张雄林

摘 要：补偿中子测井仪是中子测井方法中的一种。补偿中子测井仪是一种孔隙度测井仪，仪器的读数反映地层的含氢量，在孔隙地层中，岩石骨架物质的含氢量可以忽略不计。而地层孔隙空间通常充满了地层水或者石油天然气，而两者的含氢量近似相等。因而，通过测量地层的含氢量，可以间接地确定地层孔隙度。同时也可以与其他测井方法一起进行综合分析，帮助确定许多其他的地质参数，如巖性，粘土含量，含水饱和度等。CNS补偿中子测井仪是北京环鼎科技公司最新研发的高性能测井仪，由于该仪器探测精度高，性能稳定，因而在油田勘探和开发中获得广泛应用。

关键词：CNS补偿中子;组成;性能;工作原理

1 仪器概述

1.1 组成

补偿中子探头由壳体和芯件两部分组成。壳体包括上部壳体、下部壳体、中子源装载段等，芯件包括长短源距热中子探测器和电子线路板。

仪器配备的工具和附件有装卸源工具和靠壁器等。

补偿中子测井仪的配套设备有车间刻度筒和现场刻度器，对补偿中子测井仪进行二级刻度和现场校验。

1.2 功能与特点

补偿中子探头与电子线路段Ⅰ（NEC）等构成测井系统，仪器由一个中子源和长短两个不同源距的探测器组成双探测系统，减少了环境因素的影响。

补偿中子探头段通过两组相同的放大电路测量不同源距两个探测器的计数率。它通过测量两个探测器的计数率，利用530系统补偿中子的数字模型来计算地层结构孔隙度。由于采用了探测精度较高的热中子He-3探测器以及高稳定性高集成放大线路，使得该仪器具有较高的测量精度和稳定性可靠性高。

2 仪器方法原理

中子测井是以中子与地层物质的相互作用为基础的测井方法，中子按能量大小可以分为高能中子（能量>10MeV），快中子（能量在0.1-10MV），中能中子（能量在1-100keV）和慢中子（能量在0-1KeV），由于中子是不带电粒子，当它与物质作用时，与核外电子不产生电场力，因而可直接与原子核发生反应。弹性散射是中子与物质发生作用的形式之一，在中子与原子核的弹性散射过程中，中子与原子核的总动量以及总动能保持不变，即遵守动量守恒和能量守恒定律，经弹散射后，原子核从中子中获得能量，而中子则损失部分能量。快中子经过多次碰撞后，能量不断损失，最终由快中子变成热中子。由于氢原子的质量非常接近中子质量，根据碰撞原理，中子在与氢原子碰撞时能量损失最大，即氢原子对快中子的减速能力最强。地层中氢原子的含量越高，快中子的减速距离越短，在中子源强度和探测仪效率相同的情况下，在距中子源一定距离的探测器探测到的热中子数与地层的含氢量存在对应关系，所以探测器接受热中子的数量就反映了地层中的含氢量。地层空隙是充满流体的空间，水及碳水化合物中含有氢原子，无油地层与矿岩中极少或根本没有氢。通过测量地层中的含氢量可以确定其孔隙度。

CNS补偿中子探测器由一个中子源和两个长短不同源距的He-3管组成，用它们两个计数率的比值来计算地层孔隙度的大小，提高了测量精度，减少井眼泥饼等对测量的影响。

3 电路的详细描述

3.1 放大测量电路

补偿中子探头拥有长短源距两个测量通道，其电力线路完全相同。用来处理长源距和短源距He-3探测器的输出脉冲。其作用是将He-3探测器的输出脉冲放大整形，输出5V的计数脉冲。便于计算器处理。

3.1.1 电荷灵敏放大器

电荷灵敏放大器由运算放大器HA-2620及其处围电路构成。C1为高压滤波电容，高压电源过来的高压经C1滤波并通过R1把高压加到He-3管的阳极上。R1的作用是将高压电源与He-3探测器的输出脉冲隔离。He-3探测器的输出脉冲通过电容C2耦合到由运算放大器HA-2620构成的电荷灵敏放大器U1的输入端，R2、D1、D2用来防止高压电弧对U1的损害。电荷灵敏放大器的作用是把探测器中累积的电荷转换成相应的电压正脉冲，其最大脉冲幅值为100mV。

3.1.2 微分放大器

微分放大器U2由运算放大器HA-2620构成，它把U1的输出脉冲进行微分放大。该电路是一个高增益的微分电路，C5为微分电容，R5和R6把其增益确定为200左右。C6用于改善波形。U2把U1的输出脉冲微分、倒相，并把它们放大成几伏的负脉冲送至电压比较器U3，其中TP11点为微分放大器输出端的脉冲信号测试点。

3.1.3 鉴别器

鉴别器用来对脉冲幅度进行甄别，由电压比较器LM111及其处围构成，U2的输出脉冲由C7耦合到LM111的相同输入端，其输出信号取自于它的地端。R8和R9把鉴别器的门坎电压设定为-0.8V左右，R11为其负载电阻。当来自U2的负脉冲超过鉴别器门坎电压时，U3输出5V的正脉冲，当U2的负脉冲低于鉴别器门坎时，U3输出脉冲为零。

3.1.4 分频电路

从U3输出的5V正脉冲送给八分频电路U4，八分频电路由一个双4位二进制同步加计数器CD4520构成，在EN端每输入八个脉冲，输出端Q2a（U4-5）输出一个脉冲，降低脉冲频率是为了改善脉冲的传输。

3.1.5 脉冲形成电路

来自八分频电路U4的输出脉冲信号，直接传送给脉冲形成电路U5，U5由双单稳态触发器MC14528构成，R13和C15确定脉冲形成电路输出脉冲的宽度，U5将U4输出脉冲变成脉宽为10μs左右、幅度为5V的正脉冲信号。

3.2 高压电源

高压电源由低压分配、高压分配、高压模块等三部分电路组成。

低压分配为高压模块提供滤波后的±12V电源，通过调节电位器RW（20K）的阻值，调节高压模块输出幅度从而调整高压电源的大小。

高压模块为一集成元件，通过高压分配板上的分压电路产生符合探测器要求的两路直流高压HV1、HV2，HV1供给长源距He-探测器，HV2供给短源距He-3探测器。其中R4（200K）对高压模块起限流保护作用，C1（104/3KV）为高压滤波电容。

4 结语

本文主要讲述了CNS补偿中子测井仪的工作原理及组成，对部分主要电路作了详细的分析和总结。由于该仪器采用了高稳定性的集成电路和高灵敏度的热中子He-3探测器，因而仪器具有了很高的测量精度和稳定性，保证了测井资料的准确性。