国产MZS-5中子发生器的工作原理及其在进口RMT仪器上的应用

葛晓龙 王宏伟

(1.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江大庆) (2.大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江大庆)

国产MZS-5中子发生器的工作原理及其在进口RMT仪器上的应用

葛晓龙1王宏伟2

(1.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江大庆) (2.大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江大庆)

文章介绍了国产MZS-5中子发生器的工作原理及其与进口RMT仪器配接的过程中出现的问题。最后,通过对比实验数据,找出了MZS-5中子发生器的最佳工作点,使其与进口RMT仪器成功配接。

中子发生器;中子管;RMT碳氧比测井仪器;配接;使用寿命

0 引 言

RMT碳氧比测井仪器在国内应用已有十年时间,它与国产的碳氧比仪器比较,仍然具有自动控制程度高,仪器工作稳定,资料准确可靠的优势。但仪器中的中子发生器为有限寿命产品,需要从美国原装进口,且价格昂贵,进口和维护、维修时间都过长,严重影响了RMT测井仪在油田的推广使用。因此,用国产中子发生器替代进口产品很有必要。

1 MZS-5中子发生器的工作原理

MZS-5中子发生器[1]由中子管和高压电源组成。在控制器的驱动下,借助氘氚反应,通过控制离子源的阳极脉冲频率和脉冲宽度,得到需要的脉冲中子束流,中子的能量为14 MeV,与井筒周围的地层元素相互作用,产生非弹性散射伽马射线和俘获伽马射线。通过对伽马射线的测量,为探测油井的剩余油饱和度或井筒内外水流情况提供重要的测井资料。

MZS-5中子发生器在直流稳压电源、控制器和贮氘器电源、离子源电源的配合下工作,产生满足要求的中子束流,工作原理框图见图1。

图1 MZS-5中子发生器工作示意图

控制器的主要功能是为高压电源提供1 kHz左右(一般情况下频率为1 050 Hz)的驱动脉冲。

直流稳压电源的功能是为控制器的驱动电路提供电源电压以及为中子管的灯丝提供电流。

离子源电源的功能是为离子源的阳极提供约1.8 kV电压,并决定中子发生器发射中子束流的方式。

高压电源是由高压变压器和高压倍加器组成。在1 kHz驱动脉冲的控制下,产生中子管工作时所需的最高约-90 kV的工作靶压。

中子管是产生中子的关键部件,本发生器所用的中子管属于充气型中子管,灯丝在中子管中提供氘气并能调节管内氘气的压强。灯丝释放的氘气量由灯丝的电流大小调节的。当灯丝的电流大时,放出的氘气就多些,管内压强升高;反之管内压强就降低。离子源是石油测井中子管中的一个核心部件,它的结构和性能对中子管的稳定性、中子产额和寿命具有决定性的影响。MZS-5中子发生器工作时离子源阳极上加约1.8 kV的脉冲电压。

灯丝释放的氘气在电磁场的作用下,电离成所需要的氘离子。产生的D+离子,在-90 kV高压的加速下,轰击氚靶,产生快中子,中子的能量为14 MeV。

2 MZS-5中子发生器与进口RMT仪器配接

2.1 RMT对中子管的控制过程

要实现国产中子管与进口RMT[2]碳氧比仪器的配接,首先要清楚RMT仪器对中子发生器的控制过程。

中子管控制电路包含有与遥测接口的微控制器,它可以启动并控制中子管,且监测中子管信号以确保中子管工作正常。它同时还与中子管驱动电路中的EEPROM驳接,EEPROM内存有中子管的工作参数及中子管的刻度数据等,仪器上电后,EEPROM中的数据被控制电路中的微控制器读出,且当控制电路板通过μLAN总线接收到START GENERATOR(启动中子发生器)指令时,其通过数模转换器(DAC)控制着中子管的灯丝、中子管电源使能,并设置它们在各自给定的值上。中子管灯丝、中子管电源及离子源电源的采样反馈值经由多路开关送到发生器控制板的模数转换器,传送给微控制器,将反馈的数值与设定的数值比较,直至离子流稳定在80μA,靶压和灯丝电流都稳定在设定的工作值附近。此时,中子产额在5 000 CPS左右,才能满足测井要求。要将国产MZS-5中子发生器与RMT仪器配接并且工作正常,必须满足两个条件:离子流稳定在80μA;中子产额达到在5 000 CPS左右。

2.2 MZS-5型中子发生器与 RMT测井仪器对接实验

2004年,此次实验采用的是将中子管与进口的RMT中子发生器的倍压电路对接后的中子发生器。虽然最终实现了仪器的自动控制,但因灯丝的工作不稳定,造成束流无法控制在80μA,从而不能进入测井状态而告终。

2005年,此次实验依然采用国产中子管与进口的RMT中子发生器的倍压电路对接后的中子发生器。但灯丝是经过改进的。虽然本次实验进入了测井状态并发射中子12 h以上,最终以中子发生器内部倍压电路损坏而告终。

2006年,次此实验采用的是国产化中子发生器MZS-5。该中子发生器对于RMT、SPFL测井仪器来说无论是灯丝的控制还是束流的控制基本上达到了要求。但中子管的使用寿命只维持30个小时左右。

2007年,针对2006年MZS-5中子发生器使用寿命偏低的现象,对中子发生器内部倍压电路倍压后的靶压偏高、阳极工作不是很稳定的现象,对MZS-5型中子发生器倍压电路、中子管的阳极结构做了改进,但在中子管工作稳定性和使用寿命方面与要求仍有一定差距。

2009年,在对中子管的阳极进行了进一步的优化后,消除了阳极在使用一段时间后绝缘降低,造成阳极工作不稳定等因素,并与进口RMT中子发生器的工作参数进行了详细的比对测试,详见表1和表2。经实验室测试,找出了中子管工作稳定性和使用寿命方面的问题。

通过表1和表2的数据对比可以看出,进口发生器和国产中子发生器在参数方面一致的地方就是在取样值为660 mV左右时,对应的中子产额值都在5 500～6 000,这个产额也是仪器理想的测试产额。因此,只要将国产MZS-5中子发生器的取样值为660 mV时的灯丝电流和靶压值设定为此中子管的灯丝工作电流和工作靶压,就可以很好地适应RMT仪器对中子管工作点的要求,使他们更加协调地工作。在工作寿命方面,只要对离子源阳极进行合理的改进,就能满足60个小时以上的要求。

表1 引进中子发生器试验数据

表2 国产MZS-5中子发生器试验数据

2010年4月,对改进后的2支中子发生器进行联试,根据联试结果,发生器的稳定性和使用寿命较以前有了突破性的改善,能完全满足进口RMT测井仪的要求,目前两支发生器 已累计测井50多口,使用寿命均超过70 h。

3 应用效果

图2所示为一口油井,进行了RMT测井。RMT测井结果与裸眼井测井资料以及地质和开发规律相符。

图2 采用MZS-5中子发生器的RMT仪器的测井图

4 结束语

通过多年的室内测试与现场实验,使得国产的MZS-5中子发生器的各项技术指标逐渐接近引进的中子发生器的水平,并实现了稳定的配接工作状态。

相信随着技术水平的提高和对进口中子发生器研究的进一步深入,国产的MZS-5中子发生器无论在技术指标,还是在使用寿命上都能达到或超过进口的中子发生器的水平。

[1] 肖坤强,周明贵.小型石油测井中子发生器[J].石油仪器,2004,18(4)

[2] HALIBURTON公司.Reservoir monitoring tool service manual.2000(资料)

The Principle of domestic MZS-5 neutron generator and its application in RMT.

Ge Xiaolong and Wang Hongwei.

This paper introduces the principle of domestic MZS-5 neutron generator and the problems appearing when it is used in the reservoir monitoring tool(RMT).Based on the test data,the best working point of the MZS-5 neutron generator is found,which makes it reach the good working state with RMT.

neutron generator;neutron tube;RMT(Reservoir monitoring tool);using lifetime

P631.8+17

B

1004-9134(2011)03-0027-02

葛晓龙,男,1964年生,工程师,1987年毕业于大庆石油学院,现在大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司十一大队从事测井仪器维修工作。邮编:163453

2010-01-18编辑姜 婷)

PI,2011,25(3):27～28,31

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