ПРИМЕНИНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В АППАРАТУРЕ

ПРИМЕНИНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В АППАРАТУРЕ
СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА.
А.А.Винокуров, В.В.Серебрянский, И.В.Ильин, А.Н.Фисенко, К.Г.Пенязь
В последнее время потребители геофизической аппаратуры проявляют большой интерес к новым
модификациям спектрометрических скважинных приборов, которые в отличие от старых
интегральных модификаций имеют гораздо большую информативность. Поэтому к разработчикам
скважинной аппаратуры предъявляются повышенные требования по совершенствованию аппаратуры,
методики и программного обеспечения. Однако сложность физических процессов, быстрое и не
периодичное изменение измеряемых параметров создает определенные трудности при разработке
аппаратуры.
Быстрое развитие микропроцессорной техники создало благоприятные условия для развития
спектрометрического направления в скважинном геофизическом приборостроении. Стал возможен
переход на ПЛИС нового поколения (Virtex-II, Virtex-II Pro), высокопроизводительные АЦП (1060МГц), позволяющие непрерывно оцифровывать весь входной сигнал. Появились новые сигнальные
процессоры с тактовой частотой 80МГц и выше. Все это позволило пересмотреть старые подходы к
разработке приборов и, в конечном итоге, добиться существенно лучших результатов. Ключевой
технологий, открывающей новые возможности, является цифровая обработка сигналов. Все это
явилось предпосылкой для решения проблем, которые невозможно решить аналоговой
схемотехникой.
Широкое распространение микросхем в BGA-корпусах и применение SMD компонентов позволило
разрабатывать печатные планы малого размера, что снизило их стоимость. При этом
функциональность разрабатываемых электронных блоков полностью перекрывает все потребности
заложенные в аппаратуру.
Для разработчиков путь перехода на новые технологии зачастую очень труден и длителен, так как
предусматривает наличие высококвалифицированных специалистов в области микропроцессорной
техники, программирования, а также требует качественной разводки печатных плат, изготовления,
монтажа и контроля всего цикла производства. При этом разработка электронных схем на высоком
уровне требует применения 4-х или 6-ти слойных печатных плат. Использование микросхем в BGAкорпусах также накладывает определенные требования на технологию и качество изготовления. К
примеру, микросхемы в BGA-корпусе, применяемые нами, имеют 256 контактов на площадке
17x17мм.
Теперь остановимся на проблемах, которые возникают при разработке аппаратуры радиоактивного
многоканального спектрометрического каротажа. Основные трудности разработчиков здесь известны это изготовление высокоэффективных детекторов большого объема с хорошим разрешением, а также
стабилизация энергетической шкалы. Из-за малой активности изучаемых сред вероятность
возникновения наложенных импульсов в регистрирующем тракте и резкое изменение загрузки мало
вероятно. Поэтому применение классических схем весьма оправдано. Совсем по другому обстоит дело
при разработке аппаратуры многоканального спектрометрического импульсного нейтронного гамма
каротажа (ИНГК-С) в частности при методике С/О-каротажа. Основные интерпретационные
параметры получают из спектров гамма-излучения неупругого рассеяния, т.е. из спектров
зарегистрированных во время вспышки быстрых нейтронов.
Из-за резкого изменения загрузки регистрирующего тракта (во время вспышки и после вспышки)
происходит смещение нулевой линии. Применение различных интеграторов с большим временем
реакции для слежения за нулевой линией малоэффективно, т.к. изменение загрузки регистрирующего
тракта происходит гораздо быстрее, чем реакция следящей за нулевой линией системы. Поэтому
данная система будет отрабатывать некую среднюю нулевую линию, которая так же будет иметь
вариации.
Другой и самой серьезной проблемой является возникновение наложенных импульсов - когда на
фронте ранее зарегистрированного импульса возникает другой импульс и его амплитуда искажена
подставкой от предыдущего импульса. Имеются два варианта действий: регистрировать этот
наложенный импульс – в этом случае он будет искажать спектр, не регистрировать – тогда
необходимо иметь систему распознания и отбраковки.
При проведении каротажа необходимо иметь достаточную статистику в измеряемых спектрах. Для
этого надо либо увеличивать время измерения единичного замера, что весьма нежелательно, т.к. тем
самым придется уменьшать скорость каротажа, либо увеличивать загрузку регистрирующего тракта.
Увеличение загрузки возможно как увеличением объема детектора и применением детекторов с
высокой плотностью, так и увеличением выхода генератора нейтронов. И в том и другом случае
увеличивается вероятность возникновения наложенных импульсов. Многим разработчикам
аппаратуры данного типа приходится или уменьшать размер детектора, или выход генератора, или
применять аналоговых режекторные фильтры для исключения наложенных импульсов. Все эти меры
ведут к уменьшению статистики в измеряемых спектрах.
Кроме того, при применении режекторных фильтров необходима очень точная настройка аналоговых
цепей. При этом «мертвое время» регистрирующего тракта в лучшем случае будет сопоставимо с
длительностью импульса, поступающего с предварительного усилителя на АЦП, и будет составлять
порядка 2,5-3мксек, а при появлении наложенных импульсов - еще больше. На рис.1, 2, 3 показаны
осциллограммы импульсов от гамма-квантов c работающим генератором при различном его выходе,
полученные скважинным прибором при постоянной оцифровке входного сигнала с помощью 10МГц
АЦП. Отдельным цветом показаны осциллограммы от различных вспышек генератора нейтронов.
Измерения проводились, когда прибор был окружен большим количеством материала с большим
сечением поглощения (нейтрон-стоп плюс железо). Как видно из рисунков при минимальном выходе
нейтронов (рис.1) наложенных импульсов нет, но мало и самих зарегистрированных гамма-квантов.
Рис.1
Рис.2
При среднем выходе нейтронов (рис.2) количество зарегистрированных гамма-квантов возрастает, но
появляются и наложенные импульсы. На рис.3 показаны осциллограммы импульсов при
максимальном выходе нейтронов. В этом режиме в основном регистрируются наложенные импульсы.
При исследовании среды, не имеющей аномального поглощения, вероятность наложенных импульсов
возрастает, т.к. на спектр неупругого рассеяния накладываются импульсы гамма-квантов
радиационного захвата от предыдущих вспышек.
Применяемые многими разработчиками аналоговые схемы могут только отчасти снять эту проблему.
Так, например, применение фильтров приводящих импульсы к гауссоиде, треугольной или
трапецеидальной функции (например, фирма Canberra) позволяет уменьшить длительность и
увеличить тем самым пропускную способность регистрирующего тракта. Эти фильтры позволяют
частично снизить уровень шумов и стабилизировать нулевую линию, но не снять проблему
наложенных импульсов. Поэтому применение высокоэффективных детекторов, таких как BGO, GSO,
только в какой-то степени улучшает аппаратуру, но проблемы остаются. Надежда на то, что установка
в прибор высокоэффективного дорогого детектора сразу решит все проблемы – глубокое заблуждение.
При оцифровке амплитуды импульсов возникает проблема электронных шумов по форме
сопоставимых с формой сигнала, что так же приводит к уменьшению точности определения
амплитуды и соответственно - к искажению реального спектра. Так, например, проводник длиной 5см
от предварительного усилителя до входа АЦП дает ошибку на величину младшего разряда 16разрядного АЦП.
Переход на цифровую обработку позволяет уменьшить влияние шумов, наводок, нестабильности
аналогового тракта. Этому способствуют два фактора. Первый – существенно упрощается аналоговый
тракт. Второй – имеются способы подавления значительной части шумов и наводок методами
цифровой обработки.
Нами разработана и опробована схема, в которой происходит постоянная оцифровка входного сигнала
с частотой 10МГц. Затем производится математическая обработка «на лету» в реальном времени, при
которой происходит корректное разделение наложенных импульсов. В результате разделения не
только сохраняется информация обо всех исходных импульсах, но и полностью восстанавливаются
исходные амплитуды наложенных импульсов. При этом, если применять детектор на основе кристалла
NaI(Tl), «мертвое время» будет 0.3-0.35мксек, что сопоставимо со временем высвечивания кристалла,
при большей загрузке будет сплошной свет. Если применять детектор на основе кристалла германата
висмута BGO «мертвое время» будет 0,4-0,45мксек, что тоже примерно сопоставимо со временем
высвечивания кристалла. Если перейти на АЦП с частотой преобразования 20-40МГц, «мертвое
время» даже с применением детектора на основе BGO будет 0.3-0.35мксек. Применяемая нами в
настоящее время вычислительная мощность интеллектуального ядра позволяет обрабатывать данные с
40МГц АЦП. Поэтому в нашей аппаратуре есть возможность работать с генератором при
максимальном выходе нейтронов. В аппаратуре других разработчиков генератор нейтронов, как
правило, включают на средний выход. По данным производителя генераторов нейтронов срок службы
генератора не зависит от того, в каком режиме и при каком выходе эксплуатировался данный
генератор нейтронов.
Представленная нами разработка лишена тех недостатков, которые есть в аналоговых измерительных
трактах. Отслеживание нулевой линии, уменьшение влияния электронных шумов и разделение
наложенных импульсов происходит автоматически в скважинном приборе в реальном масштабе
времени. На рис.4 представлены осциллограммы, полученные с детектора гамма-излучения на основе
кристалла BGO при работе генератора во время вспышки.
Рис.3
Рис.4
На осциллограмме после математической обработки видны восстановленные импульсы. Корректная
коррекция происходит даже на импульсах расположенных друг от друга на расстоянии 0,4-0,45мксек
(два самых левых импульса 1 и 2). Из-за того, что импульс после обработки имеет определенную
длительность, до и после восстановления на осциллограмме эти импульсы почти сливаются. Но если
рассматривать их амплитуду, то второй импульс не искажен подставкой от первого импульса.
Алгоритм обработки построен таким образом, чтобы после математической обработки был небольшой
уровень постоянной составляющей. Это сделано специально для определения характера и природы
шума. Т.к. нулевой уровень постоянен, очень мал и не зависит от загрузки регистрирующего тракта, то
он не искажает зарегистрированные спектры.
В Новосибирском ОКБ геофизического приборостроения разработаны и изготовлены приборы ИНГКС-95 (С/О-каротажа) и ГК-С-95, в состав которых входят плата «анализатора импульсов» и плата
телеметрической линии связи (ТЛС).
В «анализатор импульсов» входит: предварительный усилитель, 10 МГц АЦП (время оцифровки
0.1мксек), быстродействующая ПЛИС и сигнальный процессор с тактовой частотой 80МГц. По своей
вычислительной мощности ПЛИС сопоставима с процессором класса Pentium, так как позволяет
выполнять 2.4 миллиарда 18-и разрядных целочисленных умножений и одновременных с ними
сложений в секунду. Важно отметить, что потребляемая платой мощность остается вполне
приемлемой и составляет не более 2 Вт.
Плата ТЛС – это дуплексная двухпроводная телеметрия с максимальной скоростью обмена 128кбит/с
на 7км геофизическом каротажном кабеле. К концу года, с переходом на более быстродействующую
элементную базу, максимальная скорость обмена будет доведена до 512кбит/с. Применяемая в
настоящее время в скважинном геофизическом приборостроении телеметрия имеет в лучшем случае
только полудуплексную связь, т.е. информация по каротажному кабелю в определенный момент
времени идет только в одном направлении. С помощью используемой нами телеметрии с квадратурноамплитудной модуляцией (QAM-16) возможна в любой момент времени одновременная передача
данных в обоих направлениях. Это, несомненно, является большим плюсом при разработке
технологий измерения геофизических процессов, использования различных приборных «связок»,
контроле принимаемой информации, возможности оперативного дублирования сбойных данных, что в
конечном итоге приводит к 100%-му получению информации.
Плата «анализатора импульсов» имеет размеры 38х114мм, изготовлена по 5-ой приемке, поэтому
можно считать, что качество и надежность ее гарантированы. С переходом на использование
микросхем только в BGA-корпусе ширина платы может быть уменьшена до 20мм, что позволит
использовать данную разработку в малогабаритной аппаратуре (внешний диаметр приборов 42-45мм).
Малый размер плат, кроме всего прочего, позволяет размещать их в термостатированном объеме, что
дает возможность разрабатывать термостойкую аппаратуру, применяя не термостойкие
комплектующие элементы. Разница в их стоимости и возможности приобретения комплектующих
электронных компонентов для высокотемпературных и не температурных диапазонов всем известна,
причем некоторые импортные термостойкие комплектующие принципиально закрыты для поставки в
Россию.
«Анализатор импульсов» имеет встроенное программное обеспечение, которое позволяет командой
сверху перевести его в режим работы ИНГК-С (С/О-каротажа) или ГК-С (спектрометрия
естественного излучения). Данная особенность позволяет свести к минимуму сервисные затраты при
обслуживании связки приборов ИНГК-С и ГК-С.
Применение постоянной оцифровки дает возможность передачи от прибора осциллограмм
(осциллограммы «глазами» АЦП) как импульсов поступающих с детектора, так и сигналов в
контрольных точках. Это позволяет дистанционно, не вскрывая прибора, осуществлять диагностику
прибора, а также дистанционно исследовать импульсы при работающем генераторе нейтронов.
Аппаратура реализует большой набор команд по контролю за параметрами работы. Это дает
возможность получения данных с разным шагом квантования по времени. Например, если при работе
с аппаратурой ИНГК-С, для получения данных спектрометрии необходимо квантование по времени
20-30с, то для того, чтобы знать состояние генератора нейтронов используется квантование 1с. Это
необходимо, чтобы оператор мог интерактивно контролировать состояние генератора, т.к. генератор
является самой дорогой составной частью прибора. Получение осциллограмм также возможно и
используется по мере необходимости.
Применяемые блоки питания вторичных напряжений позволяют работать с входными напряжениями
от 70В до 300В, при этом мощность в нагрузке остается постоянной и не происходит
непроизводительного рассеивания излишка мощности. Это очень важно при проектировании
аппаратуры, рассчитанной на широкий температурный диапазон. Лишний источник тепла в
скважинном приборе крайне нежелателен, поэтому применяемая нами элементная база при высоком
токе потреблении (очень высокое быстродействие) имеет напряжение питания 1.5В и 1.8В, что
снижает 2.5-3.5 раза мощность потребления, соответственно уменьшая рассеиваемую мощность.
Были проведены исследования различных детекторов на предмет изменения их характеристик при
применении, как классических схем, так и нашей, с математической обработкой сигнала. Так,
полученный детектор (поставщик ЗАО НПП «Геометр») на основе кристалла NaI(Tl) 50х150мм №58
по паспортным данным имел разрешение по Cs-137 12,2%, с применением нашей системы – 10%.
Другой такой же детектор №42 по паспортным данным имел разрешение 11%, с применением нашей
системы – 9%. Измерения проводились при тождественных положениях детектора и источника гаммаизлучения. Источник находился перпендикулярно оси детектора на расстоянии 20см.
На базе метрологического центра «Тюменьпромгеофизика» были проведены модельные работы на
моделях различной пористости, литологии и насыщенности. Эти работы показали, что прибор
регистрирует гамма-излучение неупругого рассеяния от ядер углерода флюида, скелета, и цементного
кольца, как это видно по спектрам. Была оценена эффективность определения нефтенасыщенности и
водонасыщенности при различной пористости. По аналитическим параметрам C/O и Ca/Si были
найдены зависимости, которые в дальнейшем будут основой для создания кросс-плот зависимости при
определении коэффициента нефтенасыщенности. Т.к. некоторые модели еще в стадии завершения,
полного исследования влияния различных факторов не проводилось.
Прибор ИНГК-С-95 может реализовывать проведение скважинных исследований методами:
спектрометрический импульсный нейтронный гамма каротаж (ИНГК-С), импульсный нейтронный
гамма каротаж в одно зондовой модификации (ИНГК), импульсный нейтронный активационный
каротаж (ИНАК), импульсный нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам (ИННК-нТ), каротаж
нейтронного деления (КНД), в приборной связке с прибором ГК-С-95 – спектрометрию естественного
гамма излучения (ГК-С).
В марте 2003 года первая приборная связка опытных образцов приборов ИНГК-С и ГК-С, которая
позволяет за один спуско-подъем осуществлять одновременную регистрацию двух методов, была
запущена в опытно-производственную эксплуатацию в «Тюменьпромгеофизике». За первые три
месяца эксплуатации связки было записано 27 скважин. После тщательного анализа полученных
результатов и вывода о том, что исходные материалы хорошего качества, скорость каротажа была
увеличена с 50м/ч до 70м/ч, причем без потери качества. Необходимо отметить, что при этом
генератор в скважинном приборе работает примерно 80% от максимального выхода быстрых
нейтронов. В связи с полученным опытом эксплуатации и пожеланием заказчика была доработана
конструкторская документация на скважинную аппаратуру и в третьем квартале 2003г. выпущена
первая партия данных аппаратурных связок. Ко времени написания статьи новыми связками уже
отработано более 80 скважин и полученные результаты позволяют сделать выводы о правильности
выбранного направления в развитии спектрометрической аппаратуры в «Тюменьпромгеофизика»