黃 芳，張士中，程輝建，呂應(yīng)科，顧 佳，沈亞雙,葛書(shū)棟

(渤海鉆探測(cè)井公司 天津 300280)

·經(jīng)驗(yàn)交流·

SDZ-3090補(bǔ)償中子測(cè)井儀故障分析

黃 芳，張士中，程輝建，呂應(yīng)科，顧 佳，沈亞雙,葛書(shū)棟

(渤海鉆探測(cè)井公司 天津 300280)

SDZ-3090型補(bǔ)償中子測(cè)井儀是SDZ-3000快速測(cè)井平臺(tái)的井下儀器之一，是放射性測(cè)井的重要組成部分。從該儀器的原理及電路組成出發(fā)，分析了儀器在測(cè)井使用過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)故障，加深了對(duì)儀器電路原理的理解，達(dá)到了經(jīng)驗(yàn)交流的目的。

補(bǔ)償中子；探測(cè)器；高壓；坪曲線；刻度

0 引 言

SDZ-3090型補(bǔ)償中子測(cè)井儀是一種具有兩道熱中子探測(cè)器的放射性強(qiáng)度測(cè)井儀器，它與地面計(jì)算機(jī)測(cè)井系統(tǒng)配套，可以測(cè)定裸眼井或套管井的地層結(jié)構(gòu)的孔隙度以及判斷巖性和確定泥質(zhì)含量,是三大孔隙度測(cè)井項(xiàng)目中必不可少的測(cè)井儀器。該儀器吸收了CSU和3700補(bǔ)償中子測(cè)井儀的優(yōu)點(diǎn)，采用高穩(wěn)定的電子放大線路和美國(guó)進(jìn)口的高靈敏度熱中子探測(cè)器(3He正比計(jì)數(shù)管)，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)，使得該儀器測(cè)量誤差小，可靠性高，具有良好的使用維修性能。

1 儀器解析

1.1 儀器工作原理

補(bǔ)償中子測(cè)井儀上裝載著18Ci的Am-Be中子源，每秒鐘將產(chǎn)生4×107個(gè)快中子，這些快中子射入地層，與地層的物質(zhì)碰撞。根據(jù)碰撞學(xué)說(shuō)，中子碰撞中的能量損失與被碰撞物質(zhì)的質(zhì)量和入射角有關(guān)，與中子質(zhì)量相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)碰撞(彈性碰撞)，中子損失的能量最大。經(jīng)過(guò)幾次碰撞后，快中子將被減速，能量從快中子的平均能量5.6 MeV衰減到0.025 eV的熱中子。這些熱中子部分進(jìn)入探測(cè)器，撞擊3He核，引起核反應(yīng)，產(chǎn)生3H(氚)子，該質(zhì)子使其它一部分3He電離，產(chǎn)生帶電的離子和電子，在高壓電場(chǎng)的作用下，電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一負(fù)脈沖，該脈沖被電子線路放大并記錄下來(lái)，探測(cè)器接受中子的多少直接反映了地層中氫原子的多少[1]。因此3He探測(cè)器及其電子線路組成的下井儀可以測(cè)量地層中的含氫量。地層孔隙是充滿流體的細(xì)微空間，水及碳?xì)浠衔镏泻袣湓?，無(wú)油地層與礦巖中極少或根本沒(méi)有氫。這樣儀器的響應(yīng)基本上反映了充滿流體的地層的細(xì)微空間，即孔隙度。

為了減少井眼套管泥餅對(duì)測(cè)量的影響，下井儀將兩個(gè)靈敏度不同的3He探測(cè)器布置在離中子源距離不同的位置上，用它們的兩個(gè)計(jì)數(shù)率的比值來(lái)反映地層孔隙度的大小，提高了測(cè)量精度。

1.2 電路工作原理

SDZ-3090補(bǔ)償中子測(cè)井儀的電子線路由探測(cè)器、放大測(cè)量電路、低壓電源和高壓電源電路等組成。如圖1所示。

圖1 原理方框圖

3He探測(cè)器輸出的脈沖，經(jīng)電荷靈敏放大器放大，甄別器甄別掉噪聲后輸入到分頻器中分頻，分頻后的信號(hào)由電路成形器將它形成等寬等幅的脈沖，然后輸出到輸出器進(jìn)行功率放大，經(jīng)變壓器輸出。

1.2.1探測(cè)器

目前國(guó)內(nèi)外補(bǔ)償中子測(cè)井儀均采用3He正比計(jì)數(shù)管作熱中子探測(cè)器，它在正常工作情況下輸出負(fù)極性電脈沖，脈沖幅度在0.5 μv～1.5 mV范圍內(nèi)連續(xù)分布,脈沖寬度小于5 μs,為隨機(jī)信號(hào)，3He管的外形結(jié)構(gòu)為圓柱形，在圓柱的軸心,有一根在理論上視為無(wú)限小的金屬絲，圓柱內(nèi)充滿若干個(gè)氣壓的3He氣體，氣壓的大小對(duì)其靈敏度有關(guān)。它探測(cè)中子的反應(yīng)式[2]為：

3He +n →1H +3H+ 765 keV

3He正比計(jì)數(shù)管是一種高靈敏的熱中子探測(cè)器，由于管內(nèi)填充的氣壓較高，所以在維修使用過(guò)程中要輕拿輕放,不能碰撞，以免損壞管內(nèi)的陽(yáng)極絲。在焊接過(guò)程中，嚴(yán)禁用力撥動(dòng)3He探測(cè)器的引線端，否則會(huì)造成3He氣體泄漏而不能正常工作。在給3He管供電時(shí)，應(yīng)先檢查供電電壓,防止長(zhǎng)、短源距的高壓接反。

1.2.2 前置放大電路

前置放大電路是一個(gè)電荷靈敏放大器，它直接安裝在探測(cè)器的陽(yáng)極上，減少了分布電容的影響。當(dāng)3He探測(cè)器的輸入阻抗足夠大時(shí)，其輸出脈沖幅度可以表示為：

U=Q/C

對(duì)于長(zhǎng)源距和短源距通道，前置放大電路相同。

1.2.3 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路由主放大器、混合電路、驅(qū)動(dòng)輸出三部分組成。

由前置放大電路送來(lái)的兩路負(fù)脈沖，送入主放大器，其輸出幅度約為+3 V，調(diào)節(jié)R1、R2的阻值可達(dá)到這個(gè)要求。

混合電路模塊集成了跟隨器、比較器、分頻器和單穩(wěn)態(tài)等電路。

驅(qū)動(dòng)輸出提供電路帶載能力和信號(hào)隔離輸出功能。

1.2.4 電源電路

儀器采用通用的電源50 Hz、AC180 V供電，經(jīng)1#、4#進(jìn)入電源變壓器，經(jīng)降壓、整流、濾波、三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，輸出+24 V直流電壓。

高壓模塊可以將直流低壓變換成+500～+2 500 V的直流高壓，通過(guò)電阻分壓后可以產(chǎn)生+1 400 V和+1 150 V的直流高壓。

2 故障分析

2.1 故障一

在儀器檢修過(guò)程中，首先檢查電壓、電流是否正常。電壓電流正常情況下，如果沒(méi)有信號(hào)或者信號(hào)不正常，先檢測(cè)高壓是否正確，然后檢測(cè)信號(hào)處理電路各工作點(diǎn)。補(bǔ)中08590014#儀器曾出現(xiàn)短源距計(jì)數(shù)不正常的現(xiàn)象，小隊(duì)使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)短源距計(jì)數(shù)率超出正常范圍較多。室內(nèi)檢測(cè)：示波器測(cè)量短源距信號(hào)輸出點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)大量脈沖信號(hào)，較長(zhǎng)源距信號(hào)多。查高壓部分：長(zhǎng)源距高壓為1 428 V，短源距高壓達(dá)到1 417 V。而維修手冊(cè)中規(guī)定：SDZ-3090型補(bǔ)償中子測(cè)井儀的長(zhǎng)源距探測(cè)器的高壓大約為1 400 V，短源距探測(cè)器的高壓大約為1 150 V?？梢?jiàn)，對(duì)于短源距來(lái)說(shuō)，1 417 V遠(yuǎn)高于規(guī)定的1 150 V，因此造成短源距信號(hào)不正常。

補(bǔ)償中子測(cè)井儀采用的3He探測(cè)器的供電電壓由它的坪曲線[3]來(lái)決定的。正常情況下，常溫的3He探測(cè)器坪寬不低于200 V。坪曲線圖如圖2所示。

圖2 坪曲線圖

圖2中3條曲線分別為3He探測(cè)器在常溫、75℃以及175℃恒溫1 h后的坪曲線。工作高壓區(qū)為選定的探測(cè)器的工作電壓。圖2中可以看出，當(dāng)高壓超出坪曲線部分后，隨著高壓的增加，計(jì)數(shù)率會(huì)增加較快。因此，該儀器的短源距計(jì)數(shù)率明顯增多。在儀器維修中，一般將探測(cè)器工作電壓調(diào)至坪曲線中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值，短源距探測(cè)器的高壓約為1 150 V，坪寬不低于200 V，則坪區(qū)的末端所對(duì)應(yīng)的最高電壓大約1 250 V。而該儀器的短源距高壓達(dá)到1 417 V，嚴(yán)重超出坪區(qū)工作電壓。高壓電源電壓過(guò)高，會(huì)影響3He探測(cè)器的性能，從坪特性上看，它工作在上翹區(qū)，所以計(jì)數(shù)率自然就高了。而長(zhǎng)源距的工作高壓仍然在坪區(qū)范圍內(nèi)，所以長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率正常。

仔細(xì)檢測(cè)高壓電路部分，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)分壓電路中分壓電阻R103斷開(kāi)了，導(dǎo)致長(zhǎng)短源距高壓均偏高。分壓電阻R103斷開(kāi)，則R103后面的分壓電阻R104、R105也都呈斷開(kāi)狀態(tài)，分壓電路沒(méi)有起到分壓作用，所以短源距高壓明顯增高，超出了坪區(qū)工作電壓。更換R103電阻，分壓電路恢復(fù)正常工作，將短源距高壓調(diào)整到1 130 V，同時(shí)將長(zhǎng)源距高壓調(diào)整到了1 410 V，這樣長(zhǎng)短源距高壓均達(dá)到了3He探測(cè)器的坪區(qū)工作電壓。檢測(cè)到短源距電路中脈沖信號(hào)輸出明顯減少，計(jì)數(shù)率恢復(fù)到正常范圍。

2.2 故障二

08590004#補(bǔ)中測(cè)井儀在刻度過(guò)程中計(jì)數(shù)率偏低，反復(fù)刻度幾次才勉強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍的低值。 標(biāo)準(zhǔn)比值為4.012 2±0.201, 而該儀器經(jīng)過(guò)反復(fù)刻度才達(dá)到3.808，因此需要對(duì)儀器電路部分進(jìn)行檢測(cè)、調(diào)校。主刻點(diǎn)及校驗(yàn)點(diǎn)誤差范圍見(jiàn)表1。

刻度裝置使用3700系列2437XB刻度筒，在主刻點(diǎn)求出儀器特征參數(shù)K值，在地面系統(tǒng)測(cè)井程序中，以K值來(lái)修正測(cè)得的計(jì)數(shù)率比值[4]。

表1 主刻點(diǎn)及校驗(yàn)點(diǎn)誤差范圍

在高壓正常的情況下檢測(cè)信號(hào)處理電路，如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理電路圖

用源檢測(cè)信號(hào)處理電路中的SDIN和LDIN(長(zhǎng)源距信號(hào)處理電路與短源距相同)信號(hào)幅度，長(zhǎng)源距LDIN信號(hào)幅度應(yīng)為2.0±0.4 V，短源距SDIN信號(hào)幅度應(yīng)為3.0±0.4 V。而該儀器的LDIN信號(hào)幅度僅約1 V，SDIN信號(hào)幅度約2 V,未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍。因此調(diào)節(jié)信號(hào)處理電路中R1(短源距信號(hào)處理電路)、R9(長(zhǎng)源距信號(hào)處理電路)的大小，將SDIN和LDIN信號(hào)幅度調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，然后對(duì)儀器進(jìn)行刻度。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后的儀器在刻度過(guò)程中一次刻度成功。

3 小 結(jié)

SDZ-3090補(bǔ)償中子測(cè)井儀性能穩(wěn)定，故障率相對(duì)較低。在儀器維修過(guò)程中，充分理解和學(xué)習(xí)維修手冊(cè)是非常必要的，有利于我們分析儀器故障，準(zhǔn)確找到引起故障的根源并及時(shí)加以解決，從而提高工作效率。

[1] 胡 澍.地球物理測(cè)井儀器[M].北京: 石油工業(yè)出版社,1989：329-332.

[2] 張 明，施 俊，任忠國(guó).3He中子計(jì)數(shù)管的機(jī)理及結(jié)構(gòu)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009，29(5)：1170-1171.

[3] 李 科，魯保平，吳永安.3He管檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制[J].石油儀器，2007，21(1)：29-31.

[4] SDZ-3000快速測(cè)井平臺(tái)維修手冊(cè)[Z].中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所， 2006：114-115.

Faults Analysis of SDZ-3090 Compensated Neutron Logging Tool

HUANG Fang, ZHANG Shizhong, CHENG Huijian, LYU Yingke, GU Jia, SHEN Yashuang, GE Shudong

(BohaiDrillingLoggingCompany,Dagang,Tianjin300280,China)

SDZ-3090 compensated neutron logging tool is one of the downhole logging tools of SDZ-3000 fast logging platform, which is also an important part of the radioactive logging. This article analyzes the composition and circuit principle of the downhole logging tool in detail combined with the common faults occurring in the logging. The understanding of the principles of the instrument circuit is deepened, while the purpose of the exchange of experiences is achieved.

compensated neutron; detector; high voltage; plateau curves; calibration

黃 芳，女，1973年生，高級(jí)工程師，1996年畢業(yè)于西安石油學(xué)院電子儀器及測(cè)量技術(shù)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事測(cè)井儀器維修及相關(guān)科研工作。E-mail: huangliff@sina.com

P631.8+17

A

2096-0077(2017)03-0085-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.019

2016-09-15 編輯：韓德林)