喻益明

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

溴化鑭(LaBr3) 閃爍體是近年發(fā)展起來的一種能量分辨率很高的閃爍晶體，由于其相較于傳統(tǒng)的BGO晶體具有光產(chǎn)額高、能量分辨好、溫度系數(shù)絕對值小、衰減時間短、非線性響應(yīng)小等優(yōu)點[1]，近年越來越受測井行業(yè)的青睞。斯倫貝謝公司率先推出了新一代元素測井儀Litho Scanner[2]，利用脈沖中子源和高分辨率探測晶體溴化鑭組成的探測器可以獲取到俘獲譜和非彈能譜，通過高中子產(chǎn)額、高計數(shù)率為提高元素測量的準確度和精確度奠定了扎實基礎(chǔ)。為了提升國內(nèi)測井儀器水平，緊跟國際技術(shù)前沿，擺脫對國外服務(wù)公司的依賴，大慶油田測試分公司研制了基于溴化鑭探測器的高效脈沖中子全譜測井儀，并與PNST脈沖中子全譜測井儀進行了性能對比[3]。

1 溴化鑭探測器的設(shè)計

基于溴化鑭探測器的測量原理是：γ射線進入晶體后與之發(fā)生相互作用，被電離和激發(fā)的晶體的原子、分子退激時發(fā)射出閃爍光子，這些閃爍光子由光導(dǎo)和光學(xué)耦合劑到達光電倍增管的光陰極，通過光電效應(yīng)發(fā)射光電子，光電子在倍增管中倍增，最后在陽極收集形成電子流，從而產(chǎn)生脈沖信號[4]。

溴化鑭探測器由溴化鑭晶體、光電倍增管、前置放大電路及調(diào)理電路組成。在溴化鑭晶體本身優(yōu)越性能的基礎(chǔ)上，配合應(yīng)用濾波整形電路，最終利用溴化鑭探測器采集到理想的核脈沖信號。探測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 探測器結(jié)構(gòu)圖

為了將探測到的脈沖信號進行放大和成形，在前置放大電路之后的調(diào)理電路中采用濾波成形電路以滿足后級電路對信號波形的需要。探測器輸出的電流脈沖信號經(jīng)過電荷靈敏前置放大電路，變換為以大的時間常數(shù)衰減的指數(shù)衰減信號，極零相消電路將信號變換為較小時間常數(shù)的指數(shù)衰減信號，并消除下沖，后面一級S-K濾波器完成準高斯濾波成形，并獲得一定的電壓放大倍數(shù)，如圖2所示。

圖2 調(diào)理電路原理圖

對圖2電路進行仿真，結(jié)果如圖3所示：

圖3 調(diào)理電路仿真結(jié)果圖

2 高速數(shù)字采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

由于BGO晶體的發(fā)光衰減時間是300 ns，而溴化鑭晶體的發(fā)光衰減時間是20 ns[5]，傳統(tǒng)的模擬脈沖能譜采集電路無法滿足溴化鑭晶體的快速響應(yīng)需求，通過設(shè)計高速數(shù)字化多道脈沖幅度分析電路對溴化鑭探測信號進行處理。高速數(shù)字采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 高速數(shù)字采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ADC的采集信號既可以通過單端輸入，也可以采用差分輸入。因為單端輸入會使得ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果中二次諧波比例增大，從而影響到信噪比的水平，為了能有效抑制共模干擾以及提高信噪比，這就需要把放大電路中輸出的單端信號轉(zhuǎn)換為差分輸入信號。ADC將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入FPGA。FIR濾波模塊去除高頻噪聲，堆積判別模塊通過脈沖寬度識別脈沖堆積，梯形成行模塊減少信號的彈道虧損，配合基線恢復(fù)模塊可以得到信號真實幅值。峰值提取模塊提取到有效最大值后存入FIFO，譜累加控制模塊根據(jù)FIFO的值讀取雙端口RAM中的值進行操作，最后將雙端口RAM中的譜數(shù)據(jù)經(jīng)過曼碼編解碼單元上傳至上位機。

3 溴化鑭探測器與BGO探測器室內(nèi)對比試驗

為了對比研究BGO、溴化鑭探測器能量分辨率及高速數(shù)字采集系統(tǒng)響應(yīng)速率，在石蠟房內(nèi)對使用BGO探測器的PNST脈沖中子全譜測井儀和使用溴化鑭探測器的高效脈沖中子全譜測井儀進行試驗。

將長源距為55 cm的PNST脈沖中子全譜測井儀放入蠟罐刻度，探測信號經(jīng)線放調(diào)理為脈寬700 ns,設(shè)定適合的梯形成形參數(shù)。中子管燈絲電離至130 μA，然后加靶壓至100 kV測得譜形如圖5所示。后將長源距為55 cm的高效脈沖中子全譜測井儀放入蠟罐，探測信號經(jīng)高速線放調(diào)理為脈寬250 ns，設(shè)定適合的梯形成形參數(shù)，在相同燈絲電離及靶壓條件下測量譜形如圖6所示，其中藍色譜線為俘獲譜，紅色譜線為非彈總譜，白色譜線為時間譜。

通過室內(nèi)對比試驗，高效脈沖中子全譜測井儀探測2.23 MeV的氫元素特征峰與4.43 MeV的碳元素特征峰均優(yōu)于PNST脈沖中子全譜測井儀，分辨率更高。同時其時間譜計數(shù)提高了3倍左右，充分驗證了與溴化鑭探測器匹配的高速數(shù)字采集系統(tǒng)響應(yīng)更快速。

圖5 BGO探測器長短源距能譜

圖6 溴化鑭探測器長短源距能譜

4 現(xiàn)場試驗

使用溴化鑭探測器的高效脈沖中子全譜測井儀進行了現(xiàn)場對比試驗。

芳XX井為大慶油田2016年4月完鉆的一口密閉取心井，于2017年3月21日進行了測井試驗。表1是芳XX在測速為120 m/h下的測井解釋結(jié)果與取心結(jié)果對比。從表中數(shù)據(jù)可知，求取的含油飽和度與巖心分析結(jié)果的最大絕對誤差是2.63%，解釋結(jié)果與取心結(jié)果基本一致。

表1 芳XX井測井解釋結(jié)果與取心結(jié)果對比表

山XX井為長慶油田的一口產(chǎn)能建設(shè)井，地層孔隙度在10%左右，為確定儲層油水分布情況，2018年6月30日使用PNST脈沖中子全譜測井儀和高效脈沖中子全譜測井儀連續(xù)測井，對比解釋結(jié)果如圖7所示。其中實線為PNST脈沖中子全譜測井曲線，虛線為高效脈沖中子全譜測井曲線，測井成果圖顯示，Si/Ca、C/O、CI、OAI等主要測井曲線形態(tài)相似，重復(fù)一致性良好。其中1 882.0～1 886.0 m層段PNST脈沖中子全譜測井剩余油飽和度解釋為20%左右，表明該層為高水淹；高效脈沖中子全譜測井剩余油飽和度解釋為40%左右，表明該層為中水淹。結(jié)合裸眼井測井資料，2018年7月31日射開該層段，投產(chǎn)后實際含水35%，與高效脈沖中子全譜儀解釋結(jié)果一致性更好。

圖7 山XX井溴化鑭和BGO測井剩余油飽和度解釋成果對比圖

5 結(jié) 論

1)選用高性能的溴化瀾晶體及光電倍增管，設(shè)計適合的調(diào)理及采集電路，能夠采集到分辨率更高的能譜曲線。

2)室內(nèi)試驗結(jié)果表明，溴化鑭探測器分辨率優(yōu)于BGO探測器，高速數(shù)字采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理響應(yīng)速度更快。

3)通過現(xiàn)場試驗，使用溴化鑭探測器的高效脈沖中子全譜測井含油飽和度解釋結(jié)果與巖心分析結(jié)果基本一致，最大絕對誤差是2.63%。在含水飽和度為35%的地層中，高效脈沖中子全譜測井剩余油飽和度解釋結(jié)果為40%，PNST脈沖中子全譜測井儀解釋結(jié)果為25%。