脈沖中子氧活化測井儀的故障分析及排除

盧春輝 程傳濤 鄧玉倫 劉力福 高志海 葉宏江

（河南石油工程有限公司 測井公司 河南 南陽）

0 引言

目前脈沖中子氧活化測井是各油田常用的生產(chǎn)測井技術(shù)，應(yīng)用于注水井和注聚井的剖面測井，主要作用是評價注入的流體是否達(dá)到開發(fā)設(shè)計目的，確定注水剖面，檢查分層配注效果[1]。但該儀器在使用過程經(jīng)常出現(xiàn)厚膜處理塊HTR-02損壞、磁定位信號漏失嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了測井時效和測井質(zhì)量。文章針對這種情況，把生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題及解決方法進(jìn)行總結(jié)介紹。

1 氧活化測井方法介紹

1.1 氧活化測井測井原理

脈沖中子氧活化測井是一種測量水流速度的方法。脈沖中子氧活化儀器工作時，中子源間歇式發(fā)射快中子?？熘凶优c周圍物質(zhì)可以發(fā)生多種核反應(yīng)，其中的一種反應(yīng)就是氧活化反應(yīng)。通過探測水中氧原子與中子發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的活化伽馬射線的時間譜，根據(jù)儀器源距就可計算出水流速度，在管徑已知且不變的條件下，可以計算出水流流量。利用中子管產(chǎn)生能量為14Mev快中子，快中子轟擊注入水中的氧原子，就會發(fā)生下列核反應(yīng)：

氧核被激化后，產(chǎn)生放射性氮同位素16N，處于激發(fā)態(tài)的氮，衰變后還原成氧，同時釋放出其半衰期為7.13s、能量為6.13Mev的特征伽瑪射線。這些高能的伽瑪射線能夠穿透幾厘米厚的井內(nèi)流體、油管、套管和水泥環(huán)[2]。通過把探測器和中子發(fā)生器放置在所測層位，流動的活化水流經(jīng)過探測器，各個探測器連續(xù)記錄計數(shù)率隨時間推移變化的時間譜，并根據(jù)時間譜計算出譜峰的渡越時間，由各個探測器的源距和計算出的時間譜的渡越時間得到活化水的流速，并根據(jù)油套截面積計算得到該測量點的流量。

1.2 氧活化測井下井儀器

氧活化測井下井儀器：由中子氧活化測井儀、伽馬儀、磁定位儀、溫度儀、壓力儀組成。一次下井可以完成井溫、壓力、磁定位、自然伽馬、氧活化譜線圖的測量。

脈沖中子氧活化儀器結(jié)構(gòu)：儀器由四參數(shù)測井儀短接和中子發(fā)生器及探測器短接組成。該儀器采用四種不同源距探測器測量。不同源距探測器分別用于探測不同速度的水流，從而保證不同流速的水流都能得到較高的測量精度。由于采用了雙中子發(fā)生器，因此一次下井即可完成上、下水流測井。

2 脈沖中子氧活化儀器故障原因分析排除

1）厚膜處理塊HTR-02損壞

儀器信號線、陽極脈沖高壓線、命令線、供電線等非常復(fù)雜，布線不合理，伽碼高壓線與信號傳輸線并行排列采用1、2mm的細(xì)線，而且質(zhì)量較差，絕緣不好造成高壓打火，經(jīng)常造成伽碼處理信號板上的厚膜處理塊HTR-02損壞。

排除方法：

儀器伽馬高壓線與信號傳輸線分開排列，高壓線采用屏蔽線，信號線采用高質(zhì)量的高溫線，從而消除高壓干擾和高壓打火引起厚膜處理塊HTR-02損壞。

2）磁定位信號漏失嚴(yán)重

磁定位信號輸出幅度低、易漏失信號無法進(jìn)行校深，主要原因是CPU（C8051F040）磁定位信號輸入端輸阻抗低（300），磁定位線圈阻抗高（4k）。

3）CPU（C8051F040）損壞，導(dǎo)致整個采集板報廢

在加靶壓、中子發(fā)生器工作、占空比調(diào)節(jié)不當(dāng)時，很容易損壞信號采集板致使儀器通訊系統(tǒng)中斷、信號采集系統(tǒng)、編碼系統(tǒng)失效，此故障主要是中子發(fā)生器110 kV高壓不穩(wěn)、高壓突然升高或降低、高壓打火，CPU（C8051F040）輸出的兩路PWM觸發(fā)信號的放大電路OPA2227擊穿，由于OPA2227采用雙電源供電±15V，OPA2227擊穿，30V的電壓直接加在CPU（C8051F040）的49、50腳導(dǎo)致芯片損壞，整個采集板報廢，該板價格1.5萬多元。

排除方法：

（1）把OPA2227采用雙電源供電±15V方式該為單電源方式，把－15V直接接地，在OPA2227擊穿情況下，可減少電源對芯片的沖擊；

（2）在CPU（C8051F040）的電源輸出端和49、50腳兩路PWM字觸發(fā)脈沖輸出端增加保護(hù)電路，也就是把TVS-SA5.0瞬變穩(wěn)壓二極管并聯(lián)CPU（C8051F040）的電源輸出端和OPA2227放大電路的3、5輸入端并串聯(lián)一30k與+15V電源相連，以消除由于二極管極間電容效應(yīng)對PWM字觸發(fā)脈沖信號的影響，由于瞬變穩(wěn)壓二極管具有響應(yīng)速度快的特點，當(dāng)電壓超過5V時TVS-SA5.0搶先導(dǎo)通，從而起到了保護(hù)作用[3]。保護(hù)電路如圖1所示。

圖1 保護(hù)電路示意圖

改進(jìn)前：先后擊穿厚膜處理塊HTR-025 塊，直接經(jīng)濟(jì)損失2.6萬多元；信號采集板損壞6塊，直接經(jīng)濟(jì)損失10多萬元。即使更換板子和器件，也不能解決根本問題，屢換屢壞，其中一支儀器3年來，幾乎處于癱瘓狀態(tài)，無法正常使用，致使該新型測井方法在我油田無法推廣應(yīng)用。

改進(jìn)后：儀器的故障率大大降低，可靠性、穩(wěn)定性提高，測井成功率95%以上，兩支儀器在完成我公司生產(chǎn)任務(wù)同時，一支在遼河市場使用，一支送往新疆測井，為鞏固內(nèi)部市場，為開拓外部市場，提供了可靠的保證。每年可節(jié)約成本24萬多元，內(nèi)部市場已完成10多口井測試，遼河市場已完成50多口，創(chuàng)效100多萬元。

4）氧活化測井時上水流模式無靶壓和陽極電流。測井時氧活化測井時上水流模式無靶壓和陽極電流。

排除方法：

檢查遙傳、正常，采集正常。地面功能檢測，通訊正常。上下中子發(fā)生器互換，可以正常測井，可以排除遙測，采集、中子管的問題?？梢钥隙ㄊ巧现凶影l(fā)生器的高控電路的問題。檢測發(fā)生器單片機(jī)HU1、5V電壓是5.1V正常，用示波器檢查上下發(fā)生器識別位，地面下發(fā)上下水流命令高控單片機(jī)識別位輸出全是1。更換單片機(jī)正常。

3 結(jié)束語

脈沖中子氧活化儀器設(shè)計精巧，集成度高，可靠性、穩(wěn)定性提高。本文對脈沖中子氧活化儀器故障原因進(jìn)行分析，并提出解決故障的方法和對策，該文章對指導(dǎo)脈沖中子氧活化儀器、有一定的參考價值。為正確的使用該儀器，能夠?qū)τ绊憙x器測井的主要因素給以正確的分析判斷，加以排除，從而提高儀器測井成功率。

[1]胡 澍，地球物理測井儀器[M]。北京：石油工業(yè)出版社，1991

[2]揚(yáng)禮英，陸六剛.測井儀器[M]，北京：石油工業(yè)出版社，1982

[3]康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)摸擬部分（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1991