黄松涛,孙东利,曹扬,于传旭,张连成

(1.中国电子科技集团公司第二十二研究所,河南新乡453000;2.中国石油集团测井有限公司大庆分公司,黑龙江大庆163000)

0 引 言

现有的自然伽马测井仪一般使用保温瓶技术满足高温环境下的应用,但保温瓶不能在井下长时间有效保温,在水平井等长时间测井环境下应用受限[1-2]。

自然伽马测井仪探头坪区不仅是由光电倍增管自身特性造成的,还与被测量自然伽马射线的能量(能谱)、探头晶体类型、脉冲处理电路的放大倍数和甄别阈等直接相关。随着加在光电倍增管上的高压升高,光电倍增管的放大倍数激增,钍、钾、铀伽马脉冲信号增高并不断超过甄别阈,记录到的计数率先快速上升再趋平缓上升;随高压继续升高,暗电流和其他噪声信号被放大到甄别阈以上的水平,计数率再次快速上升。由于目前光电倍增管和晶体的高温性能都不十分理想,坪区受温度影响严重。随温度升高,一般坪区变窄并向高电压方向移动。为适应较宽的温度范围,光电倍增管的高压工作值过去通常选择在坪区高端[2],必须控制测量系统放大倍数和噪声水平随温度的变化:①优选和筛选高温时暗电流仍趋于零的高脱出功双碱光阴极和铜铍打拿极(现标准称谓是倍增极)的测井专用高温光电倍增管,力争高温时坪区变窄不那么严重;②通过增高光电倍增管高压或电子学线路放大倍数,补偿NaI晶体造成的系统放大倍数下降;③把测量系统封装在保温瓶中。

在现有自然伽马测井仪的制造过程中,由于探头的坪区在常温和高温下不同,常温调试寻找的坪区在高温时很多时候都不合适,需要对自然伽马测井仪器进行温度实验,将高压调整端和高压引出来进行调整,而通过调整电阻值设定高压值,在不同的温度环境下不能动态调整高压,从而使得每次高温检验都很费时费力,而且不能保证成功率[3-4]。

本文通过程控高压和高压温度补偿技术解决自然伽马测井仪在高温环境下长时间工作的问题。筛选出了适合在高温环境下工作的高压模块、光电倍增管及晶体;在不使用保温瓶情况下通过测量仪器骨架温度来获知仪器所处的环境温度;通过实时调整高压模块的调节电压来实时调整输出高压值;通过温度检验获知该支仪器或该批仪器自然伽马探管的坪区漂移曲线;通过坪区漂移曲线来获得仪器的温度补偿图版;通过温度图版的实时高压校正来保证自然伽马测井仪在高温环境下的长时间工作。

1 现有技术

传统自然伽马测井仪中,光电倍增管和NaI晶体组成自然伽马探测的探管,高压电路为光电倍增管提供负高压,测量电路对伽马信号进行处理,使用单片机进行信号采集和通讯[5]。图1给出高压电路原理图。图1中N1为高压模块,通过调整电阻R3和R4可以调整高压模块的输出电压。

图1 高压电路原理图

不同批次和厂家的光电倍增管和晶体的坪区曲线会有所不同,甚至同一批次的光电倍增管和晶体的坪区曲线也不相同。所以,现有方案在产品制造时,需要寻找合适的高压值来满足不同环境温度下自然伽马计数率的稳定。

2 程控高压的实现

高压模块使用通过筛选的蓝欣电子公司的F24N12R3模块。该模块适合在高温测井仪中使用,225 ℃的高温特性能够满足175 ℃长时间工作连续工作的需求。程控高压实现方法见图2所示。自然伽马测井仪单片机通过SPI口向AD5025提供DA转换的数字量,ADR421为AD5025提供2.5 V的基准电平,AD5025将单片机输入数字量转换成电压值送给高压模块的程控调整端DAC1。DAC1输出0～2.5 V可调,调整间隔为0.2 mV。

图2 程控高压电路图

由图3可见,高压调整的线性度较好,从而保证程控高压的可行性。

图3 控制电压与输出高压的线性关系图

3 高压值的选取

暗电流随着工作高压的增大而增大,但增大率并非常数。光电倍增管的灵敏度虽然随着电压增加而增加,但是暗电流也有同样的增加趋势,在最大额定值附近,暗电流增加的比例反而变得更大。因此,选择光电倍增管的工作电压时,理想的是使用把灵敏度同暗电流都考虑在内的最佳电压。在多级光电倍增管中,一般比最大额定电压低200～300 V以上。此外,光电倍增管的寿命与输出电流有关,输出电流越大,光电倍增管的寿命越短,而输出电流与工作电压及漏电流密切相关,所以,在高压的选取方面一般不能过于接近最大额定电压[8]。

文中选用滨松公司R4607A作为高温自然伽马测井仪的光电倍增管,其耐温指标为175 ℃,满足175 ℃高温环境下长时间工作的需求。图4给出3支R4607A常温下在相同天然放射性条件下的实测坪区曲线。由实测曲线可知,3支探头在常温下坪区高压的起始值稍有差别,但差别不大,工作电压大于1 500 V之后,3支探头的常温坪区基本一致,该结论与R4607A性能参数一致。

图4 不同R4607A光电倍增管常温下实测坪区曲线

传统自然伽马测井仪制造过程中,在做175 ℃温度实验时发现,高温下,高压需要调整到1 750 V左右才能保证与常温计数的一致,所以,在制造测井仪过程中,伽马供电高压基本都在1 750 V左右,已经很接近最大高压值,严重影响光电倍增使用寿命。

图5给出在常温天然放射性条件下,同一支探头在不同工作电压(1 500 V和1 700 V)下自然伽马曲线的统计起伏比较图,曲线横坐标为伽马曲线的API值,纵坐标为时间。由图5可知,1 500 V和1 700 V工作电压下,探管均处于坪区中,天然放射性条件下,仪器的计数率基本保持稳定,但随着高压的升高,伽马曲线的统计起伏增大,影响测井曲线质量。造成这种现象的原因,在常温下,随着探管工作高压值的升高,暗电流和其他噪声信号被放大到甄别阈以上的水平,造成伽马计数率及API测量值统计起伏增大。

图5 常温下不同高压值GR曲线统计起伏比较

所以,在常温下(工作温度低于120 ℃下),为了保证测井仪器的测井曲线质量,选定探管的工作电压为1 550 V。随着温度的升高,根据高压供电的温度补偿策略,逐步增高探管的工作电压。

4 高压供电温度补偿

为保证测井曲线质量和更好的延长光电倍增管的使用寿命,需要加入坪区的温度图版,通过测量仪器骨架温度获得仪器的工作温度,通过工作温度动态调整高压。让光电倍增管在温度较低时工作在较低高压下,在温度较高时工作在较高电压下。

表1给出不同温度环境下仪器的坪区范围。由表1可见,随着温度的升高,仪器的坪区范围逐渐的变窄,仪器温度工作的高压值逐渐升高。120 ℃以下,坪区曲线变化不大,150 ℃坪区向高电压方向移50 V左右,175 ℃坪区向高电压方向移150 V左右。表1中,骨架温度能够较好地反映环境温度,所以可以通过测量仪器骨架温度获知仪器所处的环境温度,从而根据温度试验时的温度图版去调整仪器高压值。使得仪器能够根据环境温度实时调整高压值,工作在最稳定的状态。

表1 不同温度环境下仪器的坪区范围

注:由于仪器的功耗及仪器温度传感器的位置,使得仪器测量的温度稍高于环境温度。

通过温度实验,可以得到探管的温度补偿图版见图6。在仪器骨架温度低于120 ℃时,探头的工作电压为1 550 V,随着温度的升高,探头的工作电压逐步升高;骨架温度升高至150 ℃时,探头的工作电压升高至1 600 V;骨架温度到底185 ℃时,探头高压升高至1 750 V,185 ℃以后,随着温度升高,探头高压逐步升高至1 800 V。该补偿策略保证探头的工作电压均落在不同环境温度下探头的坪区曲线中。温度图版分3部分,第1部分为骨架温度低于120 ℃部分,工作电压保持不变;第2部分为120 ℃～185 ℃部分,高压随温度的补偿策略满足二次多项式y=0.0403x2-9.2125x+2075.3,式中多项式系数与探管的批次及仪器的温度参数有关,根据实际温度实验情况进行修正;第3部分为高于185 ℃部分,高压随温度的补偿策略满足二次多项式y=-0.2074x2+83.623x-6628.8,式中多项式系数与探管的批次及仪器的温度参数有关,需要根据实际实验情况进行修正。

图6 温度补偿图版示例

5 结 论

(1)通过选取合适的高温器件满足175°条件下不带保温瓶自然伽马测井仪正常工作的需求;引入高压程控机制解决电位器调整高压带来的问题;利用坪区的温度图版,通过在不同温度下自动调整高压值,保证自然伽马测井仪的耐温性能。

(2)研究使得175°高温环境下自然伽马测井仪连续10 h以上的正常工作成为现实。在大庆测井分公司研制的Wiseye测井系统以及0.2 m高分辨率测井系统中,Wiseye1020C集成化单元1分系统使用该方法作为自然伽马探测器高压调整的方案,自然伽马探测在高温环境和常温环境下响应良好,获得了较好应用效果。中电科二十二所研制的SDZ-8000成像测井系统中,SDZ-8021集成化单元1分系统使用该方法作为自然伽马探测器高压调整方案,在柳平区块的高温水平井测井中获得良好应用效果。

(3)该方案也可通过热敏电阻来调节高压模块的输出高压值,但其高压输出值受控特性不好,在热敏电阻特性不好的情况时很容易达不到所需要的高压值,不如程控高压控制灵活。