补偿中子测井仪器讲.ppt

补偿中子测井仪 目录 仪器简介 仪器原理 仪器探测器 电路简介 仪器刻度 仪器简介 仪器用途 仪器特点 仪器技术指标 确定地层孔隙度 判断岩性 确定泥质含量 仪器用途 仪器特点 仪器特有的推靠器： 仪器的重量相对轻： 由于中子射线可以很容易穿透钢管， 因此补偿中子测井仪不仅可以在裸眼井 中测量，还可以在套管井中测量。 自然界存在伽马射线，但不存在中子射 线，所以仪器在正常情况下，本底为零。 仪器构成 仪器技术指标 仪器最大外压：100Mpa 仪器最大测速：560m/h测速与源强有关 。 仪器使用电缆长度7000m 仪器测量范围：0100P.u. 仪器耐温：155 当地层孔隙度为： 0 10 P.u. 时 ， 仪器误差为：1P.u. 当地层孔隙度为：10 45 P.u. 时 ， 仪器误差为：3P.u. 当地层孔隙度： 45 P.u. 时， 仪 器误差为：7P.u. 仪器测量精度 补偿中子测井仪器 仪器外观 源室 仪器结构 补偿中子线 路板180mm 补偿中子长 源距探测器 57*234 补偿中子短 源距探测器 25.4*130 补偿中 子源室 268mm 中子测井核物理基础 中子从发射到吸收的具体过程 热中子为什么带有地层的含氢量 信息 含氢量与地层孔隙度之间的关系 中子射线的探测原理 仪器测量原理 概述 补偿中子测井仪是一种具有两道热中子探测器的放射性强度 测井仪器，它与地面计算机测井系统配套，可以测定裸眼井或套 管井的地层结构的孔隙度以及判断岩性和确定泥质含量，是三大 孔隙度测井项目中必不可少的测井仪器。该仪器吸收了国内外同 类仪器的优点，采用高稳定的电子放大线路和进口的高灵敏度热 中子探测器（He-3正比计数管）。 为了减少井眼套管泥饼对测量的影响，下井仪将两个灵敏度 不同的He-3探测器布置在离中子源距离不同的位置上，用它们的两 个计数率的比值来反映地层孔隙度的大小，提高了测量精度。 仪器测量原理 补偿中子测井仪上装载着20居里的Am-Be中 子源，能量约为几百万电子伏特。每秒钟将产 生4107 个快中子，这些快中子射入地层，与地 层的物质发生一系列的核反应。其中包括：快 中子的非弹性散射、快中子对原子核的活化、 快中子的弹性散射及减速。快中子经过一系列 的非弹性碰撞及弹性碰撞，能量逐渐减小，最 后当中子能量与地层的原子处于热平衡状态时 ，中子不再减速。这种能量状态的中子叫热中 子。 仪器测量原理 仪器测量原理 标准热中子的能量为：0.025ev,速度为 2.2105厘米/秒。根据碰撞学说，中子碰撞 中的能量损失与被碰撞物质的质量和入射角 有关，与中子质量相当的物质碰撞(弹性碰撞) ，中子损失的能量最大。在地层中，氢原子 具有与中子非常接近的质量，因此地层对快 中子的减速能力主要决定于地层的含氢量含 氢量高的地层宏观减速能力强，减速长度小 。经过几次碰撞后，快中子将被减速，能量 从快中子的平均能量5.6MeV衰减到0.025eV的 热中子。 仪器测量原理 这些热中子部分进入探测器，撞击He-3核， 引起核反应，产生H3(氚)子，该质子使其它一部 分He-3电离，产生带电的离子和电子，在高压电 场的作用下，电子向阳极运动，产生一负脉冲， 该脉冲被电子线路放大并记录下来，探测器接受 中子的多少直接反映了地层中氢原子的多少。因 此He-3探测器及其电子线路组成的下井仪可以测 量地层中的含氢量。地层孔隙是充满流体的细微 空间，水及碳氢化合物中含有氢原子，无油地层 与矿岩中极少或根本没有氢。这样仪器的相应基 本上反映了充满流体的地层的细微空间，即孔隙 度。 仪器测量原理 20居里的AmBe中子源 4107 个快中子、能量约为几百万电子伏特 。快中子 非弹性散射、快中子对 原子核的活化、快中子的弹性散射及 减速 能量为：0.025ev,速度为 2.2105厘米/秒的热中子。 中子 探测器吸收 脉冲信号 根据碰撞学说，中子碰撞中的能量 损失与被碰撞物质的质量和入射角有 关，与中子质量相当的物质碰撞(弹性 碰撞)，中子损失的能量最大。在地层 中，氢原子具有与中子非常接近的质 量，因此地层对快中子的减速能力主 要决定于地层的含氢量含氢量高的地 层宏观减速能力强，减速长度小。 仪器测量原理 地层孔隙是充满流体的细微空间，在 这些空间里充满了水及碳氢化合物。这些 物质中含有较多的氢原子，无油地层与矿 岩中极少或根本没有氢。这样地层的含氢 量基本上反映了充满流体的地层的细微空 间，即孔隙度。 仪器测量原理 仪器测量原理 在井眼里充满了含氢较高的泥浆。这 对来自地层的热中子信号的影响较大。由 于中子仪器的源距较长，同时由于放大电 路不能远离探测器。所以，仪器需要将整 支仪器推靠井壁，无法象密度、微球仪器 那样采用电动推靠器。因此，井眼对中子 仪器测井的影响较明显。 为了克服井眼影响，仪器采用了补偿的概 念。 仪器测量原理 仪器具有两道探测器来探测地层的热中子。 其中离放射源距离较远的叫长源距探测器，较近 的叫短远距探测器。短源距探测器的灵敏度低， 由于它离放射源较近，所以探测深度较浅。它主 要探测来自井眼的热中子分布信息。长源距探测 器的灵敏度较高，探测深度较深，它主要探测来 自地层的热中子分布信息。长源距探测器探测的 热中子也受井眼的影响。这个影响可以利用短源 距探测器探测到的井眼影响信息来进行补偿。补 偿中子的概念由此而来。 仪器探测器 探测器简介 探测器结构示意图 探测器特点 探测器性能测试原理 探测器工作坪的概念 探测器调试使用注意事项 仪器探测器 目前国内外补偿中子测井仪均采用He-3正 比计数管作热中子探测器，它在正常工作情况 下输出负极性电脉冲，脉冲幅度在0.5uv-1.5mv 范围内连续分布，脉冲宽度小于5us，为随机信 号，He-3管的外形结构为圆柱形，在圆柱的轴 心，有一根在理论上视为无限小的金属丝，圆 柱内充满若干个大气压的He-3气体，气压的大 小对其灵敏度有关。 仪器探测器 阴极 管壳 阳极 探测器的特点 1：探测器内有一无限小的金属丝，其结 构简单； 2：不怕高压电冲击，害怕物理应力冲 击； 3：负载无穷大； 4：输出信号弱，需要注意屏蔽； 5：只对热中子灵敏，对其他能量的中子 不灵敏 ； 仪器探测器 探测器性能测试 1) 将He-3管装在仪器上，工作高压采用外接 高压电源。 2) 给仪器供电，确保连接在He-3管后面的信 号处理电路工作正常。 3) 在He-3管附近放置400mCi左右的中子标准 源。 4）打开外接高压电源，将输出高压由低逐级 向高调节，注意，高压应该由低到高，逐渐 增加，如：从800V到900V逐渐调高。 仪器探测器 仪器探测器 5）连续读取仪器200秒以上的计数率，如：外接高压为1200V 时读取仪器200秒的计数，外接高压为1300V时再读取仪器 200秒的计数。在外接高压不断增加的情况下，仪器的计 数也会增加；但增加到一定量时，计数增加的速度变慢， 说明此时的高压以到了He-3管的工作坪区。再增加外接高 压，计数率将增加很快，此时的高压已接近He-3管的放电 区，外接高压不能再增加，否则就会烧坏He-3管。 6）将读取的计数率数据在“计数率-高压”的坐标上画出坪 曲线图，根据坪的中点就可确定该He-3管的工作高压。 He-3探测器的坪越宽，说明其性能越好。He-3探测器的坪 宽不能低于150V。 典型的探测器坪曲线示意图 仪器探测器 探测器高压坪的三个重要参数： 1：坪宽:坪越宽,仪器受高压波动的影响越 小,因此坪越宽越好。 2：坪斜:坪斜越小,输出计数随高压变化越 小,因此坪斜越小越好。 3：坪高:坪越低,要求的高压越低,高压低， 由高压产生的噪音也越小,同时对仪器的 绝缘要求越低。因此坪越低越好 。 补偿中子仪器的高压电源的负载接近无穷大 。因此仪器通电后，即使关掉电源，在高压 隔直电容和滤波电容上残留的高压电位无法 形成回路释放，因此调校过程中容易造成人 体触电。另外，如果用万用表和示波器测量 该点的电位和波形，则会烧坏万用表和示波 器。 连接探测器输出的信号线必须尽可能短，以 避免不必要的信号衰减。 探测器使用调试注意事项 仪器探测器 仪器探测器He-3正比计数管是一种高灵敏的 热中子探测器，由于管内填充的气压较高，所以 在调校使用过程中要轻拿轻放，不能碰撞，以免 损坏管内的阳极丝。在焊接过程中，严禁用力拨 动He-3探测器的引线端，否则会造成He-3气体泄 漏而不能正常工作。在给He-3管供电时，应先检 查供电电压，防止长、短源距的高压接反，否则 长源距1600V左右的高压加在短源距探测器上， 就有可能造成短源距探测器高压冲击损坏。 探测器使用调校注意事项 仪器探测器 补偿中子探测器结构参数主要包括：He3计数 管尺寸、长短源距、屏蔽材料及厚度等。分析这 些参数对测量结果的影响，对设计高精度、高可 靠补偿中子测井仪器具有重要指导意义。本文在 实际测量实验基础上，讨论探测器结构参数及测 量器件的选取。 仪器探测器 He-3管 对同样的测量地层而言，补偿中子He-3管直径越大，热中 子吸收截面就越大，计数率就越高，统计涨落越小。现今有 许多种He-3管，有国产的，也有进口的。现将基本情况列表 如下： 规格 型号 尺 寸温 度 RS-P4-1808-202 57.2203.6mm 175 RS-P4-1004-201 31.8101.8mm175 RS-P4-1808-229 57.2200mm175 RS-P4-0804-201 25.4100mm 175 63355mm 31.8130mm 仪器探测器 仪器探测器 屏蔽材料 CSU 补偿中子中，在长源距He-3管与短源距He-3管之间 、短源距He-3管和中子源之间使用了氟化硼砂棒。氟化硼砂 棒长度为5-7mm,直径稍大于He-3管管子直径，镉片厚度为 2mm。氟化硼由于硼的俘获截面大，可以吸收快中子减速后 形成的直射热中子，放出散射伽马射线，而在硼砂棒后加 2mm镉片可以吸收散射的伽马射线。屏蔽材料一方面阻挡和 隔离非探测区域直射热中子进入长短He-3管；另一方面通过 阻挡无用热中子进入，提高了对来自地层的热中子测量灵敏 度，同时对降低地层热中子的漏计几率也有益处。 源距 探测器源距是探测器系统重要参数之一，一是与测量灵敏 度有关，二是与仪器的探测深度有关，探测深度与长源距数值 相同。下面列出Schlumberger的CSU补偿中子和West Atlas 的 CLS3700补偿中子探测器源距等参数。 参数 仪器 长源距短源距差 值 探测 深度 CSU63.5mm 38.5mm25mm63.5mm CLS370052mm33mm19mm52mm 国产补偿 中子 与国外2家公司源距值基本相同或相近 仪器探测器 结构参数与测量灵敏度的关系 补偿中子测量灵敏度表示在标称的孔隙度测量范围内测 量时，短源距计数率与长源距计数率之比R的变化范围，换 句话说就是单位孔隙度变化产生的R比值变化。下面给出 CSU补偿中子刻度数据及依据数据得出的刻度图版。NL为长 源距He-3管计数率，NS为短源距He-3管计数率，R为 NS/NL ，R为区间测量灵敏度。 仪器探测器 补偿中子A仪器刻度数据（屏蔽材料尼龙,长短源距分频分别16和32） 井号 仪器 M36M1M31M2M33M3M26M6 100P.U.35.7P. U. 25.2P. U. 16.5P. U. 14.2P. U. 8.8 P.U. 6.8 P.U. 1.0 P.U. ANL205.2531.6723.21102.41273.6163019373704 NS4259778294011145912569139521498521601 R20.75514.639812.99910.3949.8738.5597.7365.832 R 0.09510.15630.29940.22650.24330.41150.3283 R2 = 0.9996 0 20 40 60 80 100 0510152025 仪器探测器 仪器电路简介 仪器的电子线路由探测器、放大测量电路 、低压电源和高压电源电路等组成。 He-3探测器输出的脉冲，经电荷灵敏放大 器放大，甄别器甄别掉噪声后，输入到分频器中 分频，分频后的信号由电路成形器将它形成等宽 等幅的脉冲，然后输出到信号传输电路。 仪器分为长、短两个源距道，补偿中子两道 电路完全相同。探测到的地层中子信号为0.5uv 1.5mv之间连续分布。放大器放大倍数为3200倍 。为了减小电路功耗，分频系数定为8分频。 电路原理 电子线路由探测器、放大测量电路、低压电源和高压电源电路 等组成。 探 测 器 鉴别器放大器分频器整形输出 -12V 12V 补偿中子仪器工作原理框图 高压电源 输入 输出 仪器电路简介 高压电路 仪器电路简介 高压部分采用的是HVC175PB12-02超小型电源模 块。它可带7M以上负载，且可开路（相当负载为无 穷大）使用。负载电阻越大，高压输出的纹波就越小 ，中子仪器高压输出纹波30mV。 高压模块的输入电压为12V，输出电压最高为 +2000V，工作电流小于30mA。输出电流为250A。 高压模块的输出电压由2个电阻来调节，如图， R17调节长源距的输出高压，此电压一般调节在 1550V1700V之间，再由R19调节短源距高压，此电 压一般选在+1100V1250V，实际工作电压由探测器 的坪曲线决定 高压电路 仪器电路简介 放大电路 仪器电路简介 放大电路由HA2620运算放大器组成。 放大电路由HA2620运算放大器组成。 HA2620具有高速、低噪等相关特性，温度可达 175，放大后的波形失真较小，放大倍数受温度影 响很小。 放大电路的入口信号为0.5uv1.5mv范围内连续 分布,脉冲宽度小于5us的随机信号。调节电阻R4、R6 可以改变放大器的放大倍数。信号经过放大后，输出 信号为4V的正弦信号。 放大电路 仪器电路简介 信号处理电路 仪器电路简介 放大器输出的信号经LM111鉴别。放大器输出的信号可以从TP1观测点观测到。调节电阻R9可以改变门槛电位的高低。仪器选用的门槛 电位为：1.9V。观察点为：TP3;正负电源的观测点分别为TP5和TP6。CD4520为分频器。为防止电缆漏计和消除整形电路可能产生的阻 塞现象，所以采取了分频措施。信号模块的分频数不能在外部选择，中子长、短源距电路都选用八分频。分频后信号输出的观测点为 TP2。各个观测点的信号波形详见4.4的内容。 放大器输出的信号经LM111鉴别。放大器输出的信号可以从TP1观测点观测到。调节电阻R9可以改变门槛电位的高低。仪器选用 的门 放大器输出的信号经LM111鉴别。放大器输出的信 号可以从TP1观测点观测到。调节电阻R9可以改变门槛 电位的高低。仪器选用的门槛电位为：1.9V。观察点为 ：TP3;正负电源的观测点分别为TP5和TP6。CD4520为 分频器。为防止电缆漏计和消除整形电路可能产生的 阻塞现象，所以采取了分频措施。信号模块的分频数 不能在外部选择，中子长、短源距电路都选用八分频 。分频后信号输出的观测点为TP2。 信号处理电路 仪器电路简介 仪器刻度 刻度的概念 一级刻度原理 车间刻度原理 现场刻度器使用注意事项 6.4.1 HCT补偿中子密封源室结构 (1) 图66所示为HCT补偿中子密封源室结构示意图。在图66中，1仪器下接头；2中子源室；3源室销；4源室销挡圈； 5两个定位螺钉。 HCT补偿中子密封源室结构示意图 在图中，1仪器下接头；2中子源室；3源室销；4源室销 挡圈；5两个定位螺钉。具体见培训教材 仪器刻度 图所示为HCT补偿中子密封源安装示意图，图中所 示的源室销已被源室销挡圈卡住。将中子源装入中 子源室，然后旋入两个定位螺钉即可。 仪器刻度 仪器刻度，就是一方面要把仪器测井时 输出的脉冲信号与地层孔隙度之间建立一个 误差尽可能小的数学计算公式。 另一方面：由于建立的这个计算公式是 固定的，但仪器经过长时间使用、维修后各 项性能会发生变化。那么在仪器性能发生变 化时，需要对仪器的这一变化进行校正。 上述两个过程都称为仪器的刻度。 刻度的概念 仪器刻度 补偿中子仪器长、短源距的两道计 数率的比值R与地层孔隙度的对数之 间有非常近似直线的关系。可以将补中 -R计算公式表达为： Ln = a*R + b. 但由于各方面因素的影响，这条直 线并不直，而是一条曲线。为了减小误 差，需要根据仪器 -R关系曲线的具体 形态，用相应的数学公式来描述。 一级刻度原理 仪器刻度 仪器设备准备：地面设备的准备、井下仪器的准备 。确保地面和井下仪工作正常，将井下仪与地面系 统正确连接好。 测量仪器的记录点，做好深度标记，保证仪器刻度 时的记录点对准刻度井的地层中点。 将工作正常的仪器吊入刻度井中，要求保证良好的 贴壁效果，并将仪器的计录点对准刻度井的中间位 置。 给仪器供电，观察仪器本底计数率，其本底计数率 长源距为0-2/30s 为正常值。短源距计数率0/30s为 正常值。 一级刻度步骤 仪器刻度 仪器工作正常后，装上强20Ci的中子强源，并开始 读数。每个数为30秒的积累计数，并求取平均值 。仪器应采取不同方位反复测量，然后取其平均 值，以减少因标准井本身不均匀而造成的误差。 记录仪器的计数率，记的数据越多越好。补偿中 子仪的计数率数据有如下两个规律：刻度井标定 的孔隙度越大，计数率越小刻度井标定的孔隙度 越大，仪器的两道计数率比值R越大。(R= Ns / Nl 。)。 一级刻度步骤 仪器刻度 仪器刻度 将每口井的孔隙度、计数率比值R整理出对 应的表格。然后在直角坐标系画出各个点，注：比 值R = NS / NL。横坐标为比值R，纵坐标为孔隙度 。将各个点描成曲线，根据曲线的形状，用相应 的数学公式来表达。补中-R计算公式一般采用三 次曲线方程。即： a*R3 + b*R2 + c*R + d 式中的a、b、c、d为仪器刻度中所需要求出的常数 。 仪器经过一级刻度后，仪器的信号 就与地层的孔隙度之间建立了一个数学 函数关系。但这个关系并不是永远有效 的，因为仪器经过长时间的使用、维修 以及更换元器件后，仪器的各项性能将 发生变化。这时，原来的数学函数关系 就不能准确的反应出地层的孔隙度。为 了校正这个误差，仪器采用了车间刻度 的概念。 车间刻度 仪器刻度 车间采用一点刻度方法，对仪器的变化 量进行校正。其原理是：在仪器刚刚经过一 级刻度后，我们认为仪器处于理想的状态， 此时仪器的计数率与地层孔隙度之间的数学 函数关系是正确的。此时将仪器对现场刻度 器的反应记录下来。仪器经过一段时间后如 果发生了变化，那么仪器对现场刻度器的反 应值将发生变化。