ZGPJ-D自然伽马能谱测井讲义.ppt

自然伽马能谱测井仪 一、概述 l自然伽马能谱测井可以测量地层的钍、铀 、钾含量及其放射性总强度。通过这些参 数可较准确地确定地层中泥质含量、区分 泥岩的粘土类型并确定其含量，藉此可以 判断岩性，研究沉积环境、生油层、寻找 储集层等。自然伽马能谱测井方法大大提 高了正确识别碳酸岩和沙岩储集层岩相的 能力，是了解地层岩性的有效手段之一。 二、主要技术指标 l最高工作温度：155，2h； l最高承受压力：140MPa； l仪器外径：90mm； l仪器长度：2.73m； l仪器质量：52kg； 最高测井测速：4.0m/min（推荐测速： 3.0m/min）； l垂直分辩率：500mm； 二、主要技术指标 l 测量范围：自然伽马总强度：0500API； 铀含量：0.510620106； 钍含量：0.510640106； 钾含量：0.1%10%； l 测量准确度：自然伽马总强度的相对误差为5% ； 钾含量的绝对误差为0.5%； 铀含量的绝对误差为2.0106； 钍含量的绝对误差为2.0106； l 探测器：碘化铯晶体（2.012in）。 三、原理 l （一）伽马射线与物质的相互作用 l 主要有三种形式： l 1.光电效应（E1.02MeV） 1.光电效应 l （E1.02MeV） l当入射光子能量大于1.02MeV（2m0c2） 时， 光子与物质的相互作用，可能形成一 对正负电子（电子对），而其本身则完全 消失。 l （二）常用闪烁体晶体 l 1.碘化钠NaI (Ti) l 2.碘化铯CsI(Na) l 3.锗酸铋BGO （Bi14Ge3O12） 常用闪烁体晶体性能比较 碘化钠碘化铯锗酸铋 等效原子序数5054? 密度（g/cm3 ） 3.674.517.13 潮解性有无无 l（三）伽马射线探测过程 伽马射线电子电离和激发退激 荧光 光电倍增管脉冲信号 伽马射线能量脉冲信号的幅度 （四）解谱方法 l1.剥谱法 l2.逆矩阵法 l3.最小二乘法 条件： l（1）混合样品中的核素都是已知的； l（2）测量标准谱和混合谱，测量条件一致 ； l（3）进行叠加时，探测系统幅度不随计数 率改变； l（4）混合样品中，各核素具有各自的谱形 ，并能选出特征峰。 l地层： l1.钾、铀系、钍系（占99%以上） l2.特征峰 l 40K 1.46MeV 214Bi（铀系） 1.76MeV 208Tl（钍系） 2.62MeV l满足解谱条件 响应系数的定义 l 第j中核素标准谱在第i窗口的计数率 Aij= 第j中核素的含量 1.剥谱法 l三个窗口 l由高向低剥（钍、铀、钾） 仪器标准谱形 2.逆矩阵法 l三个窗口 式中，X是（31）浓度矩阵，A是（33）响应系数矩阵， ，N 是（31）计数率矩阵。 3.最小二乘法 l五个窗口： w1：0.150.5MeV； w2：0. 51.1MeV； w3：1.11.6MeV； w4：1.62.0MeV； w5：2.03.0MeV； 式中N是仪器的测量值，A 是响应系数，X 为待测铀、钍 、钾含量。五个方程，三个未知量，此超定方程组可用加 权最小二乘法求解 式中，式中，X X是（是（3 3 1 1）浓度矩阵，）浓度矩阵，A A是（是（5 5 3 3） 响应系数矩阵，响应系数矩阵，A A T T 是是A A的转置矩阵，的转置矩阵，N N 是（是（ 5 5 1 1）计数率矩阵，）计数率矩阵，Y Y是（是（5 5 5 5）权矩阵，权因）权矩阵，权因 子由各能窗的计数率确定子由各能窗的计数率确定 （五）电路原理 l 1.仪器方框图 l 2.低压电源 l 3.高压电源 l 4.探测器 l 5前置放大器 l 6.DTB接口电路 l 7.NHL（能窗）电路 l 8.PHA（脉冲幅度分析）电路 l 9.CPU电路 1.仪器方框图 l见附图7 2.低压电源 l电路见图8。 通过缆芯1、4输入的AC220V的交流电 ,经变压器T101降压，一组经V101整流， N101、N102稳压，输出12V；另一组经 V102整流，N103稳压，输出+5V供其它电 路使用，二极管V103、V104、V105对集 成三端稳压器起保护作用。输出的12V、 +5V电源供仪器其他电路使用。 3.高压电源 l电路见图8。 N201为高压模块，它是高压电源的核 心器件，将+12V电源转换成负高压，供光 电倍增管使用；输出的负高压随控制电压 （CHV）改变而改变。系统通过DTB接口 板改变控制电压（CHV）来控制高压模块 的输出高压。R201、C201将+12V电源退藕 滤波后供高压模块使用；C203对控制电压 滤波，防止高频干扰信号对输出高压的影 响。 4.探测器 l电路见图8。 电阻R301R314组成分压器，为光电 倍增管阴极及各打拿极提供适当的工作电 压。R315为负载电阻，将电流信号转换为 电压信号。 5前置放大器 l电路见图9。 N1组成电荷灵敏放大器，它对光电倍 增管来的电荷进行收集，输出一个正脉冲 ；N2设计成同相电压放大器；R6和C5组成 极-零电路，对电荷灵敏放大器输出的脉冲 进行整形；V1、V2、V3、V4等组成基线恢 复电路。输出的脉冲信号分别送到稳谱能 窗（NHL）电路和脉冲幅度分析器（PHA ）电路。 6.DTB接口电路 l 电路见图15。 D1（HT001）、D2（HT002）两片混合电 路是通信接口电路的核心，由于他们采用12V逻 辑电平，其他电路用5V逻辑电平，用D3将5V逻 辑电平转换为12V逻辑电平，D4、D5、D6将12V 逻辑电平转换为5V逻辑电平；D7将D1分离出的 串行下传数据转换为并行数据；D9是上升沿触发 的三-D触发器，当ACOMP由低电平变高电平 时，将下传数据锁存；D10、V1、N1、V2等组成 D/A转换电路，下传高压值数据转换为对应高压 控制电压。 三总线UDATA/GO、UCK、DSIGNAL上的波 形如图17所示。 7.NHL（能窗）电路 l 电路见图11。 前置放大器的脉冲信号经N1缓冲，R5、V2 将信号钳位在0.7V左右。N2为同相放大器，增益 4倍左右。N3、V3、V4、V5、V1等组成基线恢 复器，保持基线的稳定。N4、V9、V10、V11、 R25、R24、R23、R22、R21、R20、R38组成 一个恒流源，调节 R38*可改变恒流源的电流。调 节R38*,使窗口电压依次为0.586V（R20和R21公 共端）、0.698V（R21和R22公共端）、0.839V （R22和R23公共端）、0.993V（R23和R24公共 端）、1.134V（R24和R25公共端）。N5的A、 N6的A、N6的B、N7的A、N7的B、D1、D2等组 成窗口比较器及逻辑判断电路。 l 当输入脉冲幅度大于0.586V小于0.698V，D1的 11脚（NL1）输出一个计数脉冲；大于0.698V小 于0.839V，12脚（NL2）输出一个计数脉冲；大 于0.839V小于0.993V，14脚（NL3）输出一个计 数脉冲；大于0.993V小于1.134V，15脚（NL4） 输出一个计数脉冲；大于1.134V或小于0.586V， NL1、NL2、NL3、NL4都不输出计数脉冲。NL1 对应能量为40keV50keV、NL2为50keV 60keV、NL3为60keV70keV、NL4为70keV 80keV。NL1、NL2、NL3、NL4的输出分别送到 计算机电路的四个计数器。 8.PHA（脉冲幅度分析）电路 l 电路电路见图13。 来自前置放大器的脉冲信号，一路送到模拟开 关D2的11脚；一路送缓冲放大器N1。N1的输出 分别送到N2A、N2B、N3A组成的三个比较器 ，三个比较器输出的有序信号控制数模转换 器D1工作。N4、N5、D2、V2、V3、C16等组成 采样保持器，保证它的输出电压是脉冲峰值且在 数模转换器进行转换过程中保持不变，转换结束 后，通过模拟开关D2的15脚迅速将保持电容C16 上的电荷放掉。D1（AD1674）是一高速十二位 （二进制）数模转换器，只用其输出的高八位， 所以是一个256道脉冲幅度分析器。 9.CPU电路 l 电路见图18。 D4（87C51）是MCS-51系列八位单片机， 它自带4kB的EPROM，128B的RAM，32根I/O线 ，两个计数/定时器，最高工作频率12MHz。它是 仪器数据获取、累加、传输的核心。D8（54HC 373）是一个8D锁存器，靠它实现低八位地址总 线和八位数据总线的分时使用。D7（6116）一个 2K静态存储器（RAM），它用来暂存256道脉冲 幅度数据、四个稳谱窗口的数据。D9、D10（ 82C54）是两个各带三个十六位计数/定时器的通 用计数/定时器电路，用来记录NL1、NL2、NL3 、NL4四个稳谱窗口的计数。D1（54HC374）是 一个上升沿触发8D锁存器，用来缓存从脉冲幅度 分析器的输出数据。 D3D3（GAL22V10GAL22V10）是一个可编程门电路，它内部固化是一个可编程门电路，它内部固化 了地址译码器、字节中断产生器、与非门、非门。了地址译码器、字节中断产生器、与非门、非门。D2D2 （45204520）是一个双四位二进制同步计数器，记录是一个双四位二进制同步计数器，记录/UCK/UCK 脉冲数，与脉冲数，与D3D3中的字节中断产生器配合，累计八个中的字节中断产生器配合，累计八个 /UCK/UCK脉冲向单片机申请一次字节中断（脉冲向单片机申请一次字节中断（INT0INT0）；）；每次每次 中断响应，单片机从外部中断响应，单片机从外部RAMRAM读取八位数据送到读取八位数据送到D5D5。 D5D5（40144014）是一个八位移位寄存器，用来将八位并行是一个八位移位寄存器，用来将八位并行 数据转换成串行数据，每个数据转换成串行数据，每个/UCK/UCK脉冲移出一位，送至脉冲移出一位，送至 通信接口电路。通信接口电路。STBSTB是是PHAPHA板的板的ADAD转换状态标志，由转换状态标志，由 低电平变高电平，低电平变高电平，ADAD转换结束，将转换结束，将DB0DB0 DB7DB7上的数据上的数据 锁存在锁存在D8D8，同时向单片机申请一次同时向单片机申请一次PHAPHA中断（中断（INT1INT1） ；每次中断响应，单片机读取锁存在每次中断响应，单片机读取锁存在D8D8的八位数据，的八位数据， 作为访问外部作为访问外部RAMRAM的低八位地址，并将对应地址单元的低八位地址，并将对应地址单元 内容加一。内容加一。 四车间刻度 l6.1 车间刻度 将仪器和DYXC电缆遥测短节联接起来 （接负载下堵头）,架起高度大于一米，周 围应没有放射源。仪器通电预热三十分钟 。 在EAR2000地面系统选TCC+SGR组合串 ，输入仪器号，作车间刻度。车间刻度分 成两步，钾、铀、钍含量刻度和API刻度。 首先作钾、铀、钍含量刻度，将ZGPJT混 合刻度筒放置在固定位置（如附图20所示 ），每次记录时间大于300s。 l然后作API刻度，先记录本底；再将 4702NK刻度架放置在固定位置（如附图20 所示）高刻。 l要求刻度一览表车间刻度偏差（测量值相 对于刻度筒标称值）一项，钾小于0.5%、 铀小于210-6（2ppm）、钍小于210-6 （2ppm）。 五使用与维修 常见的故障及排除方法 l 序号故障类型 原因 排除方法 1通信不正 常（首字 、尾字不 对） DTB板、HT001、HT002损 坏 更换HT001、HT002 CPU板RAM（6116）损坏 更换6116 CPU板CPU（87C51）损坏 更换87C51 2 通信正常， 计数不稳 高压不稳 高压模块损 坏、更 换 干扰 排除 续上表 3 稳谱 窗口 、计数率 窗口都没有 计数 PAMP板N1（BB3507）损 坏 更换运放BB3507 PAMP板N2（BB3507）损 坏 更换运放BB3507 高压模块损 坏 更换高压模块 光电倍增管损坏 更换光电倍增管 4 稳谱 窗口 正常，计 数率窗口没 有计数 PHA板AD7510损坏 更换AD7510 PHA板N1（ BB3507）损坏 更换BB3507 PHA板N4（ BB3507）