摘  要： 地層自然伽馬值反映了地層巖性的變化，設計了隨鉆自然伽馬測量系統，可以測量出所鉆地層自然伽馬值，使鉆井工程和石油地質人員能夠準確地分析井下地質情況，并及時優化鉆井設計和施工工藝，準確地鉆達目的層。

　　關鍵詞： 自然伽馬值; 伽馬測量裝置; 光電倍增管

　　在石油鉆井過程中，隨時了解地層參數對鉆井工程師十分重要，其為調整井眼軌跡提供判斷依據，使鉆頭準確鉆達目的層，提高鉆井鉆遇率，最終提高油氣采收率[1-2]。由于自然界巖石中所含的鈾、釷及其衰變產物和鉀的放射性同位素能引起地層的自然放射性。這些放射性元素在沒有任何外界激發的情況下，可以釋放出射線。這些具有放射性的元素在衰變過程中能發射α粒子、β粒子和γ射線。α粒子和β粒子的穿透能力很差，不能用于測井；而γ射線是一種具有很強穿透能力的高能電磁波，它能在鉆井過程中被探測到[3]。因此隨鉆自然伽馬測量系統可以通過測量地層的自然伽馬變化來反映地層的巖性。

1 隨鉆自然伽馬測量系統的原理簡介

　　隨鉆自然伽馬測量系統的作用是測量在鉆井過程中不同性質地層的伽馬射線強度，再將各個地層中的伽馬測量值標定為單位API自然伽馬標準值，利用對不同地層的實時伽馬測量數據繪制出鉆井過程中實時伽馬曲線[4]。因此該系統必須能夠測量井下不同性質地層的伽馬射線值并記錄井下不同性質地層所對應的井深。

　　隨鉆自然伽馬測量系統安裝在鉆頭上方的無磁鉆鋌中，圖1顯示其安裝在鉆鋌上的位置，系統由井下伽馬探管、井下數據采集測量電路組成。其能夠進行地層自然伽馬脈沖計數率測量，并同步記錄不同地層自然伽馬值相關聯的井深信息[5]。

　　井下數據采集測量電路的工作原理如圖2所示。地層中的自然伽馬射線進入伽馬探管后，由探管將伽馬粒子轉換成電脈沖信號，經過信號整形電路將該信號變成標準脈沖,送入ARM處理器。ARM處理器利用內部計數器對其計數，采樣一次伽馬脈沖的計數值的時間間隔為16 s，再計算單位時間內的平均值，計算出的伽馬脈沖計數率，將地層的伽馬脈沖計數率刻度為自然伽馬標準計量單位API，然后存入NOR Flash存儲器中。ARM處理器電路也可通過RS485總線將數據發送給MWD的泥漿脈沖信息上傳系統，通過該系統將自然伽馬API值上傳給地面計算機系統。地面計算機可將自然伽馬API值與井深信息相對應，繪制出自然伽馬測量曲線[6]。

2 隨鉆自然伽馬測量系統的電路設計

　　隨鉆伽馬測量儀采用以ARM處理器為核心的井下傳感器和數據測量電路，并擴展相應外圍功能擴展電路，設計對探管干擾小、抗干擾能力強的電路體系。

　　2.1 伽馬探管高壓電源

　　伽馬探管高壓電源由半橋開關電源變換器和倍壓電路兩部分構成，半橋開關電源形成開關電壓脈沖，經過開關變壓器對倍壓電路進行充電，產生伽馬探管所需要的2 000 V左右高壓供電電源。

　　高壓電源控制芯片為TL494電壓型脈沖寬度控制器，它由PWM 比較器、振蕩器、兩個誤差放大器、D 觸發器、+5 V基準電壓源、死區時間比較器和兩個驅動三極管等組成。

　　由于電源電路在上電瞬間各點電壓不確定，經過一段震蕩時間之后才能穩定工作，所以在上電瞬間不能有加在柵極的激勵信號，否則將導致開關管導通。延時軟啟動電路能實現該控制功能，如圖3所示。該電路可以控制TL494的4腳死區引腳實現軟啟動，由于電壓所在的軟啟動腳高于3 V時，TL494的占空比將設置為零，充電過程電阻R23與電容C5間的電壓接近線性地上升,上電瞬間5 V左右的電壓加在R31上,給電容充電的電壓逐漸上升，導致電阻上的電壓逐漸下降，下降到3 V以下時，占空比方波將正常輸出,R31和C5決定了電源的軟啟動時間。

　　TL494控制電路如圖4所示，TL494在工作時,定時元件RT 和CT 的取值決定了控制器內部鋸齒波發生器上的工作頻率。死區時間比較器和脈寬比較器的同相輸入端與該鋸齒波信號連接。在脈寬比較器中對鋸齒波和誤差放大器的輸出電平比較，而在死區時間比較器中對死區控制電平與鋸齒波進行比較，二者分別輸出得到矩形脈沖。同時送入門電路，在D觸發器內進行分頻后，再由輸出到兩個驅動三極管，使其交替導通和截止，相差180°的脈寬控制脈沖通過9腳和10腳向外輸出。

　　由上可知，如果TL494的參考電位（即兩個誤差放大器的反相輸入端(2腳或者15腳)）穩定，當升高同相輸入端電位時，則可以使兩個驅動引腳輸出脈沖變窄；反之，則可以使PWM 脈沖變寬。當加載到死區控制端電壓下降時，則可以使兩個驅動輸出E1/E2的脈寬控制脈沖變寬。

　　通過電壓跟隨器將電壓反饋信號Ufeb接入TL494的1腳反饋端，設定的參考電壓加載到2腳反相輸入端，并與引腳3共同組成PI調節器，用以保證電源輸出穩定的電壓。從開關管輸出電流信號Ifeb反饋到控制的16腳，一個參考電壓加載到15腳，可以限定電源對外最大輸出電流的大小，最終控制最大負載功率，起到過載保護的作用。

　　TL494的9腳和10腳輸出的兩路PWM波形分別連接到半橋控制芯片IR2110的HIN和LIN管腳，由IR2110芯片的自舉系統和外部相應電路抬高Q1源極電位，實現Q1的正常導通和關斷，如圖5所示，從HO和LO管腳分別輸出信號驅動圖6所示半橋MOSFET結構的開關電路。

　　半橋開關電路Q1和Q2被帶有死區時間的兩路互補PWM信號驅動，分時導通和關閉。即Q1導通時Q2關閉，電流從變壓器的2腳流向1腳；而Q2導通時Q1關閉，電流從變壓器的1腳流向2腳。這樣在變壓器的初級就形成了交變電壓，該電壓再過升壓變壓器T1升壓。經過升壓變壓器升壓后的電壓再經過倍壓升壓電路，達到伽馬探管工作所需要的電壓。

　　倍壓升壓電路如圖7所示。變壓器T1對初極電壓進行升壓，并在次級產生交變電壓。交變電壓為負半周時，D1導通，其他二極管截止，電容C10充電到240 V； 交變電壓為正半周時，D2導通, 其他二極管截止， 電容C9充電到480 V；交變電壓再為負半周時，D3導通，其他二極管截止，電容C8充電到480 V；交變電壓為正半周時，D4導通，其他二極管截止，電容C7充電到480 V；交變電壓為負半周時，D1導通，其他二極管截止，電容C6充電到480 V。升壓后輸出電壓對地電壓為2 160 V，最終達到伽馬探管的工作電壓。

　　2.2 ARM處理器及測量電路低壓供電單元

　　ARM處理STM32需要的供電電壓為3.3 V, 測量電路供電電壓為5 V。隨鉆自然伽馬探測裝置的供電輸入電壓為24 V。因此需要將24 V轉換為5 V和3.3 V，可使用一個buck型開關電源和一個低壓差電源[7]。

　　2.3 伽馬探管工作原理

　　入射到探測管的伽馬射線可由伽馬探測管轉換為電脈沖信號，脈沖整形電路對該脈沖進行處理。隨鉆伽馬測量裝置井下伽馬探測管使用的是閃爍計數器。

　　由光電倍增管和閃爍晶體和組成的閃爍計數器如圖8所示。閃爍晶體可以在放射線作用下發射熒光的物質，實現將伽馬射線轉換成光能。當沒有入射光進入光電倍增管時，電倍增管的陽極上不會產生電流。但由于溫度影響，會有少量的激發電子。其再經過倍增管的倍增效應后,陽極上會出現被稱為暗電流的微小噪聲電流。由于該噪聲電流脈沖的幅值很小，且產生的時間短，所以噪聲脈沖和有用信號脈沖可由脈沖鑒別電路加以區別。

　　當自然伽馬射線入射到閃爍體后，其內部的分子或原子將吸收射線的能量，發生熒光效應。光電倍增管敏感的光陰極表面被熒光光子擊中，將產生相應量級的光電子。光電倍增管的打拿極捕捉到這些電子，將電子數逐級倍增。光電倍增管的陽極得到倍增后的電子，形成相應量級的電流脈沖，當電流脈沖流過陽極連接的負載電阻時產生電壓脈沖。該脈沖可以通過電容耦合至后級脈沖整形電路。射入晶體的伽馬射線強度與脈沖整形電路的脈沖計數率成正比。

　　2.4 脈沖整形電路

　　來自伽馬探管的信號是一個電壓尖脈沖，脈沖整形電路對這個尖脈沖進行處理，將其整形為一個標準的脈沖，送給ARM處理的計數單元進行脈沖計數。脈沖整形電路如圖9所示。

　　伽馬探管輸出的負電壓脈沖信號前沿很陡，脈沖信號后沿衰減規律成指數趨勢。通過電容C6該信號耦合至三極管Q4的基級，伽馬探測器的直流高壓也由C6隔離，以防止損壞后級電路。探管的輸出信號由穩壓二極管D2限幅，RC低通濾波器由R25和C7組成，能夠去除測量信號中的高頻干擾。

　　脈沖信號經過Q4反相相放大后，由于電容C9耦合到運放A3的輸入端，因此調節A3上的反饋電阻可以對該脈沖信號再次進行放大。

　　運算放大器A3的輸出信號加載到比較器A4的輸入端，組成電壓閾值比較器，進一步對脈沖信號整形，去除噪音信號。比較器A4輸入閾值電壓為10 V左右，使高于次電壓的伽馬脈沖信號可以通過比較器，其他噪聲信號電平低于閾值電壓而不能通過。

　　經過幾級整形之后的信號波形已經變得比較理想，這樣輸出的信號成為與伽馬脈沖相一致的標準脈沖信號，然后輸出到CPLD芯片進行分頻和電平匹配輸出，最終輸出到ARM控制器的計數單元。由于在一些地層中的伽馬射線能量強，所探測的脈沖數量在單位時間內很多，直接加到ARM芯片的比較器計數單元上會使其產生計數溢出錯誤[8]。因此要使用CPLD芯片配置成分頻器，對脈沖信號進行4分頻計數。然后將分頻后的脈沖波形送入ARM芯片的比較器計數單元內進行計數和保存。ARM芯片對伽馬脈沖的計數由其內部定時器控制，每16 s完成一次計數，最后存儲的伽馬計數值應為16 s內計數脈沖的平均值。

　　2.5 井下實時時鐘電路

　　井下實時時鐘可與地面實時時鐘進行對準，可推導出相應的井深參數。DS1305為外部時鐘芯片，采用SPI通信方式，時間控制任務主要有兩個方面：DS1305時鐘與地面時間的對準功能；產生等時間間隔脈沖信號，作為外部中斷源控制CPU的伽馬數據定時采集和存儲。

　　2.6 井下實時伽馬數據存儲電路

　　測量的自然伽馬參數數值需要實時地存儲到井下NOR Flash存儲器中，與各個自然伽馬參數數值相對應的實時時鐘信息也需要對應地存儲到井下NOR Flash存儲器中。采用的井下NOR Flash存儲器芯片為M25P64，其為64 Mbit(即8 MB)存儲芯片。

3 隨鉆測量實驗

　　圖10 中隨鉆自然伽馬測量曲線說明了該裝置的應用情況(左圖為自然伽馬測量曲線，右圖為電阻率測量曲線),這是該測量裝置在冀東油田某鉆井過程中的隨鉆測量數據。從圖中可反映出當鉆至1 965 m時，測量的自然伽馬值開始下降，電阻率值開始升高。孔隙度高的含油地層，其伽馬輻射低，可推測開始進入儲油層。當鉆至1 971 m時自然伽馬值開始上升，測量的電阻率值開始降低，可推測鉆出儲油層。繼續鉆至1 998 m時，電阻率測量值值升高，自然伽馬測量值降低，可推測再次進入儲油層。根據測量的數據結果分析，自然伽馬測量儀可以準確反映出真實地層情況。

　　本文對隨鉆伽馬測量系統的研制意義進行了分析。在此基礎上對隨鉆伽馬系統進行設計，并著重分析了放射性伽馬測量原理，包括總體分析與設計、高壓電源電路設計、脈沖整形電路設計、伽馬數據采集與存儲電路設計等。同時，針對隨鉆伽馬測量系統在電磁干擾環境下工作需要注意的問題進行分析，使其達到測量應用的要求。最后通過對儀器的實驗驗證了該儀器的功能[9]。

　　參考文獻

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