深孔X荧光测井仪数字化信号采集与软件实现研究

摘要

随着我国社会经济发展，对矿产资源保障的刚性需求在持续加大。然而，大量地表、浅层矿被逐步开采殆尽成为危机矿山，采用新装备新技术勘查开发深部第二找矿空间被国家列为资源探测新的战略目标。X荧光测井技术能够在野外井场实时获取钻孔岩层中矿石品位、矿层厚度和储量，具有高效、便捷、快速的显著特点。在深地资源勘探中，X荧光测井探测装备如何适用深部高温环境是当前难题之一。
　　本论文研究课题来源于国家重大科研装备研制项目《深部资源探测核心装备研发》子课题“X荧光测井仪研发”(ZDYZ2012-1-07-01-03-02)。针对深部矿产资源勘探高温环境条件下，现有的X荧光测井仪无法正常工作，传统模拟电路受温度影响大，能谱测量不准确，以及现有X荧光测井软件的系统化网络化架构不足等问题，主要开展了以下研究工作:
　　1.深孔X荧光测井仪激发探测装置设计。
　　设计探管的整体结构和激发探测装置;以耐高温、抗拉强度大等条件对探管的外壳材料进行选型和论证研究;以低功耗、散热少的条件对激发源、X射线探测器进行选型研究;对核心组件探头部位的主动式降温装置进行设计实现，对关键的隔热、导热、制冷等材料进行选型研究。
　　2.深孔X荧光测井仪数字化电路系统设计。
　　基于高温条件，对数字电路的核心元器件进行选型研究。设计耐高温电路系统，包括模拟前端、数字化多道脉冲幅度分析器、通信电路、电源电路等单元，并对电路主板进行模拟高温测试;通过FPGA设计实现数字化多道脉冲幅度分析器;对核信号处理中的滤波算法进行研究，实现一种基于带有平顶的尖顶成形算法，并开展相应的测试实验。
　　3.基于DOA开发X荧光测井软件平台。
　　基于DOA模式对X荧光测井软件平台进行整体设计;定义数据注册中心的元数据规范以及元数据集的标记语言XFLML，对核心功能模块进行设计与实现;设计软件平台的数据交互机制;对X荧光测井软件平台的应用单元库(DAUs)结构进行设计，并对核心功能进行设计与实现;设计平台运行的安全机制。
　　4.深孔X荧光测井仪性能测试。
　　采用地质样品作为测量对象，对仪器的能量分辨率、相对误差、稳定性指标进行测试;对仪器的核心组件探头部位的主动式降温装置进行高温环境中的可靠性测试;分别在室温环境和高温环境对样品进行对比测试;分别在试验井和勘探井对仪器进行实地测试。
　　论文主要取得的创新性成果如下:
　　1.设计并研制了一种新型的高温环境下的X荧光测井激发探测装置，采用自主设计的主动式降温装置对X荧光测井仪探头进行制冷和散热，解决了深孔X荧光测井探管在高温环境下正常稳定工作的难题。
　　2.设计并研制了一种耐高温数字化X荧光测井仪电路系统，实现了高温环境下测井信号的数字化采集和分析处理，解决了现有X荧光测井电路在高温条件下受温度影响大，滤波成形效果差，存在弹道亏损等问题。
　　3.设计实现基于DOA的X荧光测井软件平台，解决了现有X荧光测井单机版软件无法实现测井数据综合管理、区域内多井多点、异步测量、网络同步等问题。
　　通过对地质样品的测试实验，得到仪器分辨率为:3.25％，仪器测量误差值在-8％～14％之间，谱漂＜=2道，说明仪器有较好的精度和稳定性。在研究过程中，开展了探管在模拟高温环境中的制冷装置可靠性测试，电路主板在高温环境中的稳定性测试，分别在室温环境和模拟高温环境对样品进行分组对比测试等，验证了仪器可以在高温环境中正常工作。在此基础上，分别在重庆地质仪器厂试验井和新疆某地区Z201＃勘探井进行实地测量，验证了仪器可以在测井现场实现定性和定量测量，可以应用到深地资源勘探工作中。
　　本论文成果将为我国开展深部资源勘探提供深孔X荧光测井关键技术支撑，具有重要的经济、科学意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 X荧光测井装置研究进展

1．2．2 X荧光测井仪核信号数字处理研究进展

1．2．3 X荧光测井软件研究进展

1．3 主要研究内容和创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 创新点

第2章 X荧光测井原理

2．1 矿物元素的定性分析

2．2 元素含量的定量分析

第3章 深孔X荧光测井仪激发探测装置设计

3．1 深孔x荧光测井仪器整体设计

3．2 深孔X荧光测井探管总体结构设计及要求

3．3 激发探测装置设计

3．3．1 X射线激发源选型

3．3．2 X射线探测器选型

3．3．3 主动式降温装置设计

第4章 耐高温数字化电路系统设计

4．1 电路系统总体设计

4．2 模拟前端

4．2．1 微分成形电路

4．2．2 主放大电路

4．2．3 抗混叠滤波器电路

4．3 数字化多道脉冲幅度分析器

4．3．1 高速A／D转换电路

4．3．2 FPGA选型及外围电路

4．3．3 数字化核脉冲信号处理

4．3．4 数据通信控制

4．4 系统电源整体设计

4．4．2 DC-DC电源

4．4．3 前端电源板

4．5 电路板实物及耐高温测试

第5章 基于DOA的X荧光测井软件平台

5．1 基于DOA的软件架构模式

5．2 X荧光测井软件平台总体设计

5．3 数据注册中心设计

5．3．1 元数据标准

5．3．2 数据存储软件

5．3．3 功能模块设计与实现

5．4 数据交互设计

5．5 DAUs库的设计与管理

5．5．1 面向数据的DAUs库设计

5．5．2 DAUs库的管理

5．6 平台安全机制

第6章 深孔X荧光测井仪整机测试

6．1 仪器性能指标测试

6．2 高温环境测试

6．3 试验井测试

6．4 勘探井测试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录