岩性密度测井仪探头测试系统的研制

吕海泉, 蔡晓波, 程静, 柏林

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所, 河北 邯郸 056027)

0 引 言

岩性密度测井仪通过仪器自带的放射源作用于地层,与地层相互作用产生康普顿效应和光电效应,利用康普顿效应测量地层密度,利用光电效应测量地层岩性[1]。

岩性密度测井仪在现场较验以实际联调刻度结果检测仪器,须使用地面操作系统,检测非常不方便[2]。岩性密度测井仪探头测试系统连续对脉冲幅度值进行A/D转换,对得到的数字值在FPGA内进行处理再得到目标窗口的值,省去了原仪器中脉冲信号的峰值保持及测量的部分。该测试系统体积小,重量轻,成本低,携带方便,即插即用,既可用于产品自检,还可以用于油田的现场维修和调试。

1 系统原理

岩性密度测井仪由高压组件、探测器和前置放大板组成。探测器由晶体和光电倍增管组成。它能将射入晶体的γ射线转化为微弱的电信号,称为核脉冲[3]。幅度各异的核脉冲经过线性放大器线性放大,通过基线恢复电路进行基线恢复;经过A/D转换,将核脉冲的幅度值转换为数字信号。数字信号进入FPGA中的脉冲幅度分析器进行脉冲幅度分析[4]。

不同能量的伽马射线与脉冲幅度分析器的相关道域形成了对应关系,最终形成1024道谱数据。ARM处理器通过SPI传输从FPGA中获得谱数据,通过UART传输将1024道谱数据传给地面,对谱数据分析并调节高压发生器的高压值;通过仪器的能量刻度建立能量和道址的关系——能量刻度曲线。系统的方框原理图见图1。

图1 测试系统方框原理图

2 脉冲信号采集系统

2.1 核信号处理模块

岩性密度测井仪探头输出的核脉冲信号进入前置放大器处理,再进入主放大器放大。探头通常要求后级有高的输入阻抗以利于信号输出,在探头和主放大电路之间放置一个前置放大器进行阻抗转换匹配。它可以减少探测器输出端到放大器输入端之间的分布电容的影响,提高信噪比。

信号经由主放大器进入比较器式基线恢复器(见图2)。基线恢复器由比较器AD790和放大器OP284组成,其原理是当脉冲的基线大于0时,比较器输出高电平。该电平经过RC滤波,被OP284放大;放大后的信号输出到运放,强迫脉冲的基线向0靠近;经过一定时间基线恢复到0。当基线小于0,比较器的输出低电平,该电平经过RC滤波被OP284放大;放大后的信号输出到运放,强迫脉冲的基线向上移动,经过一定时间基线恢复到0。在电路中为了提高测量的精度,人为加入了抖动信号;为了简化电路的设计,抖动信号通过基线恢复电路实现。由于工作频率的不同,可以去掉AD790,分析其工作原理,在脉冲信号上叠加了三角波[5]。

图2 基线恢复电路

2.2 脉冲幅度分析器

信号通过A/D进行连续采样,在信号大于门槛时使用数字积分器,在信号小于门槛时停止积分,积分器将脉冲幅度进行累加,获得脉冲的精确幅度。将脉冲幅度和数量进行统计,得到谱数据。谱数据通过SPI总线传给ARM。脉冲幅度分析器的功能通过FPGA完成。

3 自动稳高压系统

为保证核脉冲信号幅度严格正比于探测到的伽马射线的能量,需要控制供给光电倍增管的高压。为此必须采取稳谱措施,即动态调整高压。该系统采用特征峰稳谱方法稳谱。岩性密度测井仪采用了低活度137Cs源直接贴于NaI晶体端面,从137Cs源发射的662 keV伽马射线直接进入晶体。通过监测特征峰的伽马全能峰,采用四能窗稳谱算法计算光电倍增管高压的调整因子[6],细调光电倍增管的高压。自动稳高压系统的计算全部在ARM处理器中完成。

为实现稳峰,仪器设置了4个能窗段。窗口C1为538～600 keV;窗口C2为600～662 keV;窗口C3为662～724 keV;窗口C4为724～786 keV。窗口设置使较低2个能量窗口C1+C2的脉冲计数之和与较高2个能量窗口C3+C4的脉冲计数之和在不考虑本底影响下相等。该条件下若高压过低,输出脉冲幅度分布中心偏向能量较低方向的窗口,则C1+C2的计数值偏高,此时仪器通过持续调大控制电压增加高压,使脉冲幅度分布中心向高能量方向偏移,最终达到C1+C2和C3+C4的计数率平衡。反之,若高压太高,则输出脉冲幅度分布中心将偏向能量较高方向的窗口,C3+C4的计数值偏高,此时仪器调小控制电压降低高压,使脉冲幅度分布中心向低能量方向偏移,最终达到平衡[7]。

4 数据采集及处理

仪器采用能谱分窗测量,长、短源距能谱各被分成9个能量窗口,通过对其中的5个窗口的数据的测量及计算可以得到相应的岩性和密度数据。能谱段划分设置见表1。长源距谱LS窗口187～536 keV,内含有LL和LU共2部分。通常用LS段数据求取密度。为了避免对测井的影响,对重晶石泥浆用LU段数据求取密度。LITH岩性窗口用以求取岩性。短源距谱设置2个窗口SS1和SS2。SS1用于薄泥饼矫正,SS2用于厚的泥饼矫正。

测试系统中ARM处理器得到脉冲幅度分析器传来的谱数据,通过对谱数据的处理,得到5个窗口的数值,在LCD显示屏上显示。

表1 能谱划分设置

5 实验及结果分析

岩性密度测井仪在高温环境工作,实验时对测井仪在常温和高温条件下的本底数据要进行测试,分析其结果是否满足要求。实验时,仪器在相同的状态下连接测井系统得出准确的窗口计数值;接入测试系统得出检测结果;将检测结果和准确值进行比对看是否满足要求。

常温测试。所有测量在仪器加电工作稳定之后进行,一般需要15 min。常温(23 ℃左右)测量结果见表2,其中LS=LL+0.5LU。

表2 常温测试结果

高温测试。被检验仪器温度指标升温至最高温度175 ℃,温度允许偏差+0 ℃、-5 ℃。仪器芯体进行高温试验1.5 h。高温测试结果见表3。

表3 高温测试结果

由表2和表3的数据可以看出无论仪器在常温条件还是在高温条件下,使用测试系统进行测试,各个窗口的测量值都在允许范围以内,而且测量数据比较稳定。整个测试系统满足使用要求。

6 结束语

(1) 岩性密度测井仪探头测试系统在岩性密度测井仪电路的基础上采用了FPGA技术代替了原有电路中的所有数字电路,通过ARM处理器完成了自动稳谱功能和显示功能,代替了上位机功能。

(2) 岩性密度测井仪探头测试系统已广泛应用在岩性密度测井仪的出厂检测及现场维修,使用方便,测量准确,效果良好。

参考文献:

[1] 申会堂, 田彦民. 岩性密度测井仪的原理与应用 [J]. 舰船科学技术, 1996(6): 59-64.

[2] 吕海泉, 柏林, 段敬彬. 基于FPGA的岩性密度测井仪测试系统的研究 [J]. 舰船防化, 2011(4): 37-41.

[3] 张伟, 韦克平. 光电倍增管在自然伽马测井仪中应用 [J]. 电子测量技术, 2004(1): 25-26.

[4] 王南萍. 环境γ能谱测量方法研究及应用 [J]. 辐射防护, 2005, 25(6): 347-356.

[5] 王芝英. 核电子技术原理 [M]. 北京: 原子能出版社, 1989: 75-107.

[6] 鲁保平, 张惠芳. 四能窗稳谱技术在岩性密度测井仪中的应用 [J]. 测井技术, 2008, 32(1): 76-79.

[7] 张健雄, 张进姚, 洪略. 一种便携式天然伽马能谱测量仪及其稳谱原理 [J]. 核技术, 2005, 28(8): 637-640.