PNN測(cè)井儀工作原理與典型故障維修

陳新君

(中海油田服務(wù)股份有限公司 油田技術(shù)事業(yè)部塘沽基地，天津 300452)

0 引言

在油田的開發(fā)過(guò)程中，部分產(chǎn)出井隨著年限的增加，不同程度地存在著減產(chǎn)現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)遇到含水升高的狀況。這就需要有針對(duì)性地對(duì)于這些老井采取一些必要的措施，提高剩余油的采收率。此時(shí)，如何摸清井內(nèi)信息，就需要一種能夠較為真實(shí)反映井況的測(cè)量?jī)x器。飽和度測(cè)井儀在近年來(lái)的成熟應(yīng)用，為老井采取相對(duì)應(yīng)的增產(chǎn)措施提供了必要的數(shù)據(jù)支持，取得了較好的效果。PNN（Pulse Neutron Neutron）測(cè)井儀能夠測(cè)量管外的流體、空隙度和飽和度， 在判斷水淹層，尋找潛力層和未動(dòng)用層，有效識(shí)別氣層，識(shí)別低阻油層，定量計(jì)算地層含油飽和度、中子孔隙度，定性識(shí)別巖性等地質(zhì)應(yīng)用方面發(fā)揮著重要作用[1]。同時(shí)以其操作方便、無(wú)污染、可靠性高等特點(diǎn)，在低礦化度和低孔隙度油井作業(yè)中使用率逐步升高。

1 PNN井下儀器的組成、功能和工作原理

1.1 PNN井下儀器的組成

PNN井下儀器串由4節(jié)可獨(dú)立拆裝的短節(jié)組成，依次分別為：通訊短節(jié)（COMMUNICATION SECTION）、伽馬短節(jié)（GAMMA RAY SECTION）、探測(cè)器短節(jié)（NEUTRON DETECTOR SECTION）和 中子發(fā)生器短節(jié)（NEUTRON GENERATOR SECTION）。

1.2 PNN井下儀器的功能和工作原理

PNN測(cè)井系統(tǒng)分為地面系統(tǒng)和井下儀器兩個(gè)部分，二者由測(cè)井用單芯電纜連接。井下儀器在供電后即開始向地面系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，其3種工作狀態(tài)則通過(guò)地面系統(tǒng)的軟件進(jìn)行切換，分別為：Ramp、GR/CCL、Fire。前兩種模式為通訊調(diào)節(jié)和校深輔助作用，測(cè)井段中則使用Fire模式，采集探測(cè)器中的長(zhǎng)短源距原始值。

PNN儀器的中子發(fā)生器為整套儀器的核心部件，其能夠在地面系統(tǒng)的控制下發(fā)射能量為14.1MeV的快中子，與化學(xué)源相比，它發(fā)射出的中子數(shù)量大，能量高且一致性好。在經(jīng)過(guò)與地層的作用后，能量衰減，形成超熱中子和熱中子，探測(cè)器HE3探頭外部存在很薄的鎘結(jié)構(gòu)，使得其能夠吸收能量為0.025eV的熱中子，對(duì)超熱中子不起作用。地面系統(tǒng)會(huì)采集記錄探測(cè)器的長(zhǎng)、短源兩個(gè)源距的HE3探頭從快中子束發(fā)射3Os后的1800s時(shí)間內(nèi)的熱中子記數(shù)率的數(shù)據(jù)，時(shí)譜記錄分為6O道，每道3Os，依據(jù)廠家中子能量的衰減算法，可獲得地層的宏觀俘獲截面。然后根據(jù)相對(duì)應(yīng)的解釋軟件，可獲得相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)井資料。簡(jiǎn)言之，該方法通過(guò)測(cè)量地層中熱中子數(shù)量隨時(shí)間的變化關(guān)系，通過(guò)特有的處理手段和解釋方法，在不洗井、不關(guān)井的條件下，成功地實(shí)現(xiàn)了過(guò)套管或油管的儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)，為油田的后期開發(fā)及剩余油開采，提供了一種非常重要的監(jiān)測(cè)手段[2]。

1.2.1 通訊短節(jié)功能和工作原理

該短節(jié)主要功能為通訊數(shù)據(jù)的編解碼，接收地面發(fā)送的命令實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器串的控制，同時(shí)將自身和其他3支儀器的探頭數(shù)據(jù)數(shù)字化后打包上傳。它本身設(shè)計(jì)有磁定位和溫度探頭，在供電后，就開始向地面系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，嘗試建立通訊即Ramp模式。若通訊不好，應(yīng)調(diào)節(jié)地面面板GAIN按鈕。在此模式下，儀器的各功能已被激活(除中子發(fā)生器)，目的為檢測(cè)PNN系統(tǒng)是否工作正常。

通訊短節(jié)包一個(gè)CCL短節(jié)、內(nèi)外兩個(gè)溫度探頭及信號(hào)處理板和電源板。其中核心部分為信號(hào)處理板，其包含信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、微處理器等電路，命令信號(hào)的譯碼、探頭數(shù)據(jù)的數(shù)字化、中子發(fā)生器的控制、與地面系統(tǒng)的通訊均由該電路板完成，同時(shí)內(nèi)部溫度探頭也在其上。電源板，顧名思義就是為儀器提供電源的電路，主要為+5V、+Vcc、+5Vref等，需要特殊指出的是，在信號(hào)處理板接收到地面Fire命令并譯碼后，由該電路上的芯片Q1將信號(hào)驅(qū)動(dòng)到中子發(fā)生器電路上[3]。

1.2.2 伽馬短節(jié)功能和工作原理

作為測(cè)井作業(yè)中最為常見的工具，該伽馬短節(jié)與常規(guī)伽馬基本相同，均是探頭在接收到地層γ射線后產(chǎn)生熒光，由光電倍增管接收轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)由前放電路處理后，送入到通訊短節(jié)信號(hào)處理板上的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)后上傳到地面。其電源電路包含低壓和高壓兩部分，低壓電路為前放電路（+12V）和高壓模塊供電（+65V）,高壓模塊則僅為光電倍增管供電。根據(jù)光電倍增管的特性，該高壓輸出設(shè)定在1050VDC，在探測(cè)器的探頭供電中也用到了該型高壓模塊，但高壓值被設(shè)定在1500VDC。

1.2.3 探測(cè)器短節(jié)功能和工作原理探測(cè)器短節(jié)包含了儀器串中最為關(guān)鍵的傳感器，即長(zhǎng)源距和短源距兩個(gè)距離不同的HE3探測(cè)管，它們能夠探測(cè)能量為0.025eV的熱中子，在高壓驅(qū)動(dòng)下形成電信號(hào)，輸出一個(gè)脈沖，經(jīng)電路放大和鑒別處理[4]，再送到通訊短節(jié)進(jìn)行處理，將數(shù)值傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)軟件進(jìn)行計(jì)算、處理和顯示。因此，它使得PNN儀器具備了測(cè)試套管外流體、孔隙度和飽和度得功能。該類型的HE3探測(cè)管周圍有一層薄鎘片，它能夠讓超熱中子透過(guò)而不擴(kuò)散，但能夠吸收熱中子，這使得探測(cè)器的探測(cè)精度更高，求得俘獲截面更為真實(shí)。

1.2.4 中子發(fā)生器短節(jié)功能和工作原理

中子發(fā)生器為PNN儀器串中的核心部件，其功能就為在供電和驅(qū)動(dòng)信號(hào)二者兼?zhèn)涞臈l件下，能夠產(chǎn)生數(shù)量足夠且能量為14.1MeV的快中子。因其在常規(guī)狀態(tài)下沒有放射性，使用方便，且產(chǎn)生快中子的數(shù)量多，能量統(tǒng)一，在測(cè)井作業(yè)中較化學(xué)源有突出的優(yōu)勢(shì)。但其壽命有限僅為200小時(shí)左右，使用成本較高。

該型中子發(fā)生器包括3KV電源和 MONOBLOCK兩個(gè)部分。當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)切換到Fire模式時(shí)，通訊短節(jié)接收到命令，繼而產(chǎn)生脈寬為30uS，間隔為75mS的方波（部分儀器為85mS），信號(hào)送到3KV POWER SUPPLY-CONTROL電路板。經(jīng)過(guò)處理后，最終形成關(guān)鍵的控制信號(hào)T2、T7、T8。T2信號(hào)為OSC信號(hào)，其直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管2SK1544導(dǎo)通與否，進(jìn)而將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，使得其能夠?jīng)Tr1和Tr2兩變壓器升壓，4路輸出分別接到Cascade Board，其功能為倍壓，最終形成3KV直流電源[5]。而T7和T8信號(hào)則用來(lái)控制高壓開關(guān)，經(jīng)過(guò)其控制后的3KV電源波形（需使用高壓衰減探頭衰減1000倍后輸入示波器）如圖1示，該電源輸入到MONOBLOCK后，其就會(huì)產(chǎn)生大量能量為14.1MeV的塊中子。

MONOBLOCK部分為一個(gè)整體密封部件，內(nèi)部注油絕緣硅油，包含高壓100KV倍壓電路和中子管兩個(gè)關(guān)鍵部件，在維修中，需整體更換。中子管內(nèi)含有低壓的氘和氚，通過(guò)加速氘離子到一定速度使其撞擊氚靶，此時(shí)即能產(chǎn)生14.1MeV的塊中子。

圖1 輸入MONOBLOCK的3KV高壓Fig.1 MONOBLOCK 3KV high voltage input

2 典型故障分析及解決思路

在長(zhǎng)期的作業(yè)使用中，盡管PNN儀器穩(wěn)定性較好，但隨著面板的使用、自身老化、海上吊裝震動(dòng)及誤操作等原因，故障也偶有發(fā)生，通過(guò)實(shí)際案例分析，希望對(duì)讀者有一定的參考意義。

2.1 無(wú)法建立通訊

故障現(xiàn)象：地面系統(tǒng)與井下儀器連接完畢，供電后，電壓電流正常，無(wú)論如何調(diào)節(jié)通訊增益旋鈕，均無(wú)法建立通訊。

檢測(cè)和維修方法：根據(jù)PNN儀器的工作原理不難看出，在供電正常后，井下儀器即會(huì)持續(xù)向地面系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)，根據(jù)使用示波器監(jiān)測(cè)電纜上是否有數(shù)據(jù)傳輸即可判斷出故障設(shè)備。若電纜上無(wú)任何數(shù)據(jù)，則可以判斷為井下儀器通訊短節(jié)故障，為進(jìn)一步驗(yàn)證，可以在軟件中切換儀器狀態(tài)以向井下儀器發(fā)送命令，可以監(jiān)測(cè)到命令波形；反之，則故障出在地面系統(tǒng)上。逐步對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤測(cè)量（有條件可使用好的電路板進(jìn)行調(diào)換測(cè)試），將故障定位到電路板，然后再應(yīng)用電路信號(hào)的知識(shí)進(jìn)一步判斷故障元器件。本案例中無(wú)法通訊的故障為靜態(tài)隨即存儲(chǔ)器U6（CY7C185-20PC）故障，更換后通訊正常。

2.2 探測(cè)器短源距基數(shù)值異常

故障現(xiàn)象：在測(cè)井作業(yè)中發(fā)現(xiàn)短源距計(jì)數(shù)值異常，嚴(yán)重偏小，長(zhǎng)源距正常。

圖2 He3管更換示意圖Fig. 2 Schematic diagram of He3 tube replacement

檢測(cè)和維修方法：在“Fire”工作模式下，中子發(fā)生器工作，快中子在經(jīng)過(guò)與地層作用衰減后，形成能夠被探測(cè)到的熱中子，故通過(guò)長(zhǎng)短源距HE3探頭的接收，經(jīng)過(guò)處理電路計(jì)算后發(fā)送至地面系統(tǒng)處理顯示，正常情況下，短源距值大于長(zhǎng)源距。此時(shí)短源距嚴(yán)重偏小，長(zhǎng)源距正常，由于二源距共用處理電路和高壓，故基本上可以判斷為長(zhǎng)源距HE3管故障，更換方法較為方便，如圖2示。驗(yàn)證方法，將長(zhǎng)短源距HE3管調(diào)后測(cè)試，即可確認(rèn)故障的HE3管。對(duì)于長(zhǎng)短源距或不同儀器探頭的對(duì)比，可以采用使用相同中子化學(xué)源分別校驗(yàn)。

2.3 伽馬值為0

故障現(xiàn)象：“GR/CCL”模式下，伽瑪值為0。

檢測(cè)和維修方法：由通訊短節(jié)和伽瑪短節(jié)的工作原理可以看出， NaI晶體在接收到地層伽瑪射線后產(chǎn)生熒光，由光電倍增管接收，從而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理后形成計(jì)數(shù)值，發(fā)送給通訊短節(jié)，再由其上傳至地面。首先應(yīng)測(cè)量供電150V、65V、12V正常與否，通過(guò)對(duì)伽馬信號(hào)的跟蹤測(cè)量即可判斷出故障點(diǎn)所在，其次在伽馬信號(hào)前放電路輸入端測(cè)量伽馬信號(hào)，若有，則說(shuō)明高壓模塊和光電倍增管正常，反之，需用高壓衰減探頭測(cè)量高壓模塊正常與否，以判斷廣電倍增管的好壞。多數(shù)情況下，故障點(diǎn)出現(xiàn)在光電倍增管，其次為高壓模塊，使用示波器跟蹤測(cè)量伽馬信號(hào)，定能查出故障元器件。引起本案故障的原因在于光電倍增管老化損壞。

2.4 Fire模式下電流值偏小，無(wú)中子產(chǎn)額

故障現(xiàn)象：在通訊良好的狀態(tài)下，切換到Fire模式下，發(fā)現(xiàn)井下儀器對(duì)命令無(wú)響應(yīng)，電流無(wú)變化。

檢測(cè)和維修方法：通過(guò)上文工作原理的分析，不難看出，該故障是中子發(fā)生器未對(duì)Fire命令響應(yīng)，一是其未收到命令，二可能是控制電路故障。使用示波器測(cè)量中子發(fā)生器上3KV POWER SUPPLY-CONTROL電路板的T4點(diǎn)，觀察有無(wú)每隔75mS（有的儀器為85mS），寬度為30uS的方波，若有，則可以判斷出故障出現(xiàn)在中子發(fā)生器，反之出現(xiàn)在通訊短節(jié)。中子發(fā)生器故障查找方法（需將3KV模塊與MONOBLOCK斷開），進(jìn)而測(cè)量控制信號(hào)T2、T7、T8，因其電流未有效增加，故障原因出在邏輯控制電路的可能非常大，應(yīng)予重點(diǎn)檢查。本案中，未能在T4處測(cè)量到正確波形，將通訊短節(jié)拆開去掉保溫筒后，測(cè)量電源板的T8點(diǎn)，有間隔85mS，脈寬為30uS的方波則判斷出MOS管Q1（IRFF420）故障。

2.5 Fire模式下電流值偏大或跳動(dòng)，無(wú)中子產(chǎn)額

故障現(xiàn)象：在作業(yè)檢查中，前兩種工作模式正常，在下發(fā)打靶命令后，出現(xiàn)電流劇烈跳動(dòng)，且無(wú)中子產(chǎn)額。

檢測(cè)和維修方法：該現(xiàn)象可以看出，F(xiàn)ire命令已經(jīng)到達(dá)中子發(fā)生器，此時(shí)需要測(cè)量T4點(diǎn)的波形以驗(yàn)證波形是否正常。一般情況下，中子發(fā)生器對(duì)信號(hào)有響應(yīng)，即可證明T4波形正常。此時(shí)需要將3KV高壓與MONOBLOCK斷開后，繼續(xù)下發(fā)Fire命令，仔細(xì)觀察電流，若異常跳動(dòng)仍然存在，則需按照2.4節(jié)中所述測(cè)量以判斷故障。反之，則MONOBLOCK故障的可能性非常大，為較為快速地排查問(wèn)題，可以將該3KV高壓模塊更換到模擬源上或其他好的中子發(fā)生器上確認(rèn)其正常與否。本案中，MONOBLOCK的故障引起電流的劇烈跳動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著油田的發(fā)展，油井不同程度的減產(chǎn)，在增產(chǎn)的道路上PNN測(cè)井儀的使用量將會(huì)逐步加大，設(shè)備的使用中出現(xiàn)的各種故障同樣不可忽視，保持設(shè)備狀態(tài)的良好和故障后的快速修復(fù)將顯得尤為重要。在對(duì)PNN儀器工作原理有較好認(rèn)知的基礎(chǔ)上，通過(guò)本文對(duì)故障的分析和維修測(cè)試方法，從整體構(gòu)造的原理出發(fā)建立相應(yīng)的維修思路和維修測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)自主維修將在經(jīng)濟(jì)和時(shí)間上取得較好的效益，一定能夠在節(jié)省成本的同時(shí)，及時(shí)修復(fù)儀器，保證一線作業(yè)的順利進(jìn)行。

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