（光学工程专业论文）岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计.pdf

岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计 摘要 钻井行业p d c ( p o l y c r y s t a l l i n ed i 锄o n dc o m p a c tb i t ) 钻头的推广和使用，对 岩石破碎性大，造成因岩屑细碎而无法正确判断岩石的岩性，以致地质录井工作 中出现了剖面符合率下降和油气层漏失的情况。针对p d c 钻头应用带来的问题， 中国海洋大学光学光电子实验室研究开发了一套适合录井现场应用的岩屑录井样 机，对岩石岩性的识别率达到了9 5 。本论文工作“岩屑录井仪硬件系统的 构建和通信方法的设计 即为该样机中硬件控制部分的核心。 论文主要包括两大部分：第一部分介绍了当今国内外录井技术的现状和项目 组关于岩屑录井仪的几套构建方案；第二部分包括线阵双光源录并仪的设计和样 机测试。其中，样机由摄像子系统、样品传输子系统和控制子系统组成。这部分 是本文作者的主要工作，包括以下内容： 1 ) 在样品传输子系统中创造性的使用了传送带，解决了传送带速度与c c d 曝光时间等参数协调的问题，配合摄像子系统轻松实现了录井现场对大量 岩屑描述的需求。 2 ) 控制子系统接受上位机的指令，使样品传输子系统和摄像子系统协调工 作，自动完成从样品进入系统、系统采样到样品回收的整个过程，具有很 高的自动化程度。 3 ) 系统具有r s 2 3 2 、u s b 两种通信模式，在上位机界面中可以完成摄像机的 定位、传送带采样( 连续、定长和往返模式) 、吸尘风机开关以及摄像机 的曝光、增益等参数设置。系统通信采用了多线程编程技术、c r c 校验， 保证了系统通信的准确性和实时性。 论文的最后，作者对岩屑录井仪的测试做了总结分析，并根据目前系统存在 的不足，做了进一步的展望。 关键词：p d c 钻头；岩屑录井仪；r s 2 3 2 ；u s b in ea e s i a no tl o q q l n ai n s t r u m e n tn a r a w a r ea n a 、，、，v c o m m u n i c a t i o nm e t h o d s a b s t r a c t 1 1 l d r i l l i i l gi n d u s t r y t h ew i d ea p p l i c a t i o no fp d c ( p o l y c r y s t a l l i l l ed i 锄o n d c o m p a c tb i t ) b i tm a k e sr 0 c k sb r o k e ns 砸o u s l y ，w h i c hr e s u l t si nt h ed e c h n eo fc 0 玎c 娥 r a t eo ft h eg e o l o 西c a ll o g g i l l gp r o f i l e 纽dt h el o s s0 fo i l 锄dg a sl a y e r f o rs o l v i n gt h e p r o b l e m st h a t 印p l i c a t i o no fp d c d m lb i t sb r o u g h ta b o u t ，o p t i c a lp h o t o n 妇r e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n tl a b o r a t o r y0 fc h i n ao c e a nu n i v e r s i t yd e s i 印e dl o g 舀n gp r o t o t ) ，p e w i t ht h er o c kl i t h o l o g yi d e n t i 丘c a t i o nr a t eo f9 5 i i lt h i st h e s i s ，”t h ed e s i g no fl o g g i i l g i n s t r u m e n th a r d w a r ea n dc o m m u i l i c a t i o nm e t h o d s ”i st h ec o r ec o n t r o lp a r to ft h e p r o t o t y p e st h eh a r d w a r e t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st w o m a j o rp a n s ：t h ef i r s ts e c t i o nd e s c r i b e st h ec u r r e n t s t a t u so fl o g 百n gt e c l l i l o l o g ya th o m ea 1 1 da b r o a d ，a i l dt h ec u t t i n gl o g 酉n gi n s t r u m e n t s e t sb u i l tb yt h ep r o j e c tt e 锄； t h es e c o n ds e c t i o ni n c l u d e st h ed e s i g no fl o g g i n g i i l s t n m l e n ta i l dp r o t o t y p et e s t i n g t h ep r o t o t y p ei sc o m p o s e do ft b ec a m e r as u b s y s t e m ， s 锄p l et r a n s m i s s i o ns u b s y s t e ma n dc o n t r o ls u b s y s t e m n es e c o n dp a r ti st h ea u t h o r s m a i nw o r k ，i n c l u d i n gt h ef b l l o w i n g ： 1 ) t h es 锄p l et r a n s m i s s i o ns u b s y s t e mc r e a t i v e l yu s e st h ec o n v e y o rb e l t ，s o l v e st h e p r o b l e mb e 铆e e nt h ec o n v e y o rs p e e da 1 1 dc c de x p o s u r et i m e ，c o o r d i n a t e sw i t h t h e 姗e r as u b s y s t e m ，t h ep r o t o t y p ee a s i l yd e s c r i b e sal a 玛en u m b e r0 fd e b r i sa t t h es c e n e 2 ) t h ec o n t r o ls u b s y s t e mw i t hah i 曲d e 黟e eo fa u t o m a t i o na c c e p t sc o m 【1 1 a n d s 丘0 m m eh o s tc o m p u t e r ，a i l dc o o r d i n a t e st h es 锄p l et r a n s m i s s i o ns u b s y s t e ma i l dt h e c a m e r as u b s y s t e mt 0w o r k 3 ) t h es y s t e mh a sm o m o d e so fc o m m u n i c a t i o n ：r s 2 3 2 ，u s b i i lt h eh o s tc o m p u t e r i n t e a c e ，w ec a i ls e tp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ep o s i t i o n i n g0 ft h ec a m e r a ，t h es p e e d 0 fc o n v e y o rb e l t ，v a c u u mc l e a n e rb l o w e rs w i t c h ，t h e 啪e r ae x p o s u r e ，g a i na n ds o 0 n s y s t e mc 0 m m u n i c a t i o nu s e sm u l t i - t h r e a d e dp r o 笋锄m i n gt e c h i q u e s ，c r c c h e c k s u mt oe n s u r et h ea c c u r a c y 锄dr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o no ft h es y s t e m f i n a l l y ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e s 锄da 1 1 a l y s e st h et e s t so ft h el o g 舀n gi n s t m m e n t p r o t o t y p e ，a i l dd e s c 曲e st h ep r o s p e c t si na c c o r d a n c ew i t ht h ei n a d e q u a c y0 fm e c u r r c | n t s y s t e m k e yw o r d s ：p d cdr - l i ；l o g g i n gi n s t r u m e n t ；r s 2 3 2 ；u s b 们i i 独创声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 注： 垫遗直墓丝重要挂型虚盟数：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众 提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 虢仰夕穆 签字日期矽伊多月办日 导师签字：剖【未儿 形铀 i 签字日期：加1 年石月牛日 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b y a n 吕2 0 0 9 第一章绪论 1 1 引言 在油气资源勘探开发过程中，地质录井是及时有效判断地层岩性、发现油气 资源的主要手段之一。随着钻井技术的快速发展和应用，在钻井施工过程中广泛 使用p d c 钻头来代替牙轮钻头。这使得传统地质录井方法在记录地层有效信息方 面出现了不足，无法分析p d c 钻头造成的细小岩屑。 聚晶金刚石复合片钻头( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c tb i t ) ，简称p d c 钻头，是石油钻井行业常用的一种钻井工具。在过去的几年间，p d c 切削齿的 质量和类型都发生了巨大的变化。制造工艺的改进使得当今的切削齿的质量性能 好了很多，钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。现在p d c 产品已可应用于 以前所不能应用的地区，如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。这对金刚石( 固定 切削齿) 钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响【。 最初p d c 钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。新技 术的出现以及结构的变化使得p d c 钻头已能够用于硬夹层和长段的硬岩地层。随 着p d c 切削齿质量的不断提高，p d c 钻头越来越多地为人们所选用1 2 】o 随着中国石油钻井技术的不断进步，p d c 钻头逐渐替代了牙轮钻头、刨刀钻 头，得到了广泛的应用。但是p d c 钻头的使用对岩屑录井岩性定名与描述的影响 很大：p d c 钻头与传统的牙轮钻头、刨刀钻头不同，它主要是通过剪切力来破碎 岩石。钻井过程中，p d c 钻头对岩石的破碎程度大，产生的岩屑颗粒细小，因此 岩屑录井面临着难于判断真实岩性、不易分层描述、观察油气显示困难等，致使 部分探井剖面符合率下降；同时，p d c 对岩屑录井油气层识别与评价的影响也较 大：原来利用牙轮钻头所钻的岩屑，颗粒比较大，岩屑的油迹、油斑、含油特征 比较明显，用肉眼便可进行识别与描述。使用p d c 钻头后，岩屑颗粒特别细小， 泥浆对岩屑的冲刷性严重，对岩屑的上述特性描述造成较大影响，给油气层评价 带来很大的困难。 综上所述，在对诸多影响因素进行深入分析的基础上，研究出一套p d c 钻头 条件下岩屑录井的方法是目前勘探形势下提高勘探综合效益的需要，也是录井技 术发展的需要，具有较大的理论和实际意义。 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b y a n g ，2 0 0 9 1 2 国内外研究现状 综合录井技术发展到2 0 世纪末已成为包括常规地质录井、钻井液录井、气测 录井、地化录井、钻井工程监测录井和随钻测量为一体的现代化综合性录井技术。 基本上实现了从信号采集、处理、存储、传输到解释自动化及油气钻探过程的全 面监控。综合录井的发展源于地质录井和钻井液录井，地质录井的发展从钻探石 油的第一天起就开始了，而钻井液录井是在2 0 世纪3 0 年代美国b a r o i d 公司首次 研制的气测录井仪使用开始的，为此构成了综合录井发展的雏形。7 0 年代中期之 后，国外将计算机引入综合录井仪用于实时处理地质与工程数据，录井技术有了 质的飞跃。 目前世界录井技术已得到极大发展 整机性能、自动化程度、可靠性和精确度不断提高。这方面较典型的应属法 国g e o s e i c e 公司研制的创l s 2 型高级录井仪和美国h a l l i b u r t o n 公司最近推出的 s d 【厂9 0 0 0 地面数据录井系统。 国内综合录井技术方兴未艾 上世纪8 0 年代后期，先后由石油大学、上海仪器厂等借鉴国外录井技术经验， 率先研制了基于计算机实时数据处理的综合录井系统，揭开了我国综合录井技术 发展新的一页。根据我国实际情况，国内多家研究单位和录井公司开展了研究工 作，如胜利录井公司、中原油田录井公司、中国电子科技集团公司第二十二研究 所与河南油田，对录井技术、伽玛测量系统及岩屑描述方法等作了一些方法研究 与系统开发工作。下面简单介绍其中的部分产品： 1 ) 中原油田录井公司的地面岩屑伽玛测量系统 在岩屑捞取到地面以后，用伽玛测量仪逐包进行测量，根据自然伽玛值的连 续变化来判断是否为储层，原理与伽玛测井相同，并能对砂泥岩剖面的岩屑描述 起到一定的辅助作用。 2 ) 中国电子科技集团公司第二十二研究所的s m y 2 岩屑描述仪 岩性检测样品的检测周期6 0 秒、9 0 秒、1 2 0 秒可选，岩性识别符合率达8 0 以上；含油丰度检测通过摄像头摄取岩屑荧光图片，自动分析荧光面积百分比，生 成荧光图片库。 3 ) 长沙绿达实验技术研究所的l d s c 岩屑描述仪 2 堂曼墨苎些堡堡墨堡壁塑鍪墨望堡互垦坚堡生：! ! ：垫! 竺 l d s c 岩屑描述仪改变了以往用肉跟观察的原始岩屑描述方法，克服了岩 屑颗粒小和人工分析误差等不利因素，提高了分析水平，建立了钻井技术与地质 研究相适应的岩盾描述手段。其原理是不同物质在不同光照下的吸光、在紫外光 照下不同的荧光显像特征利用镜像、光学数字成像的原理，根据地质录井岩屑 的描述知识，来达到图像分析的目的，构成岩屑描述仪的扫描分析系统。 4 ) 荆州华孚信息技术有限公司的便携式p d c 岩屑图像高分辨率采集仪 p d c 岩屑图像高分辨率采集仪是专门用于p d c 钻井条件下的岩屑图像采集的 机电一体化设备。该仪器主要由特制光源、线阵数字成像装置、电机驱动机械装 置、图像采集控制、图象处理与分析等五部分构成。通过与仪器配套的图像分析 系统的操作，实现岩屑图像的自动化采集、编辑、处理和分析，确定p d c 岩屑岩 性等。该仪器可将采集的岩屑图像以多种图像格式存储在图像数据库中实现岩 屑图像永久性保存。如图1 1 所示。 图1 - 1p d c 岩屑图像高分辨宰采集仪 1 3 课题研究的目的和意义 在油气勘探开发过程中，地质录井方法作为实时跟踪钻进过程，及时获取地 层岩性及其地层流体信息的重要手段，具有不可替代的作用。近年来随着勘探程 度的增加、勘探及钻井技术的更新一些复杂地质条件的油气藏、特殊岩性油气 藏显著增多，对识别与评价油气层的技术提出了更高的要求，对录井技术提出了 新的挑战。例如石油钻井中，普遍使用的p d c 钻头，其钻出的岩屑彩状细小，甚 至破碎成粉末状。传统的录井技术通过观察岩屑颗粒的颜色、形状、触摸岩屑颗 粒质感的方式已经难以达到辨别岩屑岩性的作用。现有的基于计算机的图像采集 仪虽然可配套计算机软件对岩屑岩性进行分析，但其在分辨率、图像采集效率和 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b y a n g ，2 0 0 9 自动化程度上，无法与录井现场的要求所同步。这使得地层的岩性在录井现场已 难以判断，造成传统的录井方法已难以适应现场施工的要求【3 川。 随着计算机技术的发展和录井技术的进步，今后已经量化的录井参数会变得 更加灵敏准确，原来未量化的参数将通过新的方法和手段进行量化。实施量化的 过程，必将促进技术的发展，更准确反映地下地质情况，提高资料的可对比性， 利用多个手段提高油气层的发现率和解释精度；同时，使得录井技术将向系统化、 平台化、网络化发展，综合录井仪将成为井场信息采集、汇总、处理评价、远程 传输的综合信息平台。 录井技术与钻井技术同步发展，才能满足勘探开发的需要，更好地提高录井 数据的准确性和及时性，增加录井技术的生命力。开展“大斜度定向( 水平) 井 录井技术与应用研究 、“欠平衡钻井条件下的录井方法研究”、“特殊条件下地层 压力检测方法研究”等课题的研究工作已迫在眉睫，同时加大对“p d c 钻头条件 下录井方法研究”的力度，对新的钻井工艺下的综合录井提出切实可行的办法， 为新钻井技术下的录井提出先进适用的技术。 信息技术的发展为录井注入了新的活力，建立现代录井技术体系已是必然之 路。因此，针对目前p d c 钻头条件下岩屑描述存在的问题，基于从宏观到微观以 图像分析技术，开发出一套自动的、适合于现场应用的、集岩屑图像采集处理、 岩性识别、结果输出等功能于一体的新一代专家系统，来解决p d c 钻头条件下岩 屑描述问题是必要的，也是本课题研究目的所在。 1 4 本文的主要研究内容 “p d c 钻头条件下岩屑录井方法研究 项目始于2 0 0 5 年9 月。中国海洋大学 与胜利油田录井公司合作，旨在建立一套适合录井现场应用的一整套p d c 条件下 岩屑录井方法，并在此基础上构建岩屑录井仪样机。 本文主要内容为建立一套适合录井现场的岩屑图象分析、岩性识别的技术和 方法，即构建现场岩屑录井仪并进行样机测试。录井仪的构建主要是针对p d c 钻 头现场岩屑在白光照明下的颜色判定、岩性识别和紫外光照明下的油性检测。本 文经历了从方法探索、方案确立、到样机设计制造及测试的整个过程。 岩屑录井仪分为硬件系统和软件系统两部分。硬件系统包括线阵c c d 、可控 样品平台、可控光源和计算机控制的伺服系统。硬件系统采集的岩屑图像图谱信 4 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b y a n 岛2 0 0 9 息，通过数据接口传到计算机，由软件系统显示图像并进行人机交互岩性、含油 性判别。岩性及含油性的软件判别部分主要是利用图像学、颜色学等原理编程实 现。 本文的主要内容包括： 令p d c 钻头条件下给录井带来问题的国内外现状及解决方法，由此引出本文 所做工作的意义； 令硬件系统方案的设计和构建，上位机和下位机之间通信方法的选择； 令介绍了作为类似仪器通常采用的r s 2 3 2 接口，以及串口的编程控制； 夺为了现场应用中( 大多数笔记本没有串口) 提高通信的速率，增加了u s b 通信，相对于r s 2 3 2 串口通信有更大的优势。 5 岩屑录井仪理# 系统的桕建通信女洼的设”jb y 卸b2 0 0 9 第二章岩屑录井仪硬件系统的构建 岩屑描述硬件系统的核心组件包括摄像机、镜头、光源和载样平台四部分。 各组件在市面上均有不同特点产品以供选择，如何规划系统配置方案、确定器件 参数，使其能够满足现场岩屑分析需求成为为本部分研究工作核心。 2 1 整机设计方案 岩屑录井既包括对钻井过程中不同深度地层岩性的判识，又包括对地下储层 含油性的检测。所以岩屑录井仪的光源包括自光光源和紫外光源，分别用于岩性 的判识和荧光古油性的检测。为了了解现场p d c 条件下岩屑分析的需求和实现岩 屑录井的以上这两方面功能，课题组曾多次到录井现场学习，与专家讨论，从而 设计了多种系统方案，并做了分析论证。我们根据所使用的c c d 类型和c c d 在 不同光源条件下是否共用，把岩屑录井仪的硬件系统分为线阵双光源录井系统、 面阵双光源录井系统和双光源分立系统。 2 1 1 线阵双光源录井系统 i 。髓 j - 酉每磷爵! a 样品槽 传送带 机壳 l ；首蜀瓣醺q 自光l e d 图二1 线阵双光源录井系统结构图 线阵双光源录井系统是指白光光源和紫外光源共用共用一个线阵c c d ，其结 堂曼墨苎堡竺堡墨兰塑塑兰苎望亘蔓垄盟堡生：! 垦兰些! 唑 构如图2 1 所示。特征如下： 线阵c c d 是核心器件，实现高分辨率和动态图像采集； 白色光源和紫外光源，两者交替使用，分别作为岩性判别时和油性检测时 的光源。其中白色光源为两个条形光源，紫外光源为四个点光源； 用传送带来作“载样台”，“载样台”的连续运动配合线阵c c d 的动态扫 描来实现系统的连续采样： 配有试剂喷嘴，可方便地实现在样品上喷洒c c h 等试剂。 2 1 2 面阵双光源录井系统 揖杆? i ：擤勉堕噍曩 i i 施! 煎誓 r 载样台 h 。帆壳： 囊喜熊! ! ! | 型 尊囊芥鹾6 鼍 图2 之面阵双光源录井系统的结构图 面阵双光源录井系统是指白光光源和紫外光源共用共用一个面阵c c d ，其结 构如图2 - 2 所示。特征如下； 面阵c c d 是核心器件，来实现高分辨率的图像采集； 白色光源和紫外光源，两者交替使用，分别作为岩性判别时和油性检测时 的光源。其中自色光源为一个环形光源，与线阵系统不同。紫外光源与前 者相同，为四个点光源： 由于面阵o 不适合动态拍摄，所以采用固定载样台； 配有试剂喷嘴，来完成试剂喷洒。 8 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 堡墨! ! ! ! ! ! ! ：些塑型 2 1 3 双光源分立录井系统 。滑杆 自动挡板 i 孺i 鞲l ：紫井l e d 曩飘差夏i 。自动喷嘴 、紫外l e d 图2 0 双光源分立录井系统的结构图 双光源分立录井系统是指岩性判别部分和油性检铡部分相分离，分别拥有一 台面阵c c d ，分别配以白光光源和紫外光源用于岩性判别和油性检测，其结构如 图2 3 所示。特征如下： 拥有两台面阵c c d ，配合不同光源完成岩性判别和油性检测； 白色光源与紫外光源分离，白色光源采用环形白色光源，用在岩性判别的 部分；紫外光源为四个点光源，用在油性检测部分； 采用固定载样台； 油性检测部分配有试剂喷嘴，完成试剂喷洒。 2 1 4 系统对比分析和系统方案的确定 下面对上述方案进行分析对比，排除不适合方案，最终确定切实可行的方案。 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b y a n g ，2 0 0 9 双光源兼容系统v s 双光源分立系统 表2 1 双光源兼容系统v s 双光源分立系统 双光源一兼容系统 双光源分立系统 优 1 ) 体积小，共用一个c c d 、样品台等装置； 1 ) 采集效果可均达到最佳，白光、紫外光源 2 ) 操作连贯，可同一样品双光源拍照； 可分别搭建符合自身要求的图像采集系 点统，可分别选择最佳的c c d 和镜头参数； 3 ) 价格相对便宜 2 ) 高效：岩性分析和含油性检测同机进行。 缺双光源需共用一套c c d 、镜头，且分辨率、 体积大、造价高 点视场等参数完全相同 白光下岩性分析需要高分辨率样品采集，紫外光下含油性检测则要求大视场、 低分辨率。为了同时满足两方面要求，岩性分析损失了一部分分辨率，而含油性 则要损失了一部分视场。兼容系统主，要求在满足岩性分析分辨率的前提下尽可 能大的提高视场，虽然无法兼顾两方面都达到最优，但是仍能实现相关功能。盆 立系统中，可分别搭建系统，选择最佳参数，更有利于实现现场高效、高准确度 的岩性、含油性分析。因此从效果上讲，采用分立式系统效果更好。但是分立式 系统的造价是兼容式的两倍，远远超出预算。综合考虑系统造价和功能效果，我 们宜采用兼容式系统，不仅降低了系统造价，而且可以用节省的预算适当提高一 下兼容式系统的性能，来达到更好的效果。 线阵岩性描述系统v s 面阵岩性描述系统 表2 2 线阵岩性描述系统v s 面阵岩性描述系统 线阵一岩性描述系统 面阵岩性描述系统 1 ) c c d 像素高，单线可达4 0 0 0 多像素； 优 2 ) 视场可控，一次拍照视场可根据需要通 1 ) 景深大、曝光时间长，易获取清晰图像； 占 过横向拍摄长度控制； 2 1 拍摄过程简单。 j 3 ) 价格便宜。 缺 微距设置下景深小、曝光时间有限，图像 1 ) 高分辨率下视场小，需图像拼接技术弥补； 点 清晰度受到限制，但可满足岩性分析需 2 ) 高分辨率c c d 价格昂贵； 求。 岩性描述需要兼顾高分辨率和高视场两个要求，线阵系统是很好的选择，但 因其景深较小且曝光时间有限，在系统设置时需精细调整；若价格上可以接受， 面阵系统亦是很好选择，且调节过程简单，但是高分辨率下视场小，需图像拼接 1 0 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b y a n 昌2 0 0 9 技术弥补。 线阵双光源兼容系统v s 面阵双光源兼容系统 表2 3 线阵双光源兼容系统v s 面阵双光源兼容系统 线阵一双光源兼容系统面阵一双光源兼容系统 1 ) c c d 像素高，单线可达4 0 0 0 多像素， 优 利于岩性分析； 1 ) c c d 曝光时间较长，可满足荧光拍摄 2 ) 视场可控，一次拍照视场可根据需要通 亮度需求，利于含油性检测； 点 过横向拍摄长度控制； 2 ) 低分辨率下视场大，适合于荧光采集。 3 ) 价格便宜。 缺 1 ) 高分辨率下视场小，不便于岩性分析； 占 c c d 曝光时间有限，拍摄荧光亮度欠佳。 2 ) 高分辨率c c d 价格昂贵。 以上分析表明： 为了满足岩性高分辨率分析要求，兼顾价格上的考虑，用线阵系统较好， 但其荧光采集不是很理想； 为了荧光有效采集，面阵系统较好，但是高分辨率面阵c c d 价格昂贵， 而且在岩性分析时不是最佳选择。 综上所述，虽然线阵双光源录井系统还不是很完美，但是综合考虑各方面的 因素，它还是最合适我们现阶段应用的系统。 2 2 线阵双光源录井系统的构建 在确定使用线阵双光源录井系统后，我们构建了一套基于线阵c c d 的岩属图 像采集系统。在此系统中，线阵c c d 配合传送带可以实现动态采样，实现大数据 量采样，为我们现场录井提供了极大的方便。其与相关专利的比较见表2 - 4 。 结合实验验证、录井现场分析的需求从理论上分析出的硬件系统分辨率指标 和镜头、光源、载物系统各参数对图像引起的多方面影响关系，对硬件系统进行 了改进和完善，最终的硬件系统以线阵c c d 为核心，分为样品传输子系统、摄像 子系统和控制子系统。 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b ，y a n g ，2 0 0 9 表2 - 4 与其它专利的对比 载样台摄像机光源自动手动 竖直自由移动，载 本项目可连续移动的样台和摄像机构 双光源，可方便拍 设计方案传送带成三维自动控制 摄白光和紫外光 手动与自动 两种方式 可移动结构 下岩屑图像 采集部件的摄像 采集仪中包括头安装在升降盘 使由计算机控制 荆州华孚信息水平移动平台，上，升降盘下方装 的摄像头完成全 技术有限公司 特征为台面下有一升降调节圈， 未涉及部的采集工作， 面有两条导轨升降盘上方装有 并将岩屑录像录 散热片 入计算机。 大庆石油 采用样品箱而光电扫描器、紫外 非移动平台来摄像头固定。光源和白光源，白未涉及 地质录井公司 装在样品。光源安装散光板 中国石化河南 电子摄像装置通 石油勘探局 箱体、样品盒 过禁锢卡圈固定 紫外光源安装在 在支架上，支架固 摄像装置的摄像 采用伽马射线 地质录井公司 头两侧 分析样品 定在箱体壁板上 大港油田集团 使用显微镜 摄像头安装在显采用荧光灯箱，在样品上滴少许 地质录井公司微镜的镜眼上未涉及紫外光源 稀释剂( c c l 4 ) 2 2 1 摄像子系统 摄像子系统是整个系统的核心部分，决定了图像采集的质量，直接影响着录 井现场真实岩性判别、分层描述和油性检测等数据分析的准确性。摄像子系统包 括数字摄像机、散热片、微距镜头、图像采集卡、光源等。 光源是摄像子系统的关键组成部分，包括白色光源和紫外光源。 白色光源的选取：摄像机虽然有白平衡调节能力，但是光源的色温仍然可能 带来图像的颜色失真；而其功率，即光源亮度则决定了摄像机能否完全曝光。因 此，在选择光源时要着重选择光源的色温和功率。除此之外，摄像机视场内光线 是否均匀也能影响图像的质量。因此可选择的光源就十分有限。实验中，我们先 后使用过自然光、环形日光灯、条形日光灯和白光u d 。自然光的色温和均匀性 是最好的，也是我们最初使用自然光的初衷，但是使用自然光限制了仪器的使用 时间。实验表明：排除天气因素之外，图像质量最好的时间也只有正午前后的四 五个小时。如果使用自然光，那么描述仪的适应性就会变差。因此，我们放弃了 对自然光的使用。环形日光灯的均匀性很好，但显色性和色温较差。单独使用环 形日光灯时，图像的质量不高；配合白光l e d 时能够达到系统的要求。当我们建 1 2 图2 4 条形白光l e d 光源 单颗发光强度显色性 均匀性照射面积电压 9 5 以上9 2 以上l m m 1 3 4 v 可谓 紫外光源的选取：根据目前定量荧光分析的资料，原油荧光波长基本在 3 0 0 l l m 5 0 岫m 之间，激发波长一般在2 0 0 n m 3 0 0 吣之间，其中重质油荧光主峰波 长在3 9 0 衄左右，中质油荧光主峰波长在3 6 0 聃左右，轻质油荧光主峰波长在 3 1 2 衄左右。因此我们必须要采用紫外光源，而且为了突破以往只能检测重质油 的限制我们希望在光源上作出创新。为此，我们调研了多种紫外光源，并对其 性能做了分析对比，见表2 6 。我们倾向于采用紫外l e d 光源。l e d 波长合适， 不需滤波，发热相对不明显，且寿命长。国外u 生产厂测试使用寿命达5 0 0 0 0 小时( 连续点燃寿命) ，而传统气体紫外光源的寿命在千小时的数量级。与传统气 体紫外光源相比，l e d 电光转换效率更高，能量更集中、能耗更低，远远优于传 统气体紫外光源加滤光片的波长输出工作方式。此外，l e d 灯头可直接接近作用 表面，不需要使用紫外光纤传输，体积小，符合环保和安全要求。目前，市面上 的l e d 已有多个紫外波段的产品。我们可以根据需要组合不同波长的i 正d 制作小 体积的激发光源，来完成中质油和轻质油的检测，实现突破。 重旦墨茎些堡兰墨堑塑塑壁墨堡堡塑些望堡生：! ：垦坚! 唑 表2 7 紫外光源性能比较信息一览表 金属 紫外灯管高压汞灯氙灯氘灯紫外l d 卤素灯 波 发射单波长 长 波长主峰 渡长主峰 连续波长的 紫外光，不连续波长 特3 6 5 删 3 6 5 珊；光谱光源，与日光 紫外兆波长 同种类的 的_ 圯_ 豫，与 不连续光谱接近 1 h 0 0 k d 有不同日光光谱 点 的波长接近 2 5 4 0 8 5 m 价格便宜容 易制作多灯 可选择连续 发热小，寿 优 管的组合来 价格适中 波长的紫外有连续紫外光 命长容易组体积不大， 点 满足光源形光做激发光谱 合来满足光有连续紫 状要求和提 源 源形状要求外光谱 和提高光强 高光强 一般体积长 体积槽大，需 体积鞘丈，需 寿命短 a t i i l e l 公司的灯8 9 s 5 2 ，主控芯片； s n 7 4 l s 2 7 3 ，具有清零功能的八路d 类触发器，辅助完成管脚复用； 8 2 c 5 4 ，具有定时和计数功能，是控制系统动作的主要芯片，有着非常重 要的地位； m a x 2 3 2 ，完成2 3 2 电平与1 几电平转换的芯片，实现硬件系统与上位机 的串口通信； c h 3 7 2 ，u s b 接口芯片，用来实现硬件系统与上位机的u s b 通信。 主控芯片( m c u ) ：a t i l l e l 公司的a t 8 9 s 5 2 。这是一种低功耗、高性能c m o s 8 位微控制器，具有8 k 在系统可编程n a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易 失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引脚完全兼容。片上f 1 弱h 允许 程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位c p u 1 6 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b y a n 吕2 0 0 9 和在系统可编程h a s h ，使得a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控制应用系统提供灵活有效的 解决方案。其主要性能有【8 】： 全静态操作：0 h z 3 3 h z 3 2 个可编程i o 口 三个1 6 位定时器计数器 八个中断源 全双工iy a r t 串行通道 可编程时间间隔定时器芯片8 2 c 5 4 ：一种实现定时和计数功能的外围电路， 拥有3 个独立的1 6 位计数器，每个计数器都可通过程序设计的方法设定为实现定 时功能的各种操作方式。控制系统中用它来控制驱动电机，完成样品传输系统的 各种动作。其主要性能有： 可以处理高达1 0 m h z 范围的输入频率信号 3 个独立的1 6 位的计数器 6 种可编程的计数模式 状态读返回命令 以二进制或b c d 计数 8 2 c 5 4 的四种工作方式【9 】： 方式o ( 计数结束中断方式) 当写入方式o 控制字后，0 u t 立即变为低电平，并且在计数过程中一直维持低 电平。若g a t e = 1 ，写入初值后，c l k 第1 个下降沿到，计数值装入计数器，随后 每一个c l k 脉冲下降沿到，计数器减1 。计数器减到零时，o u t 输出变为高电平， 并且一直保持到该通道重新装入计数值或重新设置工作方式为止。 方式1 ( 可编程单稳态触发器) 写入控制字后，o u t 输出为高电平。写入计数初值之后，计数器并不立即开始 计数，而要等到g a t e 上升沿后的下一个c l k 输入脉冲的下降沿，o u t 输出变低， 计数才开始。结束时，o u t 输出变高，从而产生一个宽度为n 个c l k 周期的负脉冲。 方式2 ( 脉冲波发生器、分频器) 写入控制字后的第一个c l k 时钟上升沿，输出端o u t 变成高电平。若g a t e = l ，写入计数初值后的第一个时钟下降沿开始减1 计数，减到l 时，输出端o u t 变 1 7 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b y 抽g ，2 0 0 9 为低电平，减到o 时，输出o u t 又变成高电平，同时从初值开始新的计数过程。 因此，方式2 能自动重装初值，输出固定频率的脉冲，也称之为分频器。 方式3 ( 方波发生器) 该方式的计数过程按计数初值的不同分为两种情况： 1 ) 计数初值为偶数：写入控制字后的第一个时钟上升沿，输出端o u t 变成高 电平。若g a t e = 1 ，写入计数初值后的第一个时钟下降沿开始减1 计数。减到n 2 时，输出端o u t 变为低电平；减到0 时，输出端o u t 又变成高电平，并重新从初 值开始新的计数过程。可见，输出端o u t 的波形是连续的方波，故称方波发生器。 2 ) 计数初值为奇数：写入控制字后的时钟上升沿，输出端o u t 变成高电平。 若g a t e = l ，写入计数初值后的第一个时钟下降沿开始减1 计数，减到( n + 1 ) 2 以 后，输出端叫t 变为低电平：减到o 时，输出端0 u t 又变成高电平，并重新从初 值开始新的计数。这时输出的波形为连续的近似方波。 每片8 2 c 5 4 包含三路独立计数单元，且可分别设定其工作方式。在岩屑录井 仪的硬件系统中，为了精确控制传送带，将8 2 c 5 4 按图2 7 方式进行连接。 v c ct ：5 4 玎 q g a t e l 譬。面子i u ul l c i x i o u t 2 c u ( 2 g a t e 2 o u t 0 g a t e 0 0c l k 0 z 。 心 r 弋蜀f 而丽一 j f 图2 - 78 2 c 5 4 定量脉冲发生方式工作电路 m a x 2 3 2 和c h 3 7 2 将在后续相关章节中详细介绍。 控制子系统的电源：利用变压器从市电得到1 0 v 的交流电压，整流滤波后得 到1 2 v 电压。采用三端稳压器7 8 0 5 产生5 v 电压，见图2 8 。 1 8 7 6 v 、4 3 2 1 0 吓d 0 1 d d d d d d d d w 列a a 一一一一一一一一一一一一一 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b g ，2 0 0 9 + 1 2 矶 7 8 0 5 图2 8 控制子系统电源电路 2 3 最终的硬件系统 最终便携式p d c 岩屑图像自动采集仪仪器的体积为：长宽高= 5 0 0 m m 3 5 0 m m 4 5 0 m m ，见图2 8 。其特征在于：图像拍摄系统的c c d 安装在与 升降杆相连的滑块上，升降杆通过电机带动来产生上下运动，使摄像机实现准确 对焦。散热片安装在c c d 的外表面，使c c d 保持在正常工作温度范围以内；配 有微距镜头，使岩屑图像可实现高分辨率采集。两条l e d 白光光源通过固定装置 固定在摄像机的左右两侧。紫外光源在摄像机的四周，为四个点光源。样品传输 系统的漏斗安装在系统的顶部，其下方有倾斜挡板，可以调节岩屑下降速率。侧 面装有吸尘风机，用来吸收岩屑中混有的粉尘，以提高图像的真实度，镜头下方 还配有挡板，在非工作状态时起到保护摄像机镜头的作用。传送带的下方有两个 固定在系统外壳的平行滚轴，能通过驱动电机来带动其运动。在传送带的一端， 下方安装有收料斗，用以回收扫描完的岩屑。上面所提到的摄像机为线阵高清晰 c c d ，机身上有能够与微机里的图像采集卡相连的传输接口，侧面的u m 光源为 均匀，高强度光源。 1 9 i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! - ! ：! ：兰! 塑 圈2 9 最终硬件设计圈 与现有的技术相比，具有以下特点： 1 ) 采用的o c d 分辨率高达3 行x 4 0 8 0p h d s 为线阵扫描，可以使扫描到的 图像准确无误地传入系统，获得的图像清晰度远比人工度量得到的高，便 于对微小的岩屑进行特征描述； 2 ) 本仪器使用微距镜头，对比度高达l ：1 。配台高分辨的线阵c c d ，使肉跟 难以细致观察的微小岩屑颗粒轻松呈现在屏幕上； 3 ) 本系统中所用的光源为i e d 白光光源和比d 紫步卜光源，照射强度具有可 调节性，高亮度，环保； 4 ) 采用的样品传输方式为电机驱动传送带传输，更轻松地使摄像机采集到准 确的图像； 5 ) 本系统通过数据线与计算机直接相连，实现完全电脑控制，避免了人为直 接操作系统过程中出现的误差，提高了设备的自动化性能； 6 ) 本系统中漏斗挡板的开口大小、传送带的传输速率、c 采集速率、 光源亮度，均可通过计算机进行调节，以使所采集图像更加清晰； 7 ) 本系统有一个完整外壳，提供给摄像机完好的内部采光环境，不受外界环 境光影响。同时，使镜头得到更好的保护，图像更加逼真。 岩屑录井仪硬件系统的构建及通信方法的设计，j b y a n 岛2 0 0 9 第三章岩屑录井仪常规通信接口 岩屑录井仪与上位机进行通讯，需要通信接口的支持。r s 2 3 2 接口，又称标 准串口，是目前通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定义为一种在 低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。利用r s 2 3 2 来实现串口通信具有技 术成熟，编程实现简单等特点。 3 1r s 2 3 2 接口标准 在讨论r s 2 3 2 c 接口标准的内容之前，说明两点： 首先，r s 2 3 2 c 标准最初是远程通信连接数据终端设备d 1 e ( d a t at e m i n a l e q u i p m e n t ) 与数据通信设备d c e ( d a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 而制定的。因此 这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用 于计算机与终端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定及和计 算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解，我们对r s 2 3 2 c 标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。 其次，r s 2 3 2 c 标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在d t