高溫抗振一體化伽馬探測器實現(xiàn)與應用

駱慶鋒,周維,崔曉靜,李勝,陳輝,岳燦

(1.中國石油集團測井有限公司測井技術研究院,陜西西安710077;2.北京濱松光子技術股份有限公司,河北廊坊065001;3.中國石油集團測井有限公司吐哈分公司,新疆鄯善838202)

0 引 言

方位伽馬測井儀是鉆井行業(yè)普遍應用的一種隨鉆測井儀器,儀器能夠直觀獲取豐富多樣的地層信息,通過井周三維成像更加有效地指導鉆井施工,是大斜度井/水平井開發(fā)“提速提效”的利器。作為該技術的核心組件“一體化伽馬探測器”,其性能尤為重要[1-5]。由于石油蘊藏地層深處,隨鉆測井儀器的工作環(huán)境相對惡劣,井下溫度可達200 ℃,且隨著鉆頭向地層鉆進會伴有較強的振動和沖擊[6-7]。因此,隨鉆測井儀器對其組件要求極高。多年來這類隨鉆一體化伽馬探測器一直被國外專業(yè)化公司壟斷,中國相關技術的發(fā)展受限于高端閃爍晶體材料生產(chǎn)和高溫封裝技術,如何在有限的物理空間獲得更高的探測效率,探測器整體可靠性、穩(wěn)定性等技術指標成為難以突破的瓶頸。

本文創(chuàng)新設計了晶體及光電倍增管等核心部件結構,采用釬焊熔封、柔性和剛性結合的減振、升壓斬波電路等技術,研制了國產(chǎn)一體化伽馬探測器,實現(xiàn)批量生產(chǎn)和規(guī)模化推廣。實際應用表明產(chǎn)品整體技術指標與國外同類產(chǎn)品水平相當,能夠滿足現(xiàn)場施工需求。

1 產(chǎn)品設計及實現(xiàn)

1.1 總體設計

本文所述的一體化探測器由高溫NaI(TI)閃爍晶體、高溫光電倍增管封裝品、高溫高壓電源和信號處理電路以及外殼部件組成,通過輸入18～48 V的寬電壓范圍進行供電,產(chǎn)品進行伽馬射線強度測量,輸出+5 V的TTL數(shù)字電平。

1.2 詳細設計

NaI(TI)晶體以及光電倍增管的玻璃外殼均屬于易碎材料,如何使其應用于石油測井的高溫、強振動、沖擊環(huán)境中,關鍵技術是需要引入合理的結構設計及封裝技術對其進行包裝,從而保證其既不損壞,又可穩(wěn)定工作。

1.2.1NaI(TI)晶體設計

NaI(TI)晶體因其在閃爍效率、分辨率及光產(chǎn)額方面的優(yōu)勢被廣泛應用,但其缺點是易碎、易潮解,導致其光輸出大幅度下降和能量分辨率變差。因此,通常需要將其密封在帶有出光窗口的密封殼體內(nèi)使用[8-10]。本產(chǎn)品創(chuàng)新采用鈦合金(藍寶石)釬焊熔封技術,保證晶體的密封性及透光性。

熱鍛NaI(TI)晶體是在一定的溫度和壓力下通過塑性形變而成。晶體在發(fā)生塑性變形后,由于位錯的不斷交互和增殖,形成了位錯多邊化和亞晶粒結構,從而提高了其抗冷熱沖擊和機械振動的能力,且閃爍體光電性能不受影響。

本文自制的NaI(TI)多晶材料封裝時,在晶體與封裝外殼之間填充柔性和剛性結合的減振材料,實現(xiàn)抗振保護。出光端面和玻璃窗口間采用特殊工藝高透光性硅橡膠墊進行減振,后端面與后蓋間采用定制波形彈簧軸向上保持晶體的穩(wěn)定,側面與外殼間通過引入柔性加剛性材料的復合方式進行減振。通過以上材料及工藝,晶體可承受工作狀態(tài)下的最大振動加速度為300 m/s2,最大沖擊加速度為10 000 m/s2。

1.2.2光電倍增管的設計

光電倍增管負責將閃爍體與伽馬射線作用后產(chǎn)生的微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號,實現(xiàn)了能量信息的記錄和傳遞[13-15]。本產(chǎn)品采用柔性減振材料以對整體玻璃殼及內(nèi)部組件進行保護封裝,且封裝后不影響光陰極面與閃爍體的耦合;創(chuàng)新采用了一種新的止推結構,可以實現(xiàn)光電倍增管的陰極面承受245 N的推力且不發(fā)生位移,提高了光電倍增管的抗壓特性。

光電倍增管工作時,陰極面接收到的光信號會通過倍增極進行放大,而光電子在倍增極間的運動軌跡極易受到磁場的影響導致其工作異常。地球表面測得的磁場強度約為5×10-5T,光電倍增管的固有設計使其容易受到地磁場的干擾,本產(chǎn)品引入特殊的磁屏蔽外殼對其進行封裝,可以將地磁對光電倍增管的影響有效降至1%以下。

1.2.3外殼材料選擇

外殼材料對伽馬射線的屏蔽作用不容忽視。基于高溫閃爍晶體的密封性封裝及力學振動要求,通常會選用不銹鋼或鈦合金作為外殼材料,二者均會造成探測效率的降低,從材料本身的強度以及對射線的屏蔽效果角度考慮,本產(chǎn)品選用鈦合金材料作為探測器外殼,更小的壁厚即可提供所需的強度,以提高整體閃爍晶體對伽馬射線的探測效率,表1所列為4種常用封裝金屬材料對不同能量射線的屏蔽效果[16]。

表1 4種厚度為1 mm的常用金屬封裝材料對γ射線的屏蔽作用

1.2.4電路設計

本文的電路設計采用升壓斬波(BOOST)加倍壓整流的升壓方式,直接使用電感即達到要求的輸出高壓,和通常采用變壓器的升壓方式相比,顯著降低了功耗。

選用低功耗脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWW)芯片,采用裸片+厚膜工藝封裝成混合電路,改善了散熱效果,減少由于芯片溫度升高導致的功耗增加;對分壓器進行合理設計,等同于降低高壓負載,進一步減少功耗。這種設計模式在中國尚屬首例。

1.3 產(chǎn)品實現(xiàn)

通過以上關鍵組件的選型、設計,采用標準化的機械、電氣連接接口,共完成了2種不同直徑的一體化探測器組裝與調(diào)試(見圖1)。

圖1 不同直徑的一體化探測器

2 產(chǎn)品性能驗證

評價一體化探測器工作穩(wěn)定性的指標即為探測器在伽馬射線作用下輸出的計數(shù)率,而計數(shù)率指標在高溫、振動環(huán)境中穩(wěn)定與否則是衡量其是否可用于隨鉆儀器最重要的性能參數(shù),儀器對該指標的要求為工作過程中變化率不超過5%。參照隨鉆儀器實際使用環(huán)境,模擬試驗條件,對其性能進行考察。

2.1 -30 ℃低溫工作測試

針對儀器在寒冷區(qū)域作業(yè)的可能性,對產(chǎn)品進行低溫-30 ℃連續(xù)工作48 h穩(wěn)定性的考察試驗,在24 V輸入電壓條件下,工作過程連續(xù)測試產(chǎn)品的輸出計數(shù)率,每組計數(shù)采集時間為300 s。

圖2所示為選取的2支產(chǎn)品(CH399-13-3號、CH399-13-4號)的實測數(shù)據(jù),計數(shù)率穩(wěn)定。圖2中紅色曲線為CH399-13-3號產(chǎn)品在-30 ℃時計數(shù)率曲線,黑色曲線為CH399-13-4號產(chǎn)品在-30 ℃時計數(shù)率曲線。

圖2 低溫-30 ℃連續(xù)工作48 h計數(shù)率變化曲線

2.2 175 ℃高溫工作測試

中國大部分油田實際作業(yè)溫度不超過175 ℃,有些儀器井下作業(yè)過程中即使達到175 ℃,也不會持續(xù)很長時間。對產(chǎn)品進行了高溫175 ℃連續(xù)工作8 h的試驗,在24 V輸入電壓條件下,工作過程中連續(xù)測試產(chǎn)品的輸出計數(shù)率,每組計數(shù)采集時間為300 s。圖3所示為選取的2支產(chǎn)品(CH375-13-5號、CH375-13-6號)的實測數(shù)據(jù),計數(shù)率穩(wěn)定。圖3中紅色曲線為CH375-13-5號產(chǎn)品在175 ℃時計數(shù)率曲線,黑色曲線為CH375-13-6號產(chǎn)品在175 ℃時計數(shù)率曲線。

圖3 高溫175 ℃時連續(xù)工作8 h計數(shù)率變化曲線

2.3 升、降溫過程中計數(shù)率的穩(wěn)定性

實際測井作業(yè)過程中,溫度隨著儀器向地層深處鉆進逐漸升高。通常平均每向下鉆進100 m,溫度會升高3 ℃。因此,儀器在升溫、降溫過程中計數(shù)率是否穩(wěn)定影響著儀器鉆進過程中數(shù)據(jù)的有效性。在24 V輸入電壓條件下,連續(xù)監(jiān)測產(chǎn)品升溫、降溫過程中輸出計數(shù)率,升降溫速率控制在3 ℃/min以內(nèi),每組計數(shù)率采集時間為300 s,升降溫過程計數(shù)率變化情況如圖4所示,計數(shù)率較穩(wěn)定。圖4中紅色曲線為產(chǎn)品從室溫升溫至175 ℃后降溫至40 ℃的溫度變化曲線,藍色曲線是在環(huán)境溫度變化時產(chǎn)品的計數(shù)率曲線。

圖4 升溫、降溫過程中計數(shù)率變化曲線

2.4 振動條件下175 ℃高溫計數(shù)率工作測試

對于產(chǎn)品而言,最嚴苛的條件即為高溫175 ℃溫度條件時承受力學振動。為了充分考察產(chǎn)品在極端條件下的工作狀態(tài),對產(chǎn)品進行了X、Y、Z軸各4 h的高溫隨機振動工作試驗,振動加速度為150 m/s2,振動頻率范圍50～1 000 Hz。圖5為產(chǎn)品高溫振動過程的實測數(shù)據(jù),計數(shù)率穩(wěn)定。

圖5 175 ℃高溫振動過程中計數(shù)率變化曲線

從上述試驗結果可知,產(chǎn)品在低溫、高溫以及振動環(huán)境中工作時,輸出計數(shù)率穩(wěn)定,并可耐受200 m/s2的隨機振動,滿足石油測井隨鉆方位伽馬儀器工作的需要。

3 產(chǎn)品應用

近幾年,該一體化NaI(TI)伽馬探測器累計使用200余支,先后在長慶致密油、四川頁巖氣、塔里木碳酸鹽巖等區(qū)塊現(xiàn)場進行了商業(yè)化應用。所有探測器下井累計工作時長約180 000 h,單支探測器在井下最長可靠工作時間為1 575 h,在施工過程中探測器提供穩(wěn)定、可靠、準確的測量數(shù)據(jù),滿足現(xiàn)場需求。

在吉林油田乾2XX井施工中,旋轉(zhuǎn)導向遇卡后,為降低成本及風險,使用“隨鉆測錄井+地質(zhì)導向建模+動態(tài)調(diào)整技術”方案完成該井作業(yè)任務。該井完鉆井深3 735 m,水平段1 255 m,伽馬成像作業(yè)1 090 m,伽馬探測器在井下連續(xù)工作610 h,儀器穩(wěn)定可靠。前期地質(zhì)研究結果顯示地層為下傾,利用成像測井及錄井數(shù)據(jù)進行綜合分析,判斷儲層變化,發(fā)現(xiàn)實際地層為上傾;及時指導軌跡調(diào)整,實現(xiàn)精確地質(zhì)導向,同時在目的層厚度不足2 m的情況下,實現(xiàn)砂體鉆遇率90%(見圖6),為后期該區(qū)塊油藏的開發(fā)提供指導。

圖6 乾XX井方位自然伽馬測井地質(zhì)導向圖

4 結論與認識

(1)本文介紹了隨鉆測井用一體化探測器,通過對材料、結構封裝、減振設計進行研究,創(chuàng)新一系列工藝措施,使得探測器的穩(wěn)定性、可靠性得以顯著提高。該探測器整體性能指標達到國外同類產(chǎn)品水平,可以完全替代進口探測器,打破國外專業(yè)化公司壟斷。

(2)該產(chǎn)品在中國多個油田區(qū)塊規(guī)模化應用,耐受井下作業(yè)長期高溫和強振動,產(chǎn)品可靠性和測量準確性都得到用戶認可。進一步提高一體化探測器的溫度性能、抗振級別及探測效率將是今后工作的重點方向。