一种油基泥浆电参数测量电路的设计

摘要

油基泥浆（OBM）具备多种优点，在钻井中应用广泛。油基泥浆成分复杂，主要是油、水、粘土的混合物，各种成分比例不同则表现出的电参数特性也不同。电阻率和介电常数是泥浆重要的两个电参数，其值大小对测井信号的幅度和相位造成影响，最终导致测井解释不准，因而确定油基泥浆电参数是测井中必不可少的一项工作。在电法测井中，电阻率和介电常数可以在一定电极结构下测量油基泥浆的复阻抗来获取，文中介绍了泥浆电参数测量方法并从电路模型上分析测量复阻抗参数的等效性。
　　由于油基泥浆的容性、高阻特点，本文重点研究宽频、宽量程复阻抗测量方法和测量电路的设计。测量基本原理是矢量伏安法，电参数测量方案则采用的幅相检波技术。电路测量模值校准通过两点线性法来完成，本文充分利用检波器的特性曲线及DDS相移功能完成相位极性鉴别。测量电路主要可以分为三个功能模块：激励信号源、幅相检测电路及数据采集模块。采用幅度、频率、相位灵活可调的双通道DDS器件AD9958为频率发生器，其输出经过滤波、放大后形成输出稳定、杂散低的电压型信号源。以 AD8302为核心完成宽频信号的幅相检测，依靠输出幅度可调的激励信号源并在检波器前端设计调理电路来提高信号检测范围。数据采集功能模块通过 FPGA控制两片 AD7694实现幅度相位信号的快速同步采集，数据在FPGA内部完成初步处理以提高稳定性。本文选用性能优越的STM32作为主控器，完成对电路各模块管理及数据处理等任务，实现测量自动化。为了方便电路的调试、控制，结果显示、数据保存等，利用MFC基于VC6.0平台编写了界面友好的上位机应用软件。
　　设计的激励源信号频率可达到5MHz，分辨率优于1Hz。测量电路频率检测范围为500Hz~5MHz。测试结果表明：电路具有良好的线性度，纯电阻测试中模值在100Ω~5MΩ内时误差小于1.6％；容阻测试中相位误差小于1.5°。
　　设计的电路工作稳定，扩展了常规泥浆电阻率测量仪的测量范围，且宽范围内测量准确度良好，电路测量指标满足实际工程需求。

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第一章 绪 论

1.1 研究的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本文主要工作及贡献

1.4 本论文章节安排

第二章 油基泥浆电参数测量原理及相关技术理论

2.1 测量原理及方法

2.2 系统整体方案

2.3 相关技术理论

2.4 本章小结

第三章 测量系统硬件电路设计

3.1 激励源电路

3.2 幅度相位测量电路设计

3.3 数据采集电路设计

3.4 硬件主板

3.5 本章小结

第四章 数据处理及上位机软件设计

4.1 控制程序设计

4.2 测量校准

4.3 相位极性鉴别

4.4 上位机软件设计

4.5 本章小结

第五章 系统测试

5.1 接口测试

5.2 测量电路线性度测试

5.3 容阻实测结果与误差

5.4 硅油测试

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续研究展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的成果