井下NMR流体分析仪探头与调谐系统设计

摘要

相比常规的地层流体识别方法而言，地层流体分析仪对地层流体进行实时取样分析，可以连续评估地层流体污染情况，实时获得流体的粘度、气油比等流体性质。探头和调谐系统作为地层流体分析仪的重要组成部分，主要作用是产生和接收核磁共振信号。本文将从以下三方面来展开具体研究与设计：
　　首先基于流体分析仪中对静磁场的要求，分区域的设计了静磁场。针对探头内部不同区域对磁场强度和均匀度的差异性要求，提出设计两种永磁体结构：对均匀度要求较低的区域采用极性方向一致的环形磁体；对均匀度要求高的区域采用了halbach结构。同时，设计了马鞍形天线发射高压脉冲产生交变磁场和螺线管天线接收核磁共振回波信号。
　　其次对天线与发射机和接收机的耦合方式进行分析，确定天线调谐的必要性，设计了调谐电路。针对于本项目中天线谐振时高Q值要求和调谐范围的要求，分析四种核磁天线调谐方式，设计了一种分段调谐方法，并通过数据分析和实验证明了调谐电路的结构设计和参数选择的合理性。
　　最后针对测井深度差异引起探头温度变化导致氢核共振频率的变化，设计了扫频电路来确定环境温度下的拉莫尔频率。从硬件设计和软件设计两方面介绍了扫频电路的设计思路及方法，针对关键问题频率合成采用DSP和FPGA联合控制直接式数字频率合成器来实现进行了详细介绍。
　　以硅油样品为实验对象，对设计的电路关键部分及整体性能进行了测试。实验表明：在扫频电路和调谐电路的联合工作下，调谐系统能完成不同工作温度下的拉莫尔频率的确定与调谐，从而获得信噪比高的回波信号。

目录

声明

1绪论

1.1论文研究背景、目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的主要内容

2井下地层流体测井原理

2.1核磁共振测井原理

2.2天线调谐原理

2.3井下地层流体核磁分析仪的系统框图

2.4探头整体设计

2.5调谐系统整体设计

2.6本章小结

3探头天线线圈与磁体设计

3.1流体探头天线线圈设计

3.2流体探头磁体设计

3.3本章小结

4调谐电路的设计

4.1流体天线线圈调谐分析

4.2调谐电容参数选择

4.3调谐器件选择

4.4本章小结

5扫频电路设计

5.1扫频电路原理介绍

5.2方案设计

5.3关键硬件电路设计

5.4软件程序设计

5.5本章小结

6实验结果与分析

6.1井下地层流体核磁分析仪系统实验平台

6.2扫频电路频率精准度测试

6.3调谐系统性能测试

6.4本章小结

7总结与展望

致谢

参考文献

附录1 硕士期间发表的论文