全谱饱和度仪器故障分析及排除

陈 显

(大港油田测试公司工艺研究所 天津 300280)

0 引 言

脉冲中子全谱饱和度测井仪器(PSSL)是一种多功能组合测井仪，主要用于油田对饱和度的测量，在评价剩余油饱和度方面有广泛的应用。PSSL仪器有5种测量模式：CO_NLL(组合模式)、CO(纯碳氧比模式)、NLLCAP(寿命俘获模式)、NLL(纯寿命模式)、WTC(校深模式)[1]。PSSL仪器一次下井可以完成时间谱、井温、接箍、自然GR等参数的测量。自2012年引进以来，仪器共计出现7次故障，在维修过程中，积累了一定的维修经验，有助于对常见故障的快速诊断及处理。

1 仪器结构及工作原理

PSSL仪器主要由遥测短节、探测发射短节两部分构成。

PSSL仪器通过测量不同时间、不同过程特征伽马射线的时间和幅度分布，形成了4种伽马射线谱，其信息覆盖了快中子和物质作用的所有过程[2-3]。其中非弹散射伽马、俘获伽马能谱、热中子衰减时间谱充分反映了井眼和地层信息，活化伽马能谱及其时间谱用于寻找各种管外、管内流体，为解释处理提供更加全面的原始资料[4]。

2 常见故障分析及处理

PSSL井下仪器大量采用模块化设计和大规模集成数字器件，一般出现故障时，根据地面软件的灯区显示和各种仪器信息显示能判断出故障出现的大概位置，然后根据信号或者电源的输入、输出关系，本着先电源后电路，先模块再器件的维修原则，就可以快速找出仪器的故障点。统计近5年的故障情况，全谱饱和度仪器问题主要集中在无灯丝电流、加靶压仪器整体电流大、地面软件无法显示探测发射短节信息、远近探头无计数4大类问题。

2.1 无灯丝电流(地面软件VIF显示为0)

2.1.1 无灯丝电流显示，但实际仪器能电离

检验仪器时，软件上VIF显示为0，但是实际上仪器能电离，说明是灯丝采样故障。

全谱饱和度仪器通过采样VIFC2点电压值大小，通过软件换算成相对应的灯丝电流值，显示在软件VIF界面。DA输出的控制电压VRTF经过U5放大后，由R21和电位器R22对电压值衰减，变成VIFC2(3.3 V对应880 mA)。R23、R22、U5B等组成的网络在Q1的栅极(G)产生一个正的电压，使Q1的栅源电压(VGS)增大引起源极和漏极之间形成导电沟道，使+5 V通过Q1对灯丝供电的回路导通。当Q1(见图1)出现故障时，Q1的源极(S)和漏极(D)击穿后，+5 V对灯丝供电回路导通，+5 V电压直接加载至灯丝上，灯丝电流IF端有实际电流，但是由于VIFC2端无法形成灯丝电流采样回路，软件上VIF采样就会显示为0。通过测量C32端有无电压值就可以快速判断是否是该故障。如果是，更换Q1即可以解决灯丝采样故障。

图1 灯丝电路

2.1.2 无灯丝电流显示，且仪器不能电离

检验仪器时，VIF显示为零，且仪器不能电离，说明是灯丝控制电路故障。

首先测量图1中VREF端信号，如果没有电压输出，则可判断是前端单片机问题。如果单片机没有问题，则需要逐级量U5B的5、7，以及D5端、D6端电压值，就可以判断出故障。一般故障主要集中在Q1点，Q1点出现故障时，通过测量D6点电压值大小，就可以快速查找出故障点。

2.2 加靶压，仪器整体电流偏大

加靶压时，仪器串电流偏大。故障主要集中在LVB模块、V2控制端、靶压驱动控制电路。

2.2.1 LVB模块故障

遥传短节内部的LVB模块输出V2控制端。V2主要功能是给产生靶压的驱动电路供电。靶压驱动板产生2 路数字脉冲，并和V2控制端一起合成靶压驱动脉冲。V2控制端经过电感、电容网络滤波后送到T1 变压器初级的中心接头，一起产生2 路驱动高压变压器的初级输入信号，形成靶压驱动电路。维修时，先断开LVB的V2线，软件加靶压控制命令，通过测量LVB模块输出V2线所对应的电压值及地面电流显示大小，来判断LVB模块的问题。如果是LVB模块故障，更换模块即可。

2.2.2 V2控制端短路

由于V2内部走线较长(4 m)，依据维修经验，在组装时，V2线压在电路板底端，容易造成V2走线挤压破皮导致短路。当加靶压时，相当于V2电压直接对地，就形成加靶压仪器串大电流现象。通过断开靶压驱动板V2点，测量V2走线对GND阻值大小，可判断出故障。

2.2.3 靶压驱动控制电路故障

出现加靶压仪器整体电流大时，在排除了LVB模块和V2控制端的故障后，需要排查靶压驱动控制电路单元，如图2所示。

图2 靶压驱动控制电路单元

靶压驱动电路供电的直流电压VGTP由LVB模块控制。电压VGTP到靶压驱动电路后引到靶压变压器的中芯抽头VGTL上。靶压驱动板产生的2路数字信号(T1-1和T1-3)分别引到Q1和Q3的漏极，通过2路同步互补驱动信号驱动MOS管Q2、Q4，交替导通产生靶压驱动脉冲。正常情况下Q1、Q3产生脉冲信号时，由于线圈对交流信号的抑止作用不会出现大电流的情况。但是，当Q2、Q4中1个或者2个损坏时，由于T1-1和T1-3接入线圈两端，在这种情况下，直流电压VGTP就加载在线圈上。由于线圈电阻只有5 Ω，加靶压时就会出现仪器大电流现象。此时检查Q2、Q4 3个极之间的电阻是否正常，若不正常，更换损坏的Q2或者Q4即可。

2.3 地面软件无法显示探测发射短节信息

室内检验时，地面软件无法显示探测发射短节信息“2”。该问题主要集中在探测发射短节仪器内部总线电路上。探测发射短节仪器总线电路如图3所示。

图3 探测发射短节仪器总线电路

探测发射短节内部单片机发送的命令经FPGA 逻辑阵列处理后输出Tool-UUN、Tool-UUP 两路交替脉冲信号，用一对MOS作为驱动并拟合成AHAMI 码在仪器总线Toolcomm上传输。Tool-UUP和Tool-UUN输出高电平为3.3 V，低电平为0 V。A和B两点基线点为直流1.65 V。当信号上传故障时，测量A点电压值(正常为1.65 V)，或者通过示波器观察A点波形(3.3 V间断正脉冲信号)，即可判断Q1、Q2是否出故障。同样，如果是下发命令故障，测量B点电压大小(正常为1.65 V)，以及用示波器观察Tool-POS、Tool-NEG信号，综合判断故障点。一般上传电路故障主要集中在Q1、Q2上，下发电路故障主要集中在U1上。在外围电路均没有问题的情况下，就需要测量Tool-UUN、Tool-UUP两点信号，如果没有输出，那就可以判断问题出在FPGA 逻辑阵列处理器上，更换损坏器件即可。

2.4 远近探头无计数

探测发射短节内部远近探头均没有计数。这类问题主要是由单片机U6和+15 V直流电源故障引起的。

PSSL仪器探测发射短节内部远近两个探头的高压由2个模块单独供电，但是2个模块由同一路直流电压+15 V输入。HVC-1 为远探头高压模块提供高压，HVC-2 为近探头高压模块提供高压，当2个探头均没有计数时，2个探头高压模块同时出现故障的概率比较低。软件上通过加、减探头高压值控制命令，来观察单片机U6输出电压的幅值变化情况，即可判断出U6好坏。

遥传低压模块产生的+15 V引至探测发射短节，短节内LC滤波网络主要作用是对两个高压模块的输入电源+15 V进行滤波。测量高压模块输入电源+15 V是否正常，如果不正常，则检查LC滤波电路。一般故障出现在电感L2上，用万用表测量通断就可以判断出电感故障。

3 结束语

PSSL饱和度仪器内部电路比较复杂，需要在维修过程中不断积累经验。本文对PSSL饱和度仪器维修过程中出现的故障及处理进行了分析总结，今后工作中出现类似故障时，可以参照文中的内容和相关的电路图判断问题所在，快速、高效地找出故障点，提高维修效率。平时也应该对仪器关键点正常波形进行检测，出现问题及时处理，避免小故障引起大毛病，做好仪器维护，延长仪器的使用周期。