普通电阻率测井实验装置的设计与实现(光电脉冲编码器)

摘  要
普通电阻率测井是电测井的重要方法之一，根据测量的岩层电阻率，来判断岩性，划分油气水层，研究储集层的含油性。目前的普通电阻率测井仪器中，复杂的大型设备功能齐全但成本很高，而简单的小型仪器往往不能与微机通信，自动化程度低，而且不能对数据进行实时分析。我校测井实验室用于普通电阻率测井的仪器就存在上述弊端，目前使用的是由北京地质仪器厂生产的JC-3电测仪，它不具备深度测量，并且主要采用人工记录数据的方式，测量周期长，速度慢，自动化程度很低。(优秀毕业设计网 www.2bysj.cn 优秀毕业设计网 www.papersay.com)
本文实现了普通电阻率测井实验装置的设计与制作。本实验装置以测井实验教学为主要应用目标，也可用于一般的野外测井。它具有恒流供电、深度测量、电压测量等功能，使用标准串行接口与上位机通信，配合测井实验室开发的电阻率测井数据采集软件可实时绘制出视电阻率随深度变化的测井曲线。
其中，恒流源使用稳压集成电路制作，通过A/D转换器将电流值显示在液晶上；深度测量使用AT89C51单片机配合测井绞车附带的光电编码器来实现，由8位LED数码管显示；电压的测量是通过12位高精度A/D转换器TC7109配合单片机来实现，由4位LED数码管显示，通过串行接口与上位机通信。
该实验装置可输出的最大电流超过500mA，电压量程±2V，精度1mV，深度测量的范围为±9999.999m，最小分辨率1mm，串行通信速率4800b/s，各项指标均达到并超过了实验教学要求。目前本实验装置已经用于本科生测井实验课程的教学，效果良好，既丰富了教学内容，同时也充实了测井实验室的实验设备，改善了实验条件。

关键词：测井； 电阻率； 单片机； 光电脉冲编码器； A/D转换
 
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

普通电阻率测井是地球物理测井中最基本最常用的测井方法，它根据岩石导电性的差别，测量地层的电阻率，在井内研究钻井地质剖面。岩石电阻率与岩性、储油物性和含油性有着密切的关系。普通电阻率测井主要任务是根据测量的岩层电阻率来判断岩性，划分油气水层，研究储集层的含油性。
第一节  普通电阻率测井实验仪器现状
普通电阻率测井仪器已经发展的比较成熟，但专用于本科生测井实验教学的仪器很少。当前的测井仪器一般是用于油田矿井的生产测井和一些地下工程的工程测井，仪器体积大，功能复杂，通常是多种参数同时测量。目前，国内高校的测井实验课程使用的仪器都是这种大型仪器，或者使用小型仪器配合函数记录仪，如吉林大学，西南石油大学等。中国石油大学目前仍在寻购适合本科生测井实验的仪器。
我校测井实验室现有两套可用于电阻率测井的仪器，其一是渭南煤矿专用设备厂生产的TYSC-QB数字测井仪。该仪器功能齐全，参数丰富，与其配合的TCXJ测井绞车深度可达千米。但是它主要用于生产测井，仪器和绞车的体积很大，电极系长度也超过了1米。我校本科生的测井实验教学主要在实验室内的模拟井中进行，井深不到3米，所以对于教学实验来说，该仪器太过庞大，使用不方便，而且没有足够的课时让学生熟悉仪器，就更不能达到学习和实验的目的了。
第二是北京地质仪器厂生产的JC-3电测仪。该仪器体积比较小，功能单一，数据记录方式全部采用人工记录，且不具备深度测量的功能，只能使用测绳进行人工测量。该仪器的使用步骤包括：（1）用测绳观察深度并记录；（2）关闭AB供电，调节极化补偿，使电压显示为零；（3）打开AB供电，记录电压。这样的测量方法时间长，效率低，只能用于深度间隔大的定点测量。我校测井实验课程目前使用这套仪器，但是缺陷很明显，即该仪器的自动化程度很低，测量所需时间长，效率低下，由于课时有限，没有剩余时间让同学们亲自动手做实验。
第二节  研究目的
本文的目的就在于实现一种适合于本科生测井实验课程教学使用的普通电阻率测井实验装置，主要用于在我校测井实验室做普通电阻率测量实验，也可用于一般的野外测井。
我校测井实验室的模拟井深2.6米，直径0.32米，井壁加入了许多木材、矿物等，能很好的模拟自然井。本文实现的普通电阻率测井实验装置，要求使用45V电池供电，使用自制的0.2米长的电极系，采样间隔达到0.02米；要求实现深度测量，并能与计算机通信，实时绘制出曲线，给同学们更直观的认识；要求测量速度高，效率高，操作简便，能让同学们有充足的时间自己动手做实验。

普通电阻率测井实验课程是我校本科生测井实验的第一课，占有非常重要的地位。测井实验室目前使用的JC-3电测仪自动化程度低，采集密度低，测量周期长，不适合用于本科生实验教学。本文针对普通电阻率测井实验，实现了普通电阻率测井实验装置，得到以下结论：
(1)该实验装置可用作教学实验用测井仪器，也可用于一般的野外测井工作。
(2)实现了恒流供电、电压测量、深度测量和串口通信等功能。供电电流最大超过500mA，电压达到57V；电压测量范围±2V，精度达到1mV；深度测量范围±9999.999m，最小分辨率1mm；串行通信速率4800b/s，最小发送间隔0.02m，实现了高密度采集。
(3)测试结果表明，该实验装置的测量结果与北京地质仪器厂生产的JC-3电测仪的测量结果的平均相对误差2%，最大相对误差低于5%，而由于该实验装置的采集密度高，绘制出的视电阻率曲线也更加平滑，比JC-3电测仪的测量结果更好更真实的反映了地层视电阻率的变化趋势。

目    录
第一章 绪  论 1
第一节  普通电阻率测井实验仪器现状 1
第二节  研究目的 1
第二章 普通电阻率测井原理 2
第一节  普通电阻率测井原理 2
第二节  电极系 3
第三章 总体设计 4
第一节  总体结构设计 4
第二节  各模块设计方案 5
一、  恒流源设计方案 5
二、  极化补偿方案 5
三、  电压电流测量方案 6
四、  深度测量方案 8
第四章 硬件实现 10
第一节  供电模块 10
第二节  恒流源 11
第三节  电流测量模块 11
第四节  深度测量模块 14
一、  鉴相电路 14
二、  单片机最小系统 15
三、  按键电路 16
四、  显示电路 16
第五节  电压测量模块 17
第五章 单片机程序设计与实现 21
第一节  深度测量模块程序 21
一、  总体流程 21
二、  各子程序 22
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第二节  电压测量模块程序 23
第六章 测试结果 25
第一节  测试环境及仪器对比 25
一、  测试环境 25
二、  仪器对比 25
三、  实验装置外观 26
第二节  测试结果及误差分析 27
一、  测试结果 27
二、  误差分析 28
三、  整体测试 28
结  论 30
致  谢 31
参考文献 32
附录一：深度测量单片机程序部分源代码 33
附录二：电压测量模块单片机程序部分源代码 35