CC BY
61
УДК: 550.832
А.Д. Акчурин1, K.M. Юсупов1, О.Н. Шерстюков1, В.Н. Горбачев2
'Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань
2000 «ТНГ-Групп», Бугульма [email protected]
МАКЕТ СКАНЕРА ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ С ПОВЫШЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ.
АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ
Для разработки скважинного акустического сканера высокого разрешения необходим экспериментальный макет, выполняющий ультразвуковое зондирование на частоте 500 кГц для проверки возможности обнаружения трещин с минимальным раскрытием не менее ~1 мм. Макет выполнен с использованием промышленного отладочного комплекта (содержащий программируемую логическую интегральную схему (ПЛ СБИС)) и разработанной нами платы согласования (с использованием высокотемпературных компонентов). Логическая часть схемы размещена в ПЛ СБИС, а аналоговая - на плате согласования. Такое сочетание плат позволяет быстро создать простой и недорогой макет системы управления акустического сканера без использования аппаратного сигнального процессора.
Ключевые слова: акустический сканер, ультразвуковое зондирование, обнаружение трещин.
Введение
Акустический сканер (АС) в случае применения в скважинах предназначен для сканирования ствола скважины с целью выявления трещин в продуктивных пластах и дефектов конструкции обсадной колонны. Современные скважинные акустические сканеры (САС) регистрируют трещины с раскрытием ~3-5 мм (Описание отладочного комплекта DE2 development and education board [Электронный ресурс]). Обнаружение трещин ~1 мм требует применения ультразвуковых излучателей с частотами ~1 МГц и более. Работа в данном частотном диапазоне усложняется повышенным поглощением из-
лученных сигналов в мелкодисперсионной среде, присутствием шумов в отраженных сигналах, а также использованием высоких частот оцифровки. Немаловажной проблемой исполнения САС является работа в условиях повышенных давлений (~80 МПа) и температур (~120°С). Повышенное давление сказывается на конструктивных особенностях корпуса прибора, а повышенная температура ограничивает выбор электронных компонентов, которые фирмы производители выпускают для работы в автомобильной промышленности («automotive» temperature range - автомобильный температурный диапазон от -40°С до 120°С).
Окончание статьи Г.С. Хамидуллиной, Д.И. Хасанова, К.И. Бредникова «Методика обработки и интерпретации данных электромагнитных...»
реза, к факторам, определяющим эти свойства. Эти вновь полученные характеристики (результаты МГК) подлежат обработке с помощью любых методов анализа геологической информации.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 2010-218-01-192).
Литература
Иберла К. Факторный анализ. М.: Статистика. 1980. 398.
Сидоров В.А., Тикшаев В.В. Электроразведка зондированиями становлением поля в ближней зоне. Саратов. 1969. 58.
Хамидуллина Г.С., Нургалиев Д.К., Хасанов Д.И., Бредников К.И. Геоэлектрическая модель осадочного чехла центральной части Волжско-Камского региона. Ученые записки Казанского университета. Естественные науки. том 152. кн. 4. 2010. 9-22.
Хамидуллина Г.С., Хасанов Д.И. Некоторые методические приемы обработки данных электрозондирований становления поля в ближней зоне с целью выявления углеводородов. Нефть. Газ. Новации. №9. 2009. 57-60.
G.S. Khamidullina, D.I. Khassanov, K.I. Brednikov. The method of processing and interpretation EM sounding data using principal component analysis.
The paper deals with near-field time-domain electromagnetic sounding data processing and interpretation using the principle
component analyses for example area in the north-eastern slope of the dome of the South Tatar Arch.
Keywords: near-field time-domain electromagnetic sounding, the principle component analyses, conductivity, longitudinal conductance, factors, factor loadings.
Галина Сулеймановна Хамидуллина
старший преподаватель кафедры геофизики. Научные интересы: комплексирование геофизических методов, гра-виразведка, электроразведка, сиквенс-стратиграфия.
Дамир Ирекович Хасанов
к.геол.-мин.н., доцент кафедры геофизики. Научные интересы: комплексирование геофизических методов, магниторазведка, электроразведка, палеомагнетизм.
Константин Игоревич Бредников
Инженер кафедры геофизики. Научные интересы: электроразведка, малоглубинные методы геофизики.
Казанский (Приволжский) федеральный университет. Институт геологии и нефтегазовых технологий.
420008, Казань, ул. Кремлевская, д. 4/5.
Тел.: (843)233-73-75.
т ж научно-технический журнал
ШЖ Георесурсы 6 (42) 2011
В наши задачи входило изготовление макета АС высокого разрешения (АС ВР), позволяющего регистрировать трещины сечением мм, используя частоту зондирования ~0,5 МГц.
Определяющей частью проекта АС ВР является цифровая система управления, в задачи которой должны входить: генерация сигналов излучения, параллельный сбор и обработка информации с нескольких аналого-цифровых преобразователей (АЦП), запись данных на носитель информации (на SD карту). Такую систему управления возможно реализовать как на основе микропроцессора (микроконтроллера), так и на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛ СБИС). Решение было принято в пользу последней, поскольку ПЛ СБИС обладает следующими возможностями: параллельной многоканальной обработкой данных и создание нескольких независимых цифровых устройств в одной микросхеме, что ведет к минимизации габаритов изделия. К преимуществам ПЛ СБИС можно также отнести и то, что система управления, реализованная на языке описания цифровых схем (HDL-описа-ние), не привязана к конкретной модели ПЛ СБИС, а может встраиваться в различные модели СБИС (различных производителей).
Для быстрой схемной реализации АС решено использовать отладочный комплект DE2 (development and education board) (Техническое описание скважинного акустического сканера [Электронный ресурс]), содержащий достаточно емкую ПЛ СБИС. В пользу этого выбора сыграло также наличие в комплекте богатой палитры готовых аппаратных интерфейсов и решений, таких как семи сегментные индикаторы, память, слот SD карты, USBGeneration Pulses
Рис. 1. Структурная схема макета АС ВР.
хост, массив из множества переключателей и кнопок, которые могут пригодиться на стадии проведения экспериментальных работ по зондированию.
Несмотря на то, что современные ПЛ СБИС могут иметь ~100 тыс. лог. элементов и более, СБИС для автомобильной промышленности имеют ограничения по числу логических элементов. Так, для ПЛ СБИС по 90 нм технологии изготовления оно ограничено ~20 тыс. и ~70 тыс. для 45-60 нм технологии. Поэтому дополнительной целью использования БЕ2 является выяснение (минимизация) объема логических элементов, которые потребуются для размещения системы управления АС ВР в ПЛ СБИС.
Длина волны ультразвукового сигнала с частотой 0,5 МГц равна ~3 мм, при этом необходима регистрация щелей с 1 мм раскрытием. Поэтому основной акцент данных исследований сделан на регистрацию фазовых сдвигов, для чего необходимо применение нескольких пьезоэлектрических датчиков. При этом датчики должны т-
Рис. 2. Логическая схема системы управления АС ВР в ПЛ СБИС.
6 (42) 2011
научно-техническим журнал
Георесурсы
ботать как на излучение, так и на прием, что требует коммутации датчиков с помощью узла силовых ключей. Дополнительно, для точности оценки фазовых сдвигов необходимо применять частоты оцифровки (~2 МГц и более) в несколько раз превышающие частоты излучения. Такие частотные показатели с учетом повышенной температуры реализованы в интегральных АЦП на основе цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) на принципе перезаряда емкостных делителей напряжения, выпускаемые фирмами производителями Analog Devices, Maxim, Texas Instruments и др. Нами выбраны АЦП фирмы Analog Devices с максимальной частотой оцифровки ~5 МГц.
Для пояснения принципа работы вышеперечисленных узлов и компонент, входящих в основу АС BP, рассмотрим его структурную схему.
Структурная схема макета AC BP
Макет АС BP состоит из двух основных узлов: промышленный отладочный комплект (содержащий ПЛ СБИС и интерфейс SD карты) и плата согласования (содержащая исполнительные узлы). Комментарии на структурной схеме (Рис. 1) поясняют назначения блоков.
Эксперименты по возможности обнаружения 1 мм трещины проводились в ванне с водой, в которую погружались пьезоэлектрические датчики и макет трещины, созданный в виде зазора между двумя керамическими плитками и расположенными в одной плоскости (Рис. 1, левый нижний угол). Пьезоэлектрические датчики выстраиваются в ряд или располагаются на сферической поверхности.
Особенности функционирования системы управления следующие. Узлы работают как в классическом импульсном радаре. Запуск сеанса происходит по нажатию кнопки «старт». Сигналы для возбуждения пьезоэлектрических датчиков с частотой 0,5 МГц вырабатываются в схеме, организованной в ПЛ СБИС. B данном макете использовались 5 пьезоэлектрических датчиков. Четыре из них работали только на прием, а пятый - и на излучение, и на прием. Далее в статье описывается система, состоящая из
двух датчиков, поскольку при увеличении количества датчиков принцип работы АС не изменяется.
Смена режимов излучения и приема задается с помощью узла силовых ключей. Сигнал управления ключами принимает два состояния: лог. «0» (режим излучения) и «1» (режим приема). В режиме приема отраженные сигналы оцифровываются на АЦП с частотой 2 МГц.
Данные с АЦП через конверторы уровней поступают в ПЛ СБИС и затем на ББ карту. Такая процедура записи многократно повторяется для каждого пьезоэлектрического датчика.
Логическая схема системы управления АС ВР В ПЛ СБИС
Для обеспечения описанного ранее режима работы АС ВР была разработана схема в СБИС ПЛ (Рис. 2) на языке описания цифровых схем. Схема в ПЛ СБИС состоит из четырех основных функциональных узлов:
1) генератор импульсов возбуждения пьезоэлектрических датчиков (Pulses_generation);
2) контроллер ББ карты (8Б_соПго11ег);
3) буфер данных (ЯАМ1 и ЯАМ2);
4) контроллер АЦП (АБС_соПго11ег);
Генерация тактовых импульсов для трех последних узлов производится в блоках 8Б_с1оск_^МЪШ;шп, КАМ_с1оск_^МЪШ;юп и КАМ_с1оск_^МЪЩюп соответственно.
Узел генератора импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы возбуждения пьезоэлектрических датчиков и сигнал управления ключами. Для простоты реализации сигнал возбуждения не имеет синусоидальной формы, а в качестве сглаживающих фильтров выступают сами пьезоэлектрические датчики.
Контроллер ББ карты осуществляет посылку команд и данных на ББ карту. Из-за нестыковки интерфейсов и скоростей данные с АЦП подаются на ББ карту через промежуточные буферы ИАМ1 и ИАМ2. Контроллер АЦП вырабатывает импульсы начала и окончания записей в буфер данных и ББ карту.
1
L
I 5
start session
J—L
PIESO PULSES
ADC_gate
If
iL
start write to RAM
CS
SCLK
SDATAa
SDATAb
we RAM
IГ
w address RAM
IOIII...................... 8190 I 8191 I
re RAM
X
Лг
т_
r address RAM
IOI 11......................18190 18191 I
RAM CLK
start read from RAM .
start write to SD
SD CLK
SD CMD
ICMD24I
SD DATO
SD DAT3
--
--
-Ij-L
end write to SD
Рис. 3. Временная диаграмма работыг системыг управления АС ВР. Временныге интервалыы, соответствующие различным режимам, отмечены! цифрами сверху.
научно-технический журнал
I еоресурсы б (42) 2011
1400
§.1000|
800
2 1200
800
600,
На рис. 3 изображена временная диаграмма работы логической схемы АС ВР. Сеанс сканирования начинается с выставления сигнала start_session (Рис. 3, интервал 1). Далее на линии PIESO_PULSES вырабатывается последовательность импульсов возбуждения пьезоэлектрических датчиков.
Для выбора оптимальной формы сигнала, данная схема управления позволяет изменять число импульсов излучения в пачке, зависящее от состояния семи разрядной шины pulses_type[6:0]. Первые три разряда отвечают за длительность последнего импульса, остальные - за количество импульсов (от 5 до 100). По переднему фронту первого импульса возбуждения генерируется сигнал управления ключами ADC_gate, принимающий состояние лог. «1», а по окончанию последнего импульса - состояние лог. «0». В активном состоянии ADC_gate открывает транзисторные ключи, коммутирующий сигнал PIESO_PULSES до 100 В.
Когда сигнал ADC_gate принимает состояние «1», отраженные сигналы поступают на АЦП. Контроллер подает последовательность тактовых импульсов SCLK с частотой ~30 МГц для стробирования АЦП и с частотой ~2 МГц импульсов CS (Рис. 3, интервал 2) для запуска нового цикла дискретизации. Количество тактовых импульсов АЦП рассчитано таким образом, чтобы длина данных, полученных с каждого канала, равнялась 8192 битам (~682 12-битных слова АЦП) или 1024 байтам (объем данных, равный двум секторам SD (Physical Layer..., 2006)). Частоте оцифровки, скорости звука в воде (~1500 м/с) и указанной временной протяженности дан-
i : I ---------SDATAb
чРх \ \ \
" (1) Щ I' Kf) If (4) (5)
. / шС / / /
/ 4 / /
200 300 400 500 600
номер отсчета АЦП
Рис. 5. Отраженные сигналы. Пронумерованными стрелками отмечены сигналы: (1) - хвостовая часть излученных импульсов; (2)-(5) - сигналы, отраженные от керамических плиток 1-4 кратности, соответственно.
ных соответствует расстояние в ~0,25 м от пьезоэлектрических датчиков до макета трещины (что с запасом превышает средние размеры скважины).
Синхронно с тактами АЦП становится активным сигнал разрешения записи в оперативную память we_RAM, и адрес записи w_address_RAM с каждым тактом АЦП изменяется на 1. Когда адрес записи оперативной памяти w_address_RAM достигает значения 8191, сигнал we_RAM становится низким и заканчивается цикл записи в RAM. Применяемое АЦП - двухканальное, поэтому данные с каждого канала параллельно записываются в RAM1 и RAM2 (с частотой тактирования АЦП). В итоге, размер данных в одном цикле записи составляет 2048 байта.
По окончанию записи данных в RAM1 и RAM2 контроллер АЦП посылает импульс start_write_to_SD в SD контроллер (Рис. 3, интервал 3). SD контроллер работает в режиме SPI, когда используется одна командная линия и одна линия данных SD карты (Physical Layer., 2006).
SD Card Socket
OPEN ADC inputsl DE2
PIESO PULSES1
OPEN_ADC_inputs2 PIESO_PULSES2 SCLK
SDATAa
SD DAT3 SDATAb
SD CMD CS
SD CLK
SD_DAT0 ПЛ СБИС
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема платы согласования.
6 (42) 2011
^ научно-техническим журнал
Георесурсы
По переднему фронту сигнала start_write_to_SD SD контроллер по линии SD_CMD посылает команду записи в сектор CMD24 (Physical Layer..., 2006) (Рис. 3, интервал 3). На эту команду SD карта дает ответ RESP_CMD24. Если ответ положительный, то SD контроллер вырабатывает импульс start_read_from_RAM (Рис. 3, интервал 4). По переднему фронту этого импульса становится активным сигнал разрешения чтения из оперативной памяти re_RAM, и считываются данные из оперативной памяти RAM1, при этом адрес чтения r_address_RAM изменяется от 0 до 4095 (с частотой тактирования SD карты). Когда r_address_RAM достигает значения 4095, линия re_RAM становится низкой и посылка данных в один сектор SD карты заканчивается. Таким образом, считывается половина данных, содержащихся в RAM1. Для чтения второй половины данных из RAM1 циклы на интервалах 3-4 (Рис. 3) повторяются, при этом r_address_RAM изменяется от 4096 до 8191. Далее, таким же способом, как и для RAM1, записываются данные в два сектора SD из RAM2.
По окончанию сессии в SD карте записаны данные с двух каналов АЦП (Рис. 5) размером по 1024 байта.
Плата согласования
Принципиальная электрическая схема платы согласования показана на рис. 4. Схема содержит компоненты: DD1 - конвертор логических уровней; DA1, DA4 и DA6 -конверторы напряжения; DA2 и DA3 - операционные усилители с парафазным входом; DA5 - двухканальный АЦП; VT5-VT12 - n-канальные КМОП транзисторы; VT1-VT4 - p-канальные КМОП транзисторы ; VD1-VD4 - зене-ровские диоды (или опорные диоды); P1 и P2 - пьезоэлектрические датчики.
Все эти компоненты ориентированы для работы в условиях повышенной температуры. Конвертор логических уровней служит для согласования цифровых интерфейсов ПЛ СБИС с силовыми ключами и с АЦП.
В основу узла силовых ключей легли транзисторы, имеющие высокую скорость переключения и достаточные рабочие ток и напряжение (для возбуждения пьезоэлектрических датчиков).
Операционные усилители и АЦП выбраны с парафаз-ным входом с целью подавления синфазных помех. Зене-ровские диоды служат для защиты АЦП от повышения входного напряжения (выше ~5 В).
Заключение
Преимущества реализации макета АС ВР с применением систем на кристалле, в частности ПЛ СБИС, очевидны. Это и параллельная обработка, легкая переносимость с микросхем одного семейства на другое, а также возможность реализации софт-процессора.
Применение отладочного комплекта с богатой палитрой готовых аппаратных интерфейсов и решений позволило быстро реализовать систему управления с возможностью записи данных с АЦП на SD карту, а также предоставило возможность тестирования множества алгоритмов зондирования.
Данные, записанные на SD карту, считываются и обрабатываются на компьютере. Примеры двух сигналов, одновременно отраженных от керамических плиток и
оцифрованных на двух каналах АЦП с помощью описанного макета АС ВР, приведены на рис. 5.
Система управления предлагаемого АС ВР вместе с SD контроллером, выполненная на основе ПЛ СБИС, занимает ~1,5 тыс. лог. элементов и около 2 кбайт встроенной памяти. На данный момент времени максимальный объем логических элементов в одной микросхеме ПЛ СБИС по 90 нм технологии, аттестованных для работы в автомобильной промышленности, составляет ~20 тыс. логических элементов. Таким образом, для исполнения оставшихся узлов АС ВР, применяя ПЛ СБИС максимального размера, разработчик еще имеет резерв из ~18 тыс. логических элементов. Эти элементы могут быть использованы для реализации алгоритмов сжатия и цифровой обработки сигналов (в данной системе управления они не задействованы), для сбора данных с магнитометра, инклинометра, гамма-детектора и передачи данных на каротажную станцию.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 2010-218-01-192).
Литература
Описание отладочного комплекта DE2 development and education board [Электронный ресурс]. URL: http://www.altera.com.
Техническое описание скважинного акустического сканера [Электронный ресурс]. URL: http://www.slb.com.
Physical Layer Simplified Specification Version 2.00. SD Group: 2006. V2. 118.
A.D. Akchurin, K.M. Yusupov, O.N. Sherstyukov, V.N. Gorbachev. Breadboard model of the scanner for ultrasonic sounding with improved resolution. The hardware part.
To design borehole acoustic scanner with high resolution experimental model is required that will perform an ultrasonic sounding at a frequency of 500 kHz to verify the possibility of detecting holes with a minimum opening ~1 mm. The model was designed with the use of technical education board (that containing FPGA) and coordination board developed by the authors (with the use of high temperature components). The digital part of the scheme is placed on FPGA and analog part is placed on coordination board. Such scheme allows to create simple and low cost experimental model of acoustic scanner controller without the use of the hardware signal processor.
Keywords: acoustic scanner, ultrasonic sounding, detecting holes.
Аделъ Джавидович Акчурин
к.физ.-мат.н., заведующий кафедры радиоастрономии.
Камилъ Маратович Юсупов младший научный сотрудник кафедры.
Олег Николаевич Шерстюков д.физ.-мат.н., заведующий кафедры радиофизики.
Казанский (Приволжский) федеральный университет. Институт физики.
420008, Россия, Казань, ул. Кремлевская, 18. Тел.: (843) 233-71-77.
^^шг^ж Г~ научно-технический журнал
Георесурсы 6 (42)
