SDZ-3090補償中子測井儀故障分析

黃 芳，張士中，程輝建，呂應科，顧 佳，沈亞雙,葛書棟

(渤海鉆探測井公司 天津 300280)

·經驗交流·

SDZ-3090補償中子測井儀故障分析

黃 芳，張士中，程輝建，呂應科，顧 佳，沈亞雙,葛書棟

(渤海鉆探測井公司 天津 300280)

SDZ-3090型補償中子測井儀是SDZ-3000快速測井平臺的井下儀器之一，是放射性測井的重要組成部分。從該儀器的原理及電路組成出發，分析了儀器在測井使用過程中出現的常見故障，加深了對儀器電路原理的理解，達到了經驗交流的目的。

補償中子；探測器；高壓；坪曲線；刻度

0 引 言

SDZ-3090型補償中子測井儀是一種具有兩道熱中子探測器的放射性強度測井儀器，它與地面計算機測井系統配套，可以測定裸眼井或套管井的地層結構的孔隙度以及判斷巖性和確定泥質含量,是三大孔隙度測井項目中必不可少的測井儀器。該儀器吸收了CSU和3700補償中子測井儀的優點，采用高穩定的電子放大線路和美國進口的高靈敏度熱中子探測器(3He正比計數管)，優化了電路設計，使得該儀器測量誤差小，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

補償中子測井儀上裝載著18Ci的Am-Be中子源，每秒鐘將產生4×107個快中子，這些快中子射入地層，與地層的物質碰撞。根據碰撞學說，中子碰撞中的能量損失與被碰撞物質的質量和入射角有關，與中子質量相當的物質碰撞(彈性碰撞)，中子損失的能量最大。經過幾次碰撞后，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。這些熱中子部分進入探測器，撞擊3He核，引起核反應，產生3H(氚)子，該質子使其它一部分3He電離，產生帶電的離子和電子，在高壓電場的作用下，電子向陽極運動，產生一負脈沖，該脈沖被電子線路放大并記錄下來，探測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探測器及其電子線路組成的下井儀可以測量地層中的含氫量。地層孔隙是充滿流體的細微空間，水及碳氫化合物中含有氫原子，無油地層與礦巖中極少或根本沒有氫。這樣儀器的響應基本上反映了充滿流體的地層的細微空間，即孔隙度。

為了減少井眼套管泥餅對測量的影響，下井儀將兩個靈敏度不同的3He探測器布置在離中子源距離不同的位置上，用它們的兩個計數率的比值來反映地層孔隙度的大小，提高了測量精度。

1.2 電路工作原理

SDZ-3090補償中子測井儀的電子線路由探測器、放大測量電路、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探測器輸出的脈沖，經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行功率放大，經變壓器輸出。

1.2.1探測器

目前國內外補償中子測井儀均采用3He正比計數管作熱中子探測器，它在正常工作情況下輸出負極性電脈沖，脈沖幅度在0.5 μv～1.5 mV范圍內連續分布,脈沖寬度小于5 μs,為隨機信號，3He管的外形結構為圓柱形，在圓柱的軸心,有一根在理論上視為無限小的金屬絲，圓柱內充滿若干個氣壓的3He氣體，氣壓的大小對其靈敏度有關。它探測中子的反應式[2]為：

3He +n →1H +3H+ 765 keV

3He正比計數管是一種高靈敏的熱中子探測器，由于管內填充的氣壓較高，所以在維修使用過程中要輕拿輕放,不能碰撞，以免損壞管內的陽極絲。在焊接過程中，嚴禁用力撥動3He探測器的引線端，否則會造成3He氣體泄漏而不能正常工作。在給3He管供電時，應先檢查供電電壓,防止長、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電荷靈敏放大器，它直接安裝在探測器的陽極上，減少了分布電容的影響。當3He探測器的輸入阻抗足夠大時，其輸出脈沖幅度可以表示為：

U=Q/C

對于長源距和短源距通道，前置放大電路相同。

1.2.3 信號處理電路

信號處理電路由主放大器、混合電路、驅動輸出三部分組成。

由前置放大電路送來的兩路負脈沖，送入主放大器，其輸出幅度約為+3 V，調節R1、R2的阻值可達到這個要求。

混合電路模塊集成了跟隨器、比較器、分頻器和單穩態等電路。

驅動輸出提供電路帶載能力和信號隔離輸出功能。

1.2.4 電源電路

儀器采用通用的電源50 Hz、AC180 V供電，經1#、4#進入電源變壓器，經降壓、整流、濾波、三端穩壓器穩壓后，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，通過電阻分壓后可以產生+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，如果沒有信號或者信號不正常，先檢測高壓是否正確，然后檢測信號處理電路各工作點。補中08590014#儀器曾出現短源距計數不正常的現象，小隊使用過程中發現短源距計數率超出正常范圍較多。室內檢測：示波器測量短源距信號輸出點，發現大量脈沖信號，較長源距信號多。查高壓部分：長源距高壓為1 428 V，短源距高壓達到1 417 V。而維修手冊中規定：SDZ-3090型補償中子測井儀的長源距探測器的高壓大約為1 400 V，短源距探測器的高壓大約為1 150 V?？梢姡瑢τ诙淘淳鄟碚f，1 417 V遠高于規定的1 150 V，因此造成短源距信號不正常。

補償中子測井儀采用的3He探測器的供電電壓由它的坪曲線[3]來決定的。正常情況下，常溫的3He探測器坪寬不低于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探測器在常溫、75℃以及175℃恒溫1 h后的坪曲線。工作高壓區為選定的探測器的工作電壓。圖2中可以看出，當高壓超出坪曲線部分后，隨著高壓的增加，計數率會增加較快。因此，該儀器的短源距計數率明顯增多。在儀器維修中，一般將探測器工作電壓調至坪曲線中點所對應的電壓值，短源距探測器的高壓約為1 150 V，坪寬不低于200 V，則坪區的末端所對應的最高電壓大約1 250 V。而該儀器的短源距高壓達到1 417 V，嚴重超出坪區工作電壓。高壓電源電壓過高，會影響3He探測器的性能，從坪特性上看，它工作在上翹區，所以計數率自然就高了。而長源距的工作高壓仍然在坪區范圍內，所以長源距計數率正常。

仔細檢測高壓電路部分，如圖3所示，發現分壓電路中分壓電阻R103斷開了，導致長短源距高壓均偏高。分壓電阻R103斷開，則R103后面的分壓電阻R104、R105也都呈斷開狀態，分壓電路沒有起到分壓作用，所以短源距高壓明顯增高，超出了坪區工作電壓。更換R103電阻，分壓電路恢復正常工作，將短源距高壓調整到1 130 V，同時將長源距高壓調整到了1 410 V，這樣長短源距高壓均達到了3He探測器的坪區工作電壓。檢測到短源距電路中脈沖信號輸出明顯減少，計數率恢復到正常范圍。

2.2 故障二

08590004#補中測井儀在刻度過程中計數率偏低，反復刻度幾次才勉強達到標準范圍的低值。 標準比值為4.012 2±0.201, 而該儀器經過反復刻度才達到3.808，因此需要對儀器電路部分進行檢測、調校。主刻點及校驗點誤差范圍見表1。

刻度裝置使用3700系列2437XB刻度筒，在主刻點求出儀器特征參數K值，在地面系統測井程序中，以K值來修正測得的計數率比值[4]。

表1 主刻點及校驗點誤差范圍

在高壓正常的情況下檢測信號處理電路，如圖4所示。

圖4 信號處理電路圖

用源檢測信號處理電路中的SDIN和LDIN(長源距信號處理電路與短源距相同)信號幅度，長源距LDIN信號幅度應為2.0±0.4 V，短源距SDIN信號幅度應為3.0±0.4 V。而該儀器的LDIN信號幅度僅約1 V，SDIN信號幅度約2 V,未達到標準范圍。因此調節信號處理電路中R1(短源距信號處理電路)、R9(長源距信號處理電路)的大小，將SDIN和LDIN信號幅度調節到標準范圍內，然后對儀器進行刻度。經過調節后的儀器在刻度過程中一次刻度成功。

3 小 結

SDZ-3090補償中子測井儀性能穩定，故障率相對較低。在儀器維修過程中，充分理解和學習維修手冊是非常必要的，有利于我們分析儀器故障，準確找到引起故障的根源并及時加以解決，從而提高工作效率。

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

[2] 張 明，施 俊，任忠國.3He中子計數管的機理及結構[J].核電子學與探測技術，2009，29(5)：1170-1171.

[3] 李 科，魯保平，吳永安.3He管檢測系統的設計研制[J].石油儀器，2007，21(1)：29-31.

[4] SDZ-3000快速測井平臺維修手冊[Z].中國電子科技集團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，高級工程師，1996年畢業于西安石油學院電子儀器及測量技術專業，現從事測井儀器維修及相關科研工作。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)