取芯用防震伽馬儀器電池供電方式分析與改進(jìn)

張金貴

(大慶鉆探工程公司測井公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

取芯作業(yè)是礦場地球物理測井［1］中比較重要的作業(yè)項目，目前主要有兩種電纜傳輸取芯作業(yè)儀器。其中碰撞式［2］井壁取芯較旋轉(zhuǎn)式井壁取芯，以其現(xiàn)場作業(yè)時間短、取樣快、成本低的特點，在國內(nèi)外都得到廣泛應(yīng)用。

碰撞式井壁取芯在作業(yè)過程中需要配接防震伽馬儀器用于深度校正。目前，取芯用防震伽馬儀器只用電纜傳輸?shù)貙幼匀毁ゑR信號，一部分儀器自身用電由儀器內(nèi)部的電池提供，在實際應(yīng)用過程中，電池供電方式易出現(xiàn)問題。

本文通過對電池供電方式分析，找到容易引起故障的關(guān)鍵點，選擇供電方式改進(jìn)的方法，降低了儀器故障率。

1 取芯防震伽馬儀器原理

1.1 取芯伽馬儀器原理

儀器由探測器、信號處理電路、控制板和高壓電源等組成，如圖1 所示。探測器部分包括一個碘化鈉閃爍晶體［3］和一個光電倍增管。光電倍增管和晶體封在一個探測器套筒內(nèi)，晶體和光電倍增管通過光學(xué)硅油緊貼一起保持光耦合良好。

圖1 取芯防震伽馬原理圖

來自地層的自然伽馬射線攜帶周圍井壁的信息進(jìn)入探測器，射入閃爍晶體后與物質(zhì)發(fā)生作用產(chǎn)生次級電子，這些電子使晶體的原子受激而發(fā)光，大部分光子入射到光電倍增管的陰極，從光陰極上打出光電子，經(jīng)過倍增后，在光電倍增管陽極上形成電脈沖，這些信號脈沖被送入信號處理板GR IN 信號輸入端，信號經(jīng)處理后通過電纜傳輸至地面系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。

高壓電源模塊是由H24 V 提供的24 V 直流電經(jīng)過升壓后對光電倍增管提供高壓。從而使光電倍增管正常工作。

1.2 取芯伽馬儀器電池供電控制單元

如圖2 所示，取芯防震伽馬儀器通過控制板把三組電池24 V 電源的供電，通過水銀開關(guān)［4］控制電路導(dǎo)通與截止，當(dāng)儀器豎起來測井時水銀開關(guān)導(dǎo)通，電路正常工作，在不測井時儀器水平放置，以免使電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，影響電池工作壽命。其中24 V 也為信號處理板供電，H24 V 對高壓電源供電，使高壓輸出負(fù)高壓1 300 V～1 500 V，從而使光電倍增管正常工作。

圖2 取芯防震伽馬電池供電控制單元

2 取芯防震伽馬電池供電方式存在的問題

2.1 電池的運輸與存放

電池的運輸與存放需要專門的容器及場所，對于環(huán)境要求較高，不能存放于潮濕環(huán)境，不能存放于粉塵含量高的場所，不能存放于環(huán)境溫度較高的場所。

2.2 單支電池問題導(dǎo)致整支儀器故障

在使用過程中，一個或者幾個電池?fù)p壞或缺電就會造成整個電池組供電異常，從而導(dǎo)致電路部分低壓電源異常，電路板元器件無法正常工作;低壓電源工作異常同時會造成高壓模塊無法正常工作，無法輸出高壓，從而導(dǎo)致光電倍增關(guān)無法工作。

2.3 電池對工作溫度要求較高

電池的工作溫度不能超過攝氏150℃，在井溫條件不滿足的情況下，取芯作業(yè)無法順利進(jìn)行。并且電池本身是發(fā)熱部件，長時間工作，即使井溫沒有達(dá)到攝氏150℃，也會發(fā)生工作異常。

2.4 水銀開關(guān)故障率高

儀器內(nèi)部使用水銀開關(guān)對電池組供電進(jìn)行控制，只有儀器在豎直方向小于45°的時候，儀器才能正常工作。在進(jìn)行大斜度井作業(yè)時，水銀開關(guān)經(jīng)常工作異常。在儀器作業(yè)過程中水銀開關(guān)也容易出現(xiàn)故障，經(jīng)常出現(xiàn)下井作業(yè)過程中儀器工作異常。

2.5 電池電量有限制

電池電量有限，根據(jù)工作量的情況，每兩個月左右的時間需更換一次電池。

3 取芯防震伽馬電池供電方式存在問題的分析

3.1 水銀開關(guān)問題分析

目前使用的水銀開關(guān)，管腳細(xì)，由于爆炸取芯作業(yè)過程中儀器會受到強烈的震動，水銀開關(guān)容易受到震動的影響而異常工作。水銀的填充量適中，在儀器豎直方向小于45°范圍內(nèi)水銀量可以保證開關(guān)接通，大于45°范圍則處于斷開狀態(tài)。直接導(dǎo)致儀器只能在豎直方向上工作在一定的角度內(nèi)。所以在大斜度井及水平井作業(yè)過程中由于水銀開關(guān)處于斷開狀態(tài)，從而儀器無法工作。

3.2 電池問題分析

1)電池對環(huán)境要求分析

電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。利用電池作為能量來源，可以得到穩(wěn)定電壓，穩(wěn)定電流，但是化學(xué)能在轉(zhuǎn)換成電能的過程中有其局限性，對環(huán)境溫度有一定的要求，隨著環(huán)境溫度的升高，其穩(wěn)定性下降，電池的工作溫度最高不能超過攝氏150℃。在高于攝氏150℃的環(huán)境工作，電池會發(fā)生爆炸。

電池在潮濕的環(huán)境容易導(dǎo)致潮解，發(fā)生反應(yīng)氣鼓等。電池在粉塵環(huán)境容易導(dǎo)致電池發(fā)生短路。電池在高溫環(huán)境長時間存放容易導(dǎo)致爆炸危險的發(fā)生。

2)電池電量問題分析

電池把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，化學(xué)能受電池體積的限制其化學(xué)能量有限，從而導(dǎo)致電池電量有限，無法長時間提供穩(wěn)定的電源，必須定期更換，而且不管電池組是串聯(lián)還是并聯(lián)只要有一個電池電量低都會導(dǎo)致內(nèi)阻增加，電流變小，繼續(xù)使用會導(dǎo)致其他電池虧電損壞。電池電量出現(xiàn)問題直接導(dǎo)致伽馬儀器電路部分工作異常，以及高壓模塊部分工作異常，不能給光電倍增管提供穩(wěn)定的高壓，從而使光電倍增管異常工作。

4 取芯防震伽馬電池供電方式存在問題的解決方案

4.1 仍然采取水銀開關(guān)及電池供電

經(jīng)過分析，在仍然采取電池供電及水銀開關(guān)的情況下對供電方式進(jìn)行改進(jìn)，首先，對水銀開關(guān)進(jìn)行更換，采用管腳粗以及選擇水銀填充量理想，使儀器在豎直方向上工作角度范圍更大的水銀開關(guān)，保證在儀器豎直方向小于55°的范圍內(nèi)可以接通，大于55°范圍處于斷開狀態(tài)。安裝后的水銀開關(guān)用玻璃膠固定，降低其爆炸作業(yè)過程中容易引起異常工作的可能性。開關(guān)角度增大的水銀開關(guān)可以保證在更大斜度井內(nèi)完成作業(yè)任務(wù)。其次，對電池組加裝保溫瓶，提高儀器的耐溫水平，在電池組內(nèi)電池之間采用快速連接片的方式，代替焊接方式，以縮短由于電池電量變低更換電池的時間。

此方案在電路上沒有發(fā)生大的變化，經(jīng)過現(xiàn)場作業(yè)檢驗，儀器工作時自然伽馬信號正常。

4.2 采取電纜傳輸供電代替電池供電

將儀器用電通過電纜傳輸?shù)絻x器內(nèi)，如圖3 所示，改進(jìn)后的詳細(xì)電路圖，方框部分是改造的主要內(nèi)容，將電源板的輸入端斷開，不再用電池供電，直接用電纜供電。通過電纜纜芯7 及電纜外皮從地面直接供+24 V 直流電通過二極管D3 到電源板的輸入端，并增加2 個齊納二極管1N4742 及電阻網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行穩(wěn)壓。從信號處理板輸出的伽馬信號也通過纜芯7 及電纜外皮驅(qū)動上傳到地面。電源和信號共用纜芯7 及電纜外皮，為了上傳的信號與直流電源互不影響，在直流電源進(jìn)入電源板前，用一個電感L1 來減弱進(jìn)入電源板的伽馬信號，使伽馬脈沖信號有足夠的幅度驅(qū)動上傳到地面系統(tǒng)，完成校深工作。

在儀器總線上加裝反向二極管，使地面直接供+24 V 直流電只能供到防震伽馬儀器內(nèi)部不能供到取芯槍內(nèi)，取芯發(fā)射電壓采取負(fù)的直流電只能供到取芯槍內(nèi)，在二極管D3 處截止，不能供到防震伽馬儀器內(nèi)，兩路電源互不干擾。

圖3 改進(jìn)后的電路圖

此方案由于對電路進(jìn)行了改動，并且供電方式發(fā)生了改變，在進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)比較后，如圖4 所示，改進(jìn)前后對同一口井同一測量段進(jìn)行作業(yè)，并對所測量的地層自然伽馬曲線［5］進(jìn)行比較，在相同深度，自然伽馬曲線起伏趨勢相同。

5 結(jié) 論

圖4 改進(jìn)前后同一測量段自然伽馬曲線比較

方案一:仍然采取水銀開關(guān)及電池供電方式。保留了電池供電的優(yōu)點，其供電電壓波動小，抑制電源噪聲明顯。此方案的改進(jìn)降低了儀器故障率，提高了儀器實際工作溫度，可以在更大斜度井內(nèi)工作，縮短了更換電池需要的時間。但是未能解決根本問題，電池仍然受環(huán)境溫度影響，儀器在豎直方向超過55°甚至水平井內(nèi)無法進(jìn)行作業(yè)，雖然縮短了更換電池的時間，但是電池仍需定期更換。

方案二:采取電纜傳輸供電代替電池供電，從根本上解決了儀器受電池及水銀開關(guān)影響的問題，儀器的工作溫度由攝氏150℃提高到了攝氏175℃以上。儀器不受井斜度大小的限制，可以在水平井內(nèi)作業(yè)。避免了由于電池爆炸造成儀器報廢的危險。改造后的儀器無需定期更換電池，節(jié)省了成本，降低了儀器的故障率，提高了儀器測井的效率。無需對儀器內(nèi)部進(jìn)行大的機(jī)械改動，只需在電路板上焊接改進(jìn)所需的相應(yīng)電子器件即可，改造成本低，可實施性強。

方案一和方案二在改進(jìn)方式上各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用過程中，可以參考作業(yè)規(guī)程，參考鉆井設(shè)計［5］，根據(jù)實際情況選擇方案對儀器進(jìn)行改進(jìn)。

［1］丁次乾.礦場地球物理［M］.東營:中國石油大學(xué)出版社，2002:1 -3.

［2］范光兵，施 宇.碰撞式井壁取心技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用［J］.承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2011，13(4):40 -49.

［3］趙景泰，王 紅，金滕滕，等. 閃爍晶體材料的研究進(jìn)展［J］.中國材料進(jìn)展，2010，19(10):17 -19.

［4］趙宗貴，江鶴令.水銀開關(guān)及其應(yīng)用［J］.電工技術(shù)，1982，(4):19 -22.

［5］周開吉，郝俊芳.鉆井工程設(shè)計［M］.東營:中國石油大學(xué)出版社，2006:5 -10.