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普通電阻率測井實驗裝置的設計與實現(xiàn)(光電脈沖編碼器)
摘 要
普通電阻率測井是電測井的重要方法之一，根據測量的巖層電阻率，來判斷巖性，劃分油氣水層，研究儲集層的含油性。目前的普通電阻率測井儀器中，復雜的大型設備功能齊全但成本很高，而簡單的小型儀器往往不能與微機通信，自動化程度低，而且不能對數(shù)據進行實時分析。我校測井實驗室用于普通電阻率測井的儀器就存在上述弊端，目前使用的是由北京地質儀器廠生產的JC-3電測儀，它不具備深度測量，并且主要采用人工記錄數(shù)據的方式，測量周期長，速度慢，自動化程度很低。
本文實現(xiàn)了普通電阻率測井實驗裝置的設計與制作。本實驗裝置以測井實驗教學為主要應用目標，也可用于一般的野外測井。它具有恒流供電、深度測量、電壓測量等功能，使用標準串行接口與上位機通信，配合測井實驗室開發(fā)的電阻率測井數(shù)據采集軟件可實時繪制出視電阻率隨深度變化的測井曲線。
其中，恒流源使用穩(wěn)壓集成電路制作，通過A/D轉換器將電流值顯示在液晶上;深度測量使用AT89C51單片機配合測井絞車附帶的光電編碼器來實現(xiàn)，由8位LED數(shù)碼管顯示;電壓的測量是通過12位高精度A/D轉換器TC7109配合單片機來實現(xiàn)，由4位LED數(shù)碼管顯示，通過串行接口與上位機通信。
該實驗裝置可輸出的最大電流超過500mA，電壓量程±2V，精度1mV，深度測量的范圍為±9999.999m，最小分辨率1mm，串行通信速率4800b/s，各項指標均達到并超過了實驗教學要求。目前本實驗裝置已經用于本科生測井實驗課程的教學，效果良好，既豐富了教學內容，同時也充實了測井實驗室的實驗設備，改善了實驗條件。
關鍵詞：測井; 電阻率; 單片機; 光電脈沖編碼器; A/D轉換
ABSTRACT
Normal resistivity logging is one of the important means of electrical logging. Based on the resistivity of rock we measure, we are able to estimate the nature of the rock, and carve up the layer of oil, gas and water, and to study the oiliness. Presently, inside kinds of instruments that are used for normal resistivity logging, the complicated and great equipments do have almost the entire functions we need, but they also have high cost. Although the ordinary minitype instruments have low cost, they are often lack of functions to communicate with the computer, and the automatization degree is very low. We are not able to carry through real time analyzing of the data. The instrument in our well logging lab has the same defect as mentioned above. What we are using is the JC-3 electrical log instrument, which can not measure the depth, and its way of data note is manual. Cycle of the measurement is long, and its automatization is very low.
This page implements the design and facture of the normal resistivity log experiment device. This device is mainly for the teaching of well logging experiment, but it can be used for common well logging at the field. It owns the functions of current regulator, depth measurement and voltage measurement. It uses the UART to communicate with computer, and it is able to draw the well logging curve cooperating with the resistivity log data collecting software made by our well log lab.
The maximum current this device output is over 500mA. The maximum input voltage measurement is 2V, with the precision 1mV. The depth it can measure range from -9999.999m to 9999.999m, with the precision 1mm. The baud rate of UART is 4800b/s. Now, it has already being used for the teaching of well logging experiment for the undergraduates, and the effect is good. It enriches the teaching content, and improves the experiment conditions in our well log lab.
Key words: well logging; resistivity; single-chip processor; photoelectric coded device; A/D converter
普通電阻率測井是地球物理測井中最基本最常用的測井方法，它根據巖石導電性的差別，測量地層的電阻率，在井內研究鉆井地質剖面。巖石電阻率與巖性、儲油物性和含油性有著密切的關系。普通電阻率測井主要任務是根據測量的巖層電阻率來判斷巖性，劃分油氣水層，研究儲集層的含油性。
第一節(jié) 普通電阻率測井實驗儀器現(xiàn)狀
普通電阻率測井儀器已經發(fā)展的比較成熟，但專用于本科生測井實驗教學的儀器很少。當前的測井儀器一般是用于油田礦井的生產測井和一些地下工程的工程測井，儀器體積大，功能復雜，通常是多種參數(shù)同時測量。目前，國內高校的測井實驗課程使用的儀器都是這種大型儀器，或者使用小型儀器配合函數(shù)記錄儀，如吉林大學，西南石油大學等。中國石油大學目前仍在尋購適合本科生測井實驗的儀器。
我校測井實驗室現(xiàn)有兩套可用于電阻率測井的儀器，其一是渭南煤礦專用設備廠生產的TYSC-QB數(shù)字測井儀。該儀器功能齊全，參數(shù)豐富，與其配合的TCXJ測井絞車深度可達千米。但是它主要用于生產測井，儀器和絞車的體積很大，電極系長度也超過了1米。我校本科生的測井實驗教學主要在實驗室內的模擬井中進行，井深不到3米，所以對于教學實驗來說，該儀器太過龐大，使用不方便，而且沒有足夠的課時讓學生熟悉儀器，就更不能達到學習和實驗的目的了。
第二是北京地質儀器廠生產的JC-3電測儀。該儀器體積比較小，功能單一，數(shù)據記錄方式全部采用人工記錄，且不具備深度測量的功能，只能使用測繩進行人工測量。該儀器的使用步驟包括：(1)用測繩觀察深度并記錄;(2)關閉AB供電，調節(jié)極化補償，使電壓顯示為零;(3)打開AB供電，記錄電壓。這樣的測量方法時間長，效率低，只能用于深度間隔大的定點測量。我校測井實驗課程目前使用這套儀器，但是缺陷很明顯，即該儀器的自動化程度很低，測量所需時間長，效率低下，由于課時有限，沒有剩余時間讓同學們親自動手做實驗。
第二節(jié) 研究目的
本文的目的就在于實現(xiàn)一種適合于本科生測井實驗課程教學使用的普通電阻率測井實驗裝置，主要用于在我校測井實驗室做普通電阻率測量實驗，也可用于一般的野外測井。
我校測井實驗室的模擬井深2.6米，直徑0.32米，井壁加入了許多木材、礦物等，能很好的模擬自然井。本文實現(xiàn)的普通電阻率測井實驗裝置，要求使用45V電池供電，使用自制的0.2米長的電極系，采樣間隔達到0.02米;要求實現(xiàn)深度測量，并能與計算機通信，實時繪制出曲線，給同學們更直觀的認識;要求測量速度高，效率高，操作簡便，能讓同學們有充足的時間自己動手做實驗。
普通電阻率測井實驗課程是我校本科生測井實驗的第一課，占有非常重要的地位。測井實驗室目前使用的JC-3電測儀自動化程度低，采集密度低，測量周期長，不適合用于本科生實驗教學。本文針對普通電阻率測井實驗，實現(xiàn)了普通電阻率測井實驗裝置，得到以下結論：
(1)該實驗裝置可用作教學實驗用測井儀器，也可用于一般的野外測井工作。
(2)實現(xiàn)了恒流供電、電壓測量、深度測量和串口通信等功能。供電電流最大超過500mA，電壓達到57V;電壓測量范圍±2V，精度達到1mV;深度測量范圍±9999.999m，最小分辨率1mm;串行通信速率4800b/s，最小發(fā)送間隔0.02m，實現(xiàn)了高密度采集。
(3)測試結果表明，該實驗裝置的測量結果與北京地質儀器廠生產的JC-3電測儀的測量結果的平均相對誤差2%，最大相對誤差低于5%，而由于該實驗裝置的采集密度高，繪制出的視電阻率曲線也更加平滑，比JC-3電測儀的測量結果更好更真實的反映了地層視電阻率的變化趨勢。
目 錄
第一章 緒 論 1
第一節(jié) 普通電阻率測井實驗儀器現(xiàn)狀 1
第二節(jié) 研究目的 1
第二章 普通電阻率測井原理 2
第一節(jié) 普通電阻率測井原理 2
第二節(jié) 電極系 3
第三章 總體設計 4
第一節(jié) 總體結構設計 4
第二節(jié) 各模塊設計方案 5
一、 恒流源設計方案 5
二、 極化補償方案 5
三、 電壓電流測量方案 6
四、 深度測量方案 8
第四章 硬件實現(xiàn) 10
第一節(jié) 供電模塊 10
第二節(jié) 恒流源 11
第三節(jié) 電流測量模塊 11
第四節(jié) 深度測量模塊 14
一、 鑒相電路 14
二、 單片機最小系統(tǒng) 15
三、 按鍵電路 16
四、 顯示電路 16
第五節(jié) 電壓測量模塊 17
第五章 單片機程序設計與實現(xiàn) 21
第一節(jié) 深度測量模塊程序 21
一、 總體流程 21
二、 各子程序 22
第二節(jié) 電壓測量模塊程序 23
第六章 測試結果 25
第一節(jié) 測試環(huán)境及儀器對比 25
一、 測試環(huán)境 25
二、 儀器對比 25
三、 實驗裝置外觀 26
第二節(jié) 測試結果及誤差分析 27
一、 測試結果 27
二、 誤差分析 28
三、 整體測試 28
結 論 30
致 謝 31
參考文獻 32
附錄一：深度測量單片機程序部分源代碼 33
附錄二：電壓測量模塊單片機程序部分源代碼 35
Tags:普通 通電 電阻 實驗 裝置 設計 實現(xiàn) 光電 脈沖 編碼 編碼器
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