基于能譜測(cè)量的便攜自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)井量值傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魯保平,孫玲,秦力,秦曉紅,沈彬,王江波

(1.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,陜西西安710077;2.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司制造公司,陜西西安710077;3.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司質(zhì)量安全監(jiān)督中心,陜西西安710061)

0 引 言

中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司計(jì)量站的自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)刻度井是自然伽馬測(cè)井的最高標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置,其API量值是從美國休斯敦大學(xué)的自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)井中傳遞確定,標(biāo)稱值為(207.45±1.98)API[1]。自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)刻度井采用單井3層地坑結(jié)構(gòu),由3種模塊疊加而成[2],其中高放射性花崗巖模塊、低放射性大理石模塊采自美國,石灰?guī)r屏蔽模塊采自中國。該自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)刻度井自建成以來已為大慶、遼河、長慶等油田標(biāo)準(zhǔn)井、刻度器提供量值傳遞服務(wù)。目前量值傳遞工作采用專用自然伽馬測(cè)井儀以及帶有弱放射源的刻度器進(jìn)行刻度、裝置之間比對(duì)測(cè)量[3]。近年來隨著對(duì)放射源的管理愈加嚴(yán)格,含有放射源的裝置運(yùn)輸、保管手續(xù)繁雜,且原有的自然伽馬測(cè)井儀及傳輸短節(jié)體積較大,長度達(dá)4.6 m、重達(dá)100 kg,攜帶搬運(yùn)困難,為開展API量值傳遞工作帶來不小難度[4]。為此研發(fā)了基于能譜測(cè)量的便攜式自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)井量值傳遞系統(tǒng)(便攜量值傳遞系統(tǒng)),通過測(cè)量地層中放射性核素衰變產(chǎn)生的伽馬特征能峰面積計(jì)數(shù)替代原有的總計(jì)數(shù)方式,使測(cè)量結(jié)果更加精準(zhǔn)[5-7],用工業(yè)焊條替代原有帶放射源刻度器[8],為API量值傳遞工作帶來諸多便利。

1 系統(tǒng)組成

便攜量值傳遞系統(tǒng)由探測(cè)器系統(tǒng)、能譜分析系統(tǒng)及新型自然伽馬刻度夾具組成。探測(cè)器系統(tǒng)主要用于測(cè)量地層中放射性核素鈾、釷及鉀衰變產(chǎn)生的伽馬射線,依據(jù)射線能量輸出相應(yīng)幅度的伽馬脈沖信號(hào);能譜分析系統(tǒng)用于記錄及分析上述脈沖信號(hào)并形成能譜數(shù)據(jù);新型自然伽馬刻度夾具主要用于能譜測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性檢查。

1.1 探測(cè)器系統(tǒng)

該探測(cè)器系統(tǒng)由探測(cè)器(由晶體、光電倍增管組成)、高壓電源、前置放大電路和電纜驅(qū)動(dòng)電路等部分組成。傳統(tǒng)的自然伽馬測(cè)井儀器均采用碘化鈉(NaI)晶體,其優(yōu)點(diǎn)是能量分辨率較好、價(jià)格便宜、應(yīng)用廣泛,但也存在如探測(cè)效率不高、易碎、易潮解等問題[9-10]。由于BGO晶體平均原子序數(shù)高、密度大,對(duì)伽馬射線具有很高的探測(cè)效率[11],為選擇出更合適量值傳遞應(yīng)用場景的探測(cè)器,對(duì)同樣尺寸的BGO晶體與碘化鈉晶體分別用銫源及鈾釷鉀混合源刻度器進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。

圖1為同等條件下用相同體積的BGO晶體與碘化鈉晶體測(cè)得銫662 keV及鈾釷鉀混合源刻度器(Ey=1.46、1.76、2.62 MeV)的伽馬能譜圖,通過能譜分析軟件可知,對(duì)137Cs峰BGO晶體的全能峰計(jì)數(shù)是碘化鈉晶體的2.5倍,1.46 MeV峰BGO晶體的全能峰計(jì)數(shù)是碘化鈉晶體的3倍,2.62 MeV峰BGO昌體的全能峰計(jì)數(shù)是碘化鈉晶體的4.7倍。另外,同樣體積下,BGO晶體探測(cè)器探測(cè)到伽馬射線總計(jì)數(shù)為NaI探測(cè)器總計(jì)數(shù)的3.29倍。同時(shí)從測(cè)量結(jié)果可以看到,雖然BGO晶體的能量分辨率比碘化鈉晶體差,但其康普頓散射要小很多,能峰更清晰可辯。圖2為BGO晶體和碘化鈉晶體的全能峰探測(cè)效率比值隨伽馬射線能量的變化關(guān)系,由圖2可見,能量越高BGO晶體的探測(cè)效率優(yōu)勢(shì)越明顯。

綜合以上對(duì)比測(cè)試,探測(cè)器最終選擇采用BGO晶體與光電倍增管一體化封裝而成,其外形尺寸為Φ29 mm×130 mm,室溫下對(duì)137Cs能量分辨率高于15%,探測(cè)器內(nèi)光電倍增管做磁屏蔽。

圖1 相同體積的BGO晶體與NaI晶體測(cè)得的伽馬射線譜

圖2 BGO晶體與NaI晶體探測(cè)效率比值與能量變化關(guān)系

探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過前放及電纜驅(qū)動(dòng)電路之后,在電纜輸出端(接能譜分析儀)輸出信號(hào)—負(fù)向脈沖信號(hào),脈沖根部寬度1.5 μs(最大不超過2 μs),脈沖幅度最大不超過5 V。探測(cè)器電路原理框圖見圖3。

圖3 探測(cè)器系統(tǒng)測(cè)量原理圖

1.2 能譜分析系統(tǒng)

能譜分析系統(tǒng)由多道分析器和配套的多道分析軟件構(gòu)成[12-13]。探測(cè)器信號(hào)經(jīng)由電纜傳輸后接入多道分析器,經(jīng)采集處理后通過CAN-USB轉(zhuǎn)接模塊采用虛擬串口通訊方式與電腦連接并接入多道分析軟件。多道分析器的原理框圖見圖4。探測(cè)器系統(tǒng)信號(hào)經(jīng)適配放大電路輸入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連續(xù)采樣,采集到的波形數(shù)字化信號(hào)經(jīng)數(shù)字化處理單元進(jìn)行數(shù)字基線恢復(fù)、信號(hào)堆積處理等脈沖成形處理后,由微控制器(MCU)及接口單元通過通訊串口送入計(jì)算機(jī)。

使用多道能譜分析軟件時(shí),調(diào)節(jié)能譜分析軟件的放大倍數(shù)及偏置,使137Cs(661 keV)能譜峰置于200道。能譜分析軟件窗口可顯示能譜測(cè)量所需要的測(cè)量時(shí)間、道址、單道計(jì)數(shù)、能量及總面積(總計(jì)數(shù))、能量分辨率等信息。當(dāng)Cs峰穩(wěn)定在200道時(shí),從所測(cè)能譜中可以得到40K特征峰(1 460 keV)與232Th特征峰峰(2 620 keV)的能量及道址信息,伽馬各特征峰線性關(guān)系(見圖4)。

圖4 便攜量值傳遞系統(tǒng)測(cè)量刻度器伽馬射線特征峰線性

1.3 新型自然伽馬刻度夾具

傳統(tǒng)刻度器一般有2類:①由點(diǎn)狀標(biāo)準(zhǔn)伽馬源和使其與測(cè)井儀器的探測(cè)器保持固定距離的支架組成;②由環(huán)狀伽馬源和定位裝置組成。這2類刻度器共同特點(diǎn)是帶有放射性源,管理嚴(yán)格,運(yùn)輸、保管手續(xù)繁雜。在本測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了符合新型自然伽馬刻度夾具(簡稱刻度夾具)。該刻度夾具由環(huán)形支架及固定在其中的普通工業(yè)用焊條組成,支架采用不銹鋼設(shè)計(jì)用于安裝焊條。有關(guān)資料表明[8],焊條藥皮一般由幾種甚至幾十種物質(zhì)組成,常用的原材料如石英砂、菱苦土、長石、螢石、云母、大理石、金紅石等,都含有232Th、226Ra、40K等放射性核物質(zhì)。利用焊條含有微量放射性這一特性,選用普通工業(yè)用焊條作為刻度器材料。通過調(diào)整焊條數(shù)量及標(biāo)準(zhǔn)井定值,確定該刻度器標(biāo)稱值為283 API。

便攜量值傳遞系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo):外徑為38 mm;長度為575 mm;重量為5.2 kg;工作溫度為室溫;耐壓≥60 MPa;晶體為BGO晶體;尺寸為Φ25 mm×55 mm;能量分辨率為室溫下137Cs分辨率不低于15%;

2 便攜量值傳遞系統(tǒng)在自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)井中API量值的傳遞原理及方法

API量值傳遞是將自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)井的API量值傳遞到自然伽馬測(cè)井儀的專用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的過程,標(biāo)準(zhǔn)裝置包括分部于各油田的標(biāo)準(zhǔn)井及不同自然伽馬儀儀器專用刻度器。依據(jù)有關(guān)規(guī)范要求[14],量值傳遞工作過程首先對(duì)量值傳遞系統(tǒng)進(jìn)行刻度,建立起量值傳遞系統(tǒng)的自然伽馬能譜(K1.46峰、U1.76峰、Th2.62峰)總計(jì)數(shù)與API量值之間的關(guān)系,然后用刻度過的便攜量值傳遞系統(tǒng)對(duì)配套的刻度夾具進(jìn)行API定值,最后用該便攜量值傳遞系統(tǒng)對(duì)需要定值的各標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行測(cè)量,確定各標(biāo)準(zhǔn)井的API量值。每次測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)井前后,用刻度過的刻度夾具對(duì)便攜量值傳遞系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)前及測(cè)后檢查。以保證儀器工作狀態(tài)正常。

2.1 便攜量值傳遞系統(tǒng)刻度

儀器連接通電檢查正常后,將探測(cè)器放入刻度井中高放射性地層中,累計(jì)測(cè)量600 s,所測(cè)得的能譜中鉀(1.46 keV)、鈾(1 760 keV)、釷(2.62 keV)能量線性關(guān)系互相對(duì)應(yīng),說明儀器工作正常(見圖6)。依據(jù)電纜上標(biāo)記的深度標(biāo)記為準(zhǔn),將標(biāo)準(zhǔn)儀器分別在標(biāo)準(zhǔn)井高放射性層中點(diǎn)以下(10±1) cm處、高放層中點(diǎn)±1 cm處、高放層中點(diǎn)以上(10±1) cm處,分別測(cè)量計(jì)數(shù)率11次,每次計(jì)數(shù)時(shí)間600 s。保存記錄譜數(shù)據(jù),通過譜分析軟件求取377～900道累加計(jì)數(shù)(圖5中紅色部分),并求取計(jì)數(shù)率。每次測(cè)量的計(jì)數(shù)率記為RHij,H為高放層,i為深度點(diǎn)(i=1～3),j為在某個(gè)深度點(diǎn)的測(cè)量次數(shù)(j=1～11)。在低放射性層重復(fù)同樣過程,每次測(cè)量的計(jì)數(shù)率記為RLij。

圖5 多道分析器伽馬能譜譜形圖

(1)

式中,F為標(biāo)準(zhǔn)儀器刻度系數(shù);AS為刻度井標(biāo)稱值,API;RW為標(biāo)準(zhǔn)井測(cè)量的凈計(jì)數(shù)率。

(2)

式中,n為深度點(diǎn)數(shù),在本標(biāo)準(zhǔn)中n=3;m為在某個(gè)深度點(diǎn)的測(cè)量次數(shù),在本標(biāo)準(zhǔn)中m=11。

2.2 刻度夾具定值

將儀器外殼上安裝刻度夾具(晶體中點(diǎn)位置在外殼標(biāo)有印記,標(biāo)記與刻度夾具中間位置的標(biāo)記對(duì)齊)。通電檢查儀器累計(jì)采譜600 s,Th(2.62 keV)峰應(yīng)位于749道。譜形態(tài)與刻度夾具的已保留標(biāo)準(zhǔn)譜型應(yīng)一致。累計(jì)采譜600 s,求取377～900道的累計(jì)計(jì)數(shù),并求取計(jì)數(shù)率Rcc,之后卸掉刻度夾具,按上述同樣方法求取本地計(jì)數(shù)率Rbc,刻度夾具API值計(jì)算

Rc=Rcc-Rbc,Ac=F×Rc

(3)

式中,Rc為標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量刻度器的凈計(jì)數(shù)率;Ac為刻度夾具API校準(zhǔn)值。

2.3 工作標(biāo)準(zhǔn)井及刻度器量值傳遞

各地工作標(biāo)準(zhǔn)井及各類刻度器定值方法與上述刻度夾具定值方法及工作步驟完全相同,不同的是工作標(biāo)準(zhǔn)井將探測(cè)器放置于高放射性層和低放射性層分別進(jìn)行600 s測(cè)量,然后按式(3)求出標(biāo)準(zhǔn)井API值。在此強(qiáng)調(diào)的是在正式傳值前及定值后,應(yīng)用刻度夾具對(duì)能譜儀器進(jìn)行檢查,只有對(duì)刻度夾具所測(cè)API值及能譜圖與刻度夾具定值時(shí)狀態(tài)一致時(shí),說明儀器狀態(tài)正常,所傳遞的API量值才是準(zhǔn)確的。否則說明儀器有問題,所傳遞的量值不可靠。

3 應(yīng)用效果

應(yīng)用便攜量值傳遞系統(tǒng)對(duì)新建的自然伽馬工作標(biāo)準(zhǔn)井量值開展量值傳遞,該自然伽馬工作標(biāo)準(zhǔn)井由已知放射性強(qiáng)度的地層組成,包括標(biāo)準(zhǔn)層和圍巖層。按照有關(guān)規(guī)范要求步驟方法,在每一層位的不同深度點(diǎn)累計(jì)采譜600 s,求取不同標(biāo)準(zhǔn)層的平均計(jì)數(shù)率。測(cè)量結(jié)果見表1、表2。

應(yīng)用式(1)求得儀器刻度系數(shù)F=1.169 69,實(shí)際測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)層計(jì)數(shù)率為270.19,圍巖層計(jì)數(shù)率為5.485 7,參照式(3)確定標(biāo)準(zhǔn)層標(biāo)稱值為316.01 API。圍巖層標(biāo)稱值為6.416 6 API。標(biāo)準(zhǔn)層與下圍巖的標(biāo)稱值差值確定為313.56 API。

為驗(yàn)證便攜量值傳遞系統(tǒng)的有效性,用便攜量值傳遞系統(tǒng)與目前在用的大直徑自然伽馬測(cè)井儀在該刻度井中進(jìn)行了API值對(duì)比測(cè)量,兩者的API值僅相差0.27%,優(yōu)于量值傳遞規(guī)定的3%誤差要求。

表1 最高標(biāo)準(zhǔn)井刻度結(jié)果

表2 新建標(biāo)準(zhǔn)井傳遞結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)基于能譜測(cè)量的便攜式自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)井量值傳遞系統(tǒng)相比傳統(tǒng)自然伽馬測(cè)井儀具有體積小、重量輕、易攜帶、不受放射源限制的優(yōu)勢(shì)。

(2)采用能譜測(cè)量方式避免了傳統(tǒng)計(jì)數(shù)測(cè)量方式易受門檻變化、高壓漂移、前放電路不穩(wěn)定等因素帶來的計(jì)數(shù)誤差大的缺點(diǎn)。用能譜測(cè)量替代傳統(tǒng)計(jì)數(shù)測(cè)量方式,對(duì)儀器狀態(tài)監(jiān)測(cè)更為直觀。

(3)量值傳遞實(shí)測(cè)結(jié)果表明,該便攜量值傳遞系統(tǒng)投入使用既保證了API量值傳遞精度,又為傳遞工作帶來便利,完全可替代大直徑儀器開展量值傳遞工作。