新型小直径中子发生器的研制

杨建峰

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163453)

0 引 言

大庆油田已经进入特高含水期，储层动用程度提高，挖潜难度增大。对部分剩余油富集区的增产挖潜主要采用水平井的方式[1-2]。在水平井套后剩余油监测技术领域，斯伦贝谢RST、哈里伯顿RMT和贝克休斯RPM等小直径测井仪均可在水平井套后评价剩余油，目前国内尚无相关技术。为了打破技术垄断、解决油田测井需求，在现有PNST[3-4]测井技术的基础上，将仪器外径缩至54 mm，同时保证现有技术的性能指标能满足实际生产需要，因此要设计一种新型小直径自成靶中子发生器。

本文介绍了新型小直径发生器的设计过程及关键技术，与PNST-3D测井仪配接后，在现场生产测井过程中，新型中子发生器技术参数稳定，性能可靠。

1 小直径中子发生器设计方案

新型的小直径自成靶中子发生器是为54 mm水平井套后剩余油测井仪(PNST-3D型)配接使用而设计的,设计方案主要包括仪器结构和内部高压绝缘技术及自动控制。仪器尺寸为Φ44 mm×760 mm。内部骨架结构实现一体化，整体更加稳定，外部采用可阀密封的金属外壳，内衬聚酰亚胺绝缘筒，绝缘筒内充六氟化硫气体。选用外径33 mm的新型自成靶中子管，外形相比大尺寸中子管有所缩减，新中子管离子源引出比更高，靶功耗更低。从左至右依次装有高频变压器、靶压倍压电路及自成靶中子管。图1为该发生器结构图。

图1 小直径自成靶中子发生器结构示意图

2 关键技术的实现

2.1 中子管

中子管作为中子发生器的关键部件，其技术指标和可靠性直接决定了中子发生器的整体性能。PNST-3D测井仪中子发生器采用了外径33 mm的新型自成靶中子管，耐温150 ℃，寿命≥120 h。

为了适应仪器的需要，新型中子管在缩小尺寸的同时仍要保证中子产额的稳定输出，为此对离子源阴阳极间隙、电场分布、绝缘、离子散射、散热等优化了设计，通过建模及多次实验，确定了靶底形状和厚度，提高了中子产额[5]，满足测井需要。

2.2 高压绝缘技术

高压绝缘是中子发生器设计方案中另一个关键技术。靶端高压输出是由整套的倍压电路组成，作用是输出-130 kV的靶高压。随着中子发生器直径的缩小，在有限空间内实现高压倍加技术，并提高高压的负载能力，同时对绝缘和耐温性能也提出了更高的要求。

靶端高压输出的大小由变压器的变换效率、倍压级数以及相互之间的匹配等因素决定，有些因素存在彼此相互制约的关系，比如缩短仪器的长度就要减少倍压级数，经过分析对比，最终确定如下方案。

1)高频变压器 选用高磁导率的超微晶磁芯作为高压变压器磁芯材料，重新设计了线圈初次级匝数比。在缩小变压器尺寸的同时保证靶端高压输出效率，降低功耗。

2)倍加器电容 在保证耐温指标的同时，选用漏电流更小、尺寸更小的电容和硅堆制作高压输出的倍加器，重新设计倍加器电路，采用单面布局，进一步缩小倍加器尺寸。变压器端口电压经过倍加器后产生-130 kV的输出高压。

3)绝缘方式 小直径中子发生器改进了充气绝缘和隔热结构，提高了发生器内部绝缘气体密度，保证中子发生器耐温指标和绝缘性能。

2.3 中子发生器自动控制系统

中子发生器在工作时通过靶压变换器进行直流逆变，输入电压为130 V直流电，经过滤波，经过控制电路中MOS管的轮流导通产生高频脉冲波，通过高频变压器进行变压，输出交流电。工作频率由电路产生并可调，与升压多级倍加器电路相互匹配，将产生0～130 kV负高压。

中子管电离由2个参数决定，即阳极脉冲高压和氘氚储存器电流。阳极高压电源产生电压为0～2 000 VDC的正高压，通过高压开关模块输出直流且占空比可调的阳极脉冲高压。氘氚储存器控制器是能输出电压+5 V、电流1 A的可控制电源，通过控制电路自动调整储存器的电流，以调节中子管内的气压，从而达到离子源的稳定电离。

中子发生器稳控电路[6]流程如图2所示，稳控的实现步骤为：1)先通过地面控制系统给中子管灯丝电流置入较小初值，预热中子管。2)通过回馈的阳极电流信号取样值，与单片机设定的阳极电流标准电离电流信号的取样值相比较，设定了若干灯丝步长，让阳极电流逐渐靠近标准值时达到稳定，灯丝值不变，保证中子产额的稳定。

图2 中子发生器工作原理框图

3 中子发生器试验结果

为了检测仪器设计方案的合理性和可靠性，在实验室内对中子发生器进行了高温试验和室内仪器配接，整理试验数据，绘制表格。

3.1 中子发生器高温试验

中子发生器高温条件下的稳定性是一项重要指标[7]。为保证中子发生器-130 kV靶压高压电源在高温环境中稳定工作，电路中的关键元件都经过高温测试筛选，对其在高温条件下的中子产额检测如下。

从表1中可以看出，中子发生器在150 ℃环境温度下中子产额比较稳定，变化率较小，为测井仪提供了可靠、稳定的可控中子源。

表1 中子发生器耐温指标检测

3.2 中子发生器与PNST-3D测井仪的室内试验

在室温条件下，中子发生器与测井仪连接，由地面电源给仪器供电，记录不同靶压下仪器的工作状态。图3显示了测井仪靶高压在-100 kV下的能谱曲线，可以看到中子发生器工作状态稳定，中子产额稳定。

图3 PNST-3D能谱曲线图

4 结论

1)通过对中子管、高压绝缘、种子发生器自动控制等关键技术的设计和优化，研制了能够与PNST-3D测井仪配接使用的新型小直径中子发生器。

2)试验测试结果表明，小直径中子发生器在密封高压和自动控制方面实现了预期的技术指标，通过试验可知中子发生器150 ℃高温下技术参数稳定，达到了设计和测井仪器的要求。