脉冲中子能谱测井仪井下电路研制与实现

0引言

石油开采需进行钻井、勘探、测井等前期工作,测井旨在获取准确地层信息。测井分为勘探测井和生产测井,前者用于找石油、了解地层物理结构,后者用于提高采油效率、测量油井及地层相关情况。放射性方法应用于石油测井研究始于1939年,核测量技术因中子和伽马射线易穿透钢管而具独特优越性。脉冲中子能谱测井是将碳氧比能谱测井和脉冲中子寿命测井(也叫热中子衰减时间测井)组合到一起,综合两者之优点的一种核测井技术[1]。脉冲中子寿命测井在地层水中含有较多盐分的地区(即高矿化度地区)效果比较好,可以在低孔隙度地层中测量,但在低矿化度或未知矿化度的地区就难以得到很好的效果[2]。而碳氧比能谱测井技术不受矿化度的影响,因此在低矿化度或未知矿化度的地区应用效果较好。而把两者结合起来,可以互相补充,从而扩大其应用范围[3—4]。脉冲中子能谱测井仪用两个探测晶体同时采集地层数据信息,在地面测井软件的控制下,完成对套管油井的地层岩性参数和储集层中含油饱和度的测量,并进行数据处理、曲线显示及数据存盘等。其借助一定的测井解释技术对测井数据进行分析,削弱井眼环境带来的误差,有效提高了测量结果的可靠性。由于一次下井就能采集多种生产测井参数,大大节省了测井时间和成本,该仪器无疑有着巨大的优势和市场潜力。中海油服研制的脉冲中子能谱测井仪,具有测量精度高,仪器小型化、低功耗等特点,在陆地及海上得到了广泛应用[5—6]。

1 井下仪系统方案设计

脉冲中子能谱测井系统包括中子发生器短节、探测器短节和遥测短节等几个部分;辅助测井设备由七芯电缆、同步马达或光电码盘、天滑轮、地滑轮等组成,主要用来协同测井系统正常工作。七芯电缆在地面数控测井平台和井下仪之间建立机械连接,同时用来向井下仪供电和相互传递信息;同步马达或光电码盘跟踪下放电缆的长度,可以提供井深数据。图1是该系统的总体框图,包括:1)中子管控制器;2)中子发生器;3)钨镍屏蔽体;4)短源探测器,由晶体和光电倍增管(PMT)组成;5)长源探测器;6)脉冲前置放大器;7)长、短源探测器PMT高压电路(以下简称PMT—HV);8)井下低压电源;9)微机系统电路;10)测井电缆和马笼头(机械连接和物理连接设备)。

按照各个部分的功能,井下仪可分为三个部分:

1)~2)构成脉冲中子发生器,用来发射14 Mev的高能脉冲中子,轰击井眼周围地层;3)~7)构成长、短源探测器,用来接收地层和井眼中的各种元素原子核退激时所产生的不同能量的特征伽马射线,并将其转换为电脉冲;8)~10)用来分析接收到的特征伽马射线中包含地层和井眼信息的数据,并将数据分析结果经过电缆不失真地传输到地面数控测井平台。

2功能模块设计

脉冲中子能谱测井仪(井下)包含缓冲器电路、峰值检测电路、门限判别电路、采样保持电路、采样控制电路以及A/D转换电路,其原理如图2所示。

缓冲器电路主要由一个放大倍数为1的同相高速比例放大器构成。它将输出电压全部反馈到输入端,其优点是输入阻抗高,输出阻抗低,可以有效地将前后级电路隔离开。高速缓冲电路的设计原理图如图3所示。图中电阻R1,可以有效降低运放高阻抗输入端的噪声影响,电阻R20和反馈电阻R21相同,保证运放输入阻抗匹配。由于高速运放输出端是容性负载,为使运放工作稳定,加快信号建立过程,一般加一个反馈补偿电容,电容值为5PF。用互补双极型(CB)工艺制造的高速运放AD847芯片,转换速率高(SR=300 V/μs),带宽大(BW=50 MHz),建立时间短(10 V阶跃输入,输出到0.1%精度的时间为65 ns),噪声小,直流误差小(VOs=0.5 mV)。特别是AD847内部含有容性负载补偿电路,负载电容可达1000 PF以上,能保证电路在1μs宽度脉冲的高速信号输入时可靠地工作。

输入电脉冲信号经过缓冲后输入到微分器进行微分运算,微分器输出的零点对应脉冲信号的峰值点,然后由过零比较器检测微分输出的过零点,并输出一个峰值检测信号TOP1。在采样控制电路中利用这个信号的下降沿触发并启动A/D转换电路对采样保持电压进行A/D转换,这样就可以准确地采集到输入脉冲的峰值数据。峰值检测电路的原理图如图4所示。图中LM11,为双高速比较器芯片。电容C26和电阻R22构成微分电路,W3、R23和R24构成可调比较电平,电容C2,可防止噪声对比较电平的干扰。

门限判别电路原理图如图5所示。为了实时跟踪输入信号的变化,当输入信号的幅度大于一定值UC (0.15 V)时,须用输入信号和0.15 V比较,产生一个参与采样保持控制的门控信号GAT1。另一方面,组合测井原理要求输入脉冲幅度大于0.66 V才开始数据采集,门限判别电路还利用输入信号与低门槛电压0.66 V比较,产生一个低门限控制信号LLD11来封锁低于0.66V的信号产生A/D转换器启动脉冲。LM111为高速比较器芯片,用输入信号1/3电压与输入管腿2的0.05 V(0.15 V的1/3电压)电压进行比较,输出GAT1信号。LM11,中用输入信号1/3电压与输入管腿10的0.22V电压进行比较,输出LLD11信号。GAT1为低电平脉冲,LLD11为高电平脉冲。

A/D转换器选用模拟器件公司(AD公司)的AD7886器件。AD7886是12位的A/D转换器,内带采保放大器,采保所需时间少于333 ns,12位A/D转换时间为1μs。输入模拟信号可为单极性0~5 V、0~10 V或者双极性5 V,输出误差为5 LSB。它有微处理器的标准控制信号(CNST、RD、WR、BUSY)及三态数据输出,总线读出时间最大67 ns,能直接用作数字信号处理器的高速数字接 口。AD7886内部采用三级闪速转换技术,不需要外部时钟。在脉冲中子能谱测井仪中,把AD7886器件引脚CS和RD接到低电平,在启动A/D转换开始后,数据线输出封锁,直到转换结束,数据输出才有效。AD7886进行转换是由其引脚CONVST控制的。CONVST的下降沿使采保开始跟踪信号,直到CONVST上升沿来了,A/D才进行转换。CONVST的脉冲宽度决定了跟踪—保持的建立时间。在A/D转换过程中,BUSY输出端低,转换结束,BUSY变为高,表示可以取走转换结果。在A/D转换结束后,产生触发信号SHI,把A/D转换结果打入FIFO寄存器。

3 实验室测试及现场应用

在脉冲中子能谱测井仪工作方式下,主要用到了多道脉冲幅度分析的方法。为分析伽马射线强度,一般用闪烁探测器把伽马射线能量线性转换成0~10 V的电压脉冲。因为不同元素受中子激发发射的伽马射线能量不同,所以得到的电压脉冲信号幅度也就不一样。也就是说,不同元素发射的伽马射线对应不同的脉冲电压值。因此,可利用多道脉冲幅度分析电路对这些电压按照脉冲幅度进行分类,即在0~10 V之间,把电压幅度分成256个间隔,每个间隔称为一个“道”,并按幅度由小到大的顺序将各道编号,编号数称为该道的道址。因此,一个256道的多道脉冲幅度分析电路就有256个道址:0、1、…、255,如图6所示。能谱线性度的优劣直接影响测井数据的可靠性,根据井下仪的工作原理,累加电路对输入脉冲按照其幅度大小进行累加计数,而输入脉冲幅度是与脉冲道址一一对应的,这就要求能谱谱线具有良好的线性度,使输入脉冲道址随输入脉冲幅度的增加而线性增加[7—9]。可以通过改变脉冲发生器输出脉冲幅度,得到能谱道址与输入脉冲幅度的变化关系,表1就是测试结果(“长”指长源距,“短”指短源距,下同)。由表可见,能谱道址随输入脉冲幅度基本呈线性变化,道址差为23/24 V。由此可以得出断定,能谱具有良好的线性度。但实际道址变化率与理论值稍有差距,这是因为电路中脉冲峰值数据采集电路采集的并不是真正的脉冲幅度值,而是较脉冲幅度值略低,采集数据在时间上稍微滞后于脉冲幅度到达时刻,这可以从脉冲峰值数据采集电路的工作原理看出,所以常将前置脉冲放大器的增益调整到略大于1.0,使能谱道址与理论值尽量接近。

2023年9月22日,在胜利油田现河采油厂河50—3井进行了测井现场作业,测试数据如表2所示。结果显示,通过使用低功耗器件来实现逻辑电路,不仅使井下仪的连续工作温升得到了很大改善,而且提高了系统稳定性,为井下仪长时间工作打下了良好的基础。

4 结束语

脉冲中子能谱测井仪是在油田应用非常广泛的核测井仪器,本文所述仪器是在充分研究国内外同类仪器的基础上设计,其有许多创新之处,其中最为突出的是将碳氧比测井和脉冲中子寿命测井组合到一起,综合两者之优点。脉冲中子能谱测井仪已在多个油气井完成测量任务,仪器温度性能和可靠性得到了充分验证,具有150℃环境施工能力;并且通过使用低功耗器件来实现逻辑电路,不仅使井下仪的连续工作温升得到了很大改善,而且提高了系统稳定性,为井下仪长时间工作打下了良好的基础。

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《机电信息》2025年第15期第15篇