國產(chǎn)MZS-5中子發(fā)生器的工作原理及其在進(jìn)口RMT儀器上的應(yīng)用

葛曉龍 王宏偉

(1.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶) (2.大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江大慶)

國產(chǎn)MZS-5中子發(fā)生器的工作原理及其在進(jìn)口RMT儀器上的應(yīng)用

葛曉龍1王宏偉2

(1.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶) (2.大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江大慶)

文章介紹了國產(chǎn)MZS-5中子發(fā)生器的工作原理及其與進(jìn)口RMT儀器配接的過程中出現(xiàn)的問題。最后,通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),找出了MZS-5中子發(fā)生器的最佳工作點(diǎn),使其與進(jìn)口RMT儀器成功配接。

中子發(fā)生器;中子管;RMT碳氧比測井儀器;配接;使用壽命

0 引 言

RMT碳氧比測井儀器在國內(nèi)應(yīng)用已有十年時(shí)間,它與國產(chǎn)的碳氧比儀器比較,仍然具有自動(dòng)控制程度高,儀器工作穩(wěn)定,資料準(zhǔn)確可靠的優(yōu)勢。但儀器中的中子發(fā)生器為有限壽命產(chǎn)品,需要從美國原裝進(jìn)口,且價(jià)格昂貴,進(jìn)口和維護(hù)、維修時(shí)間都過長,嚴(yán)重影響了RMT測井儀在油田的推廣使用。因此,用國產(chǎn)中子發(fā)生器替代進(jìn)口產(chǎn)品很有必要。

1 MZS-5中子發(fā)生器的工作原理

MZS-5中子發(fā)生器[1]由中子管和高壓電源組成。在控制器的驅(qū)動(dòng)下,借助氘氚反應(yīng),通過控制離子源的陽極脈沖頻率和脈沖寬度,得到需要的脈沖中子束流,中子的能量為14 MeV,與井筒周圍的地層元素相互作用,產(chǎn)生非彈性散射伽馬射線和俘獲伽馬射線。通過對伽馬射線的測量,為探測油井的剩余油飽和度或井筒內(nèi)外水流情況提供重要的測井資料。

MZS-5中子發(fā)生器在直流穩(wěn)壓電源、控制器和貯氘器電源、離子源電源的配合下工作,產(chǎn)生滿足要求的中子束流,工作原理框圖見圖1。

圖1 MZS-5中子發(fā)生器工作示意圖

控制器的主要功能是為高壓電源提供1 kHz左右(一般情況下頻率為1 050 Hz)的驅(qū)動(dòng)脈沖。

直流穩(wěn)壓電源的功能是為控制器的驅(qū)動(dòng)電路提供電源電壓以及為中子管的燈絲提供電流。

離子源電源的功能是為離子源的陽極提供約1.8 kV電壓,并決定中子發(fā)生器發(fā)射中子束流的方式。

高壓電源是由高壓變壓器和高壓倍加器組成。在1 kHz驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下,產(chǎn)生中子管工作時(shí)所需的最高約-90 kV的工作靶壓。

中子管是產(chǎn)生中子的關(guān)鍵部件,本發(fā)生器所用的中子管屬于充氣型中子管,燈絲在中子管中提供氘氣并能調(diào)節(jié)管內(nèi)氘氣的壓強(qiáng)。燈絲釋放的氘氣量由燈絲的電流大小調(diào)節(jié)的。當(dāng)燈絲的電流大時(shí),放出的氘氣就多些,管內(nèi)壓強(qiáng)升高;反之管內(nèi)壓強(qiáng)就降低。離子源是石油測井中子管中的一個(gè)核心部件,它的結(jié)構(gòu)和性能對中子管的穩(wěn)定性、中子產(chǎn)額和壽命具有決定性的影響。MZS-5中子發(fā)生器工作時(shí)離子源陽極上加約1.8 kV的脈沖電壓。

燈絲釋放的氘氣在電磁場的作用下,電離成所需要的氘離子。產(chǎn)生的D+離子,在-90 kV高壓的加速下,轟擊氚靶,產(chǎn)生快中子,中子的能量為14 MeV。

2 MZS-5中子發(fā)生器與進(jìn)口RMT儀器配接

2.1 RMT對中子管的控制過程

要實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)中子管與進(jìn)口RMT[2]碳氧比儀器的配接,首先要清楚RMT儀器對中子發(fā)生器的控制過程。

中子管控制電路包含有與遙測接口的微控制器,它可以啟動(dòng)并控制中子管,且監(jiān)測中子管信號以確保中子管工作正常。它同時(shí)還與中子管驅(qū)動(dòng)電路中的EEPROM駁接,EEPROM內(nèi)存有中子管的工作參數(shù)及中子管的刻度數(shù)據(jù)等,儀器上電后,EEPROM中的數(shù)據(jù)被控制電路中的微控制器讀出,且當(dāng)控制電路板通過μLAN總線接收到START GENERATOR(啟動(dòng)中子發(fā)生器)指令時(shí),其通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)控制著中子管的燈絲、中子管電源使能,并設(shè)置它們在各自給定的值上。中子管燈絲、中子管電源及離子源電源的采樣反饋值經(jīng)由多路開關(guān)送到發(fā)生器控制板的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,傳送給微控制器,將反饋的數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值比較,直至離子流穩(wěn)定在80μA,靶壓和燈絲電流都穩(wěn)定在設(shè)定的工作值附近。此時(shí),中子產(chǎn)額在5 000 CPS左右,才能滿足測井要求。要將國產(chǎn)MZS-5中子發(fā)生器與RMT儀器配接并且工作正常,必須滿足兩個(gè)條件:離子流穩(wěn)定在80μA;中子產(chǎn)額達(dá)到在5 000 CPS左右。

2.2 MZS-5型中子發(fā)生器與 RMT測井儀器對接實(shí)驗(yàn)

2004年,此次實(shí)驗(yàn)采用的是將中子管與進(jìn)口的RMT中子發(fā)生器的倍壓電路對接后的中子發(fā)生器。雖然最終實(shí)現(xiàn)了儀器的自動(dòng)控制,但因燈絲的工作不穩(wěn)定,造成束流無法控制在80μA,從而不能進(jìn)入測井狀態(tài)而告終。

2005年,此次實(shí)驗(yàn)依然采用國產(chǎn)中子管與進(jìn)口的RMT中子發(fā)生器的倍壓電路對接后的中子發(fā)生器。但燈絲是經(jīng)過改進(jìn)的。雖然本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)入了測井狀態(tài)并發(fā)射中子12 h以上,最終以中子發(fā)生器內(nèi)部倍壓電路損壞而告終。

2006年,次此實(shí)驗(yàn)采用的是國產(chǎn)化中子發(fā)生器MZS-5。該中子發(fā)生器對于RMT、SPFL測井儀器來說無論是燈絲的控制還是束流的控制基本上達(dá)到了要求。但中子管的使用壽命只維持30個(gè)小時(shí)左右。

2007年,針對2006年MZS-5中子發(fā)生器使用壽命偏低的現(xiàn)象,對中子發(fā)生器內(nèi)部倍壓電路倍壓后的靶壓偏高、陽極工作不是很穩(wěn)定的現(xiàn)象,對MZS-5型中子發(fā)生器倍壓電路、中子管的陽極結(jié)構(gòu)做了改進(jìn),但在中子管工作穩(wěn)定性和使用壽命方面與要求仍有一定差距。

2009年,在對中子管的陽極進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化后,消除了陽極在使用一段時(shí)間后絕緣降低,造成陽極工作不穩(wěn)定等因素,并與進(jìn)口RMT中子發(fā)生器的工作參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的比對測試,詳見表1和表2。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試,找出了中子管工作穩(wěn)定性和使用壽命方面的問題。

通過表1和表2的數(shù)據(jù)對比可以看出,進(jìn)口發(fā)生器和國產(chǎn)中子發(fā)生器在參數(shù)方面一致的地方就是在取樣值為660 mV左右時(shí),對應(yīng)的中子產(chǎn)額值都在5 500～6 000,這個(gè)產(chǎn)額也是儀器理想的測試產(chǎn)額。因此,只要將國產(chǎn)MZS-5中子發(fā)生器的取樣值為660 mV時(shí)的燈絲電流和靶壓值設(shè)定為此中子管的燈絲工作電流和工作靶壓,就可以很好地適應(yīng)RMT儀器對中子管工作點(diǎn)的要求,使他們更加協(xié)調(diào)地工作。在工作壽命方面,只要對離子源陽極進(jìn)行合理的改進(jìn),就能滿足60個(gè)小時(shí)以上的要求。

表1 引進(jìn)中子發(fā)生器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 國產(chǎn)MZS-5中子發(fā)生器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2010年4月,對改進(jìn)后的2支中子發(fā)生器進(jìn)行聯(lián)試,根據(jù)聯(lián)試結(jié)果,發(fā)生器的穩(wěn)定性和使用壽命較以前有了突破性的改善,能完全滿足進(jìn)口RMT測井儀的要求,目前兩支發(fā)生器 已累計(jì)測井50多口,使用壽命均超過70 h。

3 應(yīng)用效果

圖2所示為一口油井,進(jìn)行了RMT測井。RMT測井結(jié)果與裸眼井測井資料以及地質(zhì)和開發(fā)規(guī)律相符。

圖2 采用MZS-5中子發(fā)生器的RMT儀器的測井圖

4 結(jié)束語

通過多年的室內(nèi)測試與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),使得國產(chǎn)的MZS-5中子發(fā)生器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)逐漸接近引進(jìn)的中子發(fā)生器的水平,并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的配接工作狀態(tài)。

相信隨著技術(shù)水平的提高和對進(jìn)口中子發(fā)生器研究的進(jìn)一步深入,國產(chǎn)的MZS-5中子發(fā)生器無論在技術(shù)指標(biāo),還是在使用壽命上都能達(dá)到或超過進(jìn)口的中子發(fā)生器的水平。

[1] 肖坤強(qiáng),周明貴.小型石油測井中子發(fā)生器[J].石油儀器,2004,18(4)

[2] HALIBURTON公司.Reservoir monitoring tool service manual.2000(資料)

The Principle of domestic MZS-5 neutron generator and its application in RMT.

Ge Xiaolong and Wang Hongwei.

This paper introduces the principle of domestic MZS-5 neutron generator and the problems appearing when it is used in the reservoir monitoring tool(RMT).Based on the test data,the best working point of the MZS-5 neutron generator is found,which makes it reach the good working state with RMT.

neutron generator;neutron tube;RMT(Reservoir monitoring tool);using lifetime

P631.8+17

B

1004-9134(2011)03-0027-02

葛曉龍,男,1964年生,工程師,1987年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院,現(xiàn)在大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司十一大隊(duì)從事測井儀器維修工作。郵編:163453

2010-01-18編輯姜 婷)

PI,2011,25(3):27～28,31

·儀器設(shè)備·