摘 要： 地層自然伽馬值反映了地層巖性的變化，設(shè)計(jì)了隨鉆自然伽馬測量系統(tǒng)，可以測量出所鉆地層自然伽馬值，使鉆井工程和石油地質(zhì)人員能夠準(zhǔn)確地分析井下地質(zhì)情況，并及時(shí)優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)和施工工藝，準(zhǔn)確地鉆達(dá)目的層。
關(guān)鍵詞： 自然伽馬值; 伽馬測量裝置; 光電倍增管
在石油鉆井過程中，隨時(shí)了解地層參數(shù)對(duì)鉆井工程師十分重要，其為調(diào)整井眼軌跡提供判斷依據(jù)，使鉆頭準(zhǔn)確鉆達(dá)目的層，提高鉆井鉆遇率，最終提高油氣采收率[1-2]。由于自然界巖石中所含的鈾、釷及其衰變產(chǎn)物和鉀的放射性同位素能引起地層的自然放射性。這些放射性元素在沒有任何外界激發(fā)的情況下，可以釋放出射線。這些具有放射性的元素在衰變過程中能發(fā)射α粒子、β粒子和γ射線。α粒子和β粒子的穿透能力很差，不能用于測井；而γ射線是一種具有很強(qiáng)穿透能力的高能電磁波，它能在鉆井過程中被探測到[3]。因此隨鉆自然伽馬測量系統(tǒng)可以通過測量地層的自然伽馬變化來反映地層的巖性。
1 隨鉆自然伽馬測量系統(tǒng)的原理簡介
隨鉆自然伽馬測量系統(tǒng)的作用是測量在鉆井過程中不同性質(zhì)地層的伽馬射線強(qiáng)度，再將各個(gè)地層中的伽馬測量值標(biāo)定為單位API自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)值，利用對(duì)不同地層的實(shí)時(shí)伽馬測量數(shù)據(jù)繪制出鉆井過程中實(shí)時(shí)伽馬曲線[4]。因此該系統(tǒng)必須能夠測量井下不同性質(zhì)地層的伽馬射線值并記錄井下不同性質(zhì)地層所對(duì)應(yīng)的井深。
隨鉆自然伽馬測量系統(tǒng)安裝在鉆頭上方的無磁鉆鋌中，圖1顯示其安裝在鉆鋌上的位置，系統(tǒng)由井下伽馬探管、井下數(shù)據(jù)采集測量電路組成。其能夠進(jìn)行地層自然伽馬脈沖計(jì)數(shù)率測量，并同步記錄不同地層自然伽馬值相關(guān)聯(lián)的井深信息[5]。
井下數(shù)據(jù)采集測量電路的工作原理如圖2所示。地層中的自然伽馬射線進(jìn)入伽馬探管后，由探管將伽馬粒子轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)整形電路將該信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)脈沖,送入ARM處理器。ARM處理器利用內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)其計(jì)數(shù)，采樣一次伽馬脈沖的計(jì)數(shù)值的時(shí)間間隔為16 s，再計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的平均值，計(jì)算出的伽馬脈沖計(jì)數(shù)率，將地層的伽馬脈沖計(jì)數(shù)率刻度為自然伽馬標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位API，然后存入NOR Flash存儲(chǔ)器中。ARM處理器電路也可通過RS485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給MWD的泥漿脈沖信息上傳系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)將自然伽馬API值上傳給地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。地面計(jì)算機(jī)可將自然伽馬API值與井深信息相對(duì)應(yīng)，繪制出自然伽馬測量曲線[6]。
2 隨鉆自然伽馬測量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
隨鉆伽馬測量儀采用以ARM處理器為核心的井下傳感器和數(shù)據(jù)測量電路，并擴(kuò)展相應(yīng)外圍功能擴(kuò)展電路，設(shè)計(jì)對(duì)探管干擾小、抗干擾能力強(qiáng)的電路體系。
2.1 伽馬探管高壓電源
伽馬探管高壓電源由半橋開關(guān)電源變換器和倍壓電路兩部分構(gòu)成，半橋開關(guān)電源形成開關(guān)電壓脈沖，經(jīng)過開關(guān)變壓器對(duì)倍壓電路進(jìn)行充電，產(chǎn)生伽馬探管所需要的2 000 V左右高壓供電電源。
高壓電源控制芯片為TL494電壓型脈沖寬度控制器，它由PWM 比較器、振蕩器、兩個(gè)誤差放大器、D 觸發(fā)器、+5 V基準(zhǔn)電壓源、死區(qū)時(shí)間比較器和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管等組成。
由于電源電路在上電瞬間各點(diǎn)電壓不確定，經(jīng)過一段震蕩時(shí)間之后才能穩(wěn)定工作，所以在上電瞬間不能有加在柵極的激勵(lì)信號(hào)，否則將導(dǎo)致開關(guān)管導(dǎo)通。延時(shí)軟啟動(dòng)電路能實(shí)現(xiàn)該控制功能，如圖3所示。該電路可以控制TL494的4腳死區(qū)引腳實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，由于電壓所在的軟啟動(dòng)腳高于3 V時(shí)，TL494的占空比將設(shè)置為零，充電過程電阻R23與電容C5間的電壓接近線性地上升,上電瞬間5 V左右的電壓加在R31上,給電容充電的電壓逐漸上升，導(dǎo)致電阻上的電壓逐漸下降，下降到3 V以下時(shí)，占空比方波將正常輸出,R31和C5決定了電源的軟啟動(dòng)時(shí)間。
TL494控制電路如圖4所示，TL494在工作時(shí),定時(shí)元件RT 和CT 的取值決定了控制器內(nèi)部鋸齒波發(fā)生器上的工作頻率。死區(qū)時(shí)間比較器和脈寬比較器的同相輸入端與該鋸齒波信號(hào)連接。在脈寬比較器中對(duì)鋸齒波和誤差放大器的輸出電平比較，而在死區(qū)時(shí)間比較器中對(duì)死區(qū)控制電平與鋸齒波進(jìn)行比較，二者分別輸出得到矩形脈沖。同時(shí)送入門電路，在D觸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行分頻后，再由輸出到兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管，使其交替導(dǎo)通和截止，相差180°的脈寬控制脈沖通過9腳和10腳向外輸出。
由上可知，如果TL494的參考電位（即兩個(gè)誤差放大器的反相輸入端(2腳或者15腳)）穩(wěn)定，當(dāng)升高同相輸入端電位時(shí)，則可以使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)引腳輸出脈沖變窄；反之，則可以使PWM 脈沖變寬。當(dāng)加載到死區(qū)控制端電壓下降時(shí)，則可以使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出E1/E2的脈寬控制脈沖變寬。
通過電壓跟隨器將電壓反饋信號(hào)Ufeb接入TL494的1腳反饋端，設(shè)定的參考電壓加載到2腳反相輸入端，并與引腳3共同組成PI調(diào)節(jié)器，用以保證電源輸出穩(wěn)定的電壓。從開關(guān)管輸出電流信號(hào)Ifeb反饋到控制的16腳，一個(gè)參考電壓加載到15腳，可以限定電源對(duì)外最大輸出電流的大小，最終控制最大負(fù)載功率，起到過載保護(hù)的作用。
TL494的9腳和10腳輸出的兩路PWM波形分別連接到半橋控制芯片IR2110的HIN和LIN管腳，由IR2110芯片的自舉系統(tǒng)和外部相應(yīng)電路抬高Q1源極電位，實(shí)現(xiàn)Q1的正常導(dǎo)通和關(guān)斷，如圖5所示，從HO和LO管腳分別輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)圖6所示半橋MOSFET結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路。
半橋開關(guān)電路Q1和Q2被帶有死區(qū)時(shí)間的兩路互補(bǔ)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，分時(shí)導(dǎo)通和關(guān)閉。即Q1導(dǎo)通時(shí)Q2關(guān)閉，電流從變壓器的2腳流向1腳；而Q2導(dǎo)通時(shí)Q1關(guān)閉，電流從變壓器的1腳流向2腳。這樣在變壓器的初級(jí)就形成了交變電壓，該電壓再過升壓變壓器T1升壓。經(jīng)過升壓變壓器升壓后的電壓再經(jīng)過倍壓升壓電路，達(dá)到伽馬探管工作所需要的電壓。
倍壓升壓電路如圖7所示。變壓器T1對(duì)初極電壓進(jìn)行升壓，并在次級(jí)產(chǎn)生交變電壓。交變電壓為負(fù)半周時(shí)，D1導(dǎo)通，其他二極管截止，電容C10充電到240 V； 交變電壓為正半周時(shí)，D2導(dǎo)通, 其他二極管截止， 電容C9充電到480 V；交變電壓再為負(fù)半周時(shí)，D3導(dǎo)通，其他二極管截止，電容C8充電到480 V；交變電壓為正半周時(shí)，D4導(dǎo)通，其他二極管截止，電容C7充電到480 V；交變電壓為負(fù)半周時(shí)，D1導(dǎo)通，其他二極管截止，電容C6充電到480 V。升壓后輸出電壓對(duì)地電壓為2 160 V，最終達(dá)到伽馬探管的工作電壓。
2.2 ARM處理器及測量電路低壓供電單元
ARM處理STM32需要的供電電壓為3.3 V, 測量電路供電電壓為5 V。隨鉆自然伽馬探測裝置的供電輸入電壓為24 V。因此需要將24 V轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V，可使用一個(gè)buck型開關(guān)電源和一個(gè)低壓差電源[7]。
2.3 伽馬探管工作原理
入射到探測管的伽馬射線可由伽馬探測管轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，脈沖整形電路對(duì)該脈沖進(jìn)行處理。隨鉆伽馬測量裝置井下伽馬探測管使用的是閃爍計(jì)數(shù)器。
由光電倍增管和閃爍晶體和組成的閃爍計(jì)數(shù)器如圖8所示。閃爍晶體可以在放射線作用下發(fā)射熒光的物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)將伽馬射線轉(zhuǎn)換成光能。當(dāng)沒有入射光進(jìn)入光電倍增管時(shí)，電倍增管的陽極上不會(huì)產(chǎn)生電流。但由于溫度影響，會(huì)有少量的激發(fā)電子。其再經(jīng)過倍增管的倍增效應(yīng)后,陽極上會(huì)出現(xiàn)被稱為暗電流的微小噪聲電流。由于該噪聲電流脈沖的幅值很小，且產(chǎn)生的時(shí)間短，所以噪聲脈沖和有用信號(hào)脈沖可由脈沖鑒別電路加以區(qū)別。
當(dāng)自然伽馬射線入射到閃爍體后，其內(nèi)部的分子或原子將吸收射線的能量，發(fā)生熒光效應(yīng)。光電倍增管敏感的光陰極表面被熒光光子擊中，將產(chǎn)生相應(yīng)量級(jí)的光電子。光電倍增管的打拿極捕捉到這些電子，將電子數(shù)逐級(jí)倍增。光電倍增管的陽極得到倍增后的電子，形成相應(yīng)量級(jí)的電流脈沖，當(dāng)電流脈沖流過陽極連接的負(fù)載電阻時(shí)產(chǎn)生電壓脈沖。該脈沖可以通過電容耦合至后級(jí)脈沖整形電路。射入晶體的伽馬射線強(qiáng)度與脈沖整形電路的脈沖計(jì)數(shù)率成正比。
2.4 脈沖整形電路
來自伽馬探管的信號(hào)是一個(gè)電壓尖脈沖，脈沖整形電路對(duì)這個(gè)尖脈沖進(jìn)行處理，將其整形為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖，送給ARM處理的計(jì)數(shù)單元進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。脈沖整形電路如圖9所示。
伽馬探管輸出的負(fù)電壓脈沖信號(hào)前沿很陡，脈沖信號(hào)后沿衰減規(guī)律成指數(shù)趨勢。通過電容C6該信號(hào)耦合至三極管Q4的基級(jí)，伽馬探測器的直流高壓也由C6隔離，以防止損壞后級(jí)電路。探管的輸出信號(hào)由穩(wěn)壓二極管D2限幅，RC低通濾波器由R25和C7組成，能夠去除測量信號(hào)中的高頻干擾。
脈沖信號(hào)經(jīng)過Q4反相相放大后，由于電容C9耦合到運(yùn)放A3的輸入端，因此調(diào)節(jié)A3上的反饋電阻可以對(duì)該脈沖信號(hào)再次進(jìn)行放大。
運(yùn)算放大器A3的輸出信號(hào)加載到比較器A4的輸入端，組成電壓閾值比較器，進(jìn)一步對(duì)脈沖信號(hào)整形，去除噪音信號(hào)。比較器A4輸入閾值電壓為10 V左右，使高于次電壓的伽馬脈沖信號(hào)可以通過比較器，其他噪聲信號(hào)電平低于閾值電壓而不能通過。
經(jīng)過幾級(jí)整形之后的信號(hào)波形已經(jīng)變得比較理想，這樣輸出的信號(hào)成為與伽馬脈沖相一致的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，然后輸出到CPLD芯片進(jìn)行分頻和電平匹配輸出，最終輸出到ARM控制器的計(jì)數(shù)單元。由于在一些地層中的伽馬射線能量強(qiáng)，所探測的脈沖數(shù)量在單位時(shí)間內(nèi)很多，直接加到ARM芯片的比較器計(jì)數(shù)單元上會(huì)使其產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出錯(cuò)誤[8]。因此要使用CPLD芯片配置成分頻器，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行4分頻計(jì)數(shù)。然后將分頻后的脈沖波形送入ARM芯片的比較器計(jì)數(shù)單元內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)和保存。ARM芯片對(duì)伽馬脈沖的計(jì)數(shù)由其內(nèi)部定時(shí)器控制，每16 s完成一次計(jì)數(shù)，最后存儲(chǔ)的伽馬計(jì)數(shù)值應(yīng)為16 s內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的平均值。
2.5 井下實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路
井下實(shí)時(shí)時(shí)鐘可與地面實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，可推導(dǎo)出相應(yīng)的井深參數(shù)。DS1305為外部時(shí)鐘芯片，采用SPI通信方式，時(shí)間控制任務(wù)主要有兩個(gè)方面：DS1305時(shí)鐘與地面時(shí)間的對(duì)準(zhǔn)功能；產(chǎn)生等時(shí)間間隔脈沖信號(hào)，作為外部中斷源控制CPU的伽馬數(shù)據(jù)定時(shí)采集和存儲(chǔ)。
2.6 井下實(shí)時(shí)伽馬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路
測量的自然伽馬參數(shù)數(shù)值需要實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)到井下NOR Flash存儲(chǔ)器中，與各個(gè)自然伽馬參數(shù)數(shù)值相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息也需要對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)到井下NOR Flash存儲(chǔ)器中。采用的井下NOR Flash存儲(chǔ)器芯片為M25P64，其為64 Mbit(即8 MB)存儲(chǔ)芯片。
3 隨鉆測量實(shí)驗(yàn)
圖10 中隨鉆自然伽馬測量曲線說明了該裝置的應(yīng)用情況(左圖為自然伽馬測量曲線，右圖為電阻率測量曲線),這是該測量裝置在冀東油田某鉆井過程中的隨鉆測量數(shù)據(jù)。從圖中可反映出當(dāng)鉆至1 965 m時(shí)，測量的自然伽馬值開始下降，電阻率值開始升高。孔隙度高的含油地層，其伽馬輻射低，可推測開始進(jìn)入儲(chǔ)油層。當(dāng)鉆至1 971 m時(shí)自然伽馬值開始上升，測量的電阻率值開始降低，可推測鉆出儲(chǔ)油層。繼續(xù)鉆至1 998 m時(shí)，電阻率測量值值升高，自然伽馬測量值降低，可推測再次進(jìn)入儲(chǔ)油層。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，自然伽馬測量儀可以準(zhǔn)確反映出真實(shí)地層情況。
本文對(duì)隨鉆伽馬測量系統(tǒng)的研制意義進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上對(duì)隨鉆伽馬系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并著重分析了放射性伽馬測量原理，包括總體分析與設(shè)計(jì)、高壓電源電路設(shè)計(jì)、脈沖整形電路設(shè)計(jì)、伽馬數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)等。同時(shí)，針對(duì)隨鉆伽馬測量系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境下工作需要注意的問題進(jìn)行分析，使其達(dá)到測量應(yīng)用的要求。最后通過對(duì)儀器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該儀器的功能[9]。
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