,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,46,3.2 模拟信号处理方法,实际信号（有用）信号噪声（随机，高频、工频、低频、漂移.），测井信号的SNR一般在1050dB模拟（有源）滤波 LPF：最为常用（抗噪声滤波，抗混叠滤波）BPF：窄带（选频放大，如LLD），宽带（抗噪声滤波，如XMAC）HPF：很少单独使用（超前，相位校正）主要参数：f0，BW（Q），H0，等主要性能幅频特性、相频特性和时延特性陡降特性，纹波型（契比雪夫I型），最大平滑型（布特沃斯型），等时延型（贝塞尔型线性相位型）设计，用s（sj）模型描述四端网络的转移电压比（网络函数）分子多项式的根为零点，分母多项式的根为极点，LPF只有极点且相位滞后，HPF具有相同的零、极点且相位超前，BPF的极点为零点的2倍，函数的幂次反映了滤波器的衰减特性（1Order20dB/dec）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,47,3.2 模拟信号处理方法(续),用波特图描述幅频特性、相频特性和时延特性（频域），冲击（脉冲）响应（时域），根轨迹图（零、极点）设计方法：等效电路计算，查表，EDA工具，模拟电路仿真BPF举例：f0100kHz，BW40kHz（Q2.5），H01，一阶布特沃斯型,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,48,3.2 模拟信号处理方法(续),xPF关键器件，运算放大器的主要指标类型，通用（普通），低漂移（超），高速（如BiFET，BiMOS），仪器放大器，隔离放大器，双端（差分，输出）放大器直流参数：输入特性（V、I、Z），漂移（T、t），CMRR，功耗输出特性：最大输出（V，轨对轨），输出驱动.交流参数：噪声，小信号（20dB），大信号（SR，全功率带宽）设VV0 sint，有VV0 cost，即Vmxat=0V0，当V010（V）时1MHz的全功率带宽相当于SR达到63V/s以上，否则将出现幅度和频率失真特殊类型：跟随器，电流放大器，低功耗，单电源运放.封装，耐温主流生产厂商：ADI，TI（BB），NS，MAXIM，LT等运算放大器的选择举例PAH峰值保持器选型依据（AD847，AD843）MPAL超声信号输入级选型依据（OP470，OP271）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,49,3.2 模拟信号处理方法(续),远距离（高共模干扰抑制）信号放大测井中的“远距离”信号：SP，电缆张力，电缆记号采用差分放大器双端传送信号（共模抑制比80140dB，抗共模电压5002000V）仪器放大器（IA），隔离放大器原理（isoA）技术指标：仪器放大器，高阻抗差分输入，高CMRR，增益调节，失调和漂移举例：AD625，AD202,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,50,3.2 模拟信号处理方法(续),低漂移直流，低频放大，电荷放大，等电位、电阻率测量，过套管电阻率（CHFR，V甚至nV级的输入）非线性电路（如乘法器，模拟运算器），积分器电荷放大（包括某些积分器）需要极高的Zi（G级），极小的输入电流（pA级）器件选择超运放，斩波自稳零运放Vos，Vos，Ib，Ios，Ios，低噪声工艺问题金属间接触电位，电化学电位温度（热电偶）电路板设计，材料，漏电器件举例OP27，AD797,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,51,第三章 测井数据采集方法和技术,3.1 数据采集基本原理3.2 模拟信号处理方法3.3 高精度数据采集3.4 高速数据采集3.5 脉冲信号数据采集3.6 数据采集接口电路3.7 测井深度子系统3.8 测井数据传输3.9 可编程ASIC器件在测井接口电路中的应用3.10 思考题,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,52,3.3 高精度数据采集,高精度ADC类型 积分型ADC原理：双积分型，四重积分型（克服Vos影响）影响部件：VREF，模拟开关，积分器，过零比较器，等 双积分型操作：对零（漂移校正），定时积分（正向），定斜积分（方向），计数定时特点：精度高（可达107），抗（工频）干扰性能好，价格低；缺点是速度很低,实际倒相,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,53,3.3 高精度数据采集(续),型ADC（线性脉冲编码调制LPCM）根据SNR6.02n1.7610lgK（dB）可知，如果极大的提高过采样率K，同样可以获得很高的转换分辨率为增量（前一采样与当前采样的差）编码（包络编码），其中表示求和，表示增量型ADC以极低的量化率（1bitADC，为一个比较器和一个模拟开关组成）和很高的过采样率（百、千倍）和调制技术如何降低1bitADC极大的量化噪声？可以证明一阶（单元数）ADC的SNR30lgK1（dB），即每10倍过采样大约相当于5bit（103倍过采样大约相当于15bit精度，二阶在26时可达13bit）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,54,3.3 高精度数据采集(续),通常采用的数字滤波有两种有限冲击响应滤波器FIR，稳定，抽取、滤波操作可合并，线性相位，需要多级组成；无限冲击响应滤波器IIR，含有反馈，性能（陡降特性）好，抽取、滤波操作不能合并，不稳定。常用型ADC的性能1224位，fm高至数十kHz，采样率高至数十MHz。现代物探地震仪数据采集（低频，大动态范围）采用型ADC（分辨率1824位，早期采用复杂的瞬时浮点放大普通ADC）型ADC举例适用于地球物理勘探仪器的可编程24位ADC：AD7731,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,55,3.3 高精度数据采集(续),逐次逼进型（successive approximation）ADC测井应用最重要的也是最常用和综合性能最好的一类ADC基本原理结构1bitSAR模型,第j位的权重：Vj（2j/2n）VREF，j0n1逐次逼进型ADC应用很广，n从816，Tc从数百ns到上百s，器件的关键是片内高速高精度DAC的性能测井用（高温军品级）ADC及其接口举例AD574TD，AD676TD，AD7892SQ，AD7896SQ，AD7899SQ,等,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,56,3.3 高精度数据采集(续),数据采集系统模型及性能数据采集系统模型ADC指标分辨率，精度，转换时间（带宽），T/H，输入（范围，单/多通道），接口（P，S），控制（转换，校准，设置，读取等），供电保证采集精度的措施前级（输入级）的设计质量，输入滤波，信号抗混叠滤波，电源滤波过采样（滤波，抽取），软件数字滤波（加权平均，中值滤波，PWLS2000处理举例）模拟地、数字地分离设计（MUX、ADC、DAC等模拟数字混合器件，DC/DC），光电隔离（StPHA举例），时钟电路板设计工艺，EDA的信号完整性分析,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,57,第三章 测井数据采集方法和技术,3.1 数据采集基本原理3.2 模拟信号处理方法3.3 高精度数据采集3.4 高速数据采集3.5 脉冲信号数据采集3.6 数据采集接口电路3.7 测井深度子系统3.8 测井数据传输3.9 可编程ASIC器件在测井接口电路中的应用3.10 思考题,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,58,3.4 高速数据采集,测井仪器对高速数据采集的要求BHTV等声波测井波形数据采集高速ADC原理及应用技术单片技术指标：Tc1s（fc1MHz），6、8（fcxGHz）、10、12、14、16（fc50MHz）位高速ADC的基本类型（直接比较，快闪，闪电，闪烁）电路模型,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,59,3.4 高速数据采集(续),可见，对于快闪型ADC，随着n，高速比较器的数量急剧（2n-1），为此，又出现了子区式（分区，分级，流水线，管道）型ADC子区式ADC基本原理同样的技术条件下，时间加倍，比较器个数大大减少2（2n/21）远小于（2n-1），如对于n8，有30比255高区ADC、DAC误差造成微分非线性（失码）问题，采用保护位和数字校正（DCS）技术,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,60,3.4 高速数据采集(续),流水线型ADC应用及限制波形序列采集，如AD9220/1/2系列不适于多道分时串行转换应用举例PDET使用AD9220（12位/10Msps）MPAL使用AD7899（14位/2.5s）高速数据采集电路应用多通道高速数据采集控制举例（见第9节，VAT数据采集控制器）提高采集速度的ADC并联应用,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,61,第三章 测井数据采集方法和技术,3.1 数据采集基本原理3.2 模拟信号处理方法3.3 高精度数据采集3.4 高速数据采集3.5 脉冲信号数据采集3.6 数据采集接口电路3.7 测井深度子系统3.8 测井数据传输3.9 可编程ASIC器件在测井接口电路中的应用3.10 思考题,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,62,3.5 脉冲信号数据采集,测井传感器的脉冲信号脉冲放大和鉴别宽带放大脉冲鉴别比较器（整型）边沿抖动和正反馈处理门槛（参考电压）设定方法固定，浮动（自动，模拟闭环），程控（开、闭环，PWLS2k举例）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,63,3.5 脉冲信号数据采集(续),脉冲数据采集（计数、测周电路）计数电路模型计数和计数率测周电路模型测周控制电路电路工作波形,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,64,3.5 脉冲信号数据采集(续),测频和测周的选择误差估计当不计时钟和控制误差时，设采样时间1s，对于1kcps的信号的相对误差不大于0.1%（1计数误差），如果计数率下降，相对误差增加设测周时标1s，则1kcps信号的周期为1000s，测周时的计数为1k，相对误差也不大于0.1%（假设为均匀间隔脉冲）因此在这种情况下1kcps的计数率是测频或测周的平衡点（即，即可测频也可测周），如果计数率更高则宜选择测频，反之选择测周。如果采样时间不为1s或测周时标不为1s，则“平衡点”改变由于测周只测一个随机的周期，是一种“抽查”式测量，只适合于对流量、VCO等信号测量，不适宜对于核测井的随机脉冲信号测量测频和测周电路采用可编程定时、计数器作为测频、测周的脉冲计数器件。（区别是前者对输入脉冲计数，后者计数由输入脉冲周期控制的时标脉冲）计数容量的扩展（计数进位处理）：RAM中的高字（节），硬件中断，软件查询（时间线程，计数比较的溢出判断）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,65,3.5 脉冲信号数据采集(续),实时时钟与计数率处理计数率:脉冲数据的归一化PWLS2000系统的测频和测周处理思路有8个脉冲测量道，其中之一为测周道，测周基本功能由CPLD为主完成设最高平均计数率100kcps（瞬时计数率由芯片决定，大于5Mcps），则计数2161约655ms，不使用中断，用定时查询的方法（使用ring0级系统线程，500ms周期，进位判断方法：存旧计数值，与当前值比较.）。为求计数率设计了1us，40位实时时钟（12.7d/r），精密定时不依赖主机深度中断时所有通道同时锁定计数（计数“快照”）对于测周，由于周期不定，且2161的溢出时间为65.5ms为不使系统负担过重，使用中断，处理方法：两次读，如果数据不同，说明周期未完成（或脉冲停止，如涡轮转子），不取数据，用上次数据，作标记；如下次采集再次如此，复位测周电路，频率为0（周期）系统实际上是作持续累加计数（包括系统实时时钟），计数器16位，RAM中32位（248/105，3年溢出，可认为计数能力无限），计算时用64位（长字），每次的脉冲数据为两次结果之差，即计数值为fpC/t(Hz)，测周fp106/C（Hz）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,66,3.5 脉冲信号数据采集(续),脉冲能谱数据采集的预处理脉冲能谱数据采集应用伽马能谱测井岩性密度测井脉冲中子测井（C/O，NLL）脉冲校正处理拖尾（造成脉冲叠加）处理基线恢复处理死时间校正脉冲峰值采样保持电路PHA处理原理（见第9节，StPHA介绍）,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,67,第三章 测井数据采集方法和技术,3.1 数据采集基本原理3.2 模拟信号处理方法3.3 高精度数据采集3.4 高速数据采集3.5 脉冲信号数据采集3.6 数据采集接口电路3.7 测井深度子系统3.8 测井数据传输3.9 可编程ASIC器件在测井接口电路中的应用3.10 思考题,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,68,3.6 数据采集接口电路,ADC接口控制的要素模拟信号采样，设置（多通道），启动转换，转换状态，数据读取（并行，串行）简单接口几种ADC的典型控制时序高速AD的启动采集和读数据操作IO操作（控制转换，读取数据）INT操作（保证实时性）。简单接口作为波形采集时的不足采样周期稳定性采样效率,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,69,3.6 数据采集接口电路(续),DMA接口优点：旁路CPU的操作，系统总线支持（如PCI的master）传输方式：IORAM、RAMIO、RAMRAM，等操作方式：专用控制线（可透明传输），全译码（锁存传输）操作内容：源地址，目的地址，传送长度，启动，结束时中断,CUPWlrcJxd,第1章 现代测井系统概论,70,3.6 数据采集接口电路(续),高速缓存接口双端口RAM接口双端口RAM结构，随机寻址FIFO存储器接口FIFO器件结构，顺序