新型中子密度微球組合測井儀的設(shè)計(jì)

張堅(jiān)鋒，于其蛟，郭紅旗，杜海洋，管林華

(中石化勝利石油工程有限公司測井公司 山東 東營 257096)

新型中子密度微球組合測井儀的設(shè)計(jì)

張堅(jiān)鋒，于其蛟，郭紅旗，杜海洋，管林華

(中石化勝利石油工程有限公司測井公司 山東 東營 257096)

傳統(tǒng)的中子密度微球儀器是采用長源距采集譜數(shù)據(jù)、短源距只計(jì)數(shù)、各支儀器分立的方式測井。密度探測器受井溫影響，容易導(dǎo)致能譜漂移。設(shè)計(jì)了一種新型中子密度微球組合測井儀，對密度長短源距計(jì)數(shù)都進(jìn)行譜分析，獨(dú)立控制高壓電路來穩(wěn)定銫峰，優(yōu)化穩(wěn)譜算法，使采集數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，通過完整譜圖獲得更多更準(zhǔn)確的地層信息。針對傳統(tǒng)儀器下井容易卡住的問題，重新設(shè)計(jì)了密度推靠，使其集成微球極板，增強(qiáng)了極板聚焦能力，提高了儀器的分層能力，既有較高的縱向分辨率又有較好的探測深度。

組合測井儀；中子密度；雙源距；譜分析；密度微球

0 引 言

核測井是地球物理測井的一個(gè)分支，主要是以巖石及其空隙流體的核物理性質(zhì)為基礎(chǔ)，研究在井眼測量條件下，利用放射性異常及射線與物質(zhì)的相互作用，測量放射性強(qiáng)度和能量變化的分布規(guī)律，用于尋找有用的礦產(chǎn)資源；確定各種地質(zhì)和工程參數(shù)；解決各種地質(zhì)和工程難題，分析地層巖石化學(xué)成分含量。核測井具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是在井下快速分析和確定巖石及其空隙流體中各種化學(xué)元素含量的有效方法[1]。而且，它的測量不受井內(nèi)介質(zhì)的限制，在裸眼井和套管井中，在充滿淡水和高礦化度泥漿，水基或油基泥漿，天然氣或空氣井中均能進(jìn)行測量。所以，核測井在油、氣、煤及其他礦藏的勘探開發(fā)中起著重要的作用[2]。

傳統(tǒng)的中子密度微球測井儀器是分開獨(dú)立的，各自帶有探頭短節(jié)和數(shù)據(jù)采集短節(jié)，存在縱向分辨率低、探測深度差別大、深度不一致、采用兩支推靠器增加井下遇卡風(fēng)險(xiǎn)以及橡膠極板易磨損等缺點(diǎn)，已經(jīng)無法應(yīng)對日益復(fù)雜多變的測井環(huán)境。因此，研制長度更短集成度更高的中子密度微球組合測井儀就顯得迫在眉睫了。

1 中子密度組合測井儀工作原理

巖性密度儀器探頭通過推靠器使其緊貼井壁地層，儀器中的γ源向地層發(fā)出γ射線束，γ射線與地層物質(zhì)發(fā)生康普頓散射，經(jīng)歷復(fù)雜的過程，改變其方向降低其能量，當(dāng)能量低于100 keV以下時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈的光電吸收，儀器由長、短源距探測器測量到達(dá)其位置的γ射線，通過計(jì)算確定地層元素的巖性和密度[3]。

中子儀器中子源連續(xù)發(fā)射快中子。當(dāng)快中子與地層中各種原子核碰撞時(shí)，失去能量，減速成超熱中子，然后至熱中子。用作探頭的比例計(jì)數(shù)器主要響應(yīng)熱中子，對于測井環(huán)境來講，氫是最有效的中子減速器。探頭記數(shù)率的降低指示在源與地層之間的氫物質(zhì)的增加，這樣就間接表明了地層孔隙度的增加[4]。

2 儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中子密度組合測井儀器主要由密度探頭組件、中子探頭組件、電子線路段、推靠器、高速遙傳和地面系統(tǒng)組成。儀器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中探頭部分包含了長、短源距探測器，γ射線屏蔽體，探測窗口和源室等。主要用于測量放射源向地層發(fā)射的γ射線，形成與γ射線能量成正比的信號(hào)。

電子線路段包括了補(bǔ)償中子和巖性密度測井儀的電子線路芯體。其中有兩路核脈沖調(diào)理電路和 FPGA 電路，是整只儀器的關(guān)鍵部件，數(shù)據(jù)采集就是通過電子線路段實(shí)現(xiàn)的。

圖1 中子密度組合測井儀的儀器結(jié)構(gòu)

2.1 巖性密度探測器設(shè)計(jì)

巖性密度測井儀是在原有2228巖性密度測井儀器的基礎(chǔ)上采用高溫器件研制而成的。該儀器既可組合測井也可單獨(dú)測井，其輸出方式為標(biāo)準(zhǔn)脈沖電壓方式。

巖性密度測井儀主要分為兩部分：儀器線路和機(jī)械探頭。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 巖性密度測井儀組成框圖

2.2 雙譜密度探測器設(shè)計(jì)

在技術(shù)方案確定的情況下，根據(jù)性能指標(biāo)要求，選擇了滿足要求的元器件，確定了詳細(xì)設(shè)計(jì)方案后，進(jìn)行了探測器的定制。探頭總成如圖3所示。

圖3 探頭總成

探頭總成包括：1)負(fù)高壓電源2個(gè)，長源距、短源距探測器各1個(gè)；2)緩沖放大線路;3)光電倍增管2個(gè)，每個(gè)探頭各1個(gè);4)長源距137Cs源1個(gè);5)短源距137Cs源1個(gè);6)吸熱劑及連接件。

探頭內(nèi)緩沖電路主要是放大光電倍增管探頭信號(hào)，增加驅(qū)動(dòng)能力，保證信號(hào)傳輸?shù)诫娮泳€路后無畸變，溫度補(bǔ)償電路用于短源距高壓調(diào)整。

密度測井儀器采用雙源距探測器消除泥餅對測量的影響。儀器設(shè)計(jì)有距離放射源較遠(yuǎn)的長源距探測器，探測深度較深，受泥餅影響較小，用于主測量；設(shè)計(jì)有距離放射源較近的短源距探測器，探測深度較淺，受泥餅影響較大，用于泥餅補(bǔ)償。利用遙測系統(tǒng)將長、短源距探測器測得的核脈沖分別按不同能量段分窗口計(jì)數(shù)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，形成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。探測器由閃爍晶體和光電倍增管組成，光電倍增管的輸出脈沖幅度與被探測到的伽馬射線能量直接有關(guān)，用脈沖幅度可以鑒別伽馬射線的能量[5]。

為了解決探測器輸出脈沖幅度隨環(huán)境溫度改變而變化的問題，在儀器長、短道探測器尾端各設(shè)置了一個(gè)穩(wěn)峰用的0.1 μCi(3.7×10 Bq)137Cs伽馬參考源，產(chǎn)生662 keV能量級(jí)的伽馬射線，反映到譜圖上，即在 662 keV處形成一個(gè)穩(wěn)譜峰(銫峰)。實(shí)時(shí)調(diào)整供給光電倍增管高壓，保證銫峰落入穩(wěn)譜窗口的正確位置，測量窗口的脈沖計(jì)數(shù)也反映了一定能量段伽馬射線的強(qiáng)度[6]。

這種雙源距密度譜分析的方法可以有效的避免單一的穩(wěn)譜電路穩(wěn)不住高壓的現(xiàn)象，大大的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和糾錯(cuò)能力。

實(shí)際測井時(shí)，儀器的探頭緊貼井壁地層，儀器中的γ源向地層發(fā)出γ射線束，γ射線與地層物質(zhì)發(fā)生康普頓散射，經(jīng)歷復(fù)雜的過程，改變其方向降低其能量，當(dāng)能量低于 100 keV 以下時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈的光電吸收，儀器有長短源距探測器測量到達(dá)其位置的γ射線，其中含有有關(guān)地層信息。其中長源距用以求取密度、巖性所需要的數(shù)據(jù)，短源距用以泥餅補(bǔ)償。直接劃分能量窗口為 LS(187～536 keV)，Lith(43～79 keV)，SS1(341～464 keV)，SS2(159～341 keV)，長短源距窗口設(shè)置如圖4所示。

圖4 長短源距窗口設(shè)置

理想狀態(tài)下，儀器和井壁之間沒有泥漿存在，直接從 LS 和 SS 獲取數(shù)據(jù)，分別計(jì)算密度和巖性。但是實(shí)際情況并非如此，密度值和巖性值都會(huì)受到泥餅的影響，存在誤差，這就需要兩次矯正密度值，來獲取真實(shí)密度。

2.3 微球密度組合極板設(shè)計(jì)

由于該極板采用微球聚焦探頭與巖性密度探頭組合結(jié)構(gòu)，借助密度推靠部分結(jié)構(gòu)，加極板承載載荷結(jié)構(gòu)部件，增強(qiáng)了極板聚焦能力,使儀器的探測深度大大改進(jìn)，提高了儀器的分層能力。它既有較高的縱向分辨率又有較好的探測深度。與巖性密度儀器集成減少了一套推靠裝置、縮短了儀器長度，可以提高測井時(shí)效。通過極板承載載荷結(jié)構(gòu)部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、探測器推靠方式的改進(jìn)、以及對儀器探頭的集成和對測量電路的程控設(shè)計(jì)，可以滿足高分辨率井壁側(cè)向與巖性密度集成測井儀器對測量精度和可靠性的要求[7]。

2.4 厚膜集成電路和譜預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

由于中子密度組合測井儀的前放電路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，為了提高安全性和保密性，專門采用了厚膜集成電路的設(shè)計(jì)，分別把中子前放和密度前放進(jìn)行了專門的保護(hù)處理，而且預(yù)留了測試點(diǎn)，便于維修和保養(yǎng)，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

前放電路輸出的信號(hào)經(jīng)過二級(jí)程控放大、峰值檢測、高速AD轉(zhuǎn)換、在FPGA和CPU控制下完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，然后把數(shù)據(jù)送入高速遙傳短節(jié)。

2.5 DC-DC電源模塊設(shè)計(jì)

DC-DC電源模塊采用耐溫175℃的高溫隔離模塊電源，輸入直流200 V電源，可以輸出多路相互隔離的直流電壓，輸出功率15 W，輸出精度小于4%，輸出波紋小于100 mVp-p。

3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由主控電路和數(shù)據(jù)傳輸電路組成。主控電路以FPGA和C8051F500單片機(jī)為核心。

主控電路的任務(wù)是接收地面下傳的各種控制命令，根據(jù)控制命令的要求實(shí)現(xiàn)輔助參數(shù)數(shù)據(jù)采集、高壓控制門坎調(diào)整、數(shù)據(jù)發(fā)送及控制FPGA進(jìn)行譜分析。采用C8051F500單片機(jī)作為儀器的控制核心。與地面系統(tǒng)通訊、將脈沖幅度分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能譜數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)調(diào)整探頭高壓實(shí)現(xiàn)穩(wěn)譜均由單片機(jī)完成。多通道DAC用于產(chǎn)生譜分析使用的低門坎信號(hào)及用于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)譜的探頭高壓調(diào)整信號(hào)。

主控板軟件由主模塊以及命令接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、AD控制、DA控制、從單片機(jī)控制等子模塊組成主控板MPU。儀器上電后，主控單片機(jī)執(zhí)行主模塊完成的系統(tǒng)初始化：包括單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串行口、中斷控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器變量設(shè)置，另外通過DA轉(zhuǎn)換器設(shè)置光電倍增管高壓、譜分析電路低門檻、然后單片機(jī)調(diào)用命令接收子模塊及其他子模塊，執(zhí)行命令接收—識(shí)別—執(zhí)行循環(huán)，在地面系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)測井過程。

4 結(jié)束語

1)創(chuàng)新性地提出了采用長短源距都進(jìn)行密度譜分析的辦法并且在巖性密度探頭上集成微球極板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了中子密度微球組合測井儀，為應(yīng)對復(fù)雜多變的測井環(huán)境提供了保障。采用雙源距密度譜分析，以確定深井復(fù)雜巖性，從而提高儀器密度及Pe值的測量精度和儀器的縱向分辨率。

2)利用電子技術(shù)發(fā)展的最新成果，將補(bǔ)償中子、雙源距能譜密度集成在一起，利用同一電子線路為不同探測器提供電源和采集控制信號(hào)，并將探測器接收到的信號(hào)進(jìn)行采集處理，發(fā)送給高速遙測短節(jié)。通過提高雙源距中子采樣率，提高分辨率和測量精度。雙源距能譜密度對長短源距密度測井同時(shí)進(jìn)行譜分析，得到的巖性指數(shù)進(jìn)行相互補(bǔ)償驗(yàn)證，準(zhǔn)確判斷巖性。

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Design of New Neutron Density Microsphere Combination Logging Tools

ZHANG Jianfeng，YU Qijiao，GUO Hongqi，DU Haiyang，GUAN Linhua

(WellLoggingCompanyShengliPetroleumEngineeringCo.Ltd.，SINOPEC，Dongying,Shandong257096，China)

The traditional neutron density microsphere instrument uses long source distance to acquire spectrum data, short source distance is only to count, and each instrument in well logging is separate. The density detector is affected by well temperature, which is easy to cause energy spectrum to drift. A new neutron density microsphere combination logging tool is designed, which can carry out bispectrum analysis for density long and short source distance counting. The high voltage circuit controls independently to stabilize cesium peak and optimize the steady spectrum algorithm, which makes the collected data more accurate to get more accurate stratigraphic information. In view of the problem that the traditional instrument is easy to jam, the density backup plate is pushed back to integrate the micropump plate, which enhances the focusing ability of the plate and improves the stratification ability of the instrument, with both high longitudinal resolution and better detection depth.

combination logging tool; neutron density; double spacing; spectral analysis; density microsphere

張堅(jiān)鋒，男， 1986年生，工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事放射性儀器與核磁儀器的研發(fā)工作。E-mail：Sl-feng@qq.com

P631.8+17

A

2096-0077(2017)04-0018-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.005

2016-11-09 編輯：高紅霞)