程控高壓自然伽馬測井儀設計

黃松濤,孫東利,曹揚,于傳旭,張連成

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

0 引 言

現有的自然伽馬測井儀一般使用保溫瓶技術滿足高溫環境下的應用,但保溫瓶不能在井下長時間有效保溫,在水平井等長時間測井環境下應用受限[1-2]。

自然伽馬測井儀探頭坪區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和甄別閾等直接相關。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,記錄到的計數率先快速上升再趨平緩上升;隨高壓繼續升高,暗電流和其他噪聲信號被放大到甄別閾以上的水平,計數率再次快速上升。由于目前光電倍增管和晶體的高溫性能都不十分理想,坪區受溫度影響嚴重。隨溫度升高,一般坪區變窄并向高電壓方向移動。為適應較寬的溫度范圍,光電倍增管的高壓工作值過去通常選擇在坪區高端[2],必須控制測量系統放大倍數和噪聲水平隨溫度的變化:①優選和篩選高溫時暗電流仍趨于零的高脫出功雙堿光陰極和銅鈹打拿極(現標準稱謂是倍增極)的測井專用高溫光電倍增管,力爭高溫時坪區變窄不那么嚴重;②通過增高光電倍增管高壓或電子學線路放大倍數,補償NaI晶體造成的系統放大倍數下降;③把測量系統封裝在保溫瓶中。

在現有自然伽馬測井儀的制造過程中,由于探頭的坪區在常溫和高溫下不同,常溫調試尋找的坪區在高溫時很多時候都不合適,需要對自然伽馬測井儀器進行溫度實驗,將高壓調整端和高壓引出來進行調整,而通過調整電阻值設定高壓值,在不同的溫度環境下不能動態調整高壓,從而使得每次高溫檢驗都很費時費力,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償技術解決自然伽馬測井儀在高溫環境下長時間工作的問題。篩選出了適合在高溫環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境溫度;通過實時調整高壓模塊的調節電壓來實時調整輸出高壓值;通過溫度檢驗獲知該支儀器或該批儀器自然伽馬探管的坪區漂移曲線;通過坪區漂移曲線來獲得儀器的溫度補償圖版;通過溫度圖版的實時高壓校正來保證自然伽馬測井儀在高溫環境下的長時間工作。

1 現有技術

傳統自然伽馬測井儀中,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高壓,測量電路對伽馬信號進行處理,使用單片機進行信號采集和通訊[5]。圖1給出高壓電路原理圖。圖1中N1為高壓模塊,通過調整電阻R3和R4可以調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曲線也不相同。所以,現有方案在產品制造時,需要尋找合適的高壓值來滿足不同環境溫度下自然伽馬計數率的穩定。

2 程控高壓的實現

高壓模塊使用通過篩選的藍欣電子公司的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 ℃長時間工作連續工作的需求。程控高壓實現方法見圖2所示。自然伽馬測井儀單片機通過SPI口向AD5025提供DA轉換的數字量,ADR421為AD5025提供2.5 V的基準電平,AD5025將單片機輸入數字量轉換成電壓值送給高壓模塊的程控調整端DAC1。DAC1輸出0～2.5 V可調,調整間隔為0.2 mV。

圖2 程控高壓電路圖

由圖3可見,高壓調整的線性度較好,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。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,理想的是使用把靈敏度同暗電流都考慮在內的最佳電壓。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,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,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,其耐溫指標為175 ℃,滿足175 ℃高溫環境下長時間工作的需求。圖4給出3支R4607A常溫下在相同天然放射性條件下的實測坪區曲線。由實測曲線可知,3支探頭在常溫下坪區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支探頭的常溫坪區基本一致,該結論與R4607A性能參數一致。

圖4 不同R4607A光電倍增管常溫下實測坪區曲線

傳統自然伽馬測井儀制造過程中,在做175 ℃溫度實驗時發現,高溫下,高壓需要調整到1 750 V左右才能保證與常溫計數的一致,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,已經很接近最大高壓值,嚴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計起伏比較圖,曲線橫坐標為伽馬曲線的API值,縱坐標為時間。由圖5可知,1 500 V和1 700 V工作電壓下,探管均處于坪區中,天然放射性條件下,儀器的計數率基本保持穩定,但隨著高壓的升高,伽馬曲線的統計起伏增大,影響測井曲線質量。造成這種現象的原因,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,造成伽馬計數率及API測量值統計起伏增大。

圖5 常溫下不同高壓值GR曲線統計起伏比較

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量,選定探管的工作電壓為1 550 V。隨著溫度的升高,根據高壓供電的溫度補償策略,逐步增高探管的工作電壓。

4 高壓供電溫度補償

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

表1給出不同溫度環境下儀器的坪區范圍。由表1可見,隨著溫度的升高,儀器的坪區范圍逐漸的變窄,儀器溫度工作的高壓值逐漸升高。120 ℃以下,坪區曲線變化不大,150 ℃坪區向高電壓方向移50 V左右,175 ℃坪區向高電壓方向移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境溫度,從而根據溫度試驗時的溫度圖版去調整儀器高壓值。使得儀器能夠根據環境溫度實時調整高壓值,工作在最穩定的狀態。

表1 不同溫度環境下儀器的坪區范圍

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境溫度。

通過溫度實驗,可以得到探管的溫度補償圖版見圖6。在儀器骨架溫度低于120 ℃時,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,探頭的工作電壓升高至1 600 V;骨架溫度到底185 ℃時,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。該補償策略保證探頭的工作電壓均落在不同環境溫度下探頭的坪區曲線中。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,高壓隨溫度的補償策略滿足二次多項式y=0.0403x2-9.2125x+2075.3,式中多項式系數與探管的批次及儀器的溫度參數有關,根據實際溫度實驗情況進行修正;第3部分為高于185 ℃部分,高壓隨溫度的補償策略滿足二次多項式y=-0.2074x2+83.623x-6628.8,式中多項式系數與探管的批次及儀器的溫度參數有關,需要根據實際實驗情況進行修正。

圖6 溫度補償圖版示例

5 結 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;引入高壓程控機制解決電位器調整高壓帶來的問題;利用坪區的溫度圖版,通過在不同溫度下自動調整高壓值,保證自然伽馬測井儀的耐溫性能。

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

(3)該方案也可通過熱敏電阻來調節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很容易達不到所需要的高壓值,不如程控高壓控制靈活。