SDZ-3090补偿中子测井仪故障分析

黄 芳，张士中，程辉建，吕应科，顾 佳，沈亚双,葛书栋

(渤海钻探测井公司 天津 300280)

·经验交流·

SDZ-3090补偿中子测井仪故障分析

黄 芳，张士中，程辉建，吕应科，顾 佳，沈亚双,葛书栋

(渤海钻探测井公司 天津 300280)

SDZ-3090型补偿中子测井仪是SDZ-3000快速测井平台的井下仪器之一，是放射性测井的重要组成部分。从该仪器的原理及电路组成出发，分析了仪器在测井使用过程中出现的常见故障，加深了对仪器电路原理的理解，达到了经验交流的目的。

补偿中子；探测器；高压；坪曲线；刻度

0 引 言

SDZ-3090型补偿中子测井仪是一种具有两道热中子探测器的放射性强度测井仪器，它与地面计算机测井系统配套，可以测定裸眼井或套管井的地层结构的孔隙度以及判断岩性和确定泥质含量,是三大孔隙度测井项目中必不可少的测井仪器。该仪器吸收了CSU和3700补偿中子测井仪的优点，采用高稳定的电子放大线路和美国进口的高灵敏度热中子探测器(3He正比计数管)，优化了电路设计，使得该仪器测量误差小，可靠性高，具有良好的使用维修性能。

1 仪器解析

1.1 仪器工作原理

补偿中子测井仪上装载着18Ci的Am-Be中子源，每秒钟将产生4×107个快中子，这些快中子射入地层，与地层的物质碰撞。根据碰撞学说，中子碰撞中的能量损失与被碰撞物质的质量和入射角有关，与中子质量相当的物质碰撞(弹性碰撞)，中子损失的能量最大。经过几次碰撞后，快中子将被减速，能量从快中子的平均能量5.6 MeV衰减到0.025 eV的热中子。这些热中子部分进入探测器，撞击3He核，引起核反应，产生3H(氚)子，该质子使其它一部分3He电离，产生带电的离子和电子，在高压电场的作用下，电子向阳极运动，产生一负脉冲，该脉冲被电子线路放大并记录下来，探测器接受中子的多少直接反映了地层中氢原子的多少[1]。因此3He探测器及其电子线路组成的下井仪可以测量地层中的含氢量。地层孔隙是充满流体的细微空间，水及碳氢化合物中含有氢原子，无油地层与矿岩中极少或根本没有氢。这样仪器的响应基本上反映了充满流体的地层的细微空间，即孔隙度。

为了减少井眼套管泥饼对测量的影响，下井仪将两个灵敏度不同的3He探测器布置在离中子源距离不同的位置上，用它们的两个计数率的比值来反映地层孔隙度的大小，提高了测量精度。

1.2 电路工作原理

SDZ-3090补偿中子测井仪的电子线路由探测器、放大测量电路、低压电源和高压电源电路等组成。如图1所示。

图1 原理方框图

3He探测器输出的脉冲，经电荷灵敏放大器放大，甄别器甄别掉噪声后输入到分频器中分频，分频后的信号由电路成形器将它形成等宽等幅的脉冲，然后输出到输出器进行功率放大，经变压器输出。

1.2.1探测器

目前国内外补偿中子测井仪均采用3He正比计数管作热中子探测器，它在正常工作情况下输出负极性电脉冲，脉冲幅度在0.5 μv～1.5 mV范围内连续分布,脉冲宽度小于5 μs,为随机信号，3He管的外形结构为圆柱形，在圆柱的轴心,有一根在理论上视为无限小的金属丝，圆柱内充满若干个气压的3He气体，气压的大小对其灵敏度有关。它探测中子的反应式[2]为：

3He +n →1H +3H+ 765 keV

3He正比计数管是一种高灵敏的热中子探测器，由于管内填充的气压较高，所以在维修使用过程中要轻拿轻放,不能碰撞，以免损坏管内的阳极丝。在焊接过程中，严禁用力拨动3He探测器的引线端，否则会造成3He气体泄漏而不能正常工作。在给3He管供电时，应先检查供电电压,防止长、短源距的高压接反。

1.2.2 前置放大电路

前置放大电路是一个电荷灵敏放大器，它直接安装在探测器的阳极上，减少了分布电容的影响。当3He探测器的输入阻抗足够大时，其输出脉冲幅度可以表示为：

U=Q/C

对于长源距和短源距通道，前置放大电路相同。

1.2.3 信号处理电路

信号处理电路由主放大器、混合电路、驱动输出三部分组成。

由前置放大电路送来的两路负脉冲，送入主放大器，其输出幅度约为+3 V，调节R1、R2的阻值可达到这个要求。

混合电路模块集成了跟随器、比较器、分频器和单稳态等电路。

驱动输出提供电路带载能力和信号隔离输出功能。

1.2.4 电源电路

仪器采用通用的电源50 Hz、AC180 V供电，经1#、4#进入电源变压器，经降压、整流、滤波、三端稳压器稳压后，输出+24 V直流电压。

高压模块可以将直流低压变换成+500～+2 500 V的直流高压，通过电阻分压后可以产生+1 400 V和+1 150 V的直流高压。

2 故障分析

2.1 故障一

在仪器检修过程中，首先检查电压、电流是否正常。电压电流正常情况下，如果没有信号或者信号不正常，先检测高压是否正确，然后检测信号处理电路各工作点。补中08590014#仪器曾出现短源距计数不正常的现象，小队使用过程中发现短源距计数率超出正常范围较多。室内检测：示波器测量短源距信号输出点，发现大量脉冲信号，较长源距信号多。查高压部分：长源距高压为1 428 V，短源距高压达到1 417 V。而维修手册中规定：SDZ-3090型补偿中子测井仪的长源距探测器的高压大约为1 400 V，短源距探测器的高压大约为1 150 V。可见，对于短源距来说，1 417 V远高于规定的1 150 V，因此造成短源距信号不正常。

补偿中子测井仪采用的3He探测器的供电电压由它的坪曲线[3]来决定的。正常情况下，常温的3He探测器坪宽不低于200 V。坪曲线图如图2所示。

图2 坪曲线图

图2中3条曲线分别为3He探测器在常温、75℃以及175℃恒温1 h后的坪曲线。工作高压区为选定的探测器的工作电压。图2中可以看出，当高压超出坪曲线部分后，随着高压的增加，计数率会增加较快。因此，该仪器的短源距计数率明显增多。在仪器维修中，一般将探测器工作电压调至坪曲线中点所对应的电压值，短源距探测器的高压约为1 150 V，坪宽不低于200 V，则坪区的末端所对应的最高电压大约1 250 V。而该仪器的短源距高压达到1 417 V，严重超出坪区工作电压。高压电源电压过高，会影响3He探测器的性能，从坪特性上看，它工作在上翘区，所以计数率自然就高了。而长源距的工作高压仍然在坪区范围内，所以长源距计数率正常。

仔细检测高压电路部分，如图3所示，发现分压电路中分压电阻R103断开了，导致长短源距高压均偏高。分压电阻R103断开，则R103后面的分压电阻R104、R105也都呈断开状态，分压电路没有起到分压作用，所以短源距高压明显增高，超出了坪区工作电压。更换R103电阻，分压电路恢复正常工作，将短源距高压调整到1 130 V，同时将长源距高压调整到了1 410 V，这样长短源距高压均达到了3He探测器的坪区工作电压。检测到短源距电路中脉冲信号输出明显减少，计数率恢复到正常范围。

2.2 故障二

08590004#补中测井仪在刻度过程中计数率偏低，反复刻度几次才勉强达到标准范围的低值。 标准比值为4.012 2±0.201, 而该仪器经过反复刻度才达到3.808，因此需要对仪器电路部分进行检测、调校。主刻点及校验点误差范围见表1。

刻度装置使用3700系列2437XB刻度筒，在主刻点求出仪器特征参数K值，在地面系统测井程序中，以K值来修正测得的计数率比值[4]。

表1 主刻点及校验点误差范围

在高压正常的情况下检测信号处理电路，如图4所示。

图4 信号处理电路图

用源检测信号处理电路中的SDIN和LDIN(长源距信号处理电路与短源距相同)信号幅度，长源距LDIN信号幅度应为2.0±0.4 V，短源距SDIN信号幅度应为3.0±0.4 V。而该仪器的LDIN信号幅度仅约1 V，SDIN信号幅度约2 V,未达到标准范围。因此调节信号处理电路中R1(短源距信号处理电路)、R9(长源距信号处理电路)的大小，将SDIN和LDIN信号幅度调节到标准范围内，然后对仪器进行刻度。经过调节后的仪器在刻度过程中一次刻度成功。

3 小 结

SDZ-3090补偿中子测井仪性能稳定，故障率相对较低。在仪器维修过程中，充分理解和学习维修手册是非常必要的，有利于我们分析仪器故障，准确找到引起故障的根源并及时加以解决，从而提高工作效率。

[1] 胡 澍.地球物理测井仪器[M].北京: 石油工业出版社,1989：329-332.

[2] 张 明，施 俊，任忠国.3He中子计数管的机理及结构[J].核电子学与探测技术，2009，29(5)：1170-1171.

[3] 李 科，鲁保平，吴永安.3He管检测系统的设计研制[J].石油仪器，2007，21(1)：29-31.

[4] SDZ-3000快速测井平台维修手册[Z].中国电子科技集团公司第二十二研究所， 2006：114-115.

Faults Analysis of SDZ-3090 Compensated Neutron Logging Tool

HUANG Fang, ZHANG Shizhong, CHENG Huijian, LYU Yingke, GU Jia, SHEN Yashuang, GE Shudong

(BohaiDrillingLoggingCompany,Dagang,Tianjin300280,China)

SDZ-3090 compensated neutron logging tool is one of the downhole logging tools of SDZ-3000 fast logging platform, which is also an important part of the radioactive logging. This article analyzes the composition and circuit principle of the downhole logging tool in detail combined with the common faults occurring in the logging. The understanding of the principles of the instrument circuit is deepened, while the purpose of the exchange of experiences is achieved.

compensated neutron; detector; high voltage; plateau curves; calibration

黄 芳，女，1973年生，高级工程师，1996年毕业于西安石油学院电子仪器及测量技术专业，现从事测井仪器维修及相关科研工作。E-mail: huangliff@sina.com

P631.8+17

A

2096-0077(2017)03-0085-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.019

2016-09-15 编辑：韩德林)