岩心元素扫描仪的设计

□ 张增旺

中国电波传播研究所 河南新乡 453003

1 设计背景

岩屑元素录井技术的发展与应用为地质录井对复杂岩性和地层的识别提供了可靠的数据,满足了地质录井定量化的需求,近年来日益受到油田用户的重视。目前市场上的岩屑元素录井仪都是针对钻井岩屑进行分析作业的[1],主要将钻井岩屑制成岩屑压片后分析组成元素,在分析岩心的组成元素时需要将岩心局部破碎成岩屑,并制成岩屑压片,由此破坏了岩心的完整性,并且不利于岩心的保存,因为岩心是重要的地质资料,相比岩屑能够更加准确地反映地层信息,而且岩心取样成本较高,妥善保存完整的岩心可以便于日后做其它检测分析。笔者从实际使用和功能要求出发,设计了一种新型岩屑元素录井仪,称为岩心元素扫描仪。这一岩心元素扫描仪设计紧凑,造型美观,可靠性高,可以在不破坏岩心的情况下分析完整的岩心组成元素,同时也可以分析岩屑压片的组成元素。

2 工作原理

岩心元素扫描仪基于X射线荧光分析技术进行工作[2]。当X射线发生器发射的X射线照射到岩心样品上时,X射线与岩心样品中原子内层电子作用,产生光电效应,逐出内层电子形成光电子,并在电子层形成空穴。这一空穴使原子处于不稳定状态,导致原子外层的高能电子向内层跃迁。在此过程中,电子的能差转化为二次X射线,称为X射线荧光[3]。X射线荧光的能量与入射的能量无关,等于原子外层高能电子向内层跃迁时两能级之间的能量差。由于原子两能级之间的能量差完全由原子的电子层能级决定,因此X射线荧光又可称为元素的特征X射线,通过测定特征X射线的能量,就可以确定样品中微量元素的种类[4]。如铁的特征X射线能量为6.4 keV,铜的特征X射线能量为8.0 keV,据此可以进行定性分析。另一方面,特征X射线荧光光子数量与对应元素的含量成正比,由此可以进行元素含量的定量分析。

3 结构

岩心元素扫描仪由X射线荧光录井检测单元、视频监控单元、样品运动控制单元、气路单元、控制电路、分析软件组成,各组成部分配合运行,以完成元素的分析工作。岩心元素扫描仪组成功能框图如图1所示。

岩心元素扫描仪整体结构如图2所示。

4 设计考虑因素

(1) 控制腔体与装样腔体需要设计为两个独立的结构。将控制腔体和装样腔体分开,岩心元素扫描仪在正常使用时不需要打开控制腔体,避免在更换检测样品时对控制元器件造成影响或损坏。

▲图1 岩心元素扫描仪组成功能框图▲图2 岩心元素扫描仪整体结构

(2) 在岩心元素扫描仪对样品检测的过程中,做到在不打开装样腔体的状态下对被检测样品的各个部位完成检测,并能做到根据检测效果实时调整被检测样品的位置。

(3) 实现在不破坏岩心样品完整性的前提下对岩心样品进行检测,同时实现一次装样操作对多个岩屑压片样品进行检测。

(4)为提高检测的精度,装样腔体需要进行抽真空处理。

(5) 岩心元素扫描仪作为一款新产品,除了具有整体结构紧凑、移动便利、使用方便等优点外,造型也应美观,给人耳目一新的感觉。

5 设计安全计算

X射线的电离辐射对人体是有伤害的[5],可以使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死,致使机体发生不同程度的生理、病理、生化等方面改变。接触射线的时间越长,致病的危险性就越大[6]。因此,使用X射线发生器时,需要采取屏蔽防护措施[7]。

在设计X射线屏蔽防护措施时[8],首先要确定X射线的屏蔽透射量,然后对照由试验测量得到的X射线减弱曲线,求得所需要的X射线屏蔽层厚度。

B=PR2/(WUT)

(1)

式中:B为1 m处射线屏蔽透射量,R/(mA·min);P为每周最大允许受到X射线辐射的剂量当量值,rem,对于职业性照射,P取值为0.1 rem,对于放射性工作场所邻近人员,P取值为0.01 rem;R为X射线源到操作者的距离,m;T为居留因子,经常有人员停留情况为全居留,T取值为1,部分时间内有人员停留情况为部分居留,T取值为1/4,偶尔有人员经过的情况为偶然居留,T取值为1/16;U为使用因子,直接受X射线照射时为充分使用,U取值为1,不直接受X射线照射时为部分使用,U取值为1/4,基本上不受到X射线有效照射时为不常使用,U取值为1/16;W为每周工作负荷,mA·min。

W=It

(2)

式中:I为管电流,mA;t为每周工作时间,min。

岩心元素扫描仪使用的是50 kV X射线发生器,管电流I为0.08 mA。

设定工作人员每天工作8 h,每周工作5 d,t为2 400 min。工作地点与X射线管焦点距离为1 m,R为1 m。工作人员为职业性照射,P为0.1 rem。工作人员在工作场所长期停留,T为1。X射线接受程度为直接照射,U为1。

由式(2)计算得到每周工作负荷W为192 mA·min。

由式(1)计算得到X射线屏蔽透射量B为5.2×10-4R/(mA·min)。

X射线屏蔽透射量曲线如图3所示。在纵坐标中查到B值,并从该点作水平线与50 kV曲线相交,在交点处作垂直线与横坐标相交,交点即为铅板屏蔽厚度。由上述步骤得到铅板屏蔽厚度为0.04 cm。

▲图3 X射线屏蔽透射量曲线

考虑两倍安全因数,将计算得到的铅板屏蔽厚度再加半价层厚度[9]。X射线的近似半价层厚度见表1,得到当峰值电压为50 kV时,半价层厚度为0.006 cm,合计总铅板屏蔽厚度为0.046 cm。

由文献[10]可知,当峰值电压为100 kV时,0.09 cm铅板屏蔽厚度相当于0.5 cm钢板屏蔽厚度,即0.5 cm厚的钢板与0.09 cm厚的铅板屏蔽效果一致。由图3可知,当X射线的屏蔽透射量一定时,X射线发生器峰值电压越高,要求铅板屏蔽厚度越厚。峰值电压为50 kV时所需的铅板屏蔽厚度小于0.09 cm,计算得到的铅板屏蔽厚度为0.046 cm,小于0.09 cm,因此,0.09 cm铅板屏蔽厚度满足设计防护要求,即0.5 cm钢板屏蔽厚度满足设计防护要求。

表1 X射线近似半价层厚度

6 工作流程

(1) 准备工作。将待检测的岩心样品或岩屑压片样品放置于对应的支架上,检查岩心元素扫描仪各管线是否连接正常,运行是否正常。

(2) 放样工作。打开装样腔体装样端舱门,将待检测样品及支架放入装样腔体内样品平台上,关闭舱门,保证密封性。

(3) 检测工作。操控软件对装样腔体进行抽真空操作,达到真空要求后,操控软件开始对被检测样品进行检测。

(4) 取样工作。样品检测完毕后,操控软件恢复装样腔体内的气压,打开舱门并取出样品,完成检测工作。

7 设计实现

7.1 控制单元

控制单元安装于装样腔体顶部的控制腔体内,由框架、顶盖、前后面板组成。控制腔体内部装有开关电源、控制电路、真空过滤器、电磁阀,前面板配装按钮开关,后面板配装连接器、电源插座、交流风扇、电源过滤器、固态继电器,顶盖侧端开有散热孔,并装有过滤棉板。控制单元配合软件操作,可操作控制岩心元素扫描仪的整个检测过程。

7.2 检测单元

检测单元位于控制腔体的检测腔内,与装样腔体相连接处加装硅胶垫板进行密封处理。检测腔外部装有X射线发生器和X射线探测器,检测腔内部装有激光测距传感器和高清摄像头。设计要求激光测距传感器、X射线发射器、X射线探测器的端口延长线交于一点,并且相交点与待测样品表面距离需要满足X射线探测器的使用距离要求。岩心元素扫描仪工作时,高清摄像头能对被检测样品进行实时监控。

7.3 装样单元

装样单元采用一个壁厚0.55 cm的不锈钢矩形钢管作为装样腔体,装样腔体两端安装有厚1 cm的不锈板钢舱门,装样腔体与舱门之间加装硅胶垫板进行密封处理。装样腔体内底部安装有水平电子尺、电动水平位移台、电动竖直位移台。在电动竖直位移台上安装样品平台,样品平台上放置摆放岩心样品的岩心支架或摆放岩屑压片的压片支架。不同型号支架放置在电动竖直位移台上使用时,需要满足装样腔体对不同外形尺寸岩心样品或多个岩屑压片的检测放置要求。电动水平位移台和电动竖直位移台配合使用,能够实现被检测样品水平与竖直方向的二维连续运动。配合使用水平电子尺和检测单元的激光测距传感器,可以实现对被检测样品检测面与X射线探测器之间的精准定位。装样腔体底部装有自锁式滑轮,便于岩心元素扫描仪的移动运输。

7.4 气路单元

为了保证被检测样品中轻元素的检测精度,被检测样品的分析需要在真空环境下进行。气路单元可以实现对装样腔体的抽真空功能。气路单元包括真空泵、抽气控制电磁阀、充气控制电磁阀,以及相应的管线和接头。

8 结束语

所设计的岩心元素扫描仪已投入使用。由专业机构检测这一岩心元素扫描仪的屏蔽效果,满足辐射安全要求。经应用表明,这一岩心元素扫描仪结构简洁,便于拆装,便于操作和控制,检测效果好,可以适应不同规格尺寸的岩心样品检测和岩屑压片检测,对操作人员和维修人员的技术水平要求不高,符合现场使用的实际需求。