基于能谱测量的便携自然伽马标准井量值传递系统设计与实现

鲁保平,孙玲,秦力,秦晓红,沈彬,王江波

(1.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,陕西西安710077;2.中国石油集团测井有限公司制造公司,陕西西安710077;3.中国石油集团测井有限公司质量安全监督中心,陕西西安710061)

0 引 言

中国石油集团测井有限公司计量站的自然伽马标准刻度井是自然伽马测井的最高标准计量装置,其API量值是从美国休斯敦大学的自然伽马标准井中传递确定,标称值为(207.45±1.98)API[1]。自然伽马标准刻度井采用单井3层地坑结构,由3种模块叠加而成[2],其中高放射性花岗岩模块、低放射性大理石模块采自美国,石灰岩屏蔽模块采自中国。该自然伽马标准刻度井自建成以来已为大庆、辽河、长庆等油田标准井、刻度器提供量值传递服务。目前量值传递工作采用专用自然伽马测井仪以及带有弱放射源的刻度器进行刻度、装置之间比对测量[3]。近年来随着对放射源的管理愈加严格,含有放射源的装置运输、保管手续繁杂,且原有的自然伽马测井仪及传输短节体积较大,长度达4.6 m、重达100 kg,携带搬运困难,为开展API量值传递工作带来不小难度[4]。为此研发了基于能谱测量的便携式自然伽马标准井量值传递系统(便携量值传递系统),通过测量地层中放射性核素衰变产生的伽马特征能峰面积计数替代原有的总计数方式,使测量结果更加精准[5-7],用工业焊条替代原有带放射源刻度器[8],为API量值传递工作带来诸多便利。

1 系统组成

便携量值传递系统由探测器系统、能谱分析系统及新型自然伽马刻度夹具组成。探测器系统主要用于测量地层中放射性核素铀、钍及钾衰变产生的伽马射线,依据射线能量输出相应幅度的伽马脉冲信号;能谱分析系统用于记录及分析上述脉冲信号并形成能谱数据;新型自然伽马刻度夹具主要用于能谱测量系统的稳定性检查。

1.1 探测器系统

该探测器系统由探测器(由晶体、光电倍增管组成)、高压电源、前置放大电路和电缆驱动电路等部分组成。传统的自然伽马测井仪器均采用碘化钠(NaI)晶体,其优点是能量分辨率较好、价格便宜、应用广泛,但也存在如探测效率不高、易碎、易潮解等问题[9-10]。由于BGO晶体平均原子序数高、密度大,对伽马射线具有很高的探测效率[11],为选择出更合适量值传递应用场景的探测器,对同样尺寸的BGO晶体与碘化钠晶体分别用铯源及铀钍钾混合源刻度器进行对比测量。

图1为同等条件下用相同体积的BGO晶体与碘化钠晶体测得铯662 keV及铀钍钾混合源刻度器(Ey=1.46、1.76、2.62 MeV)的伽马能谱图,通过能谱分析软件可知,对137Cs峰BGO晶体的全能峰计数是碘化钠晶体的2.5倍,1.46 MeV峰BGO晶体的全能峰计数是碘化钠晶体的3倍,2.62 MeV峰BGO昌体的全能峰计数是碘化钠晶体的4.7倍。另外,同样体积下,BGO晶体探测器探测到伽马射线总计数为NaI探测器总计数的3.29倍。同时从测量结果可以看到,虽然BGO晶体的能量分辨率比碘化钠晶体差,但其康普顿散射要小很多,能峰更清晰可辩。图2为BGO晶体和碘化钠晶体的全能峰探测效率比值随伽马射线能量的变化关系,由图2可见,能量越高BGO晶体的探测效率优势越明显。

综合以上对比测试,探测器最终选择采用BGO晶体与光电倍增管一体化封装而成,其外形尺寸为Φ29 mm×130 mm,室温下对137Cs能量分辨率高于15%,探测器内光电倍增管做磁屏蔽。

图1 相同体积的BGO晶体与NaI晶体测得的伽马射线谱

图2 BGO晶体与NaI晶体探测效率比值与能量变化关系

探测器信号经过前放及电缆驱动电路之后,在电缆输出端(接能谱分析仪)输出信号—负向脉冲信号,脉冲根部宽度1.5 μs(最大不超过2 μs),脉冲幅度最大不超过5 V。探测器电路原理框图见图3。

图3 探测器系统测量原理图

1.2 能谱分析系统

能谱分析系统由多道分析器和配套的多道分析软件构成[12-13]。探测器信号经由电缆传输后接入多道分析器,经采集处理后通过CAN-USB转接模块采用虚拟串口通讯方式与电脑连接并接入多道分析软件。多道分析器的原理框图见图4。探测器系统信号经适配放大电路输入高速模数转换器进行连续采样,采集到的波形数字化信号经数字化处理单元进行数字基线恢复、信号堆积处理等脉冲成形处理后,由微控制器(MCU)及接口单元通过通讯串口送入计算机。

使用多道能谱分析软件时,调节能谱分析软件的放大倍数及偏置,使137Cs(661 keV)能谱峰置于200道。能谱分析软件窗口可显示能谱测量所需要的测量时间、道址、单道计数、能量及总面积(总计数)、能量分辨率等信息。当Cs峰稳定在200道时,从所测能谱中可以得到40K特征峰(1 460 keV)与232Th特征峰峰(2 620 keV)的能量及道址信息,伽马各特征峰线性关系(见图4)。

图4 便携量值传递系统测量刻度器伽马射线特征峰线性

1.3 新型自然伽马刻度夹具

传统刻度器一般有2类:①由点状标准伽马源和使其与测井仪器的探测器保持固定距离的支架组成;②由环状伽马源和定位装置组成。这2类刻度器共同特点是带有放射性源,管理严格,运输、保管手续繁杂。在本测量系统中设计了符合新型自然伽马刻度夹具(简称刻度夹具)。该刻度夹具由环形支架及固定在其中的普通工业用焊条组成,支架采用不锈钢设计用于安装焊条。有关资料表明[8],焊条药皮一般由几种甚至几十种物质组成,常用的原材料如石英砂、菱苦土、长石、萤石、云母、大理石、金红石等,都含有232Th、226Ra、40K等放射性核物质。利用焊条含有微量放射性这一特性,选用普通工业用焊条作为刻度器材料。通过调整焊条数量及标准井定值,确定该刻度器标称值为283 API。

便携量值传递系统的主要技术指标:外径为38 mm;长度为575 mm;重量为5.2 kg;工作温度为室温;耐压≥60 MPa;晶体为BGO晶体;尺寸为Φ25 mm×55 mm;能量分辨率为室温下137Cs分辨率不低于15%;

2 便携量值传递系统在自然伽马标准井中API量值的传递原理及方法

API量值传递是将自然伽马标准井的API量值传递到自然伽马测井仪的专用计量标准装置的过程,标准装置包括分部于各油田的标准井及不同自然伽马仪仪器专用刻度器。依据有关规范要求[14],量值传递工作过程首先对量值传递系统进行刻度,建立起量值传递系统的自然伽马能谱(K1.46峰、U1.76峰、Th2.62峰)总计数与API量值之间的关系,然后用刻度过的便携量值传递系统对配套的刻度夹具进行API定值,最后用该便携量值传递系统对需要定值的各标准井进行测量,确定各标准井的API量值。每次测定标准井前后,用刻度过的刻度夹具对便携量值传递系统进行测前及测后检查。以保证仪器工作状态正常。

2.1 便携量值传递系统刻度

仪器连接通电检查正常后,将探测器放入刻度井中高放射性地层中,累计测量600 s,所测得的能谱中钾(1.46 keV)、铀(1 760 keV)、钍(2.62 keV)能量线性关系互相对应,说明仪器工作正常(见图6)。依据电缆上标记的深度标记为准,将标准仪器分别在标准井高放射性层中点以下(10±1) cm处、高放层中点±1 cm处、高放层中点以上(10±1) cm处,分别测量计数率11次,每次计数时间600 s。保存记录谱数据,通过谱分析软件求取377～900道累加计数(图5中红色部分),并求取计数率。每次测量的计数率记为RHij,H为高放层,i为深度点(i=1～3),j为在某个深度点的测量次数(j=1～11)。在低放射性层重复同样过程,每次测量的计数率记为RLij。

图5 多道分析器伽马能谱谱形图

(1)

式中,F为标准仪器刻度系数;AS为刻度井标称值,API;RW为标准井测量的净计数率。

(2)

式中,n为深度点数,在本标准中n=3;m为在某个深度点的测量次数,在本标准中m=11。

2.2 刻度夹具定值

将仪器外壳上安装刻度夹具(晶体中点位置在外壳标有印记,标记与刻度夹具中间位置的标记对齐)。通电检查仪器累计采谱600 s,Th(2.62 keV)峰应位于749道。谱形态与刻度夹具的已保留标准谱型应一致。累计采谱600 s,求取377～900道的累计计数,并求取计数率Rcc,之后卸掉刻度夹具,按上述同样方法求取本地计数率Rbc,刻度夹具API值计算

Rc=Rcc-Rbc,Ac=F×Rc

(3)

式中,Rc为标准仪器测量刻度器的净计数率;Ac为刻度夹具API校准值。

2.3 工作标准井及刻度器量值传递

各地工作标准井及各类刻度器定值方法与上述刻度夹具定值方法及工作步骤完全相同,不同的是工作标准井将探测器放置于高放射性层和低放射性层分别进行600 s测量,然后按式(3)求出标准井API值。在此强调的是在正式传值前及定值后,应用刻度夹具对能谱仪器进行检查,只有对刻度夹具所测API值及能谱图与刻度夹具定值时状态一致时,说明仪器状态正常,所传递的API量值才是准确的。否则说明仪器有问题,所传递的量值不可靠。

3 应用效果

应用便携量值传递系统对新建的自然伽马工作标准井量值开展量值传递,该自然伽马工作标准井由已知放射性强度的地层组成,包括标准层和围岩层。按照有关规范要求步骤方法,在每一层位的不同深度点累计采谱600 s,求取不同标准层的平均计数率。测量结果见表1、表2。

应用式(1)求得仪器刻度系数F=1.169 69,实际测量标准层计数率为270.19,围岩层计数率为5.485 7,参照式(3)确定标准层标称值为316.01 API。围岩层标称值为6.416 6 API。标准层与下围岩的标称值差值确定为313.56 API。

为验证便携量值传递系统的有效性,用便携量值传递系统与目前在用的大直径自然伽马测井仪在该刻度井中进行了API值对比测量,两者的API值仅相差0.27%,优于量值传递规定的3%误差要求。

表1 最高标准井刻度结果

表2 新建标准井传递结果

4 结 论

(1)基于能谱测量的便携式自然伽马标准井量值传递系统相比传统自然伽马测井仪具有体积小、重量轻、易携带、不受放射源限制的优势。

(2)采用能谱测量方式避免了传统计数测量方式易受门槛变化、高压漂移、前放电路不稳定等因素带来的计数误差大的缺点。用能谱测量替代传统计数测量方式,对仪器状态监测更为直观。

(3)量值传递实测结果表明,该便携量值传递系统投入使用既保证了API量值传递精度,又为传递工作带来便利,完全可替代大直径仪器开展量值传递工作。