黃松濤,孫東利,曹揚(yáng),于傳旭,張連成

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所,河南新鄉(xiāng)453000;2.中國石油集團(tuán)測井有限公司大慶分公司,黑龍江大慶163000)

0 引 言

現(xiàn)有的自然伽馬測井儀一般使用保溫瓶技術(shù)滿足高溫環(huán)境下的應(yīng)用,但保溫瓶不能在井下長時(shí)間有效保溫,在水平井等長時(shí)間測井環(huán)境下應(yīng)用受限[1-2]。

自然伽馬測井儀探頭坪區(qū)不僅是由光電倍增管自身特性造成的,還與被測量自然伽馬射線的能量(能譜)、探頭晶體類型、脈沖處理電路的放大倍數(shù)和甄別閾等直接相關(guān)。隨著加在光電倍增管上的高壓升高,光電倍增管的放大倍數(shù)激增,釷、鉀、鈾伽馬脈沖信號增高并不斷超過甄別閾,記錄到的計(jì)數(shù)率先快速上升再趨平緩上升;隨高壓繼續(xù)升高,暗電流和其他噪聲信號被放大到甄別閾以上的水平,計(jì)數(shù)率再次快速上升。由于目前光電倍增管和晶體的高溫性能都不十分理想,坪區(qū)受溫度影響嚴(yán)重。隨溫度升高,一般坪區(qū)變窄并向高電壓方向移動。為適應(yīng)較寬的溫度范圍,光電倍增管的高壓工作值過去通常選擇在坪區(qū)高端[2],必須控制測量系統(tǒng)放大倍數(shù)和噪聲水平隨溫度的變化:①優(yōu)選和篩選高溫時(shí)暗電流仍趨于零的高脫出功雙堿光陰極和銅鈹打拿極(現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)稱謂是倍增極)的測井專用高溫光電倍增管,力爭高溫時(shí)坪區(qū)變窄不那么嚴(yán)重;②通過增高光電倍增管高壓或電子學(xué)線路放大倍數(shù),補(bǔ)償NaI晶體造成的系統(tǒng)放大倍數(shù)下降;③把測量系統(tǒng)封裝在保溫瓶中。

在現(xiàn)有自然伽馬測井儀的制造過程中,由于探頭的坪區(qū)在常溫和高溫下不同,常溫調(diào)試尋找的坪區(qū)在高溫時(shí)很多時(shí)候都不合適,需要對自然伽馬測井儀器進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn),將高壓調(diào)整端和高壓引出來進(jìn)行調(diào)整,而通過調(diào)整電阻值設(shè)定高壓值,在不同的溫度環(huán)境下不能動態(tài)調(diào)整高壓,從而使得每次高溫檢驗(yàn)都很費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且不能保證成功率[3-4]。

本文通過程控高壓和高壓溫度補(bǔ)償技術(shù)解決自然伽馬測井儀在高溫環(huán)境下長時(shí)間工作的問題。篩選出了適合在高溫環(huán)境下工作的高壓模塊、光電倍增管及晶體;在不使用保溫瓶情況下通過測量儀器骨架溫度來獲知儀器所處的環(huán)境溫度;通過實(shí)時(shí)調(diào)整高壓模塊的調(diào)節(jié)電壓來實(shí)時(shí)調(diào)整輸出高壓值;通過溫度檢驗(yàn)獲知該支儀器或該批儀器自然伽馬探管的坪區(qū)漂移曲線;通過坪區(qū)漂移曲線來獲得儀器的溫度補(bǔ)償圖版;通過溫度圖版的實(shí)時(shí)高壓校正來保證自然伽馬測井儀在高溫環(huán)境下的長時(shí)間工作。

1 現(xiàn)有技術(shù)

傳統(tǒng)自然伽馬測井儀中,光電倍增管和NaI晶體組成自然伽馬探測的探管,高壓電路為光電倍增管提供負(fù)高壓,測量電路對伽馬信號進(jìn)行處理,使用單片機(jī)進(jìn)行信號采集和通訊[5]。圖1給出高壓電路原理圖。圖1中N1為高壓模塊,通過調(diào)整電阻R3和R4可以調(diào)整高壓模塊的輸出電壓。

圖1 高壓電路原理圖

不同批次和廠家的光電倍增管和晶體的坪區(qū)曲線會有所不同,甚至同一批次的光電倍增管和晶體的坪區(qū)曲線也不相同。所以,現(xiàn)有方案在產(chǎn)品制造時(shí),需要尋找合適的高壓值來滿足不同環(huán)境溫度下自然伽馬計(jì)數(shù)率的穩(wěn)定。

2 程控高壓的實(shí)現(xiàn)

高壓模塊使用通過篩選的藍(lán)欣電子公司的F24N12R3模塊。該模塊適合在高溫測井儀中使用,225 ℃的高溫特性能夠滿足175 ℃長時(shí)間工作連續(xù)工作的需求。程控高壓實(shí)現(xiàn)方法見圖2所示。自然伽馬測井儀單片機(jī)通過SPI口向AD5025提供DA轉(zhuǎn)換的數(shù)字量,ADR421為AD5025提供2.5 V的基準(zhǔn)電平,AD5025將單片機(jī)輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓值送給高壓模塊的程控調(diào)整端DAC1。DAC1輸出0～2.5 V可調(diào),調(diào)整間隔為0.2 mV。

圖2 程控高壓電路圖

由圖3可見,高壓調(diào)整的線性度較好,從而保證程控高壓的可行性。

圖3 控制電壓與輸出高壓的線性關(guān)系圖

3 高壓值的選取

暗電流隨著工作高壓的增大而增大,但增大率并非常數(shù)。光電倍增管的靈敏度雖然隨著電壓增加而增加,但是暗電流也有同樣的增加趨勢,在最大額定值附近,暗電流增加的比例反而變得更大。因此,選擇光電倍增管的工作電壓時(shí),理想的是使用把靈敏度同暗電流都考慮在內(nèi)的最佳電壓。在多級光電倍增管中,一般比最大額定電壓低200～300 V以上。此外,光電倍增管的壽命與輸出電流有關(guān),輸出電流越大,光電倍增管的壽命越短,而輸出電流與工作電壓及漏電流密切相關(guān),所以,在高壓的選取方面一般不能過于接近最大額定電壓[8]。

文中選用濱松公司R4607A作為高溫自然伽馬測井儀的光電倍增管,其耐溫指標(biāo)為175 ℃,滿足175 ℃高溫環(huán)境下長時(shí)間工作的需求。圖4給出3支R4607A常溫下在相同天然放射性條件下的實(shí)測坪區(qū)曲線。由實(shí)測曲線可知,3支探頭在常溫下坪區(qū)高壓的起始值稍有差別,但差別不大,工作電壓大于1 500 V之后,3支探頭的常溫坪區(qū)基本一致,該結(jié)論與R4607A性能參數(shù)一致。

圖4 不同R4607A光電倍增管常溫下實(shí)測坪區(qū)曲線

傳統(tǒng)自然伽馬測井儀制造過程中,在做175 ℃溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),高溫下,高壓需要調(diào)整到1 750 V左右才能保證與常溫計(jì)數(shù)的一致,所以,在制造測井儀過程中,伽馬供電高壓基本都在1 750 V左右,已經(jīng)很接近最大高壓值,嚴(yán)重影響光電倍增使用壽命。

圖5給出在常溫天然放射性條件下,同一支探頭在不同工作電壓(1 500 V和1 700 V)下自然伽馬曲線的統(tǒng)計(jì)起伏比較圖,曲線橫坐標(biāo)為伽馬曲線的API值,縱坐標(biāo)為時(shí)間。由圖5可知,1 500 V和1 700 V工作電壓下,探管均處于坪區(qū)中,天然放射性條件下,儀器的計(jì)數(shù)率基本保持穩(wěn)定,但隨著高壓的升高,伽馬曲線的統(tǒng)計(jì)起伏增大,影響測井曲線質(zhì)量。造成這種現(xiàn)象的原因,在常溫下,隨著探管工作高壓值的升高,暗電流和其他噪聲信號被放大到甄別閾以上的水平,造成伽馬計(jì)數(shù)率及API測量值統(tǒng)計(jì)起伏增大。

圖5 常溫下不同高壓值GR曲線統(tǒng)計(jì)起伏比較

所以,在常溫下(工作溫度低于120 ℃下),為了保證測井儀器的測井曲線質(zhì)量,選定探管的工作電壓為1 550 V。隨著溫度的升高,根據(jù)高壓供電的溫度補(bǔ)償策略,逐步增高探管的工作電壓。

4 高壓供電溫度補(bǔ)償

為保證測井曲線質(zhì)量和更好的延長光電倍增管的使用壽命,需要加入坪區(qū)的溫度圖版,通過測量儀器骨架溫度獲得儀器的工作溫度,通過工作溫度動態(tài)調(diào)整高壓。讓光電倍增管在溫度較低時(shí)工作在較低高壓下,在溫度較高時(shí)工作在較高電壓下。

表1給出不同溫度環(huán)境下儀器的坪區(qū)范圍。由表1可見,隨著溫度的升高,儀器的坪區(qū)范圍逐漸的變窄,儀器溫度工作的高壓值逐漸升高。120 ℃以下,坪區(qū)曲線變化不大,150 ℃坪區(qū)向高電壓方向移50 V左右,175 ℃坪區(qū)向高電壓方向移150 V左右。表1中,骨架溫度能夠較好地反映環(huán)境溫度,所以可以通過測量儀器骨架溫度獲知儀器所處的環(huán)境溫度,從而根據(jù)溫度試驗(yàn)時(shí)的溫度圖版去調(diào)整儀器高壓值。使得儀器能夠根據(jù)環(huán)境溫度實(shí)時(shí)調(diào)整高壓值,工作在最穩(wěn)定的狀態(tài)。

表1 不同溫度環(huán)境下儀器的坪區(qū)范圍

注:由于儀器的功耗及儀器溫度傳感器的位置,使得儀器測量的溫度稍高于環(huán)境溫度。

通過溫度實(shí)驗(yàn),可以得到探管的溫度補(bǔ)償圖版見圖6。在儀器骨架溫度低于120 ℃時(shí),探頭的工作電壓為1 550 V,隨著溫度的升高,探頭的工作電壓逐步升高;骨架溫度升高至150 ℃時(shí),探頭的工作電壓升高至1 600 V;骨架溫度到底185 ℃時(shí),探頭高壓升高至1 750 V,185 ℃以后,隨著溫度升高,探頭高壓逐步升高至1 800 V。該補(bǔ)償策略保證探頭的工作電壓均落在不同環(huán)境溫度下探頭的坪區(qū)曲線中。溫度圖版分3部分,第1部分為骨架溫度低于120 ℃部分,工作電壓保持不變;第2部分為120 ℃～185 ℃部分,高壓隨溫度的補(bǔ)償策略滿足二次多項(xiàng)式y(tǒng)=0.0403x2-9.2125x+2075.3,式中多項(xiàng)式系數(shù)與探管的批次及儀器的溫度參數(shù)有關(guān),根據(jù)實(shí)際溫度實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行修正;第3部分為高于185 ℃部分,高壓隨溫度的補(bǔ)償策略滿足二次多項(xiàng)式y(tǒng)=-0.2074x2+83.623x-6628.8,式中多項(xiàng)式系數(shù)與探管的批次及儀器的溫度參數(shù)有關(guān),需要根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行修正。

圖6 溫度補(bǔ)償圖版示例

5 結(jié) 論

(1)通過選取合適的高溫器件滿足175°條件下不帶保溫瓶自然伽馬測井儀正常工作的需求;引入高壓程控機(jī)制解決電位器調(diào)整高壓帶來的問題;利用坪區(qū)的溫度圖版,通過在不同溫度下自動調(diào)整高壓值,保證自然伽馬測井儀的耐溫性能。

(2)研究使得175°高溫環(huán)境下自然伽馬測井儀連續(xù)10 h以上的正常工作成為現(xiàn)實(shí)。在大慶測井分公司研制的Wiseye測井系統(tǒng)以及0.2 m高分辨率測井系統(tǒng)中,Wiseye1020C集成化單元1分系統(tǒng)使用該方法作為自然伽馬探測器高壓調(diào)整的方案,自然伽馬探測在高溫環(huán)境和常溫環(huán)境下響應(yīng)良好,獲得了較好應(yīng)用效果。中電科二十二所研制的SDZ-8000成像測井系統(tǒng)中,SDZ-8021集成化單元1分系統(tǒng)使用該方法作為自然伽馬探測器高壓調(diào)整方案,在柳平區(qū)塊的高溫水平井測井中獲得良好應(yīng)用效果。

(3)該方案也可通過熱敏電阻來調(diào)節(jié)高壓模塊的輸出高壓值,但其高壓輸出值受控特性不好,在熱敏電阻特性不好的情況時(shí)很容易達(dá)不到所需要的高壓值,不如程控高壓控制靈活。