國產MZS-5中子發生器的工作原理及其在進口RMT儀器上的應用

葛曉龍 王宏偉

(1.大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江大慶) (2.大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江大慶)

國產MZS-5中子發生器的工作原理及其在進口RMT儀器上的應用

葛曉龍1王宏偉2

(1.大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江大慶) (2.大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江大慶)

文章介紹了國產MZS-5中子發生器的工作原理及其與進口RMT儀器配接的過程中出現的問題。最后,通過對比實驗數據,找出了MZS-5中子發生器的最佳工作點,使其與進口RMT儀器成功配接。

中子發生器;中子管;RMT碳氧比測井儀器;配接;使用壽命

0 引 言

RMT碳氧比測井儀器在國內應用已有十年時間,它與國產的碳氧比儀器比較,仍然具有自動控制程度高,儀器工作穩定,資料準確可靠的優勢。但儀器中的中子發生器為有限壽命產品,需要從美國原裝進口,且價格昂貴,進口和維護、維修時間都過長,嚴重影響了RMT測井儀在油田的推廣使用。因此,用國產中子發生器替代進口產品很有必要。

1 MZS-5中子發生器的工作原理

MZS-5中子發生器[1]由中子管和高壓電源組成。在控制器的驅動下,借助氘氚反應,通過控制離子源的陽極脈沖頻率和脈沖寬度,得到需要的脈沖中子束流,中子的能量為14 MeV,與井筒周圍的地層元素相互作用,產生非彈性散射伽馬射線和俘獲伽馬射線。通過對伽馬射線的測量,為探測油井的剩余油飽和度或井筒內外水流情況提供重要的測井資料。

MZS-5中子發生器在直流穩壓電源、控制器和貯氘器電源、離子源電源的配合下工作,產生滿足要求的中子束流,工作原理框圖見圖1。

圖1 MZS-5中子發生器工作示意圖

控制器的主要功能是為高壓電源提供1 kHz左右(一般情況下頻率為1 050 Hz)的驅動脈沖。

直流穩壓電源的功能是為控制器的驅動電路提供電源電壓以及為中子管的燈絲提供電流。

離子源電源的功能是為離子源的陽極提供約1.8 kV電壓,并決定中子發生器發射中子束流的方式。

高壓電源是由高壓變壓器和高壓倍加器組成。在1 kHz驅動脈沖的控制下,產生中子管工作時所需的最高約-90 kV的工作靶壓。

中子管是產生中子的關鍵部件,本發生器所用的中子管屬于充氣型中子管,燈絲在中子管中提供氘氣并能調節管內氘氣的壓強。燈絲釋放的氘氣量由燈絲的電流大小調節的。當燈絲的電流大時,放出的氘氣就多些,管內壓強升高;反之管內壓強就降低。離子源是石油測井中子管中的一個核心部件,它的結構和性能對中子管的穩定性、中子產額和壽命具有決定性的影響。MZS-5中子發生器工作時離子源陽極上加約1.8 kV的脈沖電壓。

燈絲釋放的氘氣在電磁場的作用下,電離成所需要的氘離子。產生的D+離子,在-90 kV高壓的加速下,轟擊氚靶,產生快中子,中子的能量為14 MeV。

2 MZS-5中子發生器與進口RMT儀器配接

2.1 RMT對中子管的控制過程

要實現國產中子管與進口RMT[2]碳氧比儀器的配接,首先要清楚RMT儀器對中子發生器的控制過程。

中子管控制電路包含有與遙測接口的微控制器,它可以啟動并控制中子管,且監測中子管信號以確保中子管工作正常。它同時還與中子管驅動電路中的EEPROM駁接,EEPROM內存有中子管的工作參數及中子管的刻度數據等,儀器上電后,EEPROM中的數據被控制電路中的微控制器讀出,且當控制電路板通過μLAN總線接收到START GENERATOR(啟動中子發生器)指令時,其通過數模轉換器(DAC)控制著中子管的燈絲、中子管電源使能,并設置它們在各自給定的值上。中子管燈絲、中子管電源及離子源電源的采樣反饋值經由多路開關送到發生器控制板的模數轉換器,傳送給微控制器,將反饋的數值與設定的數值比較,直至離子流穩定在80μA,靶壓和燈絲電流都穩定在設定的工作值附近。此時,中子產額在5 000 CPS左右,才能滿足測井要求。要將國產MZS-5中子發生器與RMT儀器配接并且工作正常,必須滿足兩個條件:離子流穩定在80μA;中子產額達到在5 000 CPS左右。

2.2 MZS-5型中子發生器與 RMT測井儀器對接實驗

2004年,此次實驗采用的是將中子管與進口的RMT中子發生器的倍壓電路對接后的中子發生器。雖然最終實現了儀器的自動控制,但因燈絲的工作不穩定,造成束流無法控制在80μA,從而不能進入測井狀態而告終。

2005年,此次實驗依然采用國產中子管與進口的RMT中子發生器的倍壓電路對接后的中子發生器。但燈絲是經過改進的。雖然本次實驗進入了測井狀態并發射中子12 h以上,最終以中子發生器內部倍壓電路損壞而告終。

2006年,次此實驗采用的是國產化中子發生器MZS-5。該中子發生器對于RMT、SPFL測井儀器來說無論是燈絲的控制還是束流的控制基本上達到了要求。但中子管的使用壽命只維持30個小時左右。

2007年,針對2006年MZS-5中子發生器使用壽命偏低的現象,對中子發生器內部倍壓電路倍壓后的靶壓偏高、陽極工作不是很穩定的現象,對MZS-5型中子發生器倍壓電路、中子管的陽極結構做了改進,但在中子管工作穩定性和使用壽命方面與要求仍有一定差距。

2009年,在對中子管的陽極進行了進一步的優化后,消除了陽極在使用一段時間后絕緣降低,造成陽極工作不穩定等因素,并與進口RMT中子發生器的工作參數進行了詳細的比對測試,詳見表1和表2。經實驗室測試,找出了中子管工作穩定性和使用壽命方面的問題。

通過表1和表2的數據對比可以看出,進口發生器和國產中子發生器在參數方面一致的地方就是在取樣值為660 mV左右時,對應的中子產額值都在5 500～6 000,這個產額也是儀器理想的測試產額。因此,只要將國產MZS-5中子發生器的取樣值為660 mV時的燈絲電流和靶壓值設定為此中子管的燈絲工作電流和工作靶壓,就可以很好地適應RMT儀器對中子管工作點的要求,使他們更加協調地工作。在工作壽命方面,只要對離子源陽極進行合理的改進,就能滿足60個小時以上的要求。

表1 引進中子發生器試驗數據

表2 國產MZS-5中子發生器試驗數據

2010年4月,對改進后的2支中子發生器進行聯試,根據聯試結果,發生器的穩定性和使用壽命較以前有了突破性的改善,能完全滿足進口RMT測井儀的要求,目前兩支發生器 已累計測井50多口,使用壽命均超過70 h。

3 應用效果

圖2所示為一口油井,進行了RMT測井。RMT測井結果與裸眼井測井資料以及地質和開發規律相符。

圖2 采用MZS-5中子發生器的RMT儀器的測井圖

4 結束語

通過多年的室內測試與現場實驗,使得國產的MZS-5中子發生器的各項技術指標逐漸接近引進的中子發生器的水平,并實現了穩定的配接工作狀態。

相信隨著技術水平的提高和對進口中子發生器研究的進一步深入,國產的MZS-5中子發生器無論在技術指標,還是在使用壽命上都能達到或超過進口的中子發生器的水平。

[1] 肖坤強,周明貴.小型石油測井中子發生器[J].石油儀器,2004,18(4)

[2] HALIBURTON公司.Reservoir monitoring tool service manual.2000(資料)

The Principle of domestic MZS-5 neutron generator and its application in RMT.

Ge Xiaolong and Wang Hongwei.

This paper introduces the principle of domestic MZS-5 neutron generator and the problems appearing when it is used in the reservoir monitoring tool(RMT).Based on the test data,the best working point of the MZS-5 neutron generator is found,which makes it reach the good working state with RMT.

neutron generator;neutron tube;RMT(Reservoir monitoring tool);using lifetime

P631.8+17

B

1004-9134(2011)03-0027-02

葛曉龍,男,1964年生,工程師,1987年畢業于大慶石油學院,現在大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司十一大隊從事測井儀器維修工作。郵編:163453

2010-01-18編輯姜 婷)

PI,2011,25(3):27～28,31

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