郤方華, 王建民, 王志全, 陳路, 丁柱

(大慶鉆探工程公司測井公司, 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

大慶油田已進入三次采油進程,采用分層注水的開采技術(shù)注入井中心管內(nèi)徑為42 mm,需要采用外徑為38 mm氧活化測井儀測量其注入剖面。按該測井儀的外徑要求,中子管的外徑要求為25 mm,為此,Ф25中子管是首當(dāng)其沖要解決的瓶頸技術(shù)。

大慶鉆探工程公司測井公司相繼研制了ZZ50[1]和ZZ30[2]自成靶中子管,成功應(yīng)用于碳氧比和氧活化測井儀,經(jīng)多年現(xiàn)場應(yīng)用表明,它們技術(shù)成熟,性能指標優(yōu)良,工作穩(wěn)定可靠。在此基礎(chǔ)上,又開展了Ф25測井用微型自成靶中子管(簡稱ZZ25中子管)的研發(fā)工作,攻克了多項關(guān)鍵技術(shù),取得了突破性的進展。本文就自主研發(fā)的ZZ25中子管的結(jié)構(gòu)特點、制造工藝和主要指標等方面進行技術(shù)探討。

1 結(jié)構(gòu)特點

1.1 結(jié)構(gòu)組成和工作原理

ZZ25中子管的外形主體結(jié)構(gòu)尺寸為Ф25 mm×162 mm,其內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)由離子源、氘氚儲存器(或稱氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng))、加速系統(tǒng)和自成靶等組成[1]。

自成靶中子管工作時,在陽極加2 kV左右的直流或脈沖電壓,靶極加-120 kV直流高壓,同時,以適當(dāng)?shù)碾娏骷訜犭皟Υ嫫?使其放出氘氚混合氣,在陽極電壓和磁場的共同作用下,使氘氚氣體電離,電離后的電子在加速系統(tǒng)的電場作用下,氘氚離子從離子源引出孔引出,經(jīng)加速電極加速后轟擊靶,與靶中的氘氚核發(fā)生核反應(yīng)

發(fā)射出能量為2.5 MeV和14 MeV的2種快中子。

1.2 防濺射的微型離子源

ZZ25中子管的離子源采用冷陰極潘寧離子源。為了適應(yīng)管內(nèi)空間的限制,離子源外徑設(shè)計為14 mm,陽極筒外徑設(shè)計為9 mm,陰陽極間的橫向絕緣距離設(shè)計為2 mm;為防止離子濺射使陰陽極間絕緣程度變差或短路,陰陽極間的陶瓷絕緣環(huán)設(shè)計成迷宮式結(jié)構(gòu)[3]。

1.3 耐高壓的加速系統(tǒng)

加速系統(tǒng)由離子源的輸出陰極和加速電極組成,它是一種簡單的單極加速系統(tǒng),可同時完成離子的引出、成形和加速[4]。自成靶中子管工作時需要的加速電壓往往比商品靶中子管要高,為此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,考慮了2個方面的問題。

(1) 合理確定加速間隙的長度。依據(jù)直流真空擊穿電壓VDC(kV)與間距d(mm)的經(jīng)驗公式[5]設(shè)計耐壓間隙。

當(dāng)d>5 mm時,VDC= 46d0.4(d的分數(shù)冪通常為0.4～0.7);當(dāng)選擇d=13 mm時,采用保守設(shè)計,取d的分數(shù)冪為0.4,得VDC= 128.3 kV。

根據(jù)計算結(jié)果,對其進行了實驗驗證,中子管處于工作狀態(tài),管內(nèi)真空度為10-2～10-3Pa,間隙兩端電壓為130 kV(實際使用為90～100 kV),連續(xù)工作4 h沒有被擊穿。

(2) 進行電場屏蔽和防止離子濺射。-120 kV高壓形成很強的電場極容易使中子管擊穿;由于管內(nèi)空間小,離子濺射極容易造成管內(nèi)壁與加速電極之間絕緣程度降低,要盡量提高電場屏蔽和防止離子濺射保證加速系統(tǒng)的耐壓。

通過上述2個方面結(jié)構(gòu)設(shè)計并經(jīng)實驗測試求證,這種結(jié)構(gòu)的加速系統(tǒng)在-120 kV高壓下能夠長時間可靠工作。

1.4 抗高溫的自成靶

ZZ25中子管的靶基采用無氧銅凹面靶,在靶外端設(shè)計一個可拆卸的散熱器,便于靶散熱。室內(nèi)實驗證實,這種靶在150 ℃高溫環(huán)境中連續(xù)工作5 h靶內(nèi)氘氚氣體也不會逸出。靶膜仍然采用高純鈦材料,由于ZZ25中子管的靶表面面積較ZZ30小1.3倍,要達到ZZ30中子管同樣的靶膜重量,其靶膜厚度要增加1.3倍才能滿足中子產(chǎn)額的要求。

2 制造工藝創(chuàng)新

2.1 鍍膜工藝

以往靶膜鍍制工藝簡單,靶基表面不進行凈化處理,且采用電阻蒸發(fā)鍍膜方式,靶膜附著力差,鍍膜設(shè)備本底真空度低(為10-1Pa量級),鍍制的靶膜往往被氧化,其結(jié)果造成靶膜部分脫落,導(dǎo)致中子產(chǎn)額下降。針對該問題改進了靶膜鍍制工藝:①將靶基進行去油處理后,再對其進行900 ℃高溫凈化處理,除去靶表面的雜質(zhì);②將靶面進行粗化處理,用機械噴砂的方法將靶面粗糙處理,既增強了膜與靶結(jié)合面的親和力,還可以有效減少靶面二次電子的發(fā)射[6];③改進鍍膜設(shè)備功能,提高本底真空度,同時將鍍膜方法由電阻蒸發(fā)鍍膜改為磁控濺射鍍膜,增強靶膜的附著力。通過靶面鍍膜工藝的改進,提高了靶膜質(zhì)量,減少了濺射效應(yīng),有利于提高中子管工作的可靠性和延長中子管的使用壽命。

2.2 封接工藝

在封接ZZ25中子管的過程中解決了2個技術(shù)難點:①采用微型離子源的封接技術(shù),解決了由于離子源內(nèi)部空間小,零件多,同時還要保證電氣高度絕緣的封接問題;②采用薄壁封接技術(shù),有效防止管內(nèi)壁不被各種離子濺射,保證管內(nèi)的高壓絕緣,在保證中子管真空度要求的前提下,盡可能減少各部件的壁厚,達到管內(nèi)空間最大化。

2.3 排氣工藝

排氣質(zhì)量直接影響到中子管的性能。排氣不徹底,除了影響管子耐壓性能外,管內(nèi)殘留的雜氣還會降低離子流的有效成分,降低中子產(chǎn)額。在其他條件相同的情況下,中子產(chǎn)額因排氣質(zhì)量的差別可相差1倍以上[7]。又因為儲存器對其他氣體的吸氣速率遠低于氘氚氣,雜氣的存在嚴重影響了管內(nèi)氣壓調(diào)節(jié)效果,即影響了中子管工作的穩(wěn)定性。ZZ25中子管改變常態(tài)排氣工藝,完善排氣設(shè)備功能,改中子管內(nèi)部真空排氣為中子管內(nèi)外同時進行真空排氣,既達到了排氣效果又使中子管表面不被氧化;改手動升降溫度為自動升降溫度,可以有效控制中子管排氣溫度的平穩(wěn)升降;提高排氣溫度,由460 ℃提高到500 ℃,并且在500 ℃溫度下恒溫2 h,更容易排出中子管內(nèi)外表面深層的雜氣;延長排氣時間,由10 h延長到20 h,可以保證中子管排氣更徹底。

2.4 充氚工藝及老煉工藝

將要充氚的ZZ25中子管進行二次排氣,除去管子靶內(nèi)的氘氣和管殼內(nèi)壁的濺射物;配置精確的氘氚比例,使氘氚核反應(yīng)幾率達到最大,產(chǎn)生的中子產(chǎn)額最高。

采用耐壓鍛煉工藝,其過程與商品靶中子管耐壓鍛煉相同,不同之處在于ZZ25中子管的耐壓值要求達到-120 kV;采用靶飽和鍛煉工藝,老煉時將氘氚離子逐漸注入靶內(nèi),經(jīng)過一定的時間(8～10 h)靶內(nèi)氘氚含量達到飽和,形成中子產(chǎn)額穩(wěn)定的自成靶。

3 主要指標測試

3.1 中子產(chǎn)額

中子產(chǎn)額根據(jù)與镅-鈹中子源的活度比對標定。方法原理:用中子管的測試設(shè)備測量镅-鈹中子源的計數(shù)率,并與出廠時源的活度建立對應(yīng)關(guān)系,得到計數(shù)率與中子產(chǎn)額之間的標定系數(shù),用該標定系數(shù)求得中子管的中子產(chǎn)額。

測試中選用了 0.5、19 Ci的2枚镅-鈹中子源,用中子管測試設(shè)備(三氟化硼探測器)對它們分別進行測量,各自測量得到30個數(shù)據(jù),取其平均值,經(jīng)計算得到兩者之間的標定系數(shù)K=1.025×105。由此得到中子產(chǎn)額與計數(shù)率的對應(yīng)關(guān)系

A=K×B=1.025×105×B

(1)

式中,A為中子產(chǎn)額值,n/s;B為室內(nèi)測量計數(shù)率,1/s。

根據(jù)上述計算方法,對管號為251203中子管的中子產(chǎn)額進行了計算,結(jié)果見表1。當(dāng)靶極供電為-80 kV/100 A(即8 W)時,該中子管的中子產(chǎn)額達到了1×108n/s以上,能夠滿足測井儀的需求。

3.2 工作溫度

工作溫度測試在實驗室進行。將ZZ25中子管置于裝有絕緣油的容器中,中子管處于正常工作狀態(tài),并加熱絕緣油至150 ℃,觀察中子管在整個溫升過程中的變化情況。圖1是管號為251202自成靶中子管工作溫度測試曲線。實驗從7:30開始至16:00結(jié)束,歷時8.5 h。在測試過程中通過調(diào)節(jié)氘氚儲存器的電壓或電流值,保持靶壓和靶流值不變(即靶壓100 kV,靶流80 A),觀察中子產(chǎn)額和陽極電流的變化。由圖1可以看出,中子產(chǎn)額在80 ℃以下能夠保持很好的穩(wěn)定,在80～150 ℃區(qū)間下降較快,當(dāng)進入150 ℃恒溫區(qū)后,隨著溫度的平穩(wěn),中子產(chǎn)額的下降速度減緩,并且逐漸趨于穩(wěn)定;陽極電流在整個測試過程中保持了相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定,也就說明了離子源工作的穩(wěn)定。由圖1可知,該中子管不但在整個溫度測試區(qū)間內(nèi)能正常工作,而且在150 ℃恒溫區(qū)工作時間超過了5 h。

表1 251203自成靶中子管計數(shù)率和中子產(chǎn)額對比

圖1 251202中子管工作溫度測試

3.3 使用壽命

ZZ25中子管使用壽命的設(shè)計借鑒了ZZ30中子管的設(shè)計思想,主要考慮靶膜磨損、高壓絕緣破壞和氘氚氣體自然損耗3個重要因素[8]。ZZ25中子管的靶鍍膜工藝保證了靶膜的耐磨性,防離子濺射的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了高壓絕緣性;采用了自成靶結(jié)構(gòu)和充以足夠的氘氚混合氣,可以保證氘氚氣體長久性和中子輸出穩(wěn)定性。考慮到上述因素,預(yù)計使用壽命超過300 h。

4 結(jié)束語

ZZ25中子管以其外徑小、使用壽命長和工作溫度高等突出優(yōu)點,已經(jīng)成功應(yīng)用于大慶鉆探工程公司測井公司自主研發(fā)的Ф38氧活化測井儀中,為油田注入剖面監(jiān)測提供了技術(shù)支持。這種中子管有望在研發(fā)外徑≤38 mm新型核測井儀和替代部分進口的微型中子管等方面得到應(yīng)用。

參考文獻:

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