测井中子发生器
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第24卷第4期
2009年8月(页码:1521~1526
)地 球 物 理 学 进 展
PROGRESS IN GEOPHYSICS
Vol.24,No.4
Aug
.2009郑世平,秦爱玲,赵舒平.测井中子发生器.地球物理学进展,2009,24(4):1521~1526,DOI:10.3969/j.issn.1004 2903.2009.04.047.
ZhengSP,QinAL,ZhaoSP.Wellloggingneutrongenerator.犘狉狅犵狉犲狊狊犻狀犌犲狅狆犺狔狊.(inChinese),2009,24(4):1521~1526,DOI:10.3969/j
.issn.1004 2903.2009.04.047.测井中子发生器
郑世平, 秦爱玲, 赵舒平
(中国石油集团测井有限公司,西安710061
)摘 要 测井中子发生器作为中子源目前应用于地层岩性、孔隙度、含油饱和度及地层动态监测测井,是C/O测井、中子寿命测井、氧活化水流测井以及脉冲伽马能谱测井等仪器的核心部件.简要介绍了几种国外测井中子发生器的产品.
阐述了测井中子发生器的工作原理、基本构成及关键技术.介绍了中国石油测井有限公司测井仪器厂研制生产的中子发生器产品系列.脉冲中子伽马测井是当前油田生产动态监测普遍采用的技术.介绍了实现宽频带、锐截止的技术途径以及目前所取得的成果.中子发生器产额的稳定性及开机重复率指标的提高将会极大拓宽其应用领域,尤其在使用同位素中子源的领域,可以替代同位素中子源发挥独到的优势.介绍了中国石油测井有限公司在中子发生器产额稳定方面所做的工作和取得结果,并列举了稳定产额后的中子发生器在元素分析领域所取得的成功试验.关键词 石油测井,中子发生器,中子管,中子产额,脉冲高压
DOI:10.3969/j
.issn.1004 2903.2009.04.047 中图分类号 P315 文献标识码 A 犠犲犾犾犾狅犵犵犻狀犵狀
犲狌狋狉狅狀犵犲狀犲狉犪狋狅狉ZHENGShi ping, QINAi ling, ZHAOShu ping
(犆犺犻狀犪犘犲狋狉狅犾犲狌犿犔狅犵犵犻狀犵犆
犗.犔犜犇.,犡犻′犪狀710061,犆犺犻狀犪)犃犫狊狋狉犪犮狋 Wellloggingneutrongeneratorisacontrollableradioactivesourcewhichiswidelyusedinradioactivelogging.ItisalsoacorecomponentoftheneutronloggingtoolssuchasC/Olog,neutronlifetimelog,pulsedneutronoxygenactivationlogetc.Afewkindsofwellloggingneutrongeneratorsareintroduced,andtheworkingprinciple,constitutes,keytechnologyaredescribed.Pulsedneutron/gamma raylogiswidelyusedfordynamicmonitoringinoilfield.Thetechnicalmeansofbroadbandandsharpcutoffareintroduced.Disclosedistheresearchprogressonstableyieldoutputofneutrongeneratorandsuccessfulexperimentsforelementalanalysis.犓犲狔
狑狅狉犱狊 petroleumlog,NeutronGenerator,neutrontube,neutronyield,pulsedhighvoltage收稿日期 2008 07 15; 修回日期 2
008 11 15.作者简介 郑世平男,1963年出生,高级工程师,1982年毕业于兰州大学核物理专业,
现从事测井仪器研发制造管理工作.(E Mail:zsp
4052@126.com)0 引 言
中子发生器作为小型加速器中子源,具有轻便、可移动、单色性好、基本上无γ本底、使用安全、无辐射危害等诸多优点,尤其是中子发生器可依据一定的外部触发信号发射脉冲中子,多年来在核测井领域中发挥了独到的作用.随着测井技术的飞速发展,中子发生器技术也得到了很大的提高,由最初的大直径,逐渐发展成小直径、长寿命、耐高温、高产额并
且可以批量生产的消耗性产品.
中子测井是通过快中子与地层物质相互作用来研究地层岩性、
孔隙度和寻找矿藏的测井方法.快中子进入地层后,为地层元素所减速,直至俘获.通过对不同能量中子的测量,可获得地层的某些性质及地层中矿藏等有关信息.采用脉冲调制的加速器中子源的测井方法简称为脉冲中子测井.测井时向地层发射能量为14MeV的中子,经过非弹性散射、弹性散射和俘获辐射等相互作用过程,生成可供测量
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地 球 物 理 学 进 展24卷
的超热中子和次生γ射线.研究这些射线场的时间和空间分布,可确定地层的岩性、孔隙度、含油饱和度以及进行地层动态监测[1].现今发展比较成熟的脉冲中子测井方法有C/O能谱测井、中子寿命测井、氧活化水流测井和脉冲中子伽马能谱测井等,所形成的商业化测井仪器种类与型号很多,而中子发生器则是仪器的核心部件.
1 测井中子发生器的组成及工作原理
测井中子发生器由中子管和中子管外接电路组成.
1.1 中子管
中子管是将离子源、加速系统、靶子以及气压调节系统密封在一个陶瓷或玻璃管内,形成一个小型的特种电真空器件.中子管实质上是一种最小型的加速器,其性能决定着中子发生器的产额、寿命、稳定性等诸多指标.中子管可以在外接电路的控制下,由离子源产生氘离子,经加速后轰击氚靶,与靶中的氚产生核反应,产生14MeV的快中子[3].
1.2 中子管外接电路
中子管外接电路通常由离子源电路和密封加速高压组成.
1.2.1 离子源电路
离子源电路决定于中子管离子源的结构.如采用冷阴极潘宁离子源的中子管需要2kV左右的阳极脉冲高压,而热阴极中子管所需的阳极高压则很低.我国初期生产的测井中子发生器,对于冷阴极潘宁离子源中子管,离子源电路通常是基于变压器变换升压的思路而设计的,具有电路结构简单、可靠、功耗低、体积小等优点.
测井中子发生器为满足测井的需要,要求在中子管阳极极板上所加载的2kV脉冲高压波形与中子发生器发射出的脉冲中子波形基本一致,但变压器电路产生的脉冲高压通常有上冲、平顶降落、宽后沿等特征,这样的阳极脉冲高压产生的脉冲中子波形对于测井效果有很大负面影响.近年来随着测井技术的发展,逐渐发展起来多种组合脉冲中子测井仪器,多种中子发射模式下的阳极脉冲高压频率是多种频率的组合,而且频率跨度较大,单一变压器升压电路的频率范围,往往无法兼顾很宽的频率范围要求.
目前一种开关管电路被广泛采用,例如贝克阿特拉斯公司生产的RPM(ReservoirPerformanceMonitor)、哈里伯顿公司生产的RMT(ReservoirMonitorTool)等仪器阳极脉冲高压均采用该类电路.
开关管电路在中子发生器中的运用,使以往变压器电路中出现的低频窄脉冲、高频大占空比带来的电路问题得到有效改善,更重要的是,实现了锐截止功能.1.2.2 密封加速高压
密封加速高压一般采用倍加整流电路,倍加整流电路形式多种多样,如单边高压倍加、双边高压倍加等,也有采用脉冲高压方式为中子管提供加速高压,如Hotwell公司生产的PNN,其中子发生器中的中子管与其他厂家所使用的中子管结构及离子源均有较大的区别,该仪器的工作频率很低(≤20Hz)且发射时间很短(≤2μs).
随着油田开发的不断深入,需要小直径测井仪器以满足过套管测井的要求(直径≤43mm).在井下高温高压工作环境和狭小的仪器空间条件下,100kV的直流高压与外钢管及工艺结构间的绝缘,是密封高压稳定工作的技术关键.
2 几种国外测井中子发生器
目前国内引进了多种集中子寿命、C/O、氧活化测井于一体的脉冲中子伽马能谱测井仪器,如,RPM、RMT、RST A(ReservoirSaturationTool,斯仑贝谢公司生产)以及COMPUTELOG公司生产的PND S等仪器,此类仪器具有以下共同特点:①小直径(43~53mm),可过油管测井;②多探头;③中子发射频带宽(1~20kHz);④耐高温(150℃~175℃).
RST A仪器外径为43mm,中子发生器采用30级单边倍压,供电频率高达50kHz,由于中子管结构不同,离子源仅需要几百伏的阳极脉冲高压.RPM仪器外径为43mm,其中子管机械结构别具匠心,在满足源距的要求下可将阳极脉冲高压电路置于中子管与探测器之间,避免了脉冲高压的传输辐射问题;密封高压短节与探测短节共同装于Φ43mm×3000mm的承压钢管中,中子发射频率为1~10kHz,倍压电路采用9级单边倍压.RMT仪器外径为50mm,中子发生器与RPM中子发生器非常相似,密封高压短节与探测短节共同装于Φ50mm×3000mm的承压钢管中,倍压电路采用8~9级单边倍压,中子发射模式为1~10kHz.
3 中国石油集团测井有限公司测井仪器厂研制生产的中子发生器简介
中国石油集团测井有限公司测井仪器厂的前身
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4期郑世平,等:测井中子发生器
为西安石油勘探仪器总厂(以下简称测井仪器厂).
早在50年代,测井仪器厂就开始研制中子管、中子
发生器,几十年来经过几代人辛勤努力,目前已发展
成为具有可批量生产中子管及发生器的基地,该基
地于1996年投资2000多万元建成,拥有2418.86
m2的洁净厂房、包括清洗室、真空工艺室、真空器件
焊接室、装架室、排气室、中子实验检测室、元器件筛
选室、电路实验室、高压装配室、高压测试标定实验
室.拥有100台专用生产、检测设备.该生产线有年
产量200只中子管的能力,拥有一支具有多年从事
研制开发生产中子管经验丰富的技术队伍,每年可
向市场批量提供外径Φ30、耐温135℃、寿命超过
100h的测井中子管.多年来,根据市场的发展需
求,先后研制推出了一系列密封中子管、中子发生
器.
3.1 中子管
从上世纪50年代开始至今成功开发了系列测
井密封中子管,主要产品有MZ60、MZ50、MZ40、
MZ30等系列[2~5],其具体技术参数见表1.产品结
构紧凑坚固、小型轻便;离子源均采用冷阴极潘宁离
子源,具有效率高、稳定性好、工作频率宽(直流~
20kHZ)等优点;独特散热结构设计和优良的氚 钛
靶制作工艺技术使得中子管具有高产额、长寿命、高
稳定性.
表1 系列中子管典型技术参数
犜犪犫犾犲1 犜狔狆犻犮犪犾狋犲犮犺狀犻犮犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狅犳狊犲狉犻犲狊狀犲狌狋狉狅狀狋狌犫犲
产品系列名称几何尺寸
/mm
产额
/(n·s-1)
工作温度
/℃
使用寿命
/h
MZ60Φ60×2305.0×10812080
MZ50Φ50×2304.5×10812080
MZ40Φ40×2204.0×10812080
MZ30AΦ30×2102.0×108135100
3.2 测井中子发生器
3.2.1 CZF90 C/O
CZF90 C/O是80年代末90年初研制定型的产品,主要配接C/O测井仪器.主要技术指标:(1)中子产额:>1×108n/s
(2)中子发射持续时间:6~8μs
(3)中子发射频率:20kHz
(4)工作温度:135℃
(5)中子管寿命:>100h
(6)仪器尺寸:Φ68mm×1300mm+Φ68mm×500mm
高压电路采用三支变压器双边倍压整流电路,高压变压器分成若干独立结构,与单边单支变压器电路相比,内阻低,负载能力强,容易实现匹配.CZF90 C/O中子发生器可以配接国产的C/O测井仪,也可以配接阿特拉斯公司生产的2727C/O测井仪,其全套的高压绝缘及结构是多年来许多技术人员不断完善、摸索出的经验总结,其后的许多改进型中子发生器在高压绝缘方面均继承、借鉴了CZF90 C/O高压工艺.
3.2.2 SMJ中子寿命中子发生器
用于中子寿命测井的中子发生器与CZF90 C/O相比尺寸小,发射模式不同,其主要技术指标如下:(1)中子产额:>1.5×108n/s(占空比10%)
(2)中子发射持续时间: 100~800μs
(3)中子发射频率:125~1000Hz
(4)工作温度:135℃
(5)中子管寿命:>100h
(6)仪器尺寸:Φ45mm×1300mm+Φ45mm×500mm
中子寿命发射模式有125Hz、250Hz、500Hz、1kHz等四种频率,测井过程中4种频率依据地层情况交替工作.该发生器随着中子寿命测井仪的成功应用,被大量推广使用.
3.2.3 CZF90 B中子发生器
该发生器机械结构外形尺寸与CZF90 C/O完全一样,是原碳氧比仪器的提升产品.其仪器的技术指标如下:
(1)中子产额:>1×108n/s
(2)中子发射持续时间:6~8μs
(3)中子发射频率:20kHz
(4)工作温度:150℃
(5)中子管寿命:>100h
(6)仪器尺寸:Φ68mm×1300mm+Φ68mm×500mm
CZF90 B中子发生器为满足150℃的工作温度要求,高压采用单支变压器单边倍压电路,虽然内阻高,负载能力稍差,但随着中子管的质量稳步提高,通过合理选择设计参数,可以满足仪器工作温度要求.该发生器机械结构外形尺寸与CZF90 C/O完全一样,可以完全替代CZF90 C/O.
3.2.4 SMJ F中子发生器
(1)中子产额:>1.5×108n/s(占空比10%)
(2)中子发射持续时间: 100~800μs
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(3
)中子发射频率:125~1000Hz(4
)工作温度:150℃
(5)中子管寿命:>1
50h(6)仪器尺寸:Φ45mm×800mm+Φ45mm×500mm
SMJ F中子发生器是SMJ中子寿命中子发生器的升级产品,得益于中子管的性能提高,并采用厚膜电路等工艺,
结构简单,器件减少,缩短了发生器长度,仪器的使用寿命及温度性能得到了提高.该中子发生器可以配接中子寿命测井仪,还可以配接目前国内市场上出现的氧活化仪器.
3.2.5 脉冲中子伽玛谱测井中子发生器
该中子发生器主要是为了满足中子寿命与碳氧比组合仪器而专门研制的.其主要技术指标如下:
(1)中子产额:>1.5×108
n/s(2)中子发射持续时间:40μs~60μs(3)中子发射频率:1~10kHz
(4)工作温度:150℃(5)中子管寿命:>1
50h(6)仪器尺寸:Φ
45mm×1600mm+Φ45mm×1300mm.
4 新技术在测井中子发生器的应用
4.1 中子管
在早期产品中,中子管采用玻璃管、商品靶.玻璃的软化温度低,
寿命得不到保证,此外,商品靶内的氚会被氘置换,
浓度降低,中子产额很快下降.最近几年开发的中子管,以后充氚、自生靶、陶瓷封接为主要技术,提高了整体工艺技术,采用先进的设备为基础开发出了耐高温、长寿命中子管,有望近期内可以供应市场.
表2 新开发的中子管技术参数
犜犪犫犾犲2 犜犲犮犺狀犻犮犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狅犳犱犲狏犲犾狅狆
犲犱狀犲狌狋狉狅狀狋狌犫犲产品系列名称几何尺寸/mm产额
/(n·s-1)工作温度/℃使用寿命/hMZ30BΦ30×2101.5×108
150150MZ25
Φ
25×2101.0×10
8125
100
从表1和表2的技术参数对比可知,
新开发的中子管在一定程度上满足了测井工程所需要的小管径、长寿命、耐高温的技术需求
.
图1 两种阳极脉冲高压输出波形对比
Fig.1 Comparisonofwaveformindifferentanodepulsedhighvoltag
e4.2 中子发生器
4.2.1 宽频带离子源脉冲高压
随着电子技术的飞速发展,大功率集成电路、表面贴片工艺等逐渐被中子发生器的设计者们广泛采用,用开关管电路替代以往变压器升压变换电路即为一例.在2kV左右直流高压输入后,通过开关管交替导通,产生脉冲方波,满足了有些测井仪器对中子发生器宽频带、锐截止的要求.该电路主要技术指标如下:
(1)频率范围:100~10000Hz(频率和占空比可调);(2)脉冲上升沿<1μs,下降沿<1.5μs
(带中子管负载,传输线为1.5m)
;图2 稳定中子产额控制电路
Fig
.2 Controlcircuittostableneutronyield4
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郑世平,等:测井中子发生器(3
)脉冲平顶降<1%.脉冲中子的形状关乎测井的精度和质量,开关管电路的实现,无疑使中子发生器的整体性能得到
提升,
我们目前研制的脉冲中子伽马谱中子发生器已设计使用了这一技术成果
.
图3 加稳定中子产额电路前后效果比较
Fig
.3 Resultofaddedcontrolcircuittostableneutronyieldcomp
arewithitwithoutthecontrolcircui
t图4混合样中子次生γ能谱
(a)非弹γ能谱,(b
)活化γ能谱Fig.4 Neutroninducedgammaspectrumofmixturesamp
le(a)Inelasticscatteringgammaspectrum,(b)Activationgammasp
ectrum4.2.2 产额的稳定
中子管中子源与同位素中子源相比,产额稳定性较差,这不仅与电路的工作情况有关还与中子管的工艺、核反应的随机性等因素有关,以往生产的中子管产额相对波动为10%,严重的影响了中子发生器的应用范围.为此尝试通过电路控制进行产额稳
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定,该项工作取得了较满意的结果.
影响中子管产额的是加速高压、入射离子流,其中加速高压对产额的影响十分明显.基于这种思想,设计稳产控制电路,基本控制原理框图见图2.该控制回路在中子管正常工作时能有效的稳定中子管的产额,为了真实记录稳产的效果,用了两路探测器,一路是BGO慢中子探测器,另一路是NaI伽马探测器,从这两路探测器中得到了结果一致的产额曲线见图3.两条曲线分别是中子探测计数和伽玛探测计数.每条曲线的前半段为增加稳产控制的中子发射,后半段为不加稳产控制的中子发射.从曲线上可以看出,稳产效果十分明显.
产额的稳定,无疑拓宽了中子管的使用领域,例如元素含量分析方法对稳定性有较高的要求,若用普通的中子发生器难以满足.我们对混合样品用该稳产中子发生器照射,通过分时处理,一次采集样品中元素的非弹、俘获、活化伽玛,测量结果见图4,通过解谱后计算峰面积就可推知绝对含量.
5 结束语
随着科技的发展,脉冲中子发生器不仅在测井领域得到了很大的发展,近几年越来越多的实验室、院校、研究部门也尝试利用脉冲中子发生器进行分析和方法研究,有的研究成果已经成功地运用于我国的工、农等领域.我们相信,随着技术的不断进步,在一定的时期内,脉冲中子发生器作用会得到很好的发挥.
参 考 文 献(References):
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测井中子发生器
作者:郑世平, 秦爱玲, 赵舒平, ZHENG Shi-ping, QIN Ai-ling, ZHAO Shu-ping 作者单位:中国石油集团测井有限公司,西安,710061
刊名:
地球物理学进展
英文刊名:PROGRESS IN GEOPHYSICS
年,卷(期):2009,24(4)
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3.肖坤祥;周明贵;谈效华小型石油测井中子管的参数测试[期刊论文]-中国测试技术 2004(04)
4.梁峰测井用系列密封中子管 1994(06)
5.肖坤祥;周明贵小型石油测井中子发生器[期刊论文]-石油仪器 2004(04)
本文链接:/Periodical_dqwlxjz200904047.aspx。