PNN测井仪工作原理与典型故障维修

陈新君

(中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部塘沽基地，天津 300452)

0 引言

在油田的开发过程中，部分产出井随着年限的增加，不同程度地存在着减产现象，同时也会遇到含水升高的状况。这就需要有针对性地对于这些老井采取一些必要的措施，提高剩余油的采收率。此时，如何摸清井内信息，就需要一种能够较为真实反映井况的测量仪器。饱和度测井仪在近年来的成熟应用，为老井采取相对应的增产措施提供了必要的数据支持，取得了较好的效果。PNN（Pulse Neutron Neutron）测井仪能够测量管外的流体、空隙度和饱和度， 在判断水淹层，寻找潜力层和未动用层，有效识别气层，识别低阻油层，定量计算地层含油饱和度、中子孔隙度，定性识别岩性等地质应用方面发挥着重要作用[1]。同时以其操作方便、无污染、可靠性高等特点，在低矿化度和低孔隙度油井作业中使用率逐步升高。

1 PNN井下仪器的组成、功能和工作原理

1.1 PNN井下仪器的组成

PNN井下仪器串由4节可独立拆装的短节组成，依次分别为：通讯短节（COMMUNICATION SECTION）、伽马短节（GAMMA RAY SECTION）、探测器短节（NEUTRON DETECTOR SECTION）和 中子发生器短节（NEUTRON GENERATOR SECTION）。

1.2 PNN井下仪器的功能和工作原理

PNN测井系统分为地面系统和井下仪器两个部分，二者由测井用单芯电缆连接。井下仪器在供电后即开始向地面系统发送数据，其3种工作状态则通过地面系统的软件进行切换，分别为：Ramp、GR/CCL、Fire。前两种模式为通讯调节和校深辅助作用，测井段中则使用Fire模式，采集探测器中的长短源距原始值。

PNN仪器的中子发生器为整套仪器的核心部件，其能够在地面系统的控制下发射能量为14.1MeV的快中子，与化学源相比，它发射出的中子数量大，能量高且一致性好。在经过与地层的作用后，能量衰减，形成超热中子和热中子，探测器HE3探头外部存在很薄的镉结构，使得其能够吸收能量为0.025eV的热中子，对超热中子不起作用。地面系统会采集记录探测器的长、短源两个源距的HE3探头从快中子束发射3Os后的1800s时间内的热中子记数率的数据，时谱记录分为6O道，每道3Os，依据厂家中子能量的衰减算法，可获得地层的宏观俘获截面。然后根据相对应的解释软件，可获得相对准确的测井资料。简言之，该方法通过测量地层中热中子数量随时间的变化关系，通过特有的处理手段和解释方法，在不洗井、不关井的条件下，成功地实现了过套管或油管的储层监测，为油田的后期开发及剩余油开采，提供了一种非常重要的监测手段[2]。

1.2.1 通讯短节功能和工作原理

该短节主要功能为通讯数据的编解码，接收地面发送的命令实现对仪器串的控制，同时将自身和其他3支仪器的探头数据数字化后打包上传。它本身设计有磁定位和温度探头，在供电后，就开始向地面系统发送数据，尝试建立通讯即Ramp模式。若通讯不好，应调节地面面板GAIN按钮。在此模式下，仪器的各功能已被激活(除中子发生器)，目的为检测PNN系统是否工作正常。

通讯短节包一个CCL短节、内外两个温度探头及信号处理板和电源板。其中核心部分为信号处理板，其包含信号调理、模数转换、微处理器等电路，命令信号的译码、探头数据的数字化、中子发生器的控制、与地面系统的通讯均由该电路板完成，同时内部温度探头也在其上。电源板，顾名思义就是为仪器提供电源的电路，主要为+5V、+Vcc、+5Vref等，需要特殊指出的是，在信号处理板接收到地面Fire命令并译码后，由该电路上的芯片Q1将信号驱动到中子发生器电路上[3]。

1.2.2 伽马短节功能和工作原理

作为测井作业中最为常见的工具，该伽马短节与常规伽马基本相同，均是探头在接收到地层γ射线后产生荧光，由光电倍增管接收转变为电信号，经由前放电路处理后，送入到通讯短节信号处理板上的计数器进行计数后上传到地面。其电源电路包含低压和高压两部分，低压电路为前放电路（+12V）和高压模块供电（+65V）,高压模块则仅为光电倍增管供电。根据光电倍增管的特性，该高压输出设定在1050VDC，在探测器的探头供电中也用到了该型高压模块，但高压值被设定在1500VDC。

1.2.3 探测器短节功能和工作原理探测器短节包含了仪器串中最为关键的传感器，即长源距和短源距两个距离不同的HE3探测管，它们能够探测能量为0.025eV的热中子，在高压驱动下形成电信号，输出一个脉冲，经电路放大和鉴别处理[4]，再送到通讯短节进行处理，将数值传输到地面系统软件进行计算、处理和显示。因此，它使得PNN仪器具备了测试套管外流体、孔隙度和饱和度得功能。该类型的HE3探测管周围有一层薄镉片，它能够让超热中子透过而不扩散，但能够吸收热中子，这使得探测器的探测精度更高，求得俘获截面更为真实。

1.2.4 中子发生器短节功能和工作原理

中子发生器为PNN仪器串中的核心部件，其功能就为在供电和驱动信号二者兼备的条件下，能够产生数量足够且能量为14.1MeV的快中子。因其在常规状态下没有放射性，使用方便，且产生快中子的数量多，能量统一，在测井作业中较化学源有突出的优势。但其寿命有限仅为200小时左右，使用成本较高。

该型中子发生器包括3KV电源和 MONOBLOCK两个部分。当地面系统切换到Fire模式时，通讯短节接收到命令，继而产生脉宽为30uS，间隔为75mS的方波（部分仪器为85mS），信号送到3KV POWER SUPPLY-CONTROL电路板。经过处理后，最终形成关键的控制信号T2、T7、T8。T2信号为OSC信号，其直接驱动开关管2SK1544导通与否，进而将直流电源转变为交流电，使得其能够经Tr1和Tr2两变压器升压，4路输出分别接到Cascade Board，其功能为倍压，最终形成3KV直流电源[5]。而T7和T8信号则用来控制高压开关，经过其控制后的3KV电源波形（需使用高压衰减探头衰减1000倍后输入示波器）如图1示，该电源输入到MONOBLOCK后，其就会产生大量能量为14.1MeV的块中子。

MONOBLOCK部分为一个整体密封部件，内部注油绝缘硅油，包含高压100KV倍压电路和中子管两个关键部件，在维修中，需整体更换。中子管内含有低压的氘和氚，通过加速氘离子到一定速度使其撞击氚靶，此时即能产生14.1MeV的块中子。

图1 输入MONOBLOCK的3KV高压Fig.1 MONOBLOCK 3KV high voltage input

2 典型故障分析及解决思路

在长期的作业使用中，尽管PNN仪器稳定性较好，但随着面板的使用、自身老化、海上吊装震动及误操作等原因，故障也偶有发生，通过实际案例分析，希望对读者有一定的参考意义。

2.1 无法建立通讯

故障现象：地面系统与井下仪器连接完毕，供电后，电压电流正常，无论如何调节通讯增益旋钮，均无法建立通讯。

检测和维修方法：根据PNN仪器的工作原理不难看出，在供电正常后，井下仪器即会持续向地面系统发送数据，此时，根据使用示波器监测电缆上是否有数据传输即可判断出故障设备。若电缆上无任何数据，则可以判断为井下仪器通讯短节故障，为进一步验证，可以在软件中切换仪器状态以向井下仪器发送命令，可以监测到命令波形；反之，则故障出在地面系统上。逐步对信号进行跟踪测量（有条件可使用好的电路板进行调换测试），将故障定位到电路板，然后再应用电路信号的知识进一步判断故障元器件。本案例中无法通讯的故障为静态随即存储器U6（CY7C185-20PC）故障，更换后通讯正常。

2.2 探测器短源距基数值异常

故障现象：在测井作业中发现短源距计数值异常，严重偏小，长源距正常。

图2 He3管更换示意图Fig. 2 Schematic diagram of He3 tube replacement

检测和维修方法：在“Fire”工作模式下，中子发生器工作，快中子在经过与地层作用衰减后，形成能够被探测到的热中子，故通过长短源距HE3探头的接收，经过处理电路计算后发送至地面系统处理显示，正常情况下，短源距值大于长源距。此时短源距严重偏小，长源距正常，由于二源距共用处理电路和高压，故基本上可以判断为长源距HE3管故障，更换方法较为方便，如图2示。验证方法，将长短源距HE3管调后测试，即可确认故障的HE3管。对于长短源距或不同仪器探头的对比，可以采用使用相同中子化学源分别校验。

2.3 伽马值为0

故障现象：“GR/CCL”模式下，伽玛值为0。

检测和维修方法：由通讯短节和伽玛短节的工作原理可以看出， NaI晶体在接收到地层伽玛射线后产生荧光，由光电倍增管接收，从而转变为电信号，经过调理后形成计数值，发送给通讯短节，再由其上传至地面。首先应测量供电150V、65V、12V正常与否，通过对伽马信号的跟踪测量即可判断出故障点所在，其次在伽马信号前放电路输入端测量伽马信号，若有，则说明高压模块和光电倍增管正常，反之，需用高压衰减探头测量高压模块正常与否，以判断广电倍增管的好坏。多数情况下，故障点出现在光电倍增管，其次为高压模块，使用示波器跟踪测量伽马信号，定能查出故障元器件。引起本案故障的原因在于光电倍增管老化损坏。

2.4 Fire模式下电流值偏小，无中子产额

故障现象：在通讯良好的状态下，切换到Fire模式下，发现井下仪器对命令无响应，电流无变化。

检测和维修方法：通过上文工作原理的分析，不难看出，该故障是中子发生器未对Fire命令响应，一是其未收到命令，二可能是控制电路故障。使用示波器测量中子发生器上3KV POWER SUPPLY-CONTROL电路板的T4点，观察有无每隔75mS（有的仪器为85mS），宽度为30uS的方波，若有，则可以判断出故障出现在中子发生器，反之出现在通讯短节。中子发生器故障查找方法（需将3KV模块与MONOBLOCK断开），进而测量控制信号T2、T7、T8，因其电流未有效增加，故障原因出在逻辑控制电路的可能非常大，应予重点检查。本案中，未能在T4处测量到正确波形，将通讯短节拆开去掉保温筒后，测量电源板的T8点，有间隔85mS，脉宽为30uS的方波则判断出MOS管Q1（IRFF420）故障。

2.5 Fire模式下电流值偏大或跳动，无中子产额

故障现象：在作业检查中，前两种工作模式正常，在下发打靶命令后，出现电流剧烈跳动，且无中子产额。

检测和维修方法：该现象可以看出，Fire命令已经到达中子发生器，此时需要测量T4点的波形以验证波形是否正常。一般情况下，中子发生器对信号有响应，即可证明T4波形正常。此时需要将3KV高压与MONOBLOCK断开后，继续下发Fire命令，仔细观察电流，若异常跳动仍然存在，则需按照2.4节中所述测量以判断故障。反之，则MONOBLOCK故障的可能性非常大，为较为快速地排查问题，可以将该3KV高压模块更换到模拟源上或其他好的中子发生器上确认其正常与否。本案中，MONOBLOCK的故障引起电流的剧烈跳动。

3 结束语

随着油田的发展，油井不同程度的减产，在增产的道路上PNN测井仪的使用量将会逐步加大，设备的使用中出现的各种故障同样不可忽视，保持设备状态的良好和故障后的快速修复将显得尤为重要。在对PNN仪器工作原理有较好认知的基础上，通过本文对故障的分析和维修测试方法，从整体构造的原理出发建立相应的维修思路和维修测试方法，实现自主维修将在经济和时间上取得较好的效益，一定能够在节省成本的同时，及时修复仪器，保证一线作业的顺利进行。

[1]胡玲妹,刘存辉,徐建平,等.PNN饱和度测井技术在大港油田中的应用[J].石油钻采工艺,2009,06(增刊1):1.

[2]赵国海,王志敏,董社霞,等.PNN脉冲中子中子（PNN）测井技术[J].石油机械,2005,33(8):75-76.

[3]吴利民,余国文,欧阳华,等.电子学[M].第2版.北京:电子工业出版社,2009:75-84.

[4]余小平,奚大顺.电子系统设计[M].第2版.北京:电子工业出版社,2010:67-79.

[5]胡斌,胡松.电子技术识图[M].第2版.北京:电子工业出版社,2011:124-129.