井下周向扫描核磁共振测井仪主控系统设计与实现

发布时间：2020-04-21 18:34

【摘要】：核磁共振作为一种精准有效的探测技术,在石油勘探领域有着重要应用。现阶段面对复杂油气藏,岩性、物性、含油性等在空间范围内表现不均匀的特性,多分量、多维度的定性定量分析对于复杂油气储层的勘探至关重要。目前国内外核磁共振测井仪器的探头无法实现井周360度不同方位的探测;它们的主控系统也没有涉及到仪器探头井周360度测量控制和阵列天线切换选择等问题。井下周向扫描核磁共振测井仪具备径向、轴向和周向多方位敏感区域探测的能力,对于非均质性较强的复杂油气藏的储层探测具有深远的意义,其中主控系统是测井仪器中重要的组成部分。同时,国外对我国进行技术封锁和限制,亟需大力发展我国自己的高技术水平的核磁共振仪器。因此,自主研制设计符合我们仪器技术特点要求,实现仪器周向扫描的主控系统,是论文的核心问题。采用Intel-Altera公司的FPGA芯片作为单一主控芯片的设计方案,本文设计并实现了一套核磁共振仪器的数字化主控系统,该系统可以满足周向扫描核磁共振测井仪测试分析的基本要求,适用于具有周向扫描功能的探头,配合模拟电路,完成实验测试,为实验室核磁共振仪器的设计和研制奠定了一定的基础。本文所描述的主控系统包括发射控制模块、主泄放控制模块、辅助泄放和隔离模块、接收控制模块、DDS(直接数字频率合成器)模块和天线选择控制模块等,可以实现灵活的生成各种脉冲序列、按照时序要求生成各模拟电路所需的控制信号、对放大后的回波信号进行采集、处理和储存,控制阵列天线进行选择和切换完成周向多分区多频率测量等功能。本文所设计的主控系统经过了仿真软件的时序仿真测试和实验室环境下实际波形测试,主控系统的设计取得了较好的实验结果,证明了本系统实现了射频脉冲发射、回波信号接收,对模拟电路的控制等功能,表明整套系统切实可行。
【图文】：

状态图,主控系统,状态图

中国石油大学（北京）硕士学位论文FPGA 程序的状态图如下图所示。用户根据环境、测量对象设置完具体的测量参数，进入空闲状态，等待启动指令；当开始命令 T_en 到来后，系统开始极化状态，进入等待时间计时；极化完成后选择某一个天线，发射模块开始发射一个特定序列的射频脉冲信号，回波计数器累加 1，接收模块被隔离；发射脉冲之后，系统开始主泄放和辅助泄放，接收模块仍被隔离；如果刚才发射的是 90 度脉冲，，则接着发射下一个脉冲，如果是 180 度脉冲，则开启接收，采集回波信号；FPGA 程序按照这样的状态循环，直到回波个数计数器累加至设定值，就完成一个天线对应区域的测量，之后再次切换天线进行测量，直至完成井周 360 度区域的测量。Antenna = 4结束

状态图,等待时间,控制模块,状态图

① 等待时间控制模块等待时间控制模块主要由一个有限状态机和一个计数器来完成。在这个模块中，我们定义了一个 32 位的脉冲宽度计数器 WaitTimeWideReg，用来计数等待时间的长度，对于等待时间可以设定长达十几秒（我们设定最大值 18s），这样的位宽可以很好的满足。我们还定义了一个 4 位的等待时间状态机寄存器，通过 3 个状态的跳转来完成等待时间的控制。等待时间状态机如下图所示，等待时间模块是整个发射过程的开始，因此其起始信号直接受发射命令控制。首先整个状态机停在闲散状态“0000”处等待发射命令，当发射命令传来，脉冲宽度计数器 WaitTimeWideReg 开始启动计数，等待时间信号 WaitTime 输出为 1，同时状态跳转到“0001”。在这个状态中，状态机一直等待脉冲宽度计数器计满所设定的宽度，计数不满，则一直停留此状态。当计数器计满，计满信号为 1，状态机从“0001”跳转到“0010”，此时关闭脉冲宽度计数器，等待时间信号 WaitTime 输出为 0。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P631.83

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