陣列密度測井儀原理及常見故障分析

肖雷雷，宛文宇，劉紅旗，劉海

（中海油田服務股份有限公司，天津 300450）

0 引言

近年來，隨著渤海油田勘探開發調整井作業難度逐年增大，以及大斜度、大位移及定向探井的增加，導致現場作業中遇到復雜地層的情況頻出。在惡劣的井況條件下，無論是裸眼放射性測井還是隨鉆放射性測井均無法有效控制作業風險，導致部分開發井的油藏測井資料缺失，為后續的地質區塊開發及地層解釋評價帶來了較大的困難。為了解決現場勘探開發需要，中海油服油田技術事業部自主研發陣列密度測井儀，并在儀器投入現場使用后，取得了良好的應用效果，作業安全、作業質量、作業時效均有了質的提升。陣列密度測井技術是套后三孔隙度（中子、密度、 聲波）技術的最后一塊拼圖，配合自研超聲蘭姆波測井技術（UCCS），可以精確校正套管和水泥環對密度曲線的影響，同時配合套后中子聲波技術能較大程度規避工程風險，有效減少工期并獲取完整的油藏測井資料。本文通過對陣列密度測井儀的基本原理及常見故障分析，為此類儀器的維保提供了可借鑒性的經驗總結。

1 陣列密度測井儀背景及工作原理

1.1 陣列密度測井儀背景

套損：受到射孔、構造壓力、巖性、高壓注水、放噴、電化學腐蝕、井身結構等因素的影響，套管出現腐蝕、穿孔、損傷等情況。

固井質量評價：水泥環膠結質量的檢查，即水泥環與套管、水泥環與地層的膠結情況。

套損與固井質量評價的重要性：套管損壞會使油井的產量受到很大影響，水層段套管穿孔后，地層水進入儲層，造成石油開采效率下降，套損井無法正常生產，套損井會影響動態測井資料的準確性；對水泥環厚度的準確測量是保證油氣井壽命、提高采收以及合理開發油氣資源的關鍵性技術之一。

在套管井中，由于套管和水泥環對伽馬射線的吸收，導致利用傳統的密度 “脊肋線” 方法具有一定的困難。Larry A.Jacobson（1990）利用數值模擬方法研究了套管井中密度測井響應規律；G.L.Moake（1998）基于實驗數據提出適用于套管井的密度測井儀器設計方案，但儀器并未商業化；Ronald Plasek（2011）總結了前人的經驗，提出了利用背散射伽馬進行套管厚度計算，并設計兩種確定水泥環厚度的算法，實現套管井中高精度密度測井，并給出誤差范圍[1]。

在套管井中進行密度測井主要面臨的問題有水泥環密度和厚度的確定、套管厚度的確定、地層密度響應關系。

1.2 陣列密度的測量原理

陣列密度測井儀的核心部分是矩陣排列的探測器，工作時利用放射性同位素伽馬源向地層輻射伽馬射線，射線打入地層經過散射和吸收后其能量也會隨之改變，回到探頭周圍的射線被俘獲。地層密度越大，對伽馬射線吸收越強，被俘獲的伽馬射線強度越弱；反之，地層密度越小，對伽馬射線吸收越弱，被俘獲的伽馬射線強度越強。地層密度相同而巖性不同（等效原子序數Zeff不同）造成的低能區（能量低于160 keV 范圍）計數率有較大的變化，且高能區計數率不變，中間區段是過渡帶，隨著等效原子序數Zeff的增加而加寬[2]，表明了光電吸收截面指數與物質原子序數Z之間的密切關系。陣列密度測井儀可以測得套管后的地層密度，根據地層密度可定量求出地層的孔隙度。

普通雙源距密度測井儀不能滿足在套管井中的地層信息測量要求。針對這些缺陷設計了陣列密度測井儀，采用四探測器結構，獲取更多的測量信息，通過數據處理獲得套管井地層密度及套管信息。

在套管井中，在一定的套管厚度條件下，存在一條套管井脊線，如圖1 所示。由于套管對不同源距處的探測器計數率的影響不同，對近源距探測器影響要大于遠源距探測器，因此和裸眼井脊線相比，套管井脊線斜率更小。當套管井中存在水泥環時，由于水泥的密度小于套管密度，因此水泥環在脊肋圖中以向右上方偏移的肋線響應特征顯示。在相同的水泥環密度條件下，肋線上數據點的位置反映了不同的水泥環厚度，隨著厚度的增加，肋線向上方延伸，當水泥環厚度足夠厚時，水泥環肋線和套管脊線相交于套管脊線上的水泥密度對應的數據點。

圖1 陳列密度測井儀測量原理示意圖

1.3 各電路原理介紹

整串儀器電路主要分為電子節電路和機械節電路兩部分，同時具有四路探測器，進行四路采譜并穩譜。

探測器部分由屏蔽體鎢鎳鐵、晶體、光電倍增管等組成。屏蔽體鎢鎳鐵對伽馬射線有較強的吸收能力，可減少背散射的影響；晶體和光電倍增管可對伽馬射線進行探測，伽馬射線射入閃爍晶體后與物質發生作用產生次級電子，這些電子使晶體的原子受激而發光，大部分光子入射到光電倍增管的陰極，從陰極上打出光電子，經過倍增后，在光電倍增管陽極上形成電流脈沖，這些信號脈沖經過前放板放大驅動輸出至電子節模擬板。

每個探測器晶體尾部安裝有137Cs 穩譜源，用于提供穩譜信號，當完成采譜后，主控板將譜信號傳到系統上，然后系統對穩譜窗口的能譜進行分析，計算出銫峰，通過補償高壓修正來抵消溫度對光電倍增管的影響。

1.3.1 前放部分

儀器前級放大電路是探測器信號的第一道處理，其主要作用是將微弱信號進行驅動，增強其傳輸能力，以便于進一步處理。來自探測器的脈沖信號首先經過電容過濾使其規整，然后經過前放兩級反向放大電路（OPA211），最終將137Cs 特征峰幅度放大為-3.2 V±0.2 V，其中改變RT1 可調節光電倍增管的輸出幅度，從而在初始高壓情況下將前方板輸出穩定在-3.2 V±0.2 V，四個探測器的前放部分相同，用示波器測量可對比分析觀察。

1.3.2 譜采集電路部分

來自探頭四路探測器的輸出信號進入兩路模擬板，經過放大、整形、基線恢復后，分別進兩路入數字板AD 采樣電路進行采樣。

采譜電路采用波峰波谷采樣電路，同時采集原始信號的波峰電平值和波谷電平值，波峰減波谷就是峰值電壓，這樣可以避免原始信號基線發生變化時帶來的誤差。

放大板輸出的信號經過RC 延遲放大后，在比較器中與未變化的信號比較后產生矩形脈沖，再經過門電路整合生成COVER 信號，然后作為ADC 開始采集的指示，使ADC 在對應的波峰和波谷處進行電平采集。

1.3.3 自動穩譜

溫度變化對光電倍增管的輸出幅度有影響，在實際測井中，井越深環境溫度越高，測井環境溫度的變化會使能譜漂移，影響最終的測量精度。

陣列密度測井儀探頭每個探測器晶體尾部安裝有137Cs 穩譜源，用于提供穩譜信號，每次采譜后會對137Cs 的特征峰進行尋峰計算，當137Cs 峰偏移230 道時，數字電路通過DAC 輸出CTR 信號控制高壓輸出，使137Cs 峰左移或右移，實現自動穩譜，解決了溫度對測量精度的影響。

2 陣列密度測井儀常見故障分析

2.1 故障現象一

2022年2月10日，渤中區塊某井次進行177.8 mm（7 英寸）套后放射性作業時，井口檢查儀器發現套后密度儀器（MADT）無法建立通訊，井口多次嘗試重新上下電、重啟地面、反復激活服務表等措施后終于偶然建立通訊。此后，儀器未嘗試再下電，測井結束后快速上提過程中嘗試重新上下電，發現儀器再次無法建立通訊。

分析過程：儀器返回維修車間，連接維修室內地面系統檢查儀器，設置合適增益值調好通訊，反復上下電測試，通訊正常，未發生通訊困難現象。

隨后拆掉EA 頭部接頭，抽出電子線路，進一步檢查各電子器件，發現主控板上U402 芯片的10 腳未插入相應底座，彎折在孔位表面。

經查閱相應資料，確認該芯片HD15530 負責儀器命令和數據的編解碼功能，同時10 腳定義為數據同步（DATA SYN），若虛連則會導致海上作業反饋的現象。除去該芯片原因外，儀器中電子線路所有低壓供電，與常規儀器中的穩壓芯片不同，該儀器均由內部的電源轉換模塊提供，且模塊工作的啟動電壓為180 V AC，在實際操作中應注意通訊短節的纜頭電壓，適當多加一些，同時避免過慢上電，還應測量通訊短節CHV 監測的準確性，如果實際值偏低達不到啟動電壓就會造成無法建立通訊現象。

總結：針對該儀器，在基地檢查參數正常，現場操作上電在180 V AC 以上為關鍵點，除此之外，在排除地面系統和其他短節干擾后，再對儀器本身與通訊一路相關的各個器件進行排查，通訊控制則與常規EDIB 總線儀器相同，可以借鑒參考。

2.2 故障現象二

2022 年3 月3 日，測井返還的陣列密度儀在車間保養，連接車間地面系統及通訊節，上電后通訊完好，在觀察四路采集波形時，發現長探測器波形窗（madt L）穩譜波形前端缺失，已無法如正常狀態首道波形卡在12 道，于是對該故障展開排查。

分析過程：首先對關鍵信號進行測量，在機械節頂部引出的接線端子測量四路探測器放大后的采集信號，幅度及基線顯示均正常。

對電子節，抽出電子線路，找到長源距采集信號對應的模擬通道，測量發現在該路脈沖信號上有-300 MV 電壓偏移。經逐步測量，分析該位置的電路功能得知，該處為信號基線調整電路，正常狀態下，探頭傳上來的信號輸入后，經過兩級放大消除反沖后，下一步為調節基線漂移電路，再將規整的信號傳至譜分析板進行處理。本次測量兩級放大輸出信號正常而終端信號有電壓偏移，調節RT4 電阻無作用，最終確定為模擬板上Q3、Q4 三極管損壞，焊接換新，恢復儀器后上電檢查，故障現象消失，維修完成。

總結：原始信號的整形分析和放大對后續能譜分析非常重要，當直觀觀察到能譜窗口異常時，對儀器內幾處關鍵信號的測量能快速縮小故障范圍，便于維修。

2.3 故障現象三

2022 年3 月30 日，車間正常檢查儀器準備作業，上電后觀察短探測器譜采集窗口，發現當譜峰調整對準230 道時，增益值很大，為2 430，查閱相關維保記錄，發現該儀器之前檢測時，為2 048 左右。

分析過程：對該現象，拆開機械節部分，再拆出短源距探測器，重新耦合晶體以及光電倍增管，確定短源距探測一路原始信號完好，進一步調整模擬板上的RT7 調節電阻，由2.7 kΩ 降至2.2 kΩ，最后再次上電檢查儀器，短源距穩譜后的增益值為2 090，完成隱患整改工作。隨著設備的使用頻率增加，探頭部分磨損和電子器件參數偏移的影響會越來越明顯，檢查時應重點觀察，同時重視增益值，及時調整以免實際測井譜峰不穩現象發生。

總結：四路探測器正常的增益值均在2 048 左右，如果偏移較多則需要調節，首先測量在當前增益下的控制電壓觀察是否正常，排除后，設置2 048 增益再調節模擬板上的RT7 電阻使信號處理末端輸出在正常范圍內，同時RT6 可以消除脈沖信號的反沖現象。

3 結語

陣列密度測井儀為中海油服自主創新研發，打破了國外廠家的技術壟斷，大大降低了老油田、老區塊套管井開發的成本，在實際應用中取得了良好的效果。本文主要論述陣列密度儀器各功能電路模塊的測量原理，并對實際工作中的部分案例進行簡要總結，為后續的維修以及保養工作提供借鑒參考，確保該類儀器的作業穩定性，為現場作業的順利完成奠定基礎。后期設備在此基礎上的升級改進，將繼續分析探討。