CNS補償中子測井儀工作原理與電路分析

張雄林

摘 要：補償中子測井儀是中子測井方法中的一種。補償中子測井儀是一種孔隙度測井儀，儀器的讀數反映地層的含氫量，在孔隙地層中，巖石骨架物質的含氫量可以忽略不計。而地層孔隙空間通常充滿了地層水或者石油天然氣，而兩者的含氫量近似相等。因而，通過測量地層的含氫量，可以間接地確定地層孔隙度。同時也可以與其他測井方法一起進行綜合分析，幫助確定許多其他的地質參數，如巖性，粘土含量，含水飽和度等。CNS補償中子測井儀是北京環鼎科技公司最新研發的高性能測井儀，由于該儀器探測精度高，性能穩定，因而在油田勘探和開發中獲得廣泛應用。

關鍵詞：CNS補償中子;組成;性能;工作原理

1 儀器概述

1.1 組成

補償中子探頭由殼體和芯件兩部分組成。殼體包括上部殼體、下部殼體、中子源裝載段等，芯件包括長短源距熱中子探測器和電子線路板。

儀器配備的工具和附件有裝卸源工具和靠壁器等。

補償中子測井儀的配套設備有車間刻度筒和現場刻度器，對補償中子測井儀進行二級刻度和現場校驗。

1.2 功能與特點

補償中子探頭與電子線路段Ⅰ（NEC）等構成測井系統，儀器由一個中子源和長短兩個不同源距的探測器組成雙探測系統，減少了環境因素的影響。

補償中子探頭段通過兩組相同的放大電路測量不同源距兩個探測器的計數率。它通過測量兩個探測器的計數率，利用530系統補償中子的數字模型來計算地層結構孔隙度。由于采用了探測精度較高的熱中子He-3探測器以及高穩定性高集成放大線路，使得該儀器具有較高的測量精度和穩定性可靠性高。

2 儀器方法原理

中子測井是以中子與地層物質的相互作用為基礎的測井方法，中子按能量大小可以分為高能中子（能量>10MeV），快中子（能量在0.1-10MV），中能中子（能量在1-100keV）和慢中子（能量在0-1KeV），由于中子是不帶電粒子，當它與物質作用時，與核外電子不產生電場力，因而可直接與原子核發生反應。彈性散射是中子與物質發生作用的形式之一，在中子與原子核的彈性散射過程中，中子與原子核的總動量以及總動能保持不變，即遵守動量守恒和能量守恒定律，經彈散射后，原子核從中子中獲得能量，而中子則損失部分能量。快中子經過多次碰撞后，能量不斷損失，最終由快中子變成熱中子。由于氫原子的質量非常接近中子質量，根據碰撞原理，中子在與氫原子碰撞時能量損失最大，即氫原子對快中子的減速能力最強。地層中氫原子的含量越高，快中子的減速距離越短，在中子源強度和探測儀效率相同的情況下，在距中子源一定距離的探測器探測到的熱中子數與地層的含氫量存在對應關系，所以探測器接受熱中子的數量就反映了地層中的含氫量。地層空隙是充滿流體的空間，水及碳水化合物中含有氫原子，無油地層與礦巖中極少或根本沒有氫。通過測量地層中的含氫量可以確定其孔隙度。

CNS補償中子探測器由一個中子源和兩個長短不同源距的He-3管組成，用它們兩個計數率的比值來計算地層孔隙度的大小，提高了測量精度，減少井眼泥餅等對測量的影響。

3 電路的詳細描述

3.1 放大測量電路

補償中子探頭擁有長短源距兩個測量通道，其電力線路完全相同。用來處理長源距和短源距He-3探測器的輸出脈沖。其作用是將He-3探測器的輸出脈沖放大整形，輸出5V的計數脈沖。便于計算器處理。

3.1.1 電荷靈敏放大器

電荷靈敏放大器由運算放大器HA-2620及其處圍電路構成。C1為高壓濾波電容，高壓電源過來的高壓經C1濾波并通過R1把高壓加到He-3管的陽極上。R1的作用是將高壓電源與He-3探測器的輸出脈沖隔離。He-3探測器的輸出脈沖通過電容C2耦合到由運算放大器HA-2620構成的電荷靈敏放大器U1的輸入端，R2、D1、D2用來防止高壓電弧對U1的損害。電荷靈敏放大器的作用是把探測器中累積的電荷轉換成相應的電壓正脈沖，其最大脈沖幅值為100mV。

3.1.2 微分放大器

微分放大器U2由運算放大器HA-2620構成，它把U1的輸出脈沖進行微分放大。該電路是一個高增益的微分電路，C5為微分電容，R5和R6把其增益確定為200左右。C6用于改善波形。U2把U1的輸出脈沖微分、倒相，并把它們放大成幾伏的負脈沖送至電壓比較器U3，其中TP11點為微分放大器輸出端的脈沖信號測試點。

3.1.3 鑒別器

鑒別器用來對脈沖幅度進行甄別，由電壓比較器LM111及其處圍構成，U2的輸出脈沖由C7耦合到LM111的相同輸入端，其輸出信號取自于它的地端。R8和R9把鑒別器的門坎電壓設定為-0.8V左右，R11為其負載電阻。當來自U2的負脈沖超過鑒別器門坎電壓時，U3輸出5V的正脈沖，當U2的負脈沖低于鑒別器門坎時，U3輸出脈沖為零。

3.1.4 分頻電路

從U3輸出的5V正脈沖送給八分頻電路U4，八分頻電路由一個雙4位二進制同步加計數器CD4520構成，在EN端每輸入八個脈沖，輸出端Q2a（U4-5）輸出一個脈沖，降低脈沖頻率是為了改善脈沖的傳輸。

3.1.5 脈沖形成電路

來自八分頻電路U4的輸出脈沖信號，直接傳送給脈沖形成電路U5，U5由雙單穩態觸發器MC14528構成，R13和C15確定脈沖形成電路輸出脈沖的寬度，U5將U4輸出脈沖變成脈寬為10μs左右、幅度為5V的正脈沖信號。

3.2 高壓電源

高壓電源由低壓分配、高壓分配、高壓模塊等三部分電路組成。

低壓分配為高壓模塊提供濾波后的±12V電源，通過調節電位器RW（20K）的阻值，調節高壓模塊輸出幅度從而調整高壓電源的大小。

高壓模塊為一集成元件，通過高壓分配板上的分壓電路產生符合探測器要求的兩路直流高壓HV1、HV2，HV1供給長源距He-探測器，HV2供給短源距He-3探測器。其中R4（200K）對高壓模塊起限流保護作用，C1（104/3KV）為高壓濾波電容。

4 結語

本文主要講述了CNS補償中子測井儀的工作原理及組成，對部分主要電路作了詳細的分析和總結。由于該儀器采用了高穩定性的集成電路和高靈敏度的熱中子He-3探測器，因而儀器具有了很高的測量精度和穩定性，保證了測井資料的準確性。