隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)

張金倩楠+賈衡天+彭浩+艾維平+高文凱+管康+范錦輝

摘 要： 在勘探開發(fā)油氣資源的工程中，劃分地層巖性尋找氣層劃分油水界面和氣水界面的重要手段是對(duì)儲(chǔ)層伽馬能譜測(cè)量和分析。而隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量方式實(shí)時(shí)性好、效率高，能夠最大程度的降低鉆井液對(duì)地層入侵的影響，更準(zhǔn)確地反應(yīng)出原狀儲(chǔ)層的性質(zhì)。能使井眼軌跡保持在儲(chǔ)層內(nèi)，為地質(zhì)導(dǎo)向鉆井工程準(zhǔn)確順利施工提供重要測(cè)量參數(shù)。中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)向儲(chǔ)層發(fā)射中子束，并測(cè)量和分析中子與儲(chǔ)層元素發(fā)生作用時(shí)產(chǎn)生的伽馬能譜來確定地層的巖性。為此設(shè)計(jì)一套隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)，其可以提高地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)性能，提高油氣儲(chǔ)層鉆遇率。

關(guān)鍵詞： 中子伽馬能譜測(cè)量； 地質(zhì)導(dǎo)向； 油氣儲(chǔ)層； 油氣勘探

中圖分類號(hào)： TN98?34； TE21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）02?0006?06

Abstract： In the development of oil and gas exploration project， the method of the neutron Gamma ray spectrometry with drill bit has good real?time performance and high efficiency， can reduce the impact of drilling fluid on the stratum invasion to the greatest extent， keep the trace of the well in reservoir layer， and provide important measuring parameters for a geosteering drilling project. The neutron gamma ray energy spectrometric system emits the neutron beam to the reservoir layer， and the measures and analyzes the gamma ray spectrum produced when the neutron and elements in the reservoir layer militate， so as to determine the lithology. To achieve the purpose， a neutron Gamma energy spectrometric system working with drill bit is designed， which can improve the performance of the geosteering drilling system， and the drilling meeting rate of oil and gas reservoirs.

Keyword： neutron Gamma energy spectrometry； geosteering； oil and gas reservoir； oil?gas exploration

0 引 言

隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)使用加速中子發(fā)生器向地層中發(fā)射14 MeV的快中子束，中子束與地層中的某些核素的原子核發(fā)生非彈性散射，使這些原子核處于激發(fā)狀態(tài)[1]。在這個(gè)過程中中子的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成與其相互作用的原子核的激發(fā)能。處在激發(fā)狀態(tài)的原子核不穩(wěn)定，將在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射出一個(gè)或多個(gè)伽馬光子，并釋放出多余的能量從而返回穩(wěn)定的基態(tài)[2]。這些伽馬光子是在中子發(fā)射期間內(nèi)產(chǎn)生的，因此在時(shí)間分布上可以與此后其他反應(yīng)產(chǎn)生的光子區(qū)分開。而不同能量的伽馬光子和強(qiáng)度體現(xiàn)著地層中特定核素種類和含量[3]。根據(jù)測(cè)量到的特征伽馬射線的強(qiáng)度可以判斷出特定核素在地層中的含量。

1 隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由中子脈沖發(fā)生器、屏蔽體、氦3管探測(cè)器、短源距探測(cè)器、長源距探測(cè)器和超長源距探測(cè)器構(gòu)成[4]。探測(cè)器均為伽馬能譜傳感器，由于源距不同其能夠探測(cè)的深度也不相同。為了防止脈沖中子管所發(fā)射惡中子束直接照射到伽馬能譜傳感器和氦3管探測(cè)器上，引起測(cè)量失效，必須設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的屏蔽結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

首先在靠近中子脈沖發(fā)生器的地方需要防止快中子減速材料，快中子與原子核發(fā)生幾次非彈性碰撞后，其能量會(huì)迅速降低，速度也同時(shí)下降。鎢鎳鐵合金結(jié)構(gòu)體能夠起到這個(gè)作用，其非常適合作非彈性散射屏蔽材料。在非彈性屏蔽材料的后部還需要高含氫材料制成的彈性散射屏蔽體，使得快中子經(jīng)過彈性散射后，成為熱中子。為了使熱中子不影響伽馬能譜傳感器和氦3管探測(cè)器對(duì)地層核素的真實(shí)測(cè)量，還需在彈性散射屏蔽體后面安裝俘獲熱中子截面大的硼材料吸收熱中子。此外由于硼材料吸收了熱中子后也會(huì)釋放出伽馬射線，影響伽馬能譜傳感器，因此在脈沖中子管和伽馬能譜傳感器之間靠近傳感器的地方安裝伽馬射線鉛屏蔽體，用來阻止屏蔽中子過程中產(chǎn)生的伽馬射線直接照射到伽馬能譜傳感器上。同時(shí)為了防止中子去活化伽馬能譜傳感器中的晶體，因此還需要在晶體外圍加上氟化鋰粉末。

隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理為利用脈沖中子管向地層發(fā)射快中子與地層中的原子核發(fā)生非彈性碰撞同時(shí)也釋放出非彈性伽馬散射，不同元素的原子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)產(chǎn)生的伽馬射線的能譜不同，通過分析能譜可以確定地層中的不同元素的相對(duì)含量。對(duì)脈沖中子管所產(chǎn)生的快中子的能量也有要求，如果能量過低，地層中其他元素也被激發(fā)，會(huì)產(chǎn)生大量的干擾伽馬射線，將需要被分析的元素的伽馬射線淹沒在伽馬輻射本底里面。而地層中除了碳和氧以外的其他常見元素，最佳的快中子轟擊能量為2.5～3 MeV，但是碳和氧由于它們的第一激發(fā)能級(jí)的能量較高，因此需要的快中子的能量也高。因此選擇14.1 MeV的脈沖中子發(fā)生器產(chǎn)生快中子脈沖，使得快中子與地層中的碳和氧的原子核發(fā)生非彈性散射碰撞，在這個(gè)過程中將釋放出強(qiáng)度為（4.44 MeV和6.13 MeV）的特征伽馬射線從而確定地層中的碳和氧的相對(duì)含量，碳和氧元素在油水中含量區(qū)別很大，因此多用于區(qū)分油層和水層的指示元素[5]。14.1 MeV的快中子發(fā)射到地層中的最初10-8～10-7 s，與地層將發(fā)生非彈性散射產(chǎn)生非彈性散射伽馬射線。而快中子在和地層中的元素發(fā)生幾次非彈性散射后能量將降低。在10-6～10-5 s后與地層元素發(fā)生彈性碰撞進(jìn)而減速轉(zhuǎn)變成為熱中子，熱中子在地層中擴(kuò)散被地層吸收后將釋放出俘獲伽馬射線。熱中子在地層中存在1 000 μs或更長的時(shí)間后，被地層完全吸收，俘獲伽馬射線也就消失了。此時(shí)地層中就只有自然伽馬射線和少數(shù)的活化伽馬射線存在，這一過程如圖3所示。而能夠反映地層中碳和氧相對(duì)含量的非彈性散射伽馬射線為系統(tǒng)所需測(cè)量的參數(shù)。

2 隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量電路系統(tǒng)

隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)的電路包括伽馬能譜信號(hào)處理采集分析單元、脈沖中子管高壓供電單元和脈沖中子信號(hào)發(fā)射單元等。

脈沖中子管高壓供電單元為脈沖中子發(fā)生器提供高壓激發(fā)電源，其電路如圖4所示。

主要分成高壓倍增和電壓變換兩部分。脈沖中子發(fā)生器需要120 kV左右的高壓電源，這需要高壓倍增器來實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的高壓倍增為單向結(jié)構(gòu)，因此在倍增級(jí)數(shù)越多倍增器系統(tǒng)內(nèi)阻越大，倍增器內(nèi)部的壓降越大，相應(yīng)的輸出功率減小，會(huì)影響脈沖中子發(fā)生器的功率，因此設(shè)計(jì)了雙向倍增器，由于倍增級(jí)數(shù)減小，內(nèi)阻減小，輸出功率增大[6]。其如圖4所示分別向雙方向倍增10次，即正方向倍壓10次、負(fù)方向倍壓10次。其原理是在變壓器次級(jí)的B點(diǎn)和A點(diǎn)之間為交變電壓信號(hào)，當(dāng)B點(diǎn)為正A點(diǎn)為負(fù)時(shí)，充電電流從B點(diǎn)經(jīng)由電容C6′和高壓硅堆G11流向A點(diǎn)，將電容C6′的電壓充至變壓器次級(jí)線圈B點(diǎn)和A點(diǎn)之間的壓差V2MAX。當(dāng)B點(diǎn)和A點(diǎn)間的交變電壓變成A點(diǎn)正B點(diǎn)負(fù)的時(shí)候，一路電流由A點(diǎn)經(jīng)高壓硅堆G10和電容C5′流向B點(diǎn)，將C5′電壓充至V2MAX。另一路由A點(diǎn)經(jīng)電容器C6高壓硅堆G12和電容C6′流向B點(diǎn)，將C6的電壓充至V2MAX+=2V2MAX。到此變壓器次級(jí)完成一個(gè)周期的交變電壓變化，當(dāng)下一個(gè)周期來到時(shí)，B點(diǎn)的電壓高于A點(diǎn)電壓，一路電流沿C6′電容C7′，G13電容C6到A點(diǎn)，將C7′充電到V2MAX-+=2V2MAX。另一路電流沿電容C5′硅堆G9電容C5到A點(diǎn)，將C5充電至V2MAX+ =2V2MAX。依次類推次電路將C點(diǎn)和D點(diǎn)之間的電容充電到20V2MAX。電壓變換將低直流電壓逆變成高交變電壓加載到高壓倍增器的輸入端A點(diǎn)和B點(diǎn)，其采用自激推挽直流變換方式[7]，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 如果負(fù)載高壓電源短路時(shí)其自動(dòng)停止震蕩保護(hù)電路。

（2） 晶體管不管是在飽和或者截止?fàn)顟B(tài)都工作，效率高、功耗小。其原理如圖4所示，當(dāng)電源VCC接通時(shí)，由于兩個(gè)晶體管的參數(shù)不一致，總會(huì)有一個(gè)先導(dǎo)通。如果G1先導(dǎo)通，電流將沿VCC變壓器T中間抽頭變壓器上邊線圈G1到地線上在變壓器的感應(yīng)次級(jí)線圈產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，G1的基極b1為正，G1將進(jìn)一步導(dǎo)通知道飽和，G2的基極b由于感應(yīng)線圈產(chǎn)生負(fù)電壓，G2將進(jìn)一步完全截止。這個(gè)過程為晶體管雪崩過程，時(shí)間很短。當(dāng)G1完全飽和導(dǎo)通時(shí)，變壓器將進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，感應(yīng)線圈上的感應(yīng)電壓下降到接近零，由于電流也隨之迅速降低，因此在感應(yīng)線圈形成反電動(dòng)勢(shì)，使得G1迅速截止G2迅速導(dǎo)通，依次類推G1和G2依次導(dǎo)通在變壓器T的次級(jí)產(chǎn)生交變的電壓信號(hào)。

伽馬能譜信號(hào)處理采集分析單元，如圖5所示。按照功能模塊劃分，其包括前置信號(hào)放大器、極零相消濾波成型器、線性放大器、有源積分濾波器、基線恢復(fù)器、峰值保持控制器、脈沖峰值信號(hào)量化器等。

由中子管發(fā)射的快中子進(jìn)入被測(cè)地層后和地層的核素先后發(fā)生非彈性碰撞、彈性碰撞，最終被地層俘獲，在這期間將釋放出伽馬射線。通過伽馬射線探測(cè)器將伽馬射線轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)供后續(xù)信號(hào)整形測(cè)量電路處理，地層中不同核素釋放的伽馬信號(hào)能級(jí)不同，通過伽馬探測(cè)轉(zhuǎn)換后的電脈沖信號(hào)的峰值也不相同，根據(jù)測(cè)量和記錄的電脈沖信號(hào)進(jìn)行分析可以反映出地層中不同核素的含量比例。如圖6所示，伽馬射線探測(cè)器由閃爍晶體、光電倍增管和相應(yīng)的高壓供電電路組成。閃爍晶體對(duì)伽馬射線有很強(qiáng)的吸收能力，具有很高的探測(cè)效率。光電倍增管可將由閃爍晶體發(fā)出的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成能被測(cè)量的電信號(hào)，其是具有極高靈敏度和超快時(shí)間相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件[8]。由于伽馬射線探測(cè)器的輸出信號(hào)是帶有直流高壓偏置的脈沖信號(hào)，并且其脈沖信號(hào)幅值很小，不能直接進(jìn)行處理。必須通過耐高壓電容將直流高壓信號(hào)隔離，并通過前置放大器分離出需要處理的脈沖信號(hào)。由于隔離后的脈沖信號(hào)上升沿快，但是下降到基線的時(shí)間長，所以需要加入極零相消濾波成型器，其通常由一個(gè)電阻和電容組成的RC微分電路構(gòu)成，其能夠很大程度減少單個(gè)脈沖信號(hào)下降沿恢復(fù)到基線的時(shí)間，因此在脈沖信號(hào)密集時(shí)可以消除掉信號(hào)的堆積效應(yīng)。但脈沖信號(hào)這樣處理后會(huì)在信號(hào)恢復(fù)到基線時(shí)出現(xiàn)反沖的情況，為消除這種現(xiàn)象采用了極零相消電路，來消除脈沖信號(hào)的反沖，主要方法如圖6中的極零相消微分整形電路所示，通過加入直流通路，使得交流通道耦合過來的反沖被直流通道傳遞過來，消除了反沖的發(fā)生[9]。由于從伽馬傳感器輸出經(jīng)過前置放大后的信號(hào)幅值本身不大，其又經(jīng)過了極零相消電路后，雖然脈沖信號(hào)的寬度變窄，但信號(hào)的幅度也受到影響變小，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)一步放大處理。需要線性脈沖放大器來進(jìn)行脈沖信號(hào)的放大，其電路如圖6所示。電路采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)，由于電路測(cè)量的是放射線信號(hào)，可能在實(shí)際工作中會(huì)出現(xiàn)幅度特別高的放射線脈沖信號(hào)，這類脈沖信號(hào)遠(yuǎn)超出了放大器正常工作的線性范圍。這會(huì)使后續(xù)的低幅值伽馬射線不能正常放大產(chǎn)生測(cè)量誤差，這個(gè)現(xiàn)象稱為放大器線性阻塞。

主要是由于放大器芯片內(nèi)部的工作點(diǎn)偏移造成的。采用限幅二極管可以將信號(hào)的幅值限定在一定范圍內(nèi)，如圖6中的線性放大電路所示的二極管可以很好地解決由于超高幅度脈沖信號(hào)引起線性放大器線性阻塞問題。

為了在采集射線脈沖信號(hào)前能夠達(dá)到更好的信噪比，即能夠形成近似于高斯型脈沖，以便后續(xù)電路進(jìn)行分析處理。需要采用有源濾波器進(jìn)行濾波，如圖6中的積分濾波電路所示。把濾波和放大電路結(jié)合在一起，能達(dá)到更好的濾波效果?；€恢復(fù)電路可以恢復(fù)由于高速脈沖信號(hào)造成的信號(hào)尾部堆積所引起的基線飄移問題，如圖6中的直流基線恢復(fù)電路所示。其原理為通過設(shè)置差分放大器A3，使其輸出固定在一個(gè)基線電平上。當(dāng)輸入脈沖信號(hào)的基線電平發(fā)生變化時(shí)，如果其電平偏高于原先的設(shè)定，由于負(fù)反饋環(huán)節(jié)的存在經(jīng)過差分運(yùn)算后，使其輸出降低。A3的輸出又加載到A1的同相端可以將從A1反向端輸入的信號(hào)的基線電平拉下來。同樣當(dāng)電平偏高于原先的設(shè)定，通過相應(yīng)的原理可以將基線抬高，這樣可以保持基線穩(wěn)定[10]。

由于脈沖信號(hào)的幅值反映了伽馬射線能級(jí)的大小，而能級(jí)的大小則反映了地層中不同核素的相對(duì)含量。因此對(duì)于被整形后的脈沖信號(hào)幅值的采集具有重要的意義，其電路如圖7所示。

電路實(shí)現(xiàn)了脈沖信號(hào)峰值保持和信號(hào)采集控制功能。其由采樣保持電路對(duì)采樣電容CS充電，并控制采樣電容保持伽馬射線脈沖信號(hào)幅值保持的時(shí)間長度。

脈沖信號(hào)進(jìn)入比較器A1，跟由分壓電路預(yù)設(shè)的電壓進(jìn)行比較后控制D觸發(fā)器T1，預(yù)設(shè)的分壓電路的分壓值是用于屏蔽環(huán)境噪音信號(hào)和電路噪音信號(hào)的，其由整個(gè)儀器在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)后確定。觸發(fā)器T1可以控制采樣保持電容的充放電狀態(tài)。輸入的脈沖信號(hào)通過二極管D2對(duì)采樣保持電容CS進(jìn)行充電。電容CS兩端電壓的變化將迅速地跟隨輸入脈沖信號(hào)上升沿的變化，很快將達(dá)到峰值。在到達(dá)峰值后二極管D2陰極對(duì)地的電壓將高于陽極對(duì)地的電壓，二極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。由于這時(shí)由控制器通過觸發(fā)器T1控制的模擬開關(guān)K2斷開。電容CS將保持現(xiàn)有的脈沖信號(hào)的峰值電壓值?？刂破髅}沖信號(hào)采集開始工作，將該電壓信號(hào)進(jìn)行A/D采樣分析。

當(dāng)電容CS被充至射線脈沖峰值的過程中，由運(yùn)算放大器A2組成的比較器的反向輸入端電壓高于正向輸入端電壓，運(yùn)放A2輸出低電平。當(dāng)電容CS兩端的電壓逐漸上升到射線脈沖的峰值時(shí)，運(yùn)放B的反向輸入端電平不再高于正向輸入端電平時(shí)，運(yùn)放A2輸出高電平，觸發(fā)器T2的輸出為高電平。將模擬開關(guān)K1打開，使得采樣保持電路中運(yùn)放A3的同相輸入端接地。在此期間由控制器控制A/D采集芯片進(jìn)入射線脈沖信號(hào)峰值采集過程。運(yùn)算放大器A4被設(shè)計(jì)成跟隨器，其輸入電阻很高，輸出電阻很低。能更好的將采樣保持電路得到脈沖信號(hào)的峰值電壓傳遞給A/D轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。

伽馬射線脈沖信號(hào)采集，使用微控制器控制A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

采用的數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片為ADS5807，其為TI公司的16位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片?？刂破鞑捎梦⑿竟镜腄SPIC33FJ256MC710A控制器，其具有100腳I/O，耐175 ℃高溫并且內(nèi)部包含DSP硬件處理單元，可對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行處理。對(duì)伽馬脈沖進(jìn)行A/D采集并記錄的原理為將伽馬脈沖信號(hào)的幅值按照A/D精度位數(shù)進(jìn)行平均2n分配（n為A/D轉(zhuǎn)換芯片的精度，ADS5807為16位精度，在DSPIC33FJ256MC710A控制器的SRAM快存模塊開辟2n個(gè)計(jì)數(shù)單元。當(dāng)采集到的脈沖信號(hào)的幅值被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)2n數(shù)字量，這個(gè)數(shù)字量又被稱為道址，這個(gè)道址的標(biāo)號(hào)就對(duì)應(yīng)2n個(gè)計(jì)數(shù)單元中其中一個(gè)，如果對(duì)應(yīng)上就將相應(yīng)的計(jì)數(shù)單元進(jìn)行加一計(jì)數(shù)。表示接收到不同能級(jí)脈沖信號(hào)的次數(shù)。經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)量后，每個(gè)道址上的計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)反映了伽馬射線脈沖信號(hào)幅度分布情況。

3 隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)在位于河北省滄縣劉家廟鄉(xiāng)東官1503井進(jìn)行了下井實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。并在鉆具組合中安裝鉆頭。設(shè)計(jì)井深3 650 m（垂深），井別為開發(fā)井，井型為定向井。隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)在井深1 822 m的位置開始工作。

系統(tǒng)在井下隨鉆累計(jì)工作72 h，系統(tǒng)工作環(huán)境溫度125 ℃，整個(gè)系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了井隊(duì)對(duì)目的層碳氧比進(jìn)行隨鉆測(cè)錄的要求。系統(tǒng)的隨鉆測(cè)井碳氧能窗數(shù)據(jù)如圖10所示， 特征能窗包含某種元素原子內(nèi)的中子發(fā)生非彈散射時(shí)產(chǎn)生的不同能級(jí)伽馬射線的分布圖，碳和氧的特征能窗區(qū)間分別選取在3.195～4.654 MeV和4.862～6.633 MeV。因此碳氧比由以下公式：

計(jì)算，為地層元素非彈性譜第i道的計(jì)數(shù)值，該方法為能窗法測(cè)量碳氧比。

4 結(jié) 論

隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量為評(píng)價(jià)油氣儲(chǔ)層巖性提供重要參數(shù)，能在石油的勘探和開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。因此研制隨鉆中子伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)，其由脈沖中子管發(fā)射快中子進(jìn)入被測(cè)地層，通過伽馬能譜傳感器測(cè)量單元，采集并記錄地層中碳氧核素的相對(duì)含量?？梢詾榈刭|(zhì)人員分析該地區(qū)被測(cè)地層油水層、水淹層和劃分水淹層等級(jí)提供準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。并能幫助在低礦化度或礦化度變化很大的地層確定飽和度參數(shù)。該儀器滿足井隊(duì)對(duì)目的地層碳氧比測(cè)量的要求，提高了國內(nèi)隨鉆測(cè)井技術(shù)研究和應(yīng)用的水平，縮短了與國外測(cè)井技術(shù)間的差距，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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