CN1793607A - 补偿中子测井仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在井眼内测量地层孔隙度的中子测井仪。其技术方案是主要包括上接头、外壳、电源骨架、保温瓶、中子探测器(氦3管)、信号处理电路骨架、屏蔽体、中子源仓、下接头机械部分，以及脉冲信号处理电路、通讯控制和数据传输电路、电源电路部分组成，其特征在于：中子探测器由两个位于中子源同侧的中子探测器组成，两个中子探测器按照到中子源的距离分别称为短源距(SS)和长源距(LS)。所述的长源距和短源距中子探测器、屏蔽体、固定器件、脉冲信号处理电路装置在一个保温器内，在两个中子探测器的外部套有导热保护层。本发明具有探测效率高，实际测量时不受井眼条件的影响，误差补偿和数据处理更准确，信号处理电路和电源电路集成度高，稳定性强，便于使用和维护。

Description

补偿中子测井仪

一、技术领域：

本发明涉及一种在井眼内测量地层孔隙度的中子测井仪。

二、背景技术：

快中子与地层物质的原子核碰撞，损失一部分能量后变成热中子。专门设计的中子探测器主要响应热中子。地质学认为，一般情况下，地层孔隙中充满了水或油，而且地层中氢元素主要聚集在水或油中。氢原子对于快速运动的中子的减速作用最大。如果以固定强度的中子源向地层发射中子，那么地层中不同位置热中子的浓度就主要由氢元素的多少所决定。当把专门设计的中子探测器布置在中子源附近的固定位置时，中子探测器探测到的热中子的数量将反映地层中氢元素的多少。所以，地层孔隙度越大，地层孔隙内的流体(主要是水和油)越多，相应的地层中的氢元素就越多，中子探测器输出的脉冲数就越少。根据中子探测器输出的脉冲数随地层孔隙度增大而减少的特性，在标准孔隙度地层模型上对仪器的脉冲计数率响应进行刻度后就可以直接由仪器的脉冲计数率推求地层的孔隙度。

现有的中子测井仪技术状况是：由于采用单一中子探测器，探测效率高低不一，实际测量时受井眼条件的影响很大，具体的误差补偿和数据处理方法不一样。信号处理电路和电源电路均采用分离电子元件构造，集成度低，不便于使用和维护。

三、发明内容：

本发明的目的是针对单一中子探测器存在的上述问题，采用两个中子探测器，以长源距中子探测器为主，以短源距中子探测器作为补偿，并结合目前的中子探测技术和先进的电子信号处理技术，提供了一种新型的补偿中子测井仪。

其技术方案是主要包括上接头、外壳、电源骨架、保温瓶、中子探测器(氦3管)、信号处理电路骨架、屏蔽体、中子源仓、下接头机械部分，以及脉冲信号处理电路、通讯控制和数据传输电路、电源电路部分组成，其特征在于：中子探测器由两个位于中子源同侧的中子探测器组成，两个中子探测器按照到中子源的距离分别称为短源距(SS)和长源距(LS)。所述的长源距和短源距中子探测器、屏蔽体、固定器件、脉冲信号处理电路装置在一个保温器内，在两个中子探测器的外部套有导热保护层。所述的电源电路电源电路分为高压和低压两部分，低压电源包括2路+24V和1路+5V，高压电源产生中子探测器所需要的直流高压工作电源；所述的通讯控制和数据传输电路由CPU控制器电路、曼彻斯特码接收译码电路、曼彻斯特码发送编码电路、A/D转换电路组成；所述的脉冲信号处理电路由结构、功能完全一样的两部分组成，分别用于处理长、短源距的脉冲信号，均包括前置放大器、信号放大器、电压比较器、单稳态触发器组成。

具体电源电路是：变压器初级绕组连接到仪器总线的交流电源上，变压器的次级绕组有三个绕组，第一组由桥D1-D4整流，经电容C1、C2滤波、稳压器IC1稳压、电容C3滤波得到+5V电源，提供给通讯控制和数据传输电路，第二组由桥D5-D8整流，经电容C4-C5滤波、稳压器IC2稳压、电容C6滤波得到+24V电源，提供给脉冲信号处理电路，第三组由桥D9-D12整流、电容C7-C8滤波、稳压管IC3稳压、电容C9滤波后，经高压产生器IC4和电阻R1，输出经电容C10、电阻R2、电容C11组成的π型滤波器后，分别在电容C11产生提供给中子探测器所需要的直流高压工作电源。

具体脉冲信号处理电路是：工作高压经HV点、电阻器R1、R3加到短源距氦3管上，短源距氦3管上产生的负电荷脉冲经电容器C3、电阻器R5输入到运算放大器U1的反相输入端，在运算放大器U1的输出端输出反相的正脉冲信号，该信号经过电容器C12、电阻器R7输入到运算放大器U2A的反相输入端，在运算放大器U2A的输出端反相的负脉冲信号又经电容器C30、电阻器R10输入到运算放大器U2B的反相输入端，在运算放大器U2B的输出端反相的正脉冲信号，经电容器C16、电阻器R28输入到电压比较器U3的反相输入端，在电压比较器U3的输出的脉冲信号送到单稳电路CD4538的触发端，最后在单稳电路CD4538的Q输出端得到固定宽度和高度的正脉冲信号，该正脉冲信号作为短源距探头的中子脉冲信号经过电阻器R32输入到通讯控制和数据传输电路的单片机的定时/计数器。

具体通讯控制和数据传输电路以单片机U5(AT89C52)为核心，附加以复位电路U3A(CD4538)、AD转换电路U2(1091)、曼码译码/编码电路U4(HD6408)、双极信号接收电路U9(DS78C20)、输出驱动电路U10(DS1633)、信号传输变压器T1、T2，固化在U5内部的程序对输入到T0、T1的长、短源距信号脉冲进行定时累计，并且循环地进行下列工作：(1)接收命令，来自命令总线的命令信号经过变压器T1、电阻器R9、R10、信号接收电路U9(78C20)送到曼码译码电路U4(HD6408)，命令信号译码后送到单片机U5进行处理；(2)发送数据，单片机U5把输出的数据送到曼码编码电路U4(HD6408)进行编码，编码后的信号经过输出驱动电路U10(DS1633)、信号传输变压器T2送到仪器的数据总线上；(3)采集数据，单片机U5控制AD转换电路U2(1091)转换并采集两个模拟量信号，一个是电源电压由电阻器R3、R4分压后形成的电源监视信号，另一个是温度传感器的温度信号。

本发明由于采用双中子探测器，探测效率高，实际测量时不受井眼条件的影响，误差补偿和数据处理更准确，信号处理电路和电源电路集成度高，稳定性强，便于使用和维护。

四、附图说明：

图1是补偿中子测井系统简图

图2是补偿中子测井仪结构图

图3是其中的脉冲信号处理电路图

图4是其中的通讯控制和数据传输电路图

五、具体实施方式：

参照附图2，补偿中子测井仪包括：上接头1、外壳2、电源骨架3、保温瓶4、信号处理电路骨架5、长源距探测器(氦3管)6、屏蔽体7、短源距探测器、中子源仓壳体9、中子源仓10、下接头11等机械部件，以及脉冲信号处理电路、通讯控制和数据传输电路、电源电路等电路。

仪器工作时需要从地面供给180V交流电。井下仪器的电源电路把180V交流电转换成稳定的2路+24V和1路+5V直流电源。其中1路+24V输入到高压黑棒。高压黑棒产生+1150V±50V工作高压供给长、短源距中子探测器。另1路+24V输入到脉冲信号处理电路。+5V直流电源是通讯控制/数据传输电路的工作电源。

参考附图3，当地层中的热中子进入中子探测器时，中子探测器的阳极上就产生一个微弱的负电荷脉冲。该负电荷脉冲进入脉冲信号处理电路的前置放大器，进行电荷灵敏放大；接着进入信号放大器进行电压放大；然后输入到电压比较器进行门坎鉴别，目的是去掉信号中的噪声。最后由单稳电路进行信号整形，以便得到标准宽度和幅度的中子脉冲信号。整形后的标准中子脉冲信号送到通讯控制和数据传输电路，由CPU负责累加计数。

参考附图4，通讯控制/数据传输电路的核心是一个单片机。命令执行、数据获取、数据传输都由该单片机控制。

命令接收：来自仪器命令总线的命令信号经过译码电路译码后输入到单片机。如果命令不是本仪器的，则中断译码处理，重新设置接受下组命令。如果命令是本仪器的，则译码处理继续完成。接受命令过程是由中断驱动的。

数据传输：当允许编码时开始传输数据。被传输的数据以串行方式送到曼砌斯特编码器。数据以双极曼彻斯特格式编码。编码信号经过驱动芯片驱动后加到传输变压器的初级，传输变压器的次级接仪器的信号总线。传输过程是中断驱动的。

电压监控：监控保温瓶内温度和+24V电源。安装在骨架上的温度传感器产生10mV/1°F的电压信号。这个电压信号经A/D转换器转换成二进制数据，由单片机进行采集。保温瓶内电子线路的+24V工作电源经过分压后加到A/D转换器输入端，转换成二进制数据后，由单片机进行采集。

中子信号脉冲计数器：来自中子脉冲信号处理电路的长、短源距脉冲信号分别输入到单片机内部的定时/计数器。单片机在程序控制下读取定时/计数器的数据，根据地面下发的命令要求上传长、短源距信号计数以及保温瓶内温度和+24V电源数据。

地面测井系统根据井下仪传来的长、短道脉冲计数和有关刻度参数实时计算出目标地层的孔隙度。

参照附图1，测井时，首先把补偿中子测井仪通过测井电缆2与地面系统1配接，把²⁴¹Am-Be中子源安装在源仓5内，然后用测井电缆绞车把仪器下放到井眼内。

测井时，装在源仓内的²⁴¹Am-Be中子源连续不断地向周围地层发射快中子。快中子与地层物质的原子核碰撞后，先损失一部分能量、变成超热中子。超热中子损失能量后变成热中子。专门设计的中子探测器主要响应热中子。中子探测器在固定的正高压下工作。当热中子进入探测器后，与探测器内的氦3气体发生核反应，在探测器的阳极上产生一个微弱的负电荷脉冲。该负电荷脉冲进入脉冲信号处理电路的前置放大器，进行电荷灵敏放大；接着进入信号放大器进行电压放大；然后输入到电压比较器进行门坎鉴别，去掉信号噪声后由单稳电路进行信号整形。最后形成标准宽度和幅度的中子脉冲信号送到通讯控制/数据传输电路。长、短源距脉冲信号的处理方式是完全一样的、相互独立的。通讯控制/数据传输电路的核心是一个单片机。标准宽度和幅度的长、短源距中子脉冲信号分别输入到单片机内部的定时/计数器进行累计。单片机在程序控制下读取计数器的数据，根据地面下发的命令上传数据。

Claims (6)

1、一种补偿中子测井仪，主要包括上接头、外壳、电源骨架、保温瓶、中子探测器(氦3管)、信号处理电路骨架、屏蔽体、中子源仓、下接头机械部分，以及脉冲信号处理电路、通讯控制和数据传输电路、电源电路部分组成，其特征在于：中子探测器由两个位于中子源同侧的中子探测器组成，两个中子探测器按照到中子源的距离分别称为短源距和长源距。

2、根据权利要求1所述的补偿中子测井仪，其特征在于：所述的电源电路电源电路分为高压和低压两部分，低压电源包括2路+24V和1路+5V，高压电源产生中子探测器所需要的直流高压工作电源；所述的通讯控制和数据传输电路由CPU控制器电路、曼彻斯特码接收译码电路、曼彻斯特码发送编码电路、A/D转换电路组成；所述的脉冲信号处理电路由结构、功能完全一样的两部分组成，分别用于处理长、短源距的脉冲信号，均包括前置放大器、信号放大器、电压比较器、单稳态触发器组成。

3、根据权利要求2所述的补偿中子测井仪，其特征在于所述电源电路是：变压器初级绕组连接到仪器总线的交流电源上，变压器的次级绕组有三个绕组，第一组由桥D1-D4整流，经电容C1、C2滤波、稳压器IC1稳压、电容C3滤波得到+5V电源，提供给通讯控制和数据传输电路，第二组由桥D5-D8整流，经电容C4-C5滤波、稳压器IC2稳压、电容C6滤波得到+24V电源，提供给脉冲信号处理电路，第三组由桥D9-D12整流、电容C7-C8滤波、稳压管IC3稳压、电容C9滤波后，经高压产生器IC4和电阻R1，输出经电容C10、电阻R2、电容C11组成的π型滤波器后，分别在电容C11产生提供给中子探测器所需要的直流高压工作电源。

4、根据权利要求2所述的补偿中子测井仪，其特征在于所述的脉冲信号处理电路是：工作高压经HV点、电阻器R1、R3加到短源距氦3管上，短源距氦3管上产生的负电荷脉冲经电容器C3、电阻器R5输入到运算放大器U1的反相输入端，在运算放大器U1的输出端输出反相的正脉冲信号，该信号经过电容器C12、电阻器R7输入到运算放大器U2A的反相输入端，在运算放大器U2A的输出端反相的负脉冲信号又经电容器C30、电阻器R10输入到运算放大器U2B的反相输入端，在运算放大器U2B的输出端反相的正脉冲信号，经电容器C16、电阻器R28输入到电压比较器U3的反相输入端，在电压比较器U3的输出的脉冲信号送到单稳电路CD4538的触发端，最后在单稳电路输出端得到固定宽度和高度的正脉冲信号，该正脉冲信号作为短源距探头的中子脉冲信号经过电阻器R32输入到通讯控制和数据传输电路的单片机的定时/计数器。

5、根据权利要求2所述的补偿中子测井仪，其特征在于：所述的通讯控制和数据传输电路以单片机U5为核心，附加以复位电路U3A、AD转换电路U2、曼码译码/编码电路U4、双极信号接收电路U9、输出驱动电路U10、信号传输变压器T1、T2，固化在U5内部的程序对输入到T0、T1的长、短源距信号脉冲进行定时累计，并且循环地进行下列工作：(1)接收命令，来自命令总线的命令信号经过变压器T1、电阻器R9、R10、信号接收电路U9送到曼码译码电路U4，命令信号译码后送到单片机U5进行处理；(2)发送数据，单片机U5把输出的数据送到曼码编码电路U4进行编码，编码后的信号经过输出驱动电路U10、信号传输变压器T2送到仪器的数据总线上；(3)采集数据，单片机U5控制AD转换电路U2转换并采集两个模拟量信号，一个是电源电压由电阻器R3、R4分压后形成的电源监视信号，另一个是温度传感器的温度信号。

6、根据权利要求1所述的补偿中子测井仪，其特征在于：所述的长源距和短源距中子探测器、屏蔽体、固定器件、脉冲信号处理电路装置在一个保温器内，在两个中子探测器的外部套有导热保护层。

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