脈沖中子-中子(PNN)儀器故障分析及排除

唐秀梅，趙立安，李 慧

(中國石油大港油田測試公司 天津 300280)

·經(jīng)驗(yàn)交流·

脈沖中子-中子(PNN)儀器故障分析及排除

唐秀梅，趙立安，李 慧

(中國石油大港油田測試公司 天津 300280)

針對脈沖中子-中子(PNN)儀器在實(shí)際應(yīng)用中常見的一些故障，介紹了PNN各短節(jié)功能和相應(yīng)電路的基本原理,對故障產(chǎn)生原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析,給出了相應(yīng)故障的排除方法。

脈沖中子-中子(PNN)；電源；脈沖信號通道；中子發(fā)生器；故障

0 引 言

脈沖中子-中子(PNN)儀器是奧地利HOTWELL公司生產(chǎn)的可過油管脈沖中子測井儀，該儀器具有直徑小、可過油管測井、雙探測器等特點(diǎn)。自2004年引進(jìn)以來，通過對儀器的實(shí)際應(yīng)用，在儀器維修方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)，對一些常見故障可以快速診斷并排除。

1 儀器工作原理

PNN井下儀器由通訊短節(jié)，自然伽馬(GR)短節(jié)，探測器短節(jié)和中子發(fā)生器4個(gè)短節(jié)組成[1]。

PNN井下儀器工作原理如圖1所示。中子發(fā)生器短節(jié)按照一定周期向地層發(fā)射能量為14MeV的中子，探測器短節(jié)測量經(jīng)地層慢化而又返回井眼內(nèi)的熱中子，根據(jù)計(jì)數(shù)率隨時(shí)間的衰減，算出地層的熱中子宏觀俘獲截面∑或壽命τ，來確定儲(chǔ)層含油飽和度、識別巖性、計(jì)算孔隙度[2]。

圖1 PNN井下儀器工作原理示意圖

2 常見故障分析與維修

PNN技術(shù)在大港油田使用已經(jīng)15年，統(tǒng)計(jì)儀器故障主要有供電電流大、探頭無計(jì)數(shù)、探頭計(jì)數(shù)有干擾和發(fā)生器沒產(chǎn)生中子四大類。

根據(jù)現(xiàn)場故障描述采用分段排除法判定問題短節(jié)，再對該短節(jié)進(jìn)行仔細(xì)排查。排查時(shí)堅(jiān)持先簡后繁，先電源后電路的原則。在排除簡單的容易出問題的部位和電源部分后，再進(jìn)行分析，查找較復(fù)雜的不易出問題的部位。

2.1 電源故障分析及排除

儀器的電源分為兩部分：低壓電源和高壓電源。

1)低壓電源

整串PNN儀器的通訊短節(jié)、自然伽馬短節(jié)(GR)和探測器短節(jié)三部分都有低壓電源，如果低壓電源出故障，則產(chǎn)生不了+65V、+12V低壓，高壓模塊無法工作，沒有高壓，傳感器就不會(huì)有信號產(chǎn)生；同時(shí)信號處理芯片也無法工作，信號得不到發(fā)送與處理，導(dǎo)致無任何通道信號、電流變小、電流增大等現(xiàn)象。

故障現(xiàn)象：

在X1井進(jìn)行PNN測試時(shí)，對井下儀器進(jìn)行供電，發(fā)現(xiàn)電流過大，有短路現(xiàn)象。

分析處理：

首先將通訊短節(jié)、自然伽馬短節(jié)和探測器短節(jié)逐節(jié)配接進(jìn)行通電檢測，發(fā)現(xiàn)通訊短節(jié)通電正常，配接GR短節(jié)后出現(xiàn)短路現(xiàn)象，判斷為GR短接出現(xiàn)故障。檢查低壓電源的輸出電壓是否正常，如果不正常，則斷開其負(fù)載，空載情況下檢查輸出電壓是否正常，以此來判斷是否是低壓電源板自身問題。

常見故障為IRF840、穩(wěn)壓二極管損壞。低壓電源部分電路如圖2所示。如果場效應(yīng)管IRF840擊穿，則LINE總線對地短路，導(dǎo)致電流大，且無+65 V和+10 V產(chǎn)生；如果穩(wěn)壓二極管損壞，則輸出電壓不穩(wěn)，影響后續(xù)電路。通過檢測發(fā)現(xiàn)IRF840擊穿為此次故障原因。

圖2 低壓電源部分電路圖

2)高壓電源

GR短節(jié)傳感器采用的是光電倍增管+晶體，需要的電壓為1 050 V。探測器短節(jié)傳感器采用的是兩個(gè)3He管，根據(jù)源距不同，定義為長源距(LSN)、短源距(SSN)，探測器所需要電壓為1 350～1 450 V。高壓輸出沒有或達(dá)不到指標(biāo)，會(huì)造成無信號輸出、信號計(jì)數(shù)過高、過低。

故障現(xiàn)象：

在X2井進(jìn)行PNN測試過程中，儀器在3 050 m突然探測器無計(jì)數(shù)，供電電流增大，上提儀器至1 000 m后正常。懷疑是儀器長時(shí)間工作后，個(gè)別器件耐溫性能下降引起的。

分析處理：

首先通電檢測探測器短節(jié)，對懷疑部位進(jìn)行加溫檢測。用吹風(fēng)機(jī)對電路中信號處理部分加溫，同時(shí)用示波器觀察輸出信號是否正常；用吹風(fēng)機(jī)對高壓部分加溫，同時(shí)用高壓表筆測量高壓輸出是否正常，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，高壓模塊輸出由1 400 V降為900 V，確定為調(diào)高壓電阻和電容的耐溫性能下降，無法達(dá)到探測器工作的要求，更換器件后儀器正常。

電源部分出現(xiàn)故障的幾率相對較高，特別是高壓部分。由于高壓模塊損壞導(dǎo)致沒有高壓的現(xiàn)象共有9次，為此重新設(shè)計(jì)高壓模塊，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，將模塊中一部分濾波功能調(diào)到供電電路中，儀器工作電流減小10 mA，該器件國產(chǎn)化后降低了維修成本。儀器測試 43口井，故障率幾乎為零。

2.2 LSN、SSN脈沖信號通道故障分析及排除

兩個(gè)探測器記錄未被地層俘獲的0.025 eV熱中子，并在探測器輸出端產(chǎn)生一個(gè)脈沖，經(jīng)放大后、電平鑒別后，傳至通訊部分，脈沖在通訊部分處理后發(fā)送到地面，如圖3所示。

圖3 探測器電路部分框圖

故障現(xiàn)象1：

在X3井的測試過程中，下至200 m檢測儀器，激發(fā)中子發(fā)生器后，發(fā)現(xiàn)長短源距無計(jì)數(shù)。而儀器電流、電壓正常，且示波器波形顯示中子發(fā)生器工作正常。

分析處理：

從圖3可以看出，影響信號產(chǎn)生的主要有三部分：電源部分、傳感器部分和信號處理部分，需分塊檢測，縮小懷疑范圍，確定損壞器件。

如果長短源距均沒有計(jì)數(shù)，兩個(gè)探測器同時(shí)壞的概率非常小。因此，將排查部分放在對探測器均影響的高壓模塊電源和對信號處理影響的低壓電源部分，即電源板上。電源板的故障可以按照上述電源故障排查方法進(jìn)行檢測。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)高壓調(diào)整電阻的阻值異常，更換調(diào)整電阻，將高壓調(diào)至1 368 V。維修后儀器在水罐中打靶，儀器正常。

如果檢測電源板沒有問題，檢查雙運(yùn)放TL072是否有輸入、輸出信號，判斷TL072器件是否損壞。TL072無故障再檢查LM2903器件是否損壞，因?yàn)殚L短源距兩路信號共用一個(gè)LM2903進(jìn)行處理，LM2903損壞也會(huì)導(dǎo)致長短源距無計(jì)數(shù)。如果通過上述檢測均無問題，則懷疑3He管損壞。

如果一個(gè)通道沒有計(jì)數(shù)，只需按上述方法檢查該通道的傳感器和雙運(yùn)放TL072部分的信號處理電路。

故障現(xiàn)象2：

在對X4井進(jìn)行PNN測試過程中出現(xiàn)中子發(fā)生器在未釋放中子情況下，探測器長短源距出現(xiàn)不穩(wěn)定計(jì)數(shù)[3]。

分析處理：

室內(nèi)連接儀器進(jìn)行檢修，采用GR-CCL工作模式，初始正常，但10分鐘后長短源距均出現(xiàn)幾十的計(jì)數(shù)。去掉中子發(fā)生器部分后，故障依然存在；然后去掉探測器部分，計(jì)數(shù)消失，判斷為探測器部分出現(xiàn)故障，懷疑有干擾信號竄入。

首先考慮干擾信號是高壓部分造成的，檢查電容是否損壞，嘗試增大電容的容量，同時(shí)保證接地良好。

其次懷疑是線路中的一些貫穿線出現(xiàn)問題。重新整理貫穿線，發(fā)現(xiàn)部分貫穿線有壓癟的現(xiàn)象，更換并重新整理后，干擾信號消失。后經(jīng)查證，如果傳輸線出現(xiàn)壓癟的現(xiàn)象，雖然與外殼或其他破皮的線路接觸不會(huì)造成短路，但會(huì)致使性能降，尤其是承受近2 kV的連接線干擾更加明顯。

2.3 中子發(fā)生器故障分析及排除

中子發(fā)生器是產(chǎn)生高能快中子的關(guān)鍵部件，在地面測井軟件控制作用下發(fā)射14MeV的高能快中子。PNN采用俄羅斯1-26型低頻中子管，該型號中子管額定頻率為20 Hz，PNN使用頻率為13 Hz。

故障現(xiàn)象：

在現(xiàn)場測試X5井時(shí)，測完60 m井段后突然中子產(chǎn)額降為0，且示波器上波形異常。該井最高溫度達(dá)144℃，現(xiàn)場懷疑溫度問題，上提至2 000 m，斷電2小時(shí)后重新激發(fā)儀器，產(chǎn)額仍為0，儀器在GR-CCL模式下電流為150 mA,而正常電流是80 mA。提出儀器后，采用分段排除法，確定為中子發(fā)生器短節(jié)存在故障，于是更換中子發(fā)生器完成測試。

分析處理：

首先分析中子發(fā)生器構(gòu)成，它包括兩部分：3 kV高壓電路和中子管的密封部分。檢查中子發(fā)生器時(shí)必須放入水罐 ，不能在地面激發(fā)中子發(fā)生器。室內(nèi)檢測常采用自制的模擬負(fù)載替代密封部分對3 kV高壓電路進(jìn)行檢測。針對上述故障的檢測電流為80 mA，而該部分正常電流為10 mA，判斷為3 kV部分故障。

3 結(jié)束語

以上維修方法可以幫助我們快速準(zhǔn)確地分析排除PNN測井儀器在維修使用中遇見的問題，提高儀器維修效率，基本解決了儀器所出現(xiàn)的故障。

儀器的故障是多種多樣的，還有許多故障的排除需要我們在工作中摸索解決，可以根據(jù)儀器使用情況，有針對性地關(guān)注測試關(guān)鍵點(diǎn)，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患，提高測試成功率。

[1] 趙國海，王志敏，董社霞，等.脈沖中子-中子(PNN)測井技術(shù)[J].石油機(jī)械，2005,33(8)：75-78.

[2] 黃隆基.核測井原理[M].北京：石油大學(xué)出版社，2000：82-160.

[3] 陳新君. PNN測井儀工作原理與典型故障維修 [J].儀器儀表用戶，2014，21(5)：90-91.

Common Fault Analysis and Troubleshooting of Pulsed Neutron-neutron (PNN) Instrument

TANG Xiumei, ZHAO Li′ an, LI Hui

(WellTestingCompanyofDagangOilfieldPetrochina,Tianjin300280,China)

Aiming at some common fault of the practical application of pulse neutron-neutron (PNN) instrument, this paper introduces each sub function of the PNN and the basic principle of corresponding circuit, analyzes the failure causes, and gives the fault elimination method.

pulsed neutron-neutron (PNN); power source; pulse signal channel; neutron generator; fault

唐秀梅，女，1972年生，工程師，1992年畢業(yè)于大港石油學(xué)校測井專業(yè),目前主要從事測井儀器維修維護(hù)工作。E-mail:tangxmei@petrochina.com.cn

P631.8+17

A

2096-0077(2017)03-0093-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.022

2017-02-24 編輯：姜 婷)