取芯用防震伽马仪器电池供电方式分析与改进

张金贵

(大庆钻探工程公司测井公司 黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

取芯作业是矿场地球物理测井［1］中比较重要的作业项目，目前主要有两种电缆传输取芯作业仪器。其中碰撞式［2］井壁取芯较旋转式井壁取芯，以其现场作业时间短、取样快、成本低的特点，在国内外都得到广泛应用。

碰撞式井壁取芯在作业过程中需要配接防震伽马仪器用于深度校正。目前，取芯用防震伽马仪器只用电缆传输地层自然伽马信号，一部分仪器自身用电由仪器内部的电池提供，在实际应用过程中，电池供电方式易出现问题。

本文通过对电池供电方式分析，找到容易引起故障的关键点，选择供电方式改进的方法，降低了仪器故障率。

1 取芯防震伽马仪器原理

1.1 取芯伽马仪器原理

仪器由探测器、信号处理电路、控制板和高压电源等组成，如图1 所示。探测器部分包括一个碘化钠闪烁晶体［3］和一个光电倍增管。光电倍增管和晶体封在一个探测器套筒内，晶体和光电倍增管通过光学硅油紧贴一起保持光耦合良好。

图1 取芯防震伽马原理图

来自地层的自然伽马射线携带周围井壁的信息进入探测器，射入闪烁晶体后与物质发生作用产生次级电子，这些电子使晶体的原子受激而发光，大部分光子入射到光电倍增管的阴极，从光阴极上打出光电子，经过倍增后，在光电倍增管阳极上形成电脉冲，这些信号脉冲被送入信号处理板GR IN 信号输入端，信号经处理后通过电缆传输至地面系统进行后续处理。

高压电源模块是由H24 V 提供的24 V 直流电经过升压后对光电倍增管提供高压。从而使光电倍增管正常工作。

1.2 取芯伽马仪器电池供电控制单元

如图2 所示，取芯防震伽马仪器通过控制板把三组电池24 V 电源的供电，通过水银开关［4］控制电路导通与截止，当仪器竖起来测井时水银开关导通，电路正常工作，在不测井时仪器水平放置，以免使电路处于导通状态，影响电池工作寿命。其中24 V 也为信号处理板供电，H24 V 对高压电源供电，使高压输出负高压1 300 V～1 500 V，从而使光电倍增管正常工作。

图2 取芯防震伽马电池供电控制单元

2 取芯防震伽马电池供电方式存在的问题

2.1 电池的运输与存放

电池的运输与存放需要专门的容器及场所，对于环境要求较高，不能存放于潮湿环境，不能存放于粉尘含量高的场所，不能存放于环境温度较高的场所。

2.2 单支电池问题导致整支仪器故障

在使用过程中，一个或者几个电池损坏或缺电就会造成整个电池组供电异常，从而导致电路部分低压电源异常，电路板元器件无法正常工作;低压电源工作异常同时会造成高压模块无法正常工作，无法输出高压，从而导致光电倍增关无法工作。

2.3 电池对工作温度要求较高

电池的工作温度不能超过摄氏150℃，在井温条件不满足的情况下，取芯作业无法顺利进行。并且电池本身是发热部件，长时间工作，即使井温没有达到摄氏150℃，也会发生工作异常。

2.4 水银开关故障率高

仪器内部使用水银开关对电池组供电进行控制，只有仪器在竖直方向小于45°的时候，仪器才能正常工作。在进行大斜度井作业时，水银开关经常工作异常。在仪器作业过程中水银开关也容易出现故障，经常出现下井作业过程中仪器工作异常。

2.5 电池电量有限制

电池电量有限，根据工作量的情况，每两个月左右的时间需更换一次电池。

3 取芯防震伽马电池供电方式存在问题的分析

3.1 水银开关问题分析

目前使用的水银开关，管脚细，由于爆炸取芯作业过程中仪器会受到强烈的震动，水银开关容易受到震动的影响而异常工作。水银的填充量适中，在仪器竖直方向小于45°范围内水银量可以保证开关接通，大于45°范围则处于断开状态。直接导致仪器只能在竖直方向上工作在一定的角度内。所以在大斜度井及水平井作业过程中由于水银开关处于断开状态，从而仪器无法工作。

3.2 电池问题分析

1)电池对环境要求分析

电池将化学能转化成电能。利用电池作为能量来源，可以得到稳定电压，稳定电流，但是化学能在转换成电能的过程中有其局限性，对环境温度有一定的要求，随着环境温度的升高，其稳定性下降，电池的工作温度最高不能超过摄氏150℃。在高于摄氏150℃的环境工作，电池会发生爆炸。

电池在潮湿的环境容易导致潮解，发生反应气鼓等。电池在粉尘环境容易导致电池发生短路。电池在高温环境长时间存放容易导致爆炸危险的发生。

2)电池电量问题分析

电池把化学能转换成电能，化学能受电池体积的限制其化学能量有限，从而导致电池电量有限，无法长时间提供稳定的电源，必须定期更换，而且不管电池组是串联还是并联只要有一个电池电量低都会导致内阻增加，电流变小，继续使用会导致其他电池亏电损坏。电池电量出现问题直接导致伽马仪器电路部分工作异常，以及高压模块部分工作异常，不能给光电倍增管提供稳定的高压，从而使光电倍增管异常工作。

4 取芯防震伽马电池供电方式存在问题的解决方案

4.1 仍然采取水银开关及电池供电

经过分析，在仍然采取电池供电及水银开关的情况下对供电方式进行改进，首先，对水银开关进行更换，采用管脚粗以及选择水银填充量理想，使仪器在竖直方向上工作角度范围更大的水银开关，保证在仪器竖直方向小于55°的范围内可以接通，大于55°范围处于断开状态。安装后的水银开关用玻璃胶固定，降低其爆炸作业过程中容易引起异常工作的可能性。开关角度增大的水银开关可以保证在更大斜度井内完成作业任务。其次，对电池组加装保温瓶，提高仪器的耐温水平，在电池组内电池之间采用快速连接片的方式，代替焊接方式，以缩短由于电池电量变低更换电池的时间。

此方案在电路上没有发生大的变化，经过现场作业检验，仪器工作时自然伽马信号正常。

4.2 采取电缆传输供电代替电池供电

将仪器用电通过电缆传输到仪器内，如图3 所示，改进后的详细电路图，方框部分是改造的主要内容，将电源板的输入端断开，不再用电池供电，直接用电缆供电。通过电缆缆芯7 及电缆外皮从地面直接供+24 V 直流电通过二极管D3 到电源板的输入端，并增加2 个齐纳二极管1N4742 及电阻网络对其进行稳压。从信号处理板输出的伽马信号也通过缆芯7 及电缆外皮驱动上传到地面。电源和信号共用缆芯7 及电缆外皮，为了上传的信号与直流电源互不影响，在直流电源进入电源板前，用一个电感L1 来减弱进入电源板的伽马信号，使伽马脉冲信号有足够的幅度驱动上传到地面系统，完成校深工作。

在仪器总线上加装反向二极管，使地面直接供+24 V 直流电只能供到防震伽马仪器内部不能供到取芯枪内，取芯发射电压采取负的直流电只能供到取芯枪内，在二极管D3 处截止，不能供到防震伽马仪器内，两路电源互不干扰。

图3 改进后的电路图

此方案由于对电路进行了改动，并且供电方式发生了改变，在进行现场作业比较后，如图4 所示，改进前后对同一口井同一测量段进行作业，并对所测量的地层自然伽马曲线［5］进行比较，在相同深度，自然伽马曲线起伏趋势相同。

5 结 论

图4 改进前后同一测量段自然伽马曲线比较

方案一:仍然采取水银开关及电池供电方式。保留了电池供电的优点，其供电电压波动小，抑制电源噪声明显。此方案的改进降低了仪器故障率，提高了仪器实际工作温度，可以在更大斜度井内工作，缩短了更换电池需要的时间。但是未能解决根本问题，电池仍然受环境温度影响，仪器在竖直方向超过55°甚至水平井内无法进行作业，虽然缩短了更换电池的时间，但是电池仍需定期更换。

方案二:采取电缆传输供电代替电池供电，从根本上解决了仪器受电池及水银开关影响的问题，仪器的工作温度由摄氏150℃提高到了摄氏175℃以上。仪器不受井斜度大小的限制，可以在水平井内作业。避免了由于电池爆炸造成仪器报废的危险。改造后的仪器无需定期更换电池，节省了成本，降低了仪器的故障率，提高了仪器测井的效率。无需对仪器内部进行大的机械改动，只需在电路板上焊接改进所需的相应电子器件即可，改造成本低，可实施性强。

方案一和方案二在改进方式上各有优缺点，在实际应用过程中，可以参考作业规程，参考钻井设计［5］，根据实际情况选择方案对仪器进行改进。

［1］丁次乾.矿场地球物理［M］.东营:中国石油大学出版社，2002:1 -3.

［2］范光兵，施 宇.碰撞式井壁取心技术的改进和应用［J］.承德石油高等专科学校学报，2011，13(4):40 -49.

［3］赵景泰，王 红，金滕滕，等. 闪烁晶体材料的研究进展［J］.中国材料进展，2010，19(10):17 -19.

［4］赵宗贵，江鹤令.水银开关及其应用［J］.电工技术，1982，(4):19 -22.

［5］周开吉，郝俊芳.钻井工程设计［M］.东营:中国石油大学出版社，2006:5 -10.