CN104570047B - 伽马能谱测井仪自稳谱装置和方法 - Google Patents

Abstract

为了提高伽马能谱测井仪自稳谱精度和速率，本发明提出一种自稳谱装置和方法。本发明的自稳谱装置包括自稳参考源、探测器、高压模块控制单元、高压模块、光电倍增管、温度传感器、第一自稳系数计算单元、自稳谱数据采集单元和第二自稳系数计算单元。第一自稳系数计算单元根据温度信号产生第一自稳系数，通过高压模块控制单元和高压模块对温度产生的谱漂移进行自稳；第二自稳系数计算单元根据自稳参考源的稳谱基准峰漂移计算第二自稳系数，通过高压模块控制单元和高压模块对自稳参考源本底、探测器的围岩矿体、高压波动及伽马脉冲计数率等引起的谱漂移精确自稳。

Description

伽马能谱测井仪自稳谱装置和方法

技术领域

本发明涉及测井领域，尤其涉及准确测量放射性矿物含量的伽马能谱测井仪的自稳谱装置和方法。

背景技术

自然伽马能谱测井是在钻孔内对岩石自然伽马射线进行能谱测量与分析，分别测定地层内铀、钍、钾含量来研究井剖面地层性质的测井方法。目前，国内伽马能谱测井仪在石油工业的应用主要是通过自然伽马能谱测井所测量的铀、钍、钾含量来识别岩性、研究沉积环境、生油层，寻找储集层，确定粘土含量等目的。伽马能谱测井仪自稳谱精度决定了核素含量的解算精度。伽马能谱测井不同于车载伽马谱仪、航空伽马谱仪，后者在自动稳谱方面主要针对温度引起的谱漂移问题，采用天然钾元素⁴⁰K的1.460MeV光电峰和²⁰⁸T1的2.614MeV光电峰等作为基准进行稳谱，优点是没有自稳源引起的本底干扰。而钻孔中进行伽马能谱测量，晶体探测器更接近围岩矿体，放射性强度大，而且变化剧烈，要求自动稳谱反应迅速，对于薄矿层尤其如此。测井仪谱漂内在的影响因素主要是由光电倍增管和晶体探测器引起的；光电倍增管的增益随温度、高压的波动以及伽马脉冲计数率的变化而变化；晶体探测器的光输出随环境温度的升高输出脉冲幅度降低。在传统的伽马能谱仪中，多采用附加参考源的稳谱方法，根据特定能量的光电峰对应道址变化而实时加以调整。传统稳谱方法存在精度低、稳谱响应速度慢的缺点。

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种伽马能谱测井仪的自稳谱装置和方法，提高稳谱精度和速度。

技术方案

本发明的伽马能谱测井仪的自动稳谱装置，如图1所示，包括自稳参考源、晶体探测器、高压模块控制单元、高压模块、光电倍增管、温度探测器单元、自稳系数计算单元、自稳谱数据采集单元。温度探测器单元检测光电倍增管的环境温度，产生温度信号，自稳系数计算单元根据温度信号产生第一自稳系数，高压模块控制单元根据第一自稳系数调节高压模块的输出电压，用于驱动光电倍增管，对由温度引起的谱漂移进行自稳；晶体探测器探测自稳参考源产生的伽马射线，产生的探测信号输入到经过温度自稳的光电倍增管进行放大，光电倍增管输出信号经过自稳谱数据采集单元采集后，自稳系数计算单元根据自稳谱数据采集单元采集的自稳谱数据计算第二自稳系数，输入到高压模块控制单元，用于调节高压模块的输出电压，驱动光电倍增管，对自稳源本底、钻孔中接近晶体探测器的围岩矿体照射、高压波动以及伽马脉冲计数率等引起的谱漂移进行精确实时自稳。

根据本发明的自动稳谱装置，其中自稳参考源为¹³³Ba。

根据本发明的自动稳谱装置，其中选择自稳源¹³³Ba的356keV能峰作为计算第二自稳系数的基准峰，根据该基准峰漂移计算第二自稳系数。

根据本发明的自动稳谱装置，选择自稳参考源¹³³Ba的356keV基准峰的如下能窗作为稳谱能窗，第一能窗N1，能谱范围为83～250keV，相应道址为11-22(512道)；第二能窗N2，能谱范围为250～356keV，相应道址为23-47(512道)；第三能窗N3，能谱范围为356～431keV，相应道址为48-59(512道)；第四能窗N4，能谱范围为431～553keV，相应道址为60-78(512道)。

根据本发明的自动稳谱装置，第二自稳谱系数CFF′＝[(N2-Ncor)-N3]/[(N2-Ncor)+N3]，Ncor＝[N1-N4]/3。

根据本发明的自动稳谱装置，闪烁晶体探测器采用BGO(鍺酸铋)。

根据本发明的自动稳谱装置，如图1所示，其中自稳谱数据采集单元由放大整形单元、A/D转换单元、自稳谱数据累计单元构成。光电倍增管的输出信号经过放大整形单元预处理后，进行A/D转换，输入到自稳谱数据累计单元进行自稳谱数据累计。

根据本发明的自动稳谱装置，还包括自稳周期控制单元，自稳谱数据采集单元在自稳周期内累计自稳谱数据。

根据本发明的自动稳谱装置，还包括自稳阈值设置单元和自稳谱漂判断单元，自稳谱漂判断单元判断自稳谱数据累计单元在自稳周期内的累计自稳谱数据是否大于自稳阈值，如果大于，则自稳系数计算单元计算第二自稳系数；否则，第二自稳系数为零。

根据本发明的自动稳谱装置，第二自稳系数阀值为0.5-10％，最好为1％。

根据本发明的自动稳谱装置，自稳周期为2-8s，较好为3-5s，最好为4s。

根据本发明的自动稳谱装置，当矿体的铀含量很高时，使用增强¹³³Ba参考源。

根据本发明的自动稳谱装置，当矿体的铀含量很高时，进一步在BGO晶体外加一个Pb-Sn组合屏以吸收低能γ射线。

技术效果

经理论计算和实际测试，结果表明根据本发明的自稳谱装置和方法大幅度提高了自稳控制精度。

附图说明

附图1为本发明的自稳谱装置的方块图；

附图2为自稳参考源¹³³Ba的356keV能峰的各能窗计数率的比例关系图；

附图3为根据本发明第一实施例的自稳装置工作流程图；

附图4为本发明的自稳谱装置第一实施例的稳谱效果图；

附图4(a)为伽马能谱测井仪无自稳时温度引起的谱漂；

附图4(b)为伽马能谱测井仪具有本发明第一实施例的自稳装置时温度引起的谱漂；

附图5(a)示出未使用Pb-Sn组合屏时强低能散射γ射线对¹³³Ba自稳能峰的干扰；

附图5(b)示出使用Pb-Sn组合屏后强低能散射γ射线对¹³³Ba自稳能峰的干扰。

实施例1

根据本发明的伽马能谱测井仪自稳谱装置第一实施例方块图如图1所示，包括自稳参考源¹³³Ba、晶体探测器BGO、光电倍增管CR124、温度传感器AD7416、高压模块控制单元、高压模块、自稳谱系数计算单元和自稳谱数据采集单元。高压模块控制单元由基准源X60008、数字电位器X9119、驱动与缓冲放大器LM358组成。高压模块由+12V电压源、倍压电路、稳压电路组成。高压模块单元将直流低压+12V电源通过倍压方式提升至一千伏左右的稳定性高和纹波小的高压、小电流直流电源，提供给光电倍增管CR124。温度传感器置于能谱测井仪内部靠近光电倍增管端侧，用于感测环境温度，产生温度信号，自稳系数计算单元根据温度信号计算第一自稳系数，高压模块控制单元根据第一自稳系数调节高压模块的输出电压，用于驱动光电倍增管，对由温度引起的谱漂移进行自稳，使能谱测井仪较快进入自稳状态。

为了对自稳参考源本底、钻孔中接近晶体探测器的围岩矿体照射、高压波动以及伽马脉冲计数率等引起的谱漂移进行精确自稳，自稳参考源¹³³Ba用于自动稳谱的基准峰，能窗及宽度的选择是影响自稳精度和效率的重要因素。¹³³Ba自稳参考源有较高的分之比，其γ射线能量主要集中在356keV能峰，其它较弱的有302keV、79keV等，因此选择356keV能峰作为稳谱基准能峰。为了选择能窗及宽度，通过实验测试，选择自稳参考源¹³³Ba自稳能窗及宽度如表1。

表1 ¹³³Ba 356keV能峰的能窗选择

结合自稳参考源¹³³Ba峰形的特点，356keV能峰的各能窗计数率比例关系如图2所示。为了计算第二自稳系数，定义Ncor＝[N1-N4]/3，这里选取常数3的依据是，D＝[N4_高+N4_低]/2、C＝[N3_高+N3_低]/2、B＝[N2_高+N2_低]/2、A＝[N1_高+N1_低]/2，脚标代表相应能窗的高能谱道址和低能谱道址，图2中未标出。根据几何关系AD/BC＝2.86，为计算方便近似为3，这里关系应成立。定义第二自稳谱系数CFF′＝[(N2-Ncor)-N3]/[(N2-Ncor)+N3]，Ncor＝[N1-N4]/3。

探测器探测自稳参考源产生的伽马射线，产生探测信号输入到经过温度自稳的光电倍增管进行放大，光电倍增管输出信号经过自稳谱数据采集单元采集后，自稳系数计算单元根据自稳参考源的稳谱基准峰漂移计算第二自稳系数。自稳系数计算单元计算的第二自稳系数输入到高压模块控制单元，用于调节高压模块的输出电压，驱动光电倍增管，对自稳源本底、钻孔中接近晶体探测器的围岩矿体照射、高压波动以及伽马脉冲计数率等引起的谱漂移进行精确自稳。

根据本发明第一实施例的自稳装置工作流程如图3所示。

第一步，温度探测器单元探测光电倍增管的环境温度，产生温度信号，输入到自稳谱系数计算单元；

第二步，自稳谱系数计算单元计算第一自稳系数，输入到高压模块控制单元；

第三步，高压模块控制单元根据第一自稳谱系数控制高压模块输出给光电倍增管的电压，对由于温度引起的谱漂移实现自稳；

第四步，探测器探测自稳参考源发射的伽马射线，输出信号给光电倍增管；

第五步，自稳谱数据采集单元采集光电倍增管输出的信号，该信号已经对温度引起的谱漂进行了自稳；

第六步，自稳系数计算单元根据采集的光电倍增管输出信号，计算第二自稳系数CFF′＝[(N2-Ncor)-N3]/[(N2-Ncor)+N3]，Ncor＝[N1-N4]/3，并输入到高压模块控制单元；

第七步，高压模块控制单元根据第二自稳谱系数控制高压模块的输出给光电倍增管的电源电压，对由于自稳参考源本底、钻孔中接近晶体探测器的围岩矿体照射、高压波动以及伽马脉冲计数率等引起的谱漂移进行精确自稳；

第八步，探测器探测自稳参考源发射的伽马射线，信号输出给光电倍增管进行放大，光电倍增管的输出信号对由于自稳参考源本底、钻孔中接近晶体探测器的围岩矿体照射、高压波动以及伽马脉冲计数率等引起的谱漂移进行精确自稳。

通过设定光电倍增管PMT不同高压值后观察CFF′指标的变化，如表2所示，在不同PMT高压条件下依据各自稳能窗计数分别按上式计算CFF′值，负值说明谱向高能谱区漂移，正值则说明谱已向低能谱区漂移，设置高压模块的初始参考高压HV＝1110V。说明第二自稳系数对谱漂是敏感的，可以作为自稳系数指标。

表2 验证第二自动自稳谱系数CFF′的有效性

通过实际测试，结果表明自稳控制精度有了大幅度的提高。试验用温控箱为广东东莞贝尔公司的BE-HL-150H3温湿度控制仪(温度-20℃～150℃，稳定度±0.5℃)，无自稳与具备自动稳谱功能的试验测试结果对比如附图4所示。由图4a可知：无自稳时小口径γ能谱测井仪温度从0度升到60度，就¹³³Ba的356keV能峰而言，道漂移25道，而²⁰⁸T1的2614keV能峰漂移200道。随着温度升高，BGO晶体分辨率有所降低，能峰幅度减小；相对应地由图4b可知：自稳状态下在20℃～45℃温度范围内，谱漂校正效果有明显的改善，对²⁰⁸T1的2614keV能峰的谱漂控制在±2道内(就512道而言)。

由于钻孔内晶体探测器更接近围岩矿体，探测到的射线强度变化剧烈，因此自动稳谱在硬件上采用高精度电压基准加高位数字电位器调整PMT高压输出，软件上采用适当的能窗实时自稳算法，实现了对稳谱精度的大幅度提高，同时扩大能谱测量线性范围。

当矿体的铀含量很高时，矿石的γ射线会严重干扰自动稳谱系统，使其无法正常工作。自稳装置在UF-1.0模型(1％铀含量)中所测的谱如图5中(a)所示，因模型的低能γ射线很强，¹³³Ba峰快要被淹没了，自稳受到强烈的干扰。为此，采取了两项措施：一是增强¹³³Ba源，二是在BGO晶体外加一个Pb-Sn组合屏以吸收低能γ射线。其结果，在U-1.0模型谱中如图5中(b)所示，¹³³Ba峰高高地突起在U模型的低能γ射线谱之上，压低了外部射线对仪器自稳的干扰。

第二实施例

根据本发明的伽马能谱测井仪自稳装置的第二实施例，与第一实施例基本相同，不同点在于温度探测单元由集成温度传感器、I2C总线和CPU(微处理器)组成；自稳谱数据采集单元具体由放大整形电路、A/D转换电路、自稳谱数据累计单元构成。放大整形电路由AD8620放大器、RC积分电路及CR微分电路组成；A/D转换电路由MAX1306、数据读取和存储电路组成。自稳谱数据累计单元，实现相应道脉冲计数加1，由存储器和微处理器CPU完成。

第三实施例

根据本发明的伽马能谱测井仪自稳装置的第三实施例，与第二实施例基本相同，不同点在于在自稳谱数据采集单元在放大整形电路和A/D转换电路之间还有基线恢复电路。基线恢复电路由单封装双二极管BAW56及电阻R、电容C组成。

根据第三实施例的自稳装置工作流程中，与第一实施例的自稳装置流程图相比，自稳谱数据采集步骤包括对进行放大整形后输出信号进行基线恢复的步骤。

根据本发明的伽马能谱自稳装置实施例还可以包括自稳周期控制单元，由定时器时基电路、微处理器和I2C总线组成，用于控制自稳数据累计单元在自稳周期内累计自稳谱数据。此种实施例的自稳装置工作流程中，还包括自稳周期设置步骤和自稳周期判断步骤，使自稳谱数据积累单元在自稳周期内累计自稳谱数据，当自稳周期结束时，输出自稳谱数据。

根据本发明的伽马能谱自稳装置实施例还可以包括自稳阈值设置单元和自稳谱漂判断单元，自稳谱漂判断单元判断自稳谱数据累计单元在自稳周期内的累计自稳谱数据是否大于自稳阈值，如果大于，则自稳系数计算单元计算第二自稳系数；否则，第二自稳系数为零。

此种实施例的自稳装置工作流程中，还包括自稳阈值设置步骤和自稳谱漂判断步骤，当在自稳周期内累计的自稳谱数据大于自稳阈值时，自稳系数计算单元计算第二自稳谱系数，当小于自稳阈值时，自稳系数计算单元输出第二自稳系数为零。

结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明不限于实施例，根据本发明主旨进行的各种变形和改进均落入本发明的保护范围之内。

Claims (31)

1.一种伽马能谱测井仪的自动稳谱装置，包括自稳参考源、晶体探测器、高压模块控制单元、高压模块、光电倍增管、温度探测器单元、自稳系数计算单元、自稳谱数据采集单元，其特征在于自稳参考源为¹³³Ba，其中选择自稳源¹³³Ba的356keV能峰作为计算第二自稳系数的基准峰，根据该基准峰漂移计算第二自稳系数，选择自稳参考源¹³³Ba的356keV基准峰的如下能窗作为稳谱能窗，第一能窗N1，能谱范围为83～250keV，512道时相应道址为11-22；第二能窗N2，能谱范围为250～356keV，512道时相应道址为23-47；第三能窗N3，能谱范围为356～431keV，512道时相应道址为48-59；第四能窗N4，能谱范围为431～553keV，512道时相应道址为60-78。

2.根据权利要求1所述的自动稳谱装置，其中第二自稳谱系数CFF′＝[(N2-Ncor)-N3]/[(N2-Ncor)+N3]，Ncor＝[N1-N4]/3。

3.根据权利要求2所述的自动稳谱装置，晶体探测器采用BGO。

4.根据权利要求3所述的自动稳谱装置，其中自稳谱数据采集单元由放大整形单元、A/D转换单元、自稳谱数据累计单元构成。

5.根据权利要求4所述的自动稳谱装置，还包括自稳周期控制单元，自稳谱数据采集单元在自稳周期内累计自稳谱数据。

6.根据权利要求5所述的自动稳谱装置，还包括自稳阈值设置单元和自稳谱漂判断单元，自稳谱漂判断单元判断自稳谱数据采集单元在自稳周期内采集的自稳谱累计数据是否大于自稳阈值，如果大于，自稳系数计算单元根据自稳谱累计数据计算第二自稳谱系数，否则第二自稳谱系数为零。

7.根据权利要求6所述的自动稳谱装置，第二自稳系数阈值为0.5-10％。

8.根据权利要求7所述的自动稳谱装置，第二自稳系数阈值为1％。

9.根据权利要求8所述的自动稳谱装置，自稳周期为2-8s。

10.根据权利要求9所述的自动稳谱装置，自稳周期为3-5s。

11.根据权利要求10所述的自动稳谱装置，自稳周期为4s。

12.根据权利要求1-11任一项所述的自动稳谱装置，当矿体的铀含量很高时，采用增强¹³³Ba参考源。

13.根据权利要求1-11任一项所述的自动稳谱装置，当矿体的铀含量很高时，进一步在BGO晶体外设置一个Pb-Sn组合屏以吸收低能γ射线。

14.根据权利要求12所述的自动稳谱装置，当矿体的铀含量很高时，进一步在BGO晶体外设置一个Pb-Sn组合屏以吸收低能γ射线。

15.一种伽马能谱测井仪的自动稳谱方法，包括如下步骤：

第一步，温度传感器单元探测光电倍增管的环境温度，产生温度信号，输入到自稳谱系数计算单元；

第二步，自稳谱系数计算单元计算第一自稳系数，输入到高压模块控制单元；

第三步，高压模块控制单元根据第一自稳谱系数控制高压模块输出给光电倍增管的电压，对由于温度引起的谱漂移实现自稳；

第四步，探测器探测自稳参考源发射的伽马射线，输出信号给光电倍增管；

第五步，自稳谱数据采集单元采集光电倍增管输出的信号，该信号已经对温度引起的谱漂进行自稳；

第六步，自稳系数计算单元根据采集的光电倍增管输出信号，计算第二自稳系数CFF′＝[(N2-Ncor)-N3]/[(N2-Ncor)+N3]，Ncor＝[N1-N4]/3，并输入到高压模块控制单元；

第七步，高压模块控制单元根据第二自稳谱系数控制高压模块的输出给光电倍增管的电源电压，对由于自稳参考源本底、钻孔中接近晶体探测器的围岩矿体、高压波动以及伽马脉冲计数率引起的谱漂移进行精确自稳；

第八步，探测器探测自稳参考源发射的伽马射线，信号输出给光电倍增管进行放大，光电倍增管的输出信号对由于自稳参考源本底、钻孔中接近晶体探测器的围岩矿体、高压波动以及伽马脉冲计数率引起的谱漂移进行精确自稳。

16.根据权利要求15所述的自动稳谱方法，其特征在于自稳参考源为¹³³Ba。

17.根据权利要求16所述的自动稳谱方法，其中选择自稳源¹³³Ba的356keV能峰作为计算第二自稳系数的基准峰，根据该基准峰漂移计算第二自稳系数。

18.根据权利要求17所述的自动稳谱方法，选择自稳参考源¹³³Ba的356keV基准峰的如下能窗作为稳谱能窗，第一能窗N1，能谱范围为83～250keV，512道时相应道址为11-22；第二能窗N2，能谱范围为250～356keV，512道时相应道址为23-47；第三能窗N3，能谱范围为356～431keV，512道时相应道址为48-59；第四能窗N4，能谱范围为431～553keV，512道时相应道址为60-78。

19.根据权利要求18所述的自动稳谱方法，其中第二自稳谱系数CFF′＝[(N2-Ncor)-N3]/[(N2-Ncor)+N3]，Ncor＝[N1-N4]/3。

20.根据权利要求19所述的自动稳谱方法，晶体探测器采用BGO。

21.根据权利要求20所述的自动稳谱方法，其中由放大整形单元、A/D转换单元、自稳谱数据累计单元构成自稳谱数据采集单元。

22.根据权利要求21所述的自动稳谱方法，自稳周期控制单元控制自稳谱数据采集单元在自稳周期内累计自稳谱数据。

23.根据权利要求22所述的自动稳谱方法，自稳谱漂判断单元判断自稳谱数据采集单元在自稳周期内采集的自稳谱累计数据是否大于自稳阈值，如果大于，自稳系数计算单元根据自稳谱累计数据计算第二自稳谱系数，否则第二自稳谱系数为零。

24.根据权利要求23所述的自动稳谱方法，第二自稳系数阈值为0.5-10％。

25.根据权利要求24所述的自动稳谱方法，第二自稳系数阈值为1％。

26.根据权利要求25所述的自动稳谱方法，自稳周期为2-8s。

27.根据权利要求26所述的自动稳谱方法，自稳周期为3-5s。

28.根据权利要求27所述的自动稳谱方法，自稳周期为4s。

29.根据权利要求15-28任一项所述的自动稳谱方法，当矿体的铀含量很高时，采用增强¹³³Ba参考源。

30.根据权利要求15-28任一项所述的自动稳谱方法，当矿体的铀含量很高时，进一步在BGO晶体外设置一个Pb-Sn组合屏以吸收低能γ射线。

31.根据权利要求29所述的自动稳谱方法，当矿体的铀含量很高时，进一步在BGO晶体外设置一个Pb-Sn组合屏以吸收低能γ射线。