新型小直径中子发生器的研制

2019-10-31杨建峰

石油管材与仪器 2019年5期

杨建峰

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163453)

0 引言

大庆油田已经进入特高含水期，储层动用程度提高，挖潜难度增大。对部分剩余油富集区的增产挖潜主要采用水平井的方式[1-2]。在水平井套后剩余油监测技术领域，斯伦贝谢RST、哈里伯顿RMT和贝克休斯RPM等小直径测井仪均可在水平井套后评价剩余油，目前国内尚无相关技术。为了打破技术垄断、解决油田测井需求，在现有PNST[3-4]测井技术的基础上，将仪器外径缩至54 mm，同时保证现有技术的性能指标能满足实际生产需要，因此要设计一种新型小直径自成靶中子发生器。

本文介绍了新型小直径发生器的设计过程及关键技术，与PNST-3D测井仪配接后，在现场生产测井过程中，新型中子发生器技术参数稳定，性能可靠。

1 小直径中子发生器设计方案

新型的小直径自成靶中子发生器是为54 mm水平井套后剩余油测井仪(PNST-3D型)配接使用而设计的,设计方案主要包括仪器结构和内部高压绝缘技术及自动控制。仪器尺寸为Φ44 mm×760 mm。内部骨架结构实现一体化，整体更加稳定，外部采用可阀密封的金属外壳，内衬聚酰亚胺绝缘筒，绝缘筒内充六氟化硫气体。选用外径33 mm的新型自成靶中子管，外形相比大尺寸中子管有所缩减，新中子管离子源引出比更高，靶功耗更低。从左至右依次装有高频变压器、靶压倍压电路及自成靶中子管。图1为该发生器结构图。

图1 小直径自成靶中子发生器结构示意图

2 关键技术的实现

2.1 中子管

中子管作为中子发生器的关键部件，其技术指标和可靠性直接决定了中子发生器的整体性能。PNST-3D测井仪中子发生器采用了外径33 mm的新型自成靶中子管，耐温150 ℃，寿命≥120 h。

为了适应仪器的需要，新型中子管在缩小尺寸的同时仍要保证中子产额的稳定输出，为此对离子源阴阳极间隙、电场分布、绝缘、离子散射、散热等优化了设计，通过建模及多次实验，确定了靶底形状和厚度，提高了中子产额[5]，满足测井需要。

2.2 高压绝缘技术

高压绝缘是中子发生器设计方案中另一个关键技术。靶端高压输出是由整套的倍压电路组成，作用是输出-130 kV的靶高压。随着中子发生器直径的缩小，在有限空间内实现高压倍加技术，并提高高压的负载能力，同时对绝缘和耐温性能也提出了更高的要求。

靶端高压输出的大小由变压器的变换效率、倍压级数以及相互之间的匹配等因素决定，有些因素存在彼此相互制约的关系，比如缩短仪器的长度就要减少倍压级数，经过分析对比，最终确定如下方案。

1)高频变压器选用高磁导率的超微晶磁芯作为高压变压器磁芯材料，重新设计了线圈初次级匝数比。在缩小变压器尺寸的同时保证靶端高压输出效率，降低功耗。

2)倍加器电容在保证耐温指标的同时，选用漏电流更小、尺寸更小的电容和硅堆制作高压输出的倍加器，重新设计倍加器电路，采用单面布局，进一步缩小倍加器尺寸。变压器端口电压经过倍加器后产生-130 kV的输出高压。

3)绝缘方式小直径中子发生器改进了充气绝缘和隔热结构，提高了发生器内部绝缘气体密度，保证中子发生器耐温指标和绝缘性能。

2.3 中子发生器自动控制系统

中子发生器在工作时通过靶压变换器进行直流逆变，输入电压为130 V直流电，经过滤波，经过控制电路中MOS管的轮流导通产生高频脉冲波，通过高频变压器进行变压，输出交流电。工作频率由电路产生并可调，与升压多级倍加器电路相互匹配，将产生0～130 kV负高压。

中子管电离由2个参数决定，即阳极脉冲高压和氘氚储存器电流。阳极高压电源产生电压为0～2 000 VDC的正高压，通过高压开关模块输出直流且占空比可调的阳极脉冲高压。氘氚储存器控制器是能输出电压+5 V、电流1 A的可控制电源，通过控制电路自动调整储存器的电流，以调节中子管内的气压，从而达到离子源的稳定电离。

中子发生器稳控电路[6]流程如图2所示，稳控的实现步骤为：1)先通过地面控制系统给中子管灯丝电流置入较小初值，预热中子管。2)通过回馈的阳极电流信号取样值，与单片机设定的阳极电流标准电离电流信号的取样值相比较，设定了若干灯丝步长，让阳极电流逐渐靠近标准值时达到稳定，灯丝值不变，保证中子产额的稳定。