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随钻声波井径检测仪的控制系统设计与研究

作　者: 向伟
导　师: 吴凌云
学　校: 长江大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 随钻测井径换能器控制系统状态机
分类号: TE927.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着国民经济发展对能源的依赖程度将越来越大,能源已成为直接影响国家安全、社会稳定和经济建设的重要战略资源。石油作为能源的主要组成部分,其重要性不言而喻。在石油的开采过程中,测井是不可缺少的环节。如何低成本、高效率地测井一直以来都是石油企业所共同追求的目标。由于随钻测井与传统的电缆测井相比具有测井信息更准确、经济效益更好、实时性更强等特点,在目前国外的石油开采中,海上裸眼井的测量几乎都采用随钻测井技术来完成；在很多陆地的油田中,现有的电缆测井技术由于在应用中存在着很大的风险,一般也都用随钻测井技术来完成裸眼井的测量。然而,国内对随钻测井的研究起步较晚,目前还没有具有完全自主知识产权的随钻测井仪器。因此,对随钻测井技术的研究具有重要的现实意义和明显的应用价值。本文主要研究随钻声波测裸眼井的井径,根据裸眼井的径井数据,便可以开展后续的固井等相关的决策工作。本文第1章绪论部分介绍了随钻测井技术研究的目的和意义以及国内外发展状况；第2章测量原理部分介绍了超声波的特性以及超声波测井径的测量原理,并阐述了本课题的难点；第3章回波检测方法与数据处理部分介绍了回波检测的两种方法以及对应的数据处理算法,并比较了两种方法的优劣；第4章控制系统设计与实现部分是本文中的重点,在该部分,首先介绍了仪器对控制系统的要求,紧接着根据控制要求介绍了基于FPGA的控制系统设计的总体框架以及FPGA、 DSP、AD的选型。然后详细地介绍了FPGA中7个模块的设计与实现,并给出了各模块的仿真结果图；第5章介绍了调试过程及调试结果,第6章对本课题进行了总结,并提出了几点展望。在本文中,运用了超声波速度、传播时间和传播距离这三者之间的关系进行井径的测量,即在已知超声波的传播速度的情况下,通过检测并记录换能器接收到的回波时间,计算出井径信息。考虑到测量精度和后续能否根据实际需要获取更多的油井信息这一情况,本文中采用的回波检测方法是全波列检测,并且对回波信号进行数字化后再做匹配相关等处理,进而获得回波时间,并计算出井径信息。本文重点介绍了基于FPGA的控制系统的设计与实现,基于FPGA的控制系统设计主要包括7个大的模块设计,分别是状态机模块、激励信号模块、AD数据采集模块、DA转换模块、命令解释模块、串行通讯接口(简称SCI)模块、和节能模块。其中,激励部分产生激励信号和多路选择器的控制信号,激励信号经过激发电路后激励换能器发出超声波,多路选择器控制4个超声换能器回波的选通通道。AD数据采集模块包括了FIFO的设计和AD芯片的控制,该模块根据命令为AD芯片提供转换的时钟信号和片选信号,并将AD转换后的数据经过串转并后缓存到所设计的FIFO中。DA模块为DA芯片提供转换时钟和写时钟,转换后的数据作为压控放大器的输入电压,从而控制回波信号的放大倍数。命令解释模块负责接收井上的命令,并将命令生成事先约定好的二进制数送给状态机,同时根据命令完成井径信息的传输。SCI模块完成DSP和FPGA之间的通讯。这些模块间的协调工作都由状态机统一控制,通过最后的实验调试结果的分析,证明了设计的正确性与合理性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 引言  10
  1.2 研究目的及意义  10-11
  1.3 国内外研究现状  11-14
    1.3.1 随钻测井的历史和国内外发展现状以及未来展望  11-13
    1.3.2 超声波测井的国内外研究现状  13-14
    1.3.3 随钻声波测井的发展状况  14
  1.4 本文研究的主要内容以及论文安排  14-15
  1.5 本章小结  15-16
第2章超声波测井径的基本原理及关键技术  16-24
  2.1 超声波概述  16
  2.2 超声波的特性  16-19
    2.2.1 超声波的种类  16-17
    2.2.2 超声波的传播特性  17-19
  2.3 测量的基本原理  19-20
  2.4 随钻测井与传统的电缆测井的比较  20-22
  2.5 技术难点  22-23
  2.6 本章小结  23-24
第3章回波检测方法与数据处理算法研究  24-34
  3.1 回波检测的两种方法  24
  3.2 数据处理  24-33
    3.2.1 回波时间与回波幅度  24-25
    3.2.2 信号特征提取  25-31
      3.2.2.1 叠加平均算法  26-28
      3.2.2.2 匹配滤波算法的介绍  28-31
    3.2.3 井径信息的获取算法  31-33
  3.3 本章小结  33-34
第4章控制系统的设计与实现  34-61
  4.1 控制系统要求及仪器性能指标  34
  4.2 系统总体框架设计  34-37
    4.2.1 FPGA的选型  36-37
    4.2.2 DSP的选型  37
    4.2.3 AD选型  37
  4.3 FPGA模块的设计  37-59
    4.3.1 APA075 FPGA的介绍  38
    4.3.2 状态机的设计与实现  38-41
    4.3.3 激励信号模块的设计与实现  41-46
    4.3.4 AD模块的设计与实现  46-54
      4.3.4.1 AD7352的概述  46-47
      4.3.4.2 AD7352掉电模式的介绍  47
      4.3.4.3 退出完全掉电模式  47-48
      4.3.4.4 AD7352正常工作模式  48
      4.3.4.5 AD模块的设计与实现  48-53
      4.3.4.6 FIFO的设计与实现  53-54
    4.3.5 SCI模块的设计与实现  54-57
    4.3.6 命令解释模块的设计与实现  57
    4.3.7 DA模块的设计与实现  57-58
    4.3.8 节能模块的设计与实现  58-59
    4.3.9 顶层模块的设计与实现  59
  4.4 FPGA程序的烧写  59
  4.5 本章小结  59-61
第5章调试过程与调试结果  61-65
第6章总结与展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-70
个人简介  70-71

随钻声波井径检测仪的控制系统设计与研究

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