（信号与信息处理专业论文）可见光成像测井系统.pdf

摘要 测井在石油工业重占有十分重要的地位，本课题就是结合辽河油田的 实际工程项目，以实现一个目前国内先进的测井方案一一可见光成像测井 系统为目的，对提高油田测井的准确性、实时性、有效性进行了分析和研 究，最终研制了一套切实可行的测井系统。 在评述了当前国内外测井技术的状况，并充分考虑了测井环境的恶劣 性和可见光成像测井技术的优越性的基础上，文中将整个测井系统分为硬 件系统和软件平台两大部分。在系统的硬件设计中，针对油田测井的客观 环境，进行了特殊处理：对整体测量电路采用特种装备进行耐高温保护； 对井下的视频信号采用c c d 摄像头进行采集：对井下温度信号利用铂电阻 和v r 变换实现采集；对深度信号采用光电码盘及去抖电路进行精确测量。 实践证明，该硬件方案与以往方案相比，具有抗干扰能力强、可靠性高、 性价比高等优点，并可提供更丰富的井下信息。 系统软件设计基于软件工程思想，对系统进行了功能的模块划分一一 视频图像采集处理，温度、深度数据采集处理，数据光盘刻录，工程数 据处理及前置通信。软件具体采用d e l p h i 编程实现，最后通过与硬件电路 的联调和测试，完成了整个可见光成像测井系统。文中着重介绍了图像处 理部分，使用直方图均衡化等方法对井下图像进行图像增强处理，使工程 人员能够更有效的分析和确定井壁裂纹、磨损、弯曲等状况。 整个系统全部自行设计开发，在软硬件上均采用先进的设计方法和测 量手段，解决了辽河油田目前测井技术存在的不足。目前该系统己顺利通 过了辽河油田的验收鉴定，为促进油田的生产发展起到了积极推动作用， 同时创造了巨大的经济效益。 关键词：测井；信号采集；视频采集；系统软件 a b s t r a c t w e l l 1 0 9 9 i n gp l a y sa 1 1v e r yi m p o r t a n t r o l ei no i li n d u s t r y c o m b i n i n gp r a c t i c a lp r o j e c to f l i a o h eo i lf i e l d ，t h i sp a p e rp r e s e n t sap r a c t i c a ll o g g i n gs y s t e m ，w h i c hh a sa n a l y z e da n d d i s c u s s e dt h ea c c u r a c y ，r e a l - t i m e ，v a l i d i t yo fw e l l l o g g i n gi no r d e rt oi m p l e m e n ta d v a n c e d l o g g i n gp l a n - v i d e oi m a g i n gw e l l l o g g i n gs y s t e m o nt h eb a s i so f d e s c r i b i n gt h es i t u a t i o no f c u r r e n tl o g g i n gt e c h n o l o g ya n dc o n s i d e r i n gt h e a t r o c i o u se n v i r o n m e n ta n dt h es u p e r i o r i t yo fv i d e oi m a g i n gw e l l - l o g g i n g ，t h el o g g i n gs y s t e m c o n s i s t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s u b s y s t e m i nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt o t h eo b j e c t i v e c o n d i t i o no f l o g g i n g ，t h ed e s i g n o fh a r d w a r eh a st a k e n s p e c i a lt r e a t m e n t s ：h i 曲一 t e m p e r a t u r e p r o o fp r o t e c t i o nw i t l lp a r t i c u l a re q u i p m e n t f o rt h ew h o l ec i r c u i t v i d e oc o l l e c t i o n 、v i t h c c d ，t e m p e r a t u r es i g n a lg a t h e r i n gb y p tr e s i s t a n c ea n dv f t r a n s f o r m ，d e p t h m e a s u r e m e n t t h r o u g hp h o t o e l e c t r i ce n c o d e ra n dj i t t e re l i m i n a t i o nc i r c u i t p r a c t i c ep r o v e s t h a t c o m p a r e d w i t h p r e v i o u ss c h e m e s ，t h i s m e t h o dh a s a d v a n t a g e o fah i g h e r p r o p e r t y o f a n t i - j a m m i n g ，b e t t e rr e l i a b i l i t y ，h i g h e rc o s t b e n e f i tr a t i oa n dr i c h e ru n d e r w e l li n f o r m a t i o n i na c c o r d a n c ew i t l ld i f f e r e n tf u n c t i o n s t h es o f t w a r ew h i c h a d o p t ss o f t w a r ee n g i n e e r i n g d i v i d e si n t os i xp a r t s ：v i d e oi m a g i n gc o l l e c t i o n p r o c e s s i n gm o d n i e ，t e m p e r a t u r ea n dd e p t h d a t ac o l l e c t i o n p r o c e s s i n gm o d m e ，d i s kb u r n e rm o d u l e ，e n g i n e e r i n gd a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ， i m a g ep r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e i ti sp r o g r a m m e dw i t l ld e l p h i a n dt h e nt e s t e d a n di m p l e m e n t e dw i t hh a r d w a r ec i r c u i t ，w h i c hr e a l i z i n gv i d e oi m a g i n gw e l l l o g g i n gs y s t e m t h i sp a p e rp u t se m p h a s i so ni m a g ep r o c e s s i n gw h i c hm a k e su s eo f h i s t o g r a me q u a l i z a t i o n m e t h o df o ri m a g ee n h a n c e m e n t ，w h i c hm a k i n ge n g i n e e r e f f e c t i v e l ya n a l y z ea n dm a k i n g c e r t a i nf l a w ，a b r a s i o n ，b e n do f w a l lo f aw e l l t h ew h o l es y s t e mi s s e l f - d e s i g nw i t ha d v a n c e dd e s i g nm e t h o da n dm e a s u r ei ns o f t w a r e a n dh a r d w a r e ，w h i c h e f f e c t i v e l yo v e r c o m ec u r r e n tt e c h n i c a ld e f e c to fw e l l l o g g i n gi nl i a o h e o i lf i e l d t h i ss y s t e ma p p r a i s a lo f e q u i p m e n ti sf a v o r a b l yp a s s e d ，w h i c hg r e a t l yp r o m o t i n g p r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n t o f o i lf i e l da n dc r e a t i n ge n o r m o u se c o n o m i cm e r i t k e y w o r d ：w e l l l o g g i n g ；s i g n a la c q n i s e ；v i d e oa c q u i s e ；s y s t e ms o f t w a r e 可见光成像测井系统 1 概述 1 1 选题背景 测井是地球物理学的分支学科，是矿场勘探的一种方法，广泛应用于煤、石油、天 然气、地下水、金属矿产等资源的勘探中。地球物理测井是利用各种现代物理学的方法 ( 包括电学、声学、核物理、热学、光学、磁学、力学等) 对储层空间的油气特性、沉 积环境、地层层序、构造地质等现象进行定量研究，对油井的井内状况进行具体的检测。 进而逐步形成的一门理论性、实用性很强的边缘学科。油田测井作业环境特殊而复杂， 不但投资大、作业风险大，而且具有技术高度密集、技术难度大的特点。发展石油工业， 必须加强对测井技术的研究，利用现代高新科学技术，开拓石油测井新领域，为石油勘 探测量提供更丰富、更准确的地质信息，为油井的产油、工作情况进行更加及时、方便 的监督、检查。 井下可见光视频成像及处理系统是中国石油天然气股份有限公司辽河油田分公 司2 0 0 2 年重点科技攻关项目，大连理工大学作为受委托方承担该项目的研发工作。经 过近一年的研制，2 0 0 2 年1 2 月，该项目通过了中油辽河油田分公司组织的专家组的验 收，各项技术指标均达到了技术合同中的要求。2 0 0 3 年，辽河油田分公司将此项目作为 推广项目，在辽河油田大面积应用。 1 2 国内外进展状况 测井的历史最早可以追溯到上个世纪二十年代。1 9 2 7 年，法国人s c h l u m b e r g e r 最 早在欧洲使用测井技术，后来传到美国和苏联。现代测井技术以系列化、数字化和标准 化为标志。测井技术经历了数字测井技术、数控测井技术和成像测井技术这几个阶段。 9 0 年代初，美国首先推出成像测井技术，用于提高复杂油气藏的勘探效益，效果显著”1 。 目前，西方三大测井公司( 斯伦贝谢公司( s c h l u m b e r g e r ) 、阿特拉斯公司( a t l a sg u n p e r f o r a t i o n ) 和哈里伯顿公司( h a l l i b u r t o n ) ) 都在大力发展成像测井技术”3 。在全世界 的几个石油测井大国中，成像测井技术是当前国外石油测井的先进技术，特别是对裂缝、 破损等情况的判断效果很好，识别能力强。既可用于裸眼测井满足油气勘探需要，也可 用于生产测井解决油田开发中的问题。 中国的测井技术于1 9 3 9 年由翁文波先生建立，在解放后得到了很大的发展。到目 前为止，测井技术在我国经历了4 个阶段，分别是电测井定性解释阶段、模拟测井半定 量到定量解释阶段、数字测井数字处理解释阶段和数控测井、多井分析解释阶段。我国 的数控测井技术是从8 0 年代初引进a t l a s ，s c h l u m b e r g e r ，h a l l i b u r t o n 等测井公司的 数控测井设备开始的，随后我国自行研究的测井仪器装备也取得了重大的突破，获得了 迅猛的发展，相继生产出一系列填补国内空白的数控测井设备，如h c s 数控测井系统等。 总的来说，中国正在使用数控测井技术，对国际上比较流行的成像测井技术的应用刚刚 起步。成像测井技术中比较有代表性的两种技术分别是超声成像测井技术和可见光成像 测井技术，也是成像技术发展的两条主线。下面就对两种测井技术作以简要介绍和对 比。 可见光成_ 舅 1 2 1 超声电视成像测井技术 成像测井技术出现以前，测井技术的主要缺点在于测井结果不够直观。测井所反映 出来的信息量较少。成像测井技术应用较广泛的是超声波成像测井。超声波成像测井利 用声波的可穿透物体的这一特性，通过向井壁发射超声波，用超声波对井壁进行3 6 0 度 扫描，接收各个界面的反射回波来研究井剖面的情况。然后将声信号变成电信号，再 通过电视转换系统将其变为肉眼可见的图象。将井筒作全方位成像显示，图像立体、直 观。 超声电视成象测井仪器包括下井仪器和地面 仪器两部分，下井仪器负责采集数据，而地面仪 器则负责数据处理、保存数据和产生测并图象。 超声成象测井技术的声源是圆片状压电陶瓷。在 电脉冲的作用下它能产生超声波，而在超声波的 作用下它又能产生电信号。当声波到达井壁或井 壁外界面后，被反射回来，并沿着与入射波相反 的方向回到探头被接收下来，形成所谓回波。如 图1 。l 所示，接收到的0 界面的反射波中包含有 井内壁的信息，1 界面的反射波中包含有套管的 信息，2 界面的反射波中包含有套管外水泥环的 信息。对这些反射回波进行记录、分析、处理就 图卜1 超声测井示意图 f i g 1 1u l t r a s o n i cw e l ll o g g i n g 可检查井壁或套管内壁的表面情况、套管厚度以及套管外水泥环的空间分布。 另一种较先进的方法是在检测套管外水泥环空间分布的探测器中用两种以上频率 的声学探头，通过用两种频率声学探头的探测结果的比较来查明套管外水泥环的空间分 布，最终形成井周围三维立体成像。 对套管内壁、外壁、套管外水泥环及地层各声学界面上的反射信号进行检测，其依 据是各声学界面上的反射波信号在频率、幅度、走时上的差异，从方法原理上是可行的， 但因对声学探头的性能要求高，实现起来比较困难，成本也较高。 1 2 2 可见光成像测井技术 随着微型化c c d 摄像机和高质量视频传输技术 的成熟，视频电视技术应用于测井已经成为现实。使 用视频电视测井可以得到管道内清晰、明亮的视频图 象，具有真实、直观、方便、容易理解的特点。再结 合其它传感器获取当前位置的深度和温度信息，管道 内的情况就一日了然了”。可见光成像测井技术采用 c c d 摄像头实时采集和传输井下的视频信号来观测 井下的情况，与以往的测并方法相比，它可以准确、 直观的反映井下的情况，不用像超声波成像测井那样 建立复杂的解释系统，不再需要后期进行大量的测井 信息解释工作。 图1 - 2c c d 可见光测井示意图 f i g 1 2w e l ll o g g i n gw i t hc c d 可见光成像测井系统 九十年代以来计算机图像处理技术的发展，为测井结果的解释和应用带来极大的便 利，更促进了该技术的迅速发展。该技术已成为当今国内外研究的热点测井技术之一。 1 3 本课题的特点 本课题设计的就是用于检测管道内壁的井下可见光视频成像系统。主要用来检验井 下施工效果、井内总体状况和具体检测要点部位。可以直观地显示井壁状况、井眼状况、 工具位置等。这套系统可检查出井下油管管柱受损或腐蚀部位及其状况，诊断出问题的 严重性。与以往的测井技术相比，可见光成像测井直观准确，本课题所研究及设计的对 象的即为这样一套用于对油井内部情况进行检查的井下可见光视频成像系统。 综上所述，该装置是一套设计完整，涉及模拟、数字电路的复杂系统，用到了多方 面的技术。将视频图像采集处理技术引入到测井系统中，是对原有测井技术的一次技术 的革新。在文中还对一些关键的影响深度测量精度、成像质量的技术问题从理论及应用 上进行了有益的探索，从而进一步提高该系统的整体性能。 1 4 本课题主要工作 为了实现系统功能，做了大量的软硬件工作，可以总结如下： 1 设计了井下温度采集转换电路。采用电桥检出铂热电阻的阻值变化，转换成电 压信号，再利用转换电路将得到的电压信号经过放大和电压频率变换，转换成一定频 率的脉冲，此脉冲信号通过一定方式调制在供电电源上传送到地面： 2 设计了用于地面信号预处理的控制卡，实现视频预处理、温度和深度脉冲信号 的采集处理等功能。该部分对温度信号和由光电编码器产生的深度脉冲信号进行计数和 计算，得到当前的电缆释放长度和温度值。然后将这两种数据叠加在从井下采集上来的 视频图像上，同时这两种数据通过串行口传送给工控机。视频信号经过补偿和均衡后送 至工控机上的视频采集卡； 3 设计了控制卡上的字符叠加电路。选用专用的行、场同步分离集成电路和字符 叠加集成电路，通过单片机来完成各种信息的收集处理和后期的字符叠加控制，可以方 便的设置字符的位置、大小、亮度、显示方式等，叠加到预处理后的图象上； 4 设计了工控计算机上运行的控制软件。工业控制计算机内插一块视频采集卡， 用于对视频信号进行数字化采集，同时通过串口与控制卡通讯，获取温度及电缆释放长 度数据。控制软件中包含视频采集软件，可以将采集卡采集到的视频数据进行实时的显 示。 5 采用定的数字图象处理算法，对关键的图像根据需要作了亮度对比度调整、 数字滤波、锐化、条件直方图等处理，使图像得到最佳的效果。 1 5 章节安排 论文第2 章对整个可见光测井系统做了一个总体的介绍，在第3 章对系统的硬件结 构和控制方法作详细介绍，第4 章对系统的软件平台和图象处理算法做详细介绍，第5 章给出系统的整体性能和评价，最后在第6 章对本课题作以总结和展望。 4 可见光成像测井系统 2 系统整体介绍 本章对系统的整体结构、功能模块以及系统工作方式作一个总体的介绍，软硬件各 组成部分的详细设计在后续章节中进行介绍。 2 1 系统实现方式 系统要完成的主要功能是采集井壁图像、井下温度，并将井壁图象、井下温度与相 应的井下深度对应起来，井下深度通过地面上的电缆绞车和上面装置的光电码盘测量。 为了实现上述功能，系统主要由以下部分组成：井下工作部分，含c c d 图像采集部 分、温度数据采集和转换部分；信号传输部分( 承荷电缆) ；地面信号预处理部分；深 度数据计数部分：计算机通讯及图像处理部分。在测井过程中，井下图像采集、温度数 据转换及信号传输部分将通过电缆旌放于井下，深度数据计数部分、地面信号预处理、 工业控制计算机部分位于地面。其系统结构示意图如图2 1 。 1 复台电缆；2 井f 部分：3 采油管道；4 光电码盘；5 电缆绞车： 6 地面处理模块；7 工业控制计算机：8 井下处理电路： 9 金属保护套管； 1 0 微型0 摄像机：1 1 温度传感器；1 2 井下照明灯 图2 - 1 系统组成结构图 f i g 2 - 1s y s t e ms t r u c t u r e 井下部分分为井下照明、视频摄像、温度变换及摄像机镜头清洁装置等四个部分。 照明灯为摄像头在采油管道里提供照明：井下图像采集使用微型c c d 黑白摄像头，摄取 管道内视频信号。c c d 采集的井壁表面图像信息经过信号传输部分传输到地面。为了使 可见光成像的视野清晰，需要在c c d 摄像头的前端放置一个井下照明灯：为防止摄像机 镜头前端被井下污物或原油污染，需要对前端的透光玻璃进行必要的防污染处理；温度 数据采集部分采集井下的温度信号，也通过信号传输部分传到井上：整个井下部分的设 备被密封在一个金属保护套管里，随着测井电缆放入井下。 井下电缆由低损耗同轴电缆和电源供给电缆组成，是特制的专用电缆。信号传输部 分为视频信号、温度脉冲信号的传输和井下设备的电源供给提供传输通道。视频信号由 同轴电缆传输，温度脉冲信号经调制后通过电源线传输。系统设计要满足测井的深度要 求，传输电缆总长度为3 3 0 0 米。本系统中采用的是特制的低损耗的同轴电缆( 或光缆) 作为视频传输电缆，电缆外部带有特制的金属保护层，以增加电缆强度。 井上部分用光电码盘来测量电缆的伸长量，进而得到井下装置的具体位置。地面信 号预处理部分采用单片机进行控制，对温度、深度信号进行处理。单片机通过串口和工 业控制计算机通讯。上位机中的监控系统实时的监视井下情况，记录井下信息。 2 2 系统结构 可见光成像测井系统的设计包括软、硬件两个方面。在后面的各章中对系统的不同 部分分别加以说明。 图2 - 2 系统结构框图 f i g 2 - 2s y s t e mb l o c kf i g u r e 系统的结构框图如图2 2 所示，按各部分的工作位置来分类，总体上又可以分为井 上和井下两个模块。 井下模块包括温度信号的采集和视频信号的采集。温度信号的传输是通过井下供电 电缆。视频信号是用同轴射频电缆进行传输。温度信号在井上提取出来后送至控制卡的 单片机。视频信号分别送到控制卡的行、场同步分离电路和字符叠加电路中。 井上模块包括控制卡、光电码盘和工控计算机。光电码盘采集到电缆的深度信号， 将信号送入到控制卡的单片机中。行、场同步分离芯片从输入的视频信号中提取出垂直 同步信号和水平同步信号，将这两路信号送到字符叠加芯片中作为字符叠加的时序使 用。行、场同步分离芯片的复合同步信号控制一个振荡器，将它的信号送入单片机。单 片机接收码盘的深度信号、井下的温度信号和行、场同步分离芯片的控制信号，对信号 进行处理。单片机控制字符叠加芯片在输入的视频流上叠加上正确的信息。单片机通过 串口和工控计算机通信。工控计算机将单片机送来的深度、温度数据进行处理、存储。 可见光成像测井系统 工控计算机中的采集卡接收字符叠加芯片输出的视频流。通过对采集卡的控制，可以实 现图像信号的采集和对井下情况的监视。 2 3 系统工作过程 系统工作前先要做好相应的准备工作。首先要清洗油井，将井下电路放入特制的保 温装置中密封起来。连接好各个部分的连线，各个模块加电，进行必要的下井前测试， 保证电路系统工作正常，此后就可以把下井设备投入井中，修正深度，开始测井工作了。 测井时持续释放电缆使井下部分向下移动，这时井下部分的c c d 摄像机就开始采集 井壁的图象信息。信号采用高电平基带传输的方式，因此要在发送端进行信号的放大， 放大后由同轴射频电缆传输到井上处理。同时，温度采集模块通过测温电桥得到测温电 阻变化所引起的电压的变化量。在对电压信号中的共模信号进行抑制后，对信号进行放 大。然后将信号进行压频变换后叠加在电源线上传输到井上。 测井电缆绕在传动辊上，光电码盘随测井电缆释放和回收同步转动，光电码盘输出 脉冲数对应于测井电缆的位移量。光电码盘的输出经去抖动电路后，送入单片机中做计 数处理。标志温度值的频率信号在地面被采集到以后经过放大和整形后也送入单片机中 进行处理。井下传上来的视频信号首先经过处理卡中电路的补偿和均衡处理，然后送入 视频字符叠加电路，由单片机控制该电路部分的l m l 8 8 1 和u p d 6 4 5 0 将井下图象对应的 温度和深度信息以字符形式叠加在预处理后的视频信号上。叠加了字符信息的视频信号 再被送入工控计算机上安装的采集卡。通过对采集卡的控制，可以实时监视井壁的图像， 也可以将视频信息保存为m p e g 格式的数据文件，或取出单独的图片保存为位图文件。 控制卡上的单片机同时会将深度、温度信息再通过串行口传送到工控机中，由工控机上 运行的软件平台对深度信号进行补偿，绘制井下的温度、深度曲线等。 在井下装置到达井底时，就可以向上提升电缆，在此过程中对井壁再观察一次。温 度和深度信息再采集一次。两次测量的结果作为最后评价井下状况的参考。 3 系统硬件设计 系统的硬件结构大致上可以分为井下特种装备( 特制电缆、保温外壳) 、井下信号 采集电路( 视频、温度) 、地面视频信号处理和字符叠加电路。视频信号预处理电路包 括视频信号的放大、补偿。字符叠加电路将温度和深度信息叠加在视频信号上。本章中 将详细介绍这几部分硬件电路的设计。 3 1 井下特种装备设计 井下的环境比较恶劣，高温、高压，为保证系统能在1 5 0 c 时正常工作，要选择耐 高温的电缆，并要对井下电路进行耐高温、耐高压的处理。本系统的井下设备前端使用 耐高温的石英玻璃透光镜，并采取了防止原油粘在镜头上的措施。 3 ，1 i 电缆选取 井下电缆是由控制电缆、同轴射频电缆及钢索组成的复合铠装电缆。 控制电缆选氟| 6 材料线缆。氟。材料线缆可在2 0 0 c 高温下长期工作，并可短时间 在2 5 0 高温下工作，氟4 6 材料线缆有耐酸碱、王水、腐蚀性气体，防油、水、抗老化、 耐磨等特点，可以在高温、强腐蚀等恶劣环境中使用。 同轴射频电缆选为聚四氟乙烯绝缘射频电缆。聚四氟乙烯绝缘射频电缆柔软性好、 耐高温、耐腐蚀、耐潮湿、不燃烧以及损耗小等特点，非常适合井下视频传输。 钢索采用普通钢索，主要作用是用于下井装置承重，需要根据下井设备的重量和井 下电缆的长度、重量选择不同直径的钢索。 3 1 2 透光镜选择及镜头防污措施 井下视频采集装置的c c d 摄像机封装在保温护套筒内，前端透光镜采用光学石英玻 璃。石英玻璃具有耐高温、膨胀系数低、耐抗震性能，广泛应用于半导体、光导通讯、 光学仪器上。井下设备的透光镜采用光学石英玻璃材料，不但具有良好的透射率，也可 以胜任井下高温高压的工作环境。 油井内有水有油，非常容易污染镜头，影响测井成像，为了解决这个问题，通常可 以采用两种方法。第一种是利用光催化原理，用熔胶凝胶法在玻璃材料表面镀上一 层参杂的t i o 。光催化剂薄膜，可以防止并下油污附着在镜头上；第二种方法是在镜头 玻璃表面涂上一层抗亲油剂，这样原油就不会粘在镜头上。本系统中采用的是第一种方 法，经过实际环境检验，该方法可以很好的防止油污附着。 3 3 3 井下电路设计与特殊保护 石油井采油管道最小直径只有l o c m ，下井设备过大将不能满足要求；此外井下3 0 0 0 米深度时，温度可达1 5 0 ，通常的电路都不能在这样的环境工作，因此还需要对井下 电路作适当的防高温处理。本课题采用如下3 种办法解决上述问题： ( 1 ) 井下处理电路板做成狭长形，考虑外面套筒的内径，电路板最宽可为5 c m ； ( 2 ) 选用耐高温器件设计井下电路部分； ( 3 ) 特制个有真空夹层的不锈钢保温瓶，将并下设备的全部电路板，包括摄像 机，都放入保温瓶中。 8 可见光成像测井系统 实践证明，以上措施可以使井下设备在测量时正常工作，测量完成时保温套筒内的 温升也不太大。 3 2 视频采集模块设计 c c d 摄像机采集的视频信号要通过同轴电缆进行基带传输。由于传输距离比较长， 地面上要对视频信号进行必要的放大和补偿。下面先研究电缆的结构及其特性，在此基 础上设计电缆的传输方案。 3 2 1 视频同轴电缆的结构和特性 同轴电缆结构示意图见图3 1 ，图中l 为内导体，是由单根或多根导体组成的芯线： 2 是外导体，由软铜线编制成网状。两者间填充聚乙烯泡沫等绝缘材料，在外导体表面 覆盖绝缘外皮。在视频以至更高频的频率范围内，同轴电缆应作为有损耗的传输线来处 理，同轴电缆的等效电路可用图3 2 表示”1 ： 图3 - 1 同轴电缆结构示意图 f i g - 3 1 s t r u c t u r eo f c a b e l 图3 2同轴电缆的等效电路图 f i g 3 - 2 c i r c u i td i a g r a mo fc a b e l 图中，l 、c 、r 、g 分别代表单位长度电缆的电感、电容、电阻与电导，由等效电 路可以看出，电缆的传输特性与信号的频率有着十分密切的关系。电缆的特性可用下 列三个物理量来表示： 特性阻抗： 衰减常数 z o = r o 七3 x 0 ( r 2 + 9 0 2 l 2 ) ( g 2 + 2 f 2 ) + ( r g + m e c ) + 刈 x ( r 2 + o f l 2 ) ( ：g ( g 2 + ：+ c o 出2 c ：2 。) ：) - ( r g + ( 0 2 l c ) 口= 痧元赢磊瓦面石 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 相移常数：= 1 s 币i i i 丢未手；i 手i 赢 ( 。， 电缆在低频段和高频段时特性是不同的，在高频时衰减常数与频率的平方根成正 9 比。图3 3 为频率在2 0 千赫以上时衰减常数与频率的关系曲线，从图中可以看出对于 不同频率及不同长度的电缆其衰减曲线的差别。其中长度i i 1 2 1 3 。 对于相移常数，在高、低频段内也是 不同的。相移常数随电缆长度、信号频率 的增加而增加。因此，由于相移常数的不 同所引起的传播速度的差异会使在电缆中 传输的视频信号也产生相位失真。 同时影响同轴电缆衰减量的因素还 有由温度变化造成的衰减及由于电缆特性 阻抗不均匀产生多重反射而引起失真等， 由于其在此应用中所造成的影响不大所以 忽略其影响不予考虑。 图3 - 3 对应于不同长度电缆的衰减曲线 f i g 3 3 c u r v eo fa t t e n u a t i o n 3 2 2 视频信号放大电路设计 在工业电视中，视频放大器很多是用晶体管分立元件构成的，成型的电路也有不少， 但是分立元件构成的视频放大器都电路复杂，元件数量多，会给电路的调试带来很多麻 烦，而且受外界环境影响比较大。 测井仪器中不仅要求器件可靠性高，而且体积要小，单电源供电。通过比较，这里 选用了m a x i m 公司生产的视频专用缓冲放大器集成电路m a x 4 0 1 7 ，其主要参数如下： 单路电压增益v o v i = 2 ( 6 d b ) ；- - 3 d b 带宽2 0 0 m h z ，转换速率6 0 0 w l as ；可3 1 5 1 1 v 单电源供电，输出驱动能力1 2 0 m a ：m a x 4 0 1 7 内部包含二路单独的视频放大器，应用 电路十分简单，外围元件少，可以使这部分电路体积很小。 图3 - 4 为m a x 4 0 1 7 应用电路，输入视频信号幅度为1 v p p ，通过m a x 4 0 1 7 两级 放大，输出幅度为4 v p p 。 图3 - 4m a x 4 0 1 7 应用电路图 f i g 3 - 4a p p l i c a t i o nc i r c u i to fm a x 4 0 1 7 3 2 3 电缆补偿设计 在此系统采用的基带传输中，通过使用电缆补偿电路达到了满意的效果。同时，为 抑制低频干扰，提高系统的抗干扰能力，在电路中还采取了提高传输电平的方法，将送 入电缆的视频信号电平由1 v p p 的标准电平提高到4 v p - p 左右，在电缆终端将其进行适 当衰减后送入均衡器进行处理。 同轴电缆传输方式的选择上采用基带传输方式，不对视频信号做调制处理，直接传 送视频信号。基带传输存在的问题是：由于视频信号频带很宽，并且起始频率又很低， 可见光成像测井系统 在电缆中传输时，振幅及相位在低频段与高频段的差别就会很大。在相位失真大时，难 以用简单的电路进行补偿，由于这个原因使它的传输距离受到了很大的限制；其次是这 种传输方式的抗干扰能力较差”“。 由于同轴电缆的结构的关系，电缆中存在着分布电容和分布电感，当电缆较长时， 对视频信号中的高频分量将产生明显的衰减。在文献【2 l 】中给出了电缆的衰减常数和相移 常数。得出了视频信号在同轴电缆中传输时，其损耗值随电缆的长度和信号的频率而增 加的结论。 在远距离传输视频信号时，由于同轴电缆的具有上述的一些特性，必须对电缆传输 所引起的频率失真及相位失真进行补偿。但距离只在几公里范围内时，黑白电视信号传 输时所产生的相位失真是不显著。同时，在对频率衰减特性进行矫正的时候也会对相位 失真进行一定的矫正。所以在本设计所需的电缆损耗补偿电路中只考虑对频率失真进行 补偿。 电缆补偿电路由r c 串联补偿电路组成，这种r c 补偿电路原理如图3 5 4 1 。将电缆 的衰减曲线分成几段，对应于各段都用一组r c 串联电路予以补偿。各组r c 串联电路 1 的中心频率为f o = _ 之= ：这样由多组r c 电路的构成的均衡器就实现对特定长度电缆 z z f l 衰减的整体补偿。 图3 5 同轴电缆均衡器r c 补偿网络 f i g 3 - 5 c a b l ee q u a li z e r 图3 - 6电缆补偿部分电路图 f i g 3 - 6 c a b l ec o m p e n s a t e 一个完整的电缆均衡器除了对电缆传输的频率失真进行补偿外，还必须具有抗干扰 能力、增益和补偿点可以微调、阻抗匹配等要求。补偿部分电路图如图3 - 6 所示，其中 k 1 用于切换补偿网络电容，由单片机控制，p 1 用于调节输出视频信号幅度。 3 3 深度检测模块设计 深度数据采集采用的方法是测量所施放的测井电缆长度，通过计算即可得到井下摄 像机所处的位置。对于电缆长度的测量选用了s b d m 3 2 - - 1 型测井深度测量器，其内部 为一增量式光电编码器，测量时将测井电缆绕在传动辊上，光电编码器的光码盘与传动 辊同轴。这样光电编码器的输出脉冲数就对应于测井电缆的线位移量。对光电编码器的 输出脉冲信号予以计量就可得到电缆的长度信息。 光电编码器具有内部光电码盘( 尺) 固有分辨率高，使用方便，输出脉冲信号与数 字电路兼容，且抗干扰能力强的特点，比模拟检测方式有更明显的优越性能。码盘式光 电编码器是把角位移转换为对应数字代码，集传感器和模数转换于一体的数字式测角 仪，光源部分由3 只红外二极管组成，接收电路中的接收单元由3 只光电三极管组成， 与前者一一对应，编码码盘由主光栅和指示光栅组成。发光二极管发出的红外光经过编 码盘照射到光电三极管上，当主光栅旋转时，形成光闸莫尔条纹。光电三极管接收到这 些明暗交替的光电信号，经放大整形后，输出矩形脉冲。每一输出脉冲代表某一角位移， 其分辨率由光电编码器的线数( 每周的线数) 决定，当周长固定时线数越多其线位移分 辨率也越高。为了判别旋转的方向，增量式光电编码器a 、b 两相矩形脉冲输出相位差 为9 0 度。 l ! ： a 厂 阳广 n 厂 i 门i 厂 a 厂 厂 厂 b 厂 厂 厂 ( a ) 正转( b ) 反转 图3 7 光电编码器a 、b 相输出波形图 f i g 3 - 7o u t p u tw a v e f o r mo fp h a s ea ，b 如图3 7 所示，当a 相相位超前b 相9 0 。时，表示光电码盘正转，反之光电码盘反 转”1 。精确计量a 、b 两相脉冲信号的输出脉冲数，就可得到编码器检测的位移量。 基本计量方法是使用一组双向可逆计数器，根据a ( b ) 相脉冲信号的上升沿时刻 或者下降沿时刻所对应的b ( a ) 相脉冲信号的逻辑电平值进行计数操作，并由此判断 出光电编码器的运动方向。若为高电平，则认为光电编码器正转，计数器加1 ，若为低 电平，则认为光电编码器逆转，计数器减1 。在理想情况下，该种方法均能准确给出光 电码盘的光栅转过角度的绝对位移值，其最大绝对误差为一个信号周期所对应的距离， 即计量精度是光电码盘的光栅所决定的固有分辨率。 由上面的叙述可知，正常情况下a 、b 两相时序脉冲信号的相位差保持9 0 。不变， a 相脉冲的两个跳变沿时刻所对应的另外一 b 相脉冲的电平值是相反的。当光码器抖动时，q 1 a 、b 两相时序波形的相位差不再是9 0 。关 q 2 2 里墨垄堕堡型茎墨竺 一 抖动干扰信号两个跳变沿时刻所对应的另一相脉冲信号的电平值是一致的，因此，可以 利用d 触发器将两跳变时刻所对应的另一相脉冲的逻辑电平寄存起来，并在计数时刻进 行比较。一致为干扰信号，计数器停止计数操作，若不一致则为正常工作信号，计数器 进行正常计数，从而消除抖动引起的重复计数现象，实现高精度计量。很明显，在这种 计量方法中，计数器的位数由有效脉冲总数决定，即可根据码盘计数码道中透光窗的总 数确定。 图3 - 9 即为采用上述原理消除抖动干扰的电路图。电路中m c l 4 5 3 8 为双精密可重触 发单稳态触发器。该器件工作时每一个触发器可单独外接一对电阻r x 和电容c x ，调节 r x 和c x 的数值可得到两个不同宽度的单稳脉冲。输出c l k 为计数触发时钟信号，u d 端为光电编码器的方向状态信号，用于判断光电码盘的旋转方向。 图3 - 9 去抖原理图 假设在图3 - 9 所示电路a 、b 端输入图3 8 所示的信号a 、b 。可以很容易的推断出 在该输入信号作用下，抖动所引起的时序脉冲均被抑止掉了，只有单方向位移所对应的 脉冲信号才产生计数脉冲输出，完全消除了抖动的干扰。在a 相或b 相任何一相脉冲 的边缘，无论是否存在抖动干扰，只有第一次跳变信号才被有效记入，而抖动所引起的 多次跳变脉冲均被锁存的状态信号所抑止，从而保证了光电编码器输出脉冲信号计量的 准确性。 此电路中只利用了两相脉冲的四个跳变沿中的一个( b 相脉冲的上跳沿) 产生计数 脉冲，相邻两个计数脉冲所对应的在码盘上的检测距离为两个透光窗宽度，即计量精度 仍为编码器的固有分辨率。 旦墨垄堕堡型茎墨竺 每个输出脉冲所代表的测井电缆的线位移量用下式表示： d l 2 z z ( 3 4 ) nn 式中，上为传动辊周长，五为传动辊半径，为光栅盘的线数。 在此处选用的编码器输出脉冲所代表的线位移量d = 1 2 8 n g n 。 测井中计数所能达到的脉冲个数最大值可由h = 兰( d 为电缆长度，d 为每个输出 脉冲代表的线位移量) 求得。系统中测井电缆的长度约为3 3 0 0 米，光电编码器的输出 脉冲总数最大值即为 = = 3 3 0 0 0 0 0 1 2 8 = 2 5 7 8 1 2 5 。 3 4 温度检测模块设计 3 4 1 温度传感器的选择及测温电路的设计 1 温度传感器的选择 温度传感器的选择主要是要考虑被测量物体的温度范围、电阻材料的化学稳定性、 电阻值与温度变化要保持线性关系等。 一般来讲，地壳中温度与深度成正比，深度每增加1 0 0 米温度便要上升3 左右。用 地温梯度的概念来表明这个变化量。地温梯度定义为：每加深1 0 0 米，地层中温度升高 的度数。表示为t ，单位为( 1 0 0 m ) 。我国主要地区地温梯度见表3 - 1 。 表3 l 我国主要地区地温分布( 1 0 0 m ) t a b l e3 - 1d i s t r i b u t i o no ft h eg r o u n dt e m p e r a t u r e ( c l o o m ) 除此之外，还要考虑油井的深度。早期油井只有几十至几百米深，近年来油井深度 逐渐加深，大部分石油生产井的深度在5 0 0 至3 0 0 0 米之间。石油生产并的最深记录是 6 5 0 0 米。由于地温梯度的存在，井下的温度将随深度的增加而升高，由此可以对温度传 感器的所需测温范围进行估算。 井底最高温度，可由下式进行计算确定： t 。= 2 3 + a t h ( 3 5 ) 式中，t 。是井底最高温度( ) ，t 是地温梯度( c l o o m ) 。h 为井深( m ) 。 当取a t 为4 5 1 0 0 m ，则在6 5 0 0 米处温度则为2 3 + 4 5 x 6 5 0 0 1 0 0 = 3 1 5 5 c 。 可见光成像测井系统 因此，测温部分的温度传感器测量范围选在o 一3 2 0 即可满足绝大多数条件下的测温要 求。按照客户的要求，我们设计的系统只需要满足3 3 0 0 米的测量范围，而且测量的地 点一般也只在辽河油田的范围内。因此温度的计算实际上取a t 为3 5 c i o o m ，则在 3 3 0 0 米处的温度只有2 3 + 3 5 3 3 0 0 i 0 0 = 1 3 8 5 c 。因此，测温部分的温度传感器测 量范围选在0 1 5 0 即可满足系统的测温要求。 在此温度范围内可供选择的有热电偶、热电阻及集成测温元件等。最常见的热电阻 有铂、铜、镍及半导体热敏电阻。与铜、镍及半导体热敏电阻相比，铂电阻具有可测量 温度范围大、精度高、稳定性好、性能可靠等优点，而且具有高熔点、高稳定性、耐氧 化性，可以耐受各种化合物质，抗腐蚀性能好。 铂电阻的基本结构十分简单，其敏感部分由玻璃、云母、陶瓷等绝缘材料支撑并与 导线相连，外部包裹保护性外套“。具体选用的铂电阻是薄膜铂电阻( p t l 0 0 ) 作为测 温元件，为防止井下硫化氢腐蚀采用中6 5 的铜制外壳封装。该铂电阻测温范围一般为 一7 0 + 6 0 0 。其特点是热响应时闯特别小。一般工业用铂热电阻的时间常数为几秒 至几十秒，而薄膜铂热电阻的时间常数一般在o 1 0 3 秒，适合于测量表面温度和动 态温度检测。 在0 6 3 0 0 c 范围内，铂电阻的电阻值与温度问的关系可以精确地表示为式( 3 6 ) 。 r ，= r o ( 1 + 一，+ b f 2 + 0 3 ) ( 3 6 ) 式中，m 是热敏电阻温度为t 时的电阻值，r 。表示温度为0 0