脉冲中子氧活化测井仪用户手册(邹)

脉冲中子氧活化测井仪用户手册1、概述目前我国许多油田已进入三次采油阶段，注聚合物使得许多井内的黏度增加，传统的涡轮流量计和同位素视踪法已不能获得满意的测量效果。

电磁流量计虽可对笼统正注注聚井进行测量，但对于笼统反注和配注井却无法正确测量。

我们公司生产的这种测井仪器可以满足注聚合物水井吸液剖面测井工作的需要，同时该仪器对水井的找窜、找漏也可进行正确判断，可为三次采油及工程技术改造提供可靠的注入剖面测井资料。

仪器采用三芯供电方式，单发三收，单向测量方式，可通过仪器掉头方式，来实现双向水流的测量。

仪器采用20.83K的曼玛来进行传输，并可以下传指令l来控制中子发生器的工作状况。

2、仪器的基本数据和技术指标：2.1 几何尺寸：仪器外径：43mm仪器总长：4500mm中子发生器短接：2100mm采集传输短接：2470mm近探测器距离：450mm中探测器距离：900mm远探测器距离：1800mm2.2 技术指标：2.2.1适用范围：仪器可用于笼统井的测量，也可用于配注井的测量。

耐温125 ℃耐压60MPA 2.2.2仪器技术指标仪器三芯供电（探测传输供电）：75V，一般工作电流85mA左右，灯丝工作时可达100mA以上。

仪器二芯供电（靶压供电）：80V，80mA左右。

当需要增加或减小中子产额时，可适当增加或减小供电电压。

仪器信号传输采用20.83K的曼玛信号，可下发指令。

3、仪器基本结构和工作原理3.1仪器的结构仪器主要由两部分组成：采集传输短接和中子发生器短接。

采集传输短接里又包括五芯接插件、磁性定位器、电源总承部分、远探测器、电路处理部分、阳极脉冲电路总承、中探测器和近探测器和七芯接插件等部分。

连接形式如下图：其中五芯接插件的外壳习惯上称为三芯，为仪器采集传输电路供电芯。

五芯接插件的一环（中间芯）习惯上称为二芯，为中子管靶压供电芯。

五芯接插件的三环习惯上称为一芯，专门用来进行信号的传输。

七芯接插件的定义为一芯为信号线，二芯为靶压供电线，三芯为电路供电线，四芯、五芯为灯丝供电线，六芯为地线，中间芯为阳极脉冲线。

中子发生器短接里又包括七芯接插件、中子发生器总承、七芯接插件、高压驱动电源总承和五芯接插件等部分。

连接形式如下图：其左面的七芯接插件与仪器采集传输短接连接，连线方式也与其相同。

中子发生器与高压驱动的七芯接插件的连线定义为一芯为信号线，二芯为靶压供电线，三芯为电路供电线，四芯为倍压器正供电线，五芯为倍压器负供电，六芯接地。

中间芯为空。

五芯接插件的定义方法同采集传输短接的五芯接插件定义相同。

三芯电缆头也采用五芯接插件，定义方法也完全相同。

这样，通过采用仪器掉头的方式，就可以实现对上下水流的测量。

测上水流时，发生器短接在下；测下水流时，发生器短接在上。

3.2仪器的工作原理仪器的工作原理要想了解氧活化测井仪器的工作原理，必须了解中子与物质的作用。

脉冲中子氧活化测井仪采用的中子源是中子发生器。

仪器工作时采用间歇式发射快中子的方式，中子能量为14MeV。

快中子射入地层，与地层物质相互作用，产生多种核反应。

这些反应可分为散射与吸收两类。

散射又包括非弹性散射和弹性散射。

吸收包括高能中子的活化反应和低能中子的俘获反应。

a) 非弹性散射，这是高能中子与靶核产生的一种非弹性碰撞。

碰撞后散射出较低能量中子。

中子损失的能量一部分转化为靶核的动能，一部分转化为靶核内能使其受激。

当这些激发态靶核很快退回基态时便放出一定能量γ射线。

我们中子氧活化测井仪近、中探测器在有阳极脉冲时即探测到的很高的伽玛计数即来自于该射线。

非弹性散射只在中子能量很高时才发生，因此它几乎只发生在14MeV快中子发射的持续期间。

b) 弹性散射，这是中子与靶核发生的一种弹性碰撞过程。

碰撞前后总动能不变。

经过碰撞，中子把部分动能转化为靶核的动能，自己成为较低能中子，即被减速，无伴随γ射线产生，仅仅是一个减速过程。

高能及较高能中子，在物质的减速主要是通过弹性散射。

c) 辐射俘获反应，这种核反应的特点是，中子被它撞击上的靶核完全吸收即俘获，靶核受激，然后快速退回基态，成为该核素的一种同位素，并放出较高能量的伽玛射线，称俘获γ。

一定元素放出一定能量的俘获γ。

d) 活化反应，快中子除与原子核产生非弹性散射外，还能与某些元素发生核反应。

反应后中子被吸收，靶核成新核，这些原子核常常是放射性同位素，还将衰变，并具有较长半衰期，衰变中放出β或γ射线，这种γ辐射被称做活化伽玛。

脉冲中子氧活化仪器就是通过探测水中氧原子与中子发生核反应所产生的活化伽玛射线（该伽玛射线的能量为6.13MEV ）的时间谱，在已知探测器源距的情况下，通过测量水从中子源流动到探测器所用的时间，用公式（1）测得水流速，流速乘以截面积，就可得出水的流量。

V=S/T (1)式中：V —流体的流速；S —探测器到中子源的距离；T —水从中子源流到探测器所用的时间。

3.3中子发生器工作原理要向了解仪器的工作原理，必须先了解中子发生器的工作原理。

中子发生器由中子管和高压倍压电路组成。

3.3.1中子管结构中子管结构见图1-1。

中子管型号为MZ-30，系玻璃密封中子管。

外形尺寸φ30×200。

内部结构包括两大部分：离子源和靶。

3.3.2中子管工作原理密封中子管实质上就是一个小型静电加速器式中子源。

由离子源产生，经过引出孔引出，在加速间隙中被加速，当靶极加上近100kV 能量，打到靶片上既产生D-T 核反应，放出快中子，反应式为：反应产生的中子几乎是14MeV 单能中子—快中子。

详细原理如下：MeV n He T D 6.1710423121++→+离子源工作原理：中子管未工作（仪器未通电）时，氘存储器热丝没有电流或较小，中子管处于高真空状态（10-3Pa）。

仪器工作时，离子源控制电路向热丝提供一定加热电流I f，氘存储器内的钛粉被加热，放出氘气。

气压平衡后，气压与加热电流具有一定对应关系。

因此可借助调节I f来控制气压。

通常I f在0.25-0.30A之间，管内气压约（1-5×10-2Pa）。

中子管阴级阶地。

当阳极也处于低电位时氘气是处于分子态或原子态，既不导电。

当阳、阴极加上约2400V正脉冲电压Va时，且在脉冲电压的维持期，阳阴极之间的空间出现较强电场，这个电场具有势井特征，中性氘气中总存在个被氘离子和电子（称引燃离子），这些氘离子带正电，在电场加速下飞向阳极。

由于电场具有势井特征，以及运动电子在磁场中还受到洛伦次力作用，这些电子在飞向阳极途中是沿着往返螺旋路径，这样便大大加大了飞越路程，从而在即使较低气压下也形成碰撞电离，电离引发加倍数量氘离子和电子，电子再飞向阳极，离子再打阴级产生更多二次电子，如此倍增，很快形成雪崩放电，导致中子管迅速进入电离状态，阳阴极间停止放电。

一定气压、一定阳极电压（磁场已固定），对应一定强度的放电电流。

在阳极电压的频率与占空比一定下，其平均电流Ia亦固定。

这就是离子源的功能及工作原理。

仅有离子源工作，而靶极上不加足够高电压，氚离子得不到加速，D-T反应还不能发生。

欲得到快中子，靶极上还要加近百千伏负高压V T。

这样在加速间隙中形成很强静电场，电场方向由阴级指向靶极。

该电场通过阴级孔产生一定渗透，使氘离子引出一部分并在加速间隙中被加速，获得近百kev能量，打到氘靶上，产生D-T反应，放出快中子。

由于离子源工作于脉冲方式，因此快中子亦呈脉冲式发射。

中子管气压愈高，放电电流Ia愈大，靶流I T亦大，中子通量亦高。

但气压过高，对加速隙耐压不利，还会造成靶极热负荷过大，导致靶极放气。

因此中子管工作时，Ia 必须运用适当。

明白了中子管原理，也就同时理解了中子管工作时必须具有一定相关电路。

这些电路向中子管阳极提供一定幅度、宽度和重复频率的脉冲电压Va。

提供热丝加热电流If。

还要在要时向靶极加上靶压V T，它通常为-80—110kV.3.4电路工作原理先通过三芯给仪器探测器部分，接箍部分，CPU部分供电。

70-80V的电缆电压经过低压电源后转换出仪器正常工作所需要的+24V，±15V和+5V电压。

它们再给CPU，探测器高压、阳极高压、和灯丝电源以及驱动部分供电。

探测器高压给近、中、远三个伽玛探测电路的三个光电倍增管供电，光电倍增管探测伽玛射线。

当中子管工作时，它们探测活化氧的时间谱。

中子管不工作时，远探测器可用来探测地层的自然伽玛曲线。

三个探测器所最后产生的都是脉冲计数信号。

阳极脉冲高压电路的作用就是输入端当有一个0-5V的控制脉冲时，在输出端产生一个0-2KV的高压，来给中子管里的氚气产生电离。

控制信号来自于CPU，它能以30秒和60秒两种周期，任意占空比的形式来产生，这种控制是通过下发指令来实现的。

在通常情况下，阳极脉冲有一个默认的发射时间为2秒，周期为60秒的的阳极脉冲信号。

灯丝电源也是由下发指令来控制的，地面下发的指令到达CPU后，经过D\A转换后，产生一个0-10V的直流电平，来控制灯丝电源产生一个0-7V的灯丝电压。

该电压给灯丝供电时，通过电路部分产生一个灯丝电流参数，经A/D转换后，经CPU编码传至地面。

通过灯丝电流的调节，可以更好控制中子发生器的工作状态，延长其使用寿命。

CCL信号经过A/D转换后，也经CPU编码传至地面，该CCL可做辅助校深，也可测量井下工具，更好的确定仪器测量点。

需要打中子时，给二芯靶压供电。

经过一个高压驱动电路后，给中子管的倍压器供电，在这里产生一个负10万V的高压，给中子管靶压供电。

二芯、三芯缆头电压经采样后，也都经A/D转换后传至地面，以便对井下仪器的工作状态进行控制。

CPU将各路信号编码后，经过驱动后直接经电缆一芯传送至地面处理系统。

警告：在地面时，如果不加屏蔽，千万不能二芯、三芯同时供电，以免误射中子，对人体造成伤害。

4、仪器的使用与维修4.1 仪器的操作测量下水流时，仪器连接顺序该是中子发生器在上，采集传输短接在下。

测量上水流时，则是采集传输短接在上，发生器在下。

在下井前，先给仪器二芯供电，缆头电压30V左右时，开始有电流输出。

然后二芯供电断开，给三芯供电，缆头电压在70V左右时，电流应该在80mA左右，此时，一芯该有曼玛信号传上来。

下发阳极脉冲时序指令，灯丝电压控制指令，都正确无误后，切断电源，仪器可以下井。

下井速度应控制在3000M/H以内。

在下井时，可给仪器采集传输电路供电，以监测地层自然伽玛信号和井下工具、接箍情况。

到达目的层位时，需要中子发生器工作，先通过地面下发指令，给仪器的灯丝进行预热。

灯丝电压加载时，只能采用最多0.5V步长的步进方式给灯丝加电压。

注意监测灯丝电流，当灯丝电流与给定中子发生器的额定电流吻合时，再给仪器靶压供电，通过近探测器来探测中子产额，有中子产生时，可通过提高或降低靶压的方式来控制产额，保证测井质量。