阵列密度测井仪原理及常见故障分析

肖雷雷，宛文宇，刘红旗，刘海

（中海油田服务股份有限公司，天津 300450）

0 引言

近年来，随着渤海油田勘探开发调整井作业难度逐年增大，以及大斜度、大位移及定向探井的增加，导致现场作业中遇到复杂地层的情况频出。在恶劣的井况条件下，无论是裸眼放射性测井还是随钻放射性测井均无法有效控制作业风险，导致部分开发井的油藏测井资料缺失，为后续的地质区块开发及地层解释评价带来了较大的困难。为了解决现场勘探开发需要，中海油服油田技术事业部自主研发阵列密度测井仪，并在仪器投入现场使用后，取得了良好的应用效果，作业安全、作业质量、作业时效均有了质的提升。阵列密度测井技术是套后三孔隙度（中子、密度、 声波）技术的最后一块拼图，配合自研超声兰姆波测井技术（UCCS），可以精确校正套管和水泥环对密度曲线的影响，同时配合套后中子声波技术能较大程度规避工程风险，有效减少工期并获取完整的油藏测井资料。本文通过对阵列密度测井仪的基本原理及常见故障分析，为此类仪器的维保提供了可借鉴性的经验总结。

1 阵列密度测井仪背景及工作原理

1.1 阵列密度测井仪背景

套损：受到射孔、构造压力、岩性、高压注水、放喷、电化学腐蚀、井身结构等因素的影响，套管出现腐蚀、穿孔、损伤等情况。

固井质量评价：水泥环胶结质量的检查，即水泥环与套管、水泥环与地层的胶结情况。

套损与固井质量评价的重要性：套管损坏会使油井的产量受到很大影响，水层段套管穿孔后，地层水进入储层，造成石油开采效率下降，套损井无法正常生产，套损井会影响动态测井资料的准确性；对水泥环厚度的准确测量是保证油气井寿命、提高采收以及合理开发油气资源的关键性技术之一。

在套管井中，由于套管和水泥环对伽马射线的吸收，导致利用传统的密度 “脊肋线” 方法具有一定的困难。Larry A.Jacobson（1990）利用数值模拟方法研究了套管井中密度测井响应规律；G.L.Moake（1998）基于实验数据提出适用于套管井的密度测井仪器设计方案，但仪器并未商业化；Ronald Plasek（2011）总结了前人的经验，提出了利用背散射伽马进行套管厚度计算，并设计两种确定水泥环厚度的算法，实现套管井中高精度密度测井，并给出误差范围[1]。

在套管井中进行密度测井主要面临的问题有水泥环密度和厚度的确定、套管厚度的确定、地层密度响应关系。

1.2 阵列密度的测量原理

阵列密度测井仪的核心部分是矩阵排列的探测器，工作时利用放射性同位素伽马源向地层辐射伽马射线，射线打入地层经过散射和吸收后其能量也会随之改变，回到探头周围的射线被俘获。地层密度越大，对伽马射线吸收越强，被俘获的伽马射线强度越弱；反之，地层密度越小，对伽马射线吸收越弱，被俘获的伽马射线强度越强。地层密度相同而岩性不同（等效原子序数Zeff不同）造成的低能区（能量低于160 keV 范围）计数率有较大的变化，且高能区计数率不变，中间区段是过渡带，随着等效原子序数Zeff的增加而加宽[2]，表明了光电吸收截面指数与物质原子序数Z之间的密切关系。阵列密度测井仪可以测得套管后的地层密度，根据地层密度可定量求出地层的孔隙度。

普通双源距密度测井仪不能满足在套管井中的地层信息测量要求。针对这些缺陷设计了阵列密度测井仪，采用四探测器结构，获取更多的测量信息，通过数据处理获得套管井地层密度及套管信息。

在套管井中，在一定的套管厚度条件下，存在一条套管井脊线，如图1 所示。由于套管对不同源距处的探测器计数率的影响不同，对近源距探测器影响要大于远源距探测器，因此和裸眼井脊线相比，套管井脊线斜率更小。当套管井中存在水泥环时，由于水泥的密度小于套管密度，因此水泥环在脊肋图中以向右上方偏移的肋线响应特征显示。在相同的水泥环密度条件下，肋线上数据点的位置反映了不同的水泥环厚度，随着厚度的增加，肋线向上方延伸，当水泥环厚度足够厚时，水泥环肋线和套管脊线相交于套管脊线上的水泥密度对应的数据点。

图1 陈列密度测井仪测量原理示意图

1.3 各电路原理介绍

整串仪器电路主要分为电子节电路和机械节电路两部分，同时具有四路探测器，进行四路采谱并稳谱。

探测器部分由屏蔽体钨镍铁、晶体、光电倍增管等组成。屏蔽体钨镍铁对伽马射线有较强的吸收能力，可减少背散射的影响；晶体和光电倍增管可对伽马射线进行探测，伽马射线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流脉冲，这些信号脉冲经过前放板放大驱动输出至电子节模拟板。

每个探测器晶体尾部安装有137Cs 稳谱源，用于提供稳谱信号，当完成采谱后，主控板将谱信号传到系统上，然后系统对稳谱窗口的能谱进行分析，计算出铯峰，通过补偿高压修正来抵消温度对光电倍增管的影响。

1.3.1 前放部分

仪器前级放大电路是探测器信号的第一道处理，其主要作用是将微弱信号进行驱动，增强其传输能力，以便于进一步处理。来自探测器的脉冲信号首先经过电容过滤使其规整，然后经过前放两级反向放大电路（OPA211），最终将137Cs 特征峰幅度放大为-3.2 V±0.2 V，其中改变RT1 可调节光电倍增管的输出幅度，从而在初始高压情况下将前方板输出稳定在-3.2 V±0.2 V，四个探测器的前放部分相同，用示波器测量可对比分析观察。

1.3.2 谱采集电路部分

来自探头四路探测器的输出信号进入两路模拟板，经过放大、整形、基线恢复后，分别进两路入数字板AD 采样电路进行采样。

采谱电路采用波峰波谷采样电路，同时采集原始信号的波峰电平值和波谷电平值，波峰减波谷就是峰值电压，这样可以避免原始信号基线发生变化时带来的误差。

放大板输出的信号经过RC 延迟放大后，在比较器中与未变化的信号比较后产生矩形脉冲，再经过门电路整合生成COVER 信号，然后作为ADC 开始采集的指示，使ADC 在对应的波峰和波谷处进行电平采集。

1.3.3 自动稳谱

温度变化对光电倍增管的输出幅度有影响，在实际测井中，井越深环境温度越高，测井环境温度的变化会使能谱漂移，影响最终的测量精度。

阵列密度测井仪探头每个探测器晶体尾部安装有137Cs 稳谱源，用于提供稳谱信号，每次采谱后会对137Cs 的特征峰进行寻峰计算，当137Cs 峰偏移230 道时，数字电路通过DAC 输出CTR 信号控制高压输出，使137Cs 峰左移或右移，实现自动稳谱，解决了温度对测量精度的影响。

2 阵列密度测井仪常见故障分析

2.1 故障现象一

2022年2月10日，渤中区块某井次进行177.8 mm（7 英寸）套后放射性作业时，井口检查仪器发现套后密度仪器（MADT）无法建立通讯，井口多次尝试重新上下电、重启地面、反复激活服务表等措施后终于偶然建立通讯。此后，仪器未尝试再下电，测井结束后快速上提过程中尝试重新上下电，发现仪器再次无法建立通讯。

分析过程：仪器返回维修车间，连接维修室内地面系统检查仪器，设置合适增益值调好通讯，反复上下电测试，通讯正常，未发生通讯困难现象。

随后拆掉EA 头部接头，抽出电子线路，进一步检查各电子器件，发现主控板上U402 芯片的10 脚未插入相应底座，弯折在孔位表面。

经查阅相应资料，确认该芯片HD15530 负责仪器命令和数据的编解码功能，同时10 脚定义为数据同步（DATA SYN），若虚连则会导致海上作业反馈的现象。除去该芯片原因外，仪器中电子线路所有低压供电，与常规仪器中的稳压芯片不同，该仪器均由内部的电源转换模块提供，且模块工作的启动电压为180 V AC，在实际操作中应注意通讯短节的缆头电压，适当多加一些，同时避免过慢上电，还应测量通讯短节CHV 监测的准确性，如果实际值偏低达不到启动电压就会造成无法建立通讯现象。

总结：针对该仪器，在基地检查参数正常，现场操作上电在180 V AC 以上为关键点，除此之外，在排除地面系统和其他短节干扰后，再对仪器本身与通讯一路相关的各个器件进行排查，通讯控制则与常规EDIB 总线仪器相同，可以借鉴参考。

2.2 故障现象二

2022 年3 月3 日，测井返还的阵列密度仪在车间保养，连接车间地面系统及通讯节，上电后通讯完好，在观察四路采集波形时，发现长探测器波形窗（madt L）稳谱波形前端缺失，已无法如正常状态首道波形卡在12 道，于是对该故障展开排查。

分析过程：首先对关键信号进行测量，在机械节顶部引出的接线端子测量四路探测器放大后的采集信号，幅度及基线显示均正常。

对电子节，抽出电子线路，找到长源距采集信号对应的模拟通道，测量发现在该路脉冲信号上有-300 MV 电压偏移。经逐步测量，分析该位置的电路功能得知，该处为信号基线调整电路，正常状态下，探头传上来的信号输入后，经过两级放大消除反冲后，下一步为调节基线漂移电路，再将规整的信号传至谱分析板进行处理。本次测量两级放大输出信号正常而终端信号有电压偏移，调节RT4 电阻无作用，最终确定为模拟板上Q3、Q4 三极管损坏，焊接换新，恢复仪器后上电检查，故障现象消失，维修完成。

总结：原始信号的整形分析和放大对后续能谱分析非常重要，当直观观察到能谱窗口异常时，对仪器内几处关键信号的测量能快速缩小故障范围，便于维修。

2.3 故障现象三

2022 年3 月30 日，车间正常检查仪器准备作业，上电后观察短探测器谱采集窗口，发现当谱峰调整对准230 道时，增益值很大，为2 430，查阅相关维保记录，发现该仪器之前检测时，为2 048 左右。

分析过程：对该现象，拆开机械节部分，再拆出短源距探测器，重新耦合晶体以及光电倍增管，确定短源距探测一路原始信号完好，进一步调整模拟板上的RT7 调节电阻，由2.7 kΩ 降至2.2 kΩ，最后再次上电检查仪器，短源距稳谱后的增益值为2 090，完成隐患整改工作。随着设备的使用频率增加，探头部分磨损和电子器件参数偏移的影响会越来越明显，检查时应重点观察，同时重视增益值，及时调整以免实际测井谱峰不稳现象发生。

总结：四路探测器正常的增益值均在2 048 左右，如果偏移较多则需要调节，首先测量在当前增益下的控制电压观察是否正常，排除后，设置2 048 增益再调节模拟板上的RT7 电阻使信号处理末端输出在正常范围内，同时RT6 可以消除脉冲信号的反冲现象。

3 结语

阵列密度测井仪为中海油服自主创新研发，打破了国外厂家的技术垄断，大大降低了老油田、老区块套管井开发的成本，在实际应用中取得了良好的效果。本文主要论述阵列密度仪器各功能电路模块的测量原理，并对实际工作中的部分案例进行简要总结，为后续的维修以及保养工作提供借鉴参考，确保该类仪器的作业稳定性，为现场作业的顺利完成奠定基础。后期设备在此基础上的升级改进，将继续分析探讨。