楊建峰

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

大慶油田已經(jīng)進(jìn)入特高含水期，儲(chǔ)層動(dòng)用程度提高，挖潛難度增大。對(duì)部分剩余油富集區(qū)的增產(chǎn)挖潛主要采用水平井的方式[1-2]。在水平井套后剩余油監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，斯倫貝謝RST、哈里伯頓RMT和貝克休斯RPM等小直徑測(cè)井儀均可在水平井套后評(píng)價(jià)剩余油，目前國(guó)內(nèi)尚無相關(guān)技術(shù)。為了打破技術(shù)壟斷、解決油田測(cè)井需求，在現(xiàn)有PNST[3-4]測(cè)井技術(shù)的基礎(chǔ)上，將儀器外徑縮至54 mm，同時(shí)保證現(xiàn)有技術(shù)的性能指標(biāo)能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，因此要設(shè)計(jì)一種新型小直徑自成靶中子發(fā)生器。

本文介紹了新型小直徑發(fā)生器的設(shè)計(jì)過程及關(guān)鍵技術(shù)，與PNST-3D測(cè)井儀配接后，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)測(cè)井過程中，新型中子發(fā)生器技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定，性能可靠。

1 小直徑中子發(fā)生器設(shè)計(jì)方案

新型的小直徑自成靶中子發(fā)生器是為54 mm水平井套后剩余油測(cè)井儀(PNST-3D型)配接使用而設(shè)計(jì)的,設(shè)計(jì)方案主要包括儀器結(jié)構(gòu)和內(nèi)部高壓絕緣技術(shù)及自動(dòng)控制。儀器尺寸為Φ44 mm×760 mm。內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一體化，整體更加穩(wěn)定，外部采用可閥密封的金屬外殼，內(nèi)襯聚酰亞胺絕緣筒，絕緣筒內(nèi)充六氟化硫氣體。選用外徑33 mm的新型自成靶中子管，外形相比大尺寸中子管有所縮減，新中子管離子源引出比更高，靶功耗更低。從左至右依次裝有高頻變壓器、靶壓倍壓電路及自成靶中子管。圖1為該發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖。

圖1 小直徑自成靶中子發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 中子管

中子管作為中子發(fā)生器的關(guān)鍵部件，其技術(shù)指標(biāo)和可靠性直接決定了中子發(fā)生器的整體性能。PNST-3D測(cè)井儀中子發(fā)生器采用了外徑33 mm的新型自成靶中子管，耐溫150 ℃，壽命≥120 h。

為了適應(yīng)儀器的需要，新型中子管在縮小尺寸的同時(shí)仍要保證中子產(chǎn)額的穩(wěn)定輸出，為此對(duì)離子源陰陽極間隙、電場(chǎng)分布、絕緣、離子散射、散熱等優(yōu)化了設(shè)計(jì)，通過建模及多次實(shí)驗(yàn)，確定了靶底形狀和厚度，提高了中子產(chǎn)額[5]，滿足測(cè)井需要。

2.2 高壓絕緣技術(shù)

高壓絕緣是中子發(fā)生器設(shè)計(jì)方案中另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。靶端高壓輸出是由整套的倍壓電路組成，作用是輸出-130 kV的靶高壓。隨著中子發(fā)生器直徑的縮小，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高壓倍加技術(shù)，并提高高壓的負(fù)載能力，同時(shí)對(duì)絕緣和耐溫性能也提出了更高的要求。

靶端高壓輸出的大小由變壓器的變換效率、倍壓級(jí)數(shù)以及相互之間的匹配等因素決定，有些因素存在彼此相互制約的關(guān)系，比如縮短儀器的長(zhǎng)度就要減少倍壓級(jí)數(shù)，經(jīng)過分析對(duì)比，最終確定如下方案。

1)高頻變壓器 選用高磁導(dǎo)率的超微晶磁芯作為高壓變壓器磁芯材料，重新設(shè)計(jì)了線圈初次級(jí)匝數(shù)比。在縮小變壓器尺寸的同時(shí)保證靶端高壓輸出效率，降低功耗。

2)倍加器電容 在保證耐溫指標(biāo)的同時(shí)，選用漏電流更小、尺寸更小的電容和硅堆制作高壓輸出的倍加器，重新設(shè)計(jì)倍加器電路，采用單面布局，進(jìn)一步縮小倍加器尺寸。變壓器端口電壓經(jīng)過倍加器后產(chǎn)生-130 kV的輸出高壓。

3)絕緣方式 小直徑中子發(fā)生器改進(jìn)了充氣絕緣和隔熱結(jié)構(gòu)，提高了發(fā)生器內(nèi)部絕緣氣體密度，保證中子發(fā)生器耐溫指標(biāo)和絕緣性能。

2.3 中子發(fā)生器自動(dòng)控制系統(tǒng)

中子發(fā)生器在工作時(shí)通過靶壓變換器進(jìn)行直流逆變，輸入電壓為130 V直流電，經(jīng)過濾波，經(jīng)過控制電路中MOS管的輪流導(dǎo)通產(chǎn)生高頻脈沖波，通過高頻變壓器進(jìn)行變壓，輸出交流電。工作頻率由電路產(chǎn)生并可調(diào)，與升壓多級(jí)倍加器電路相互匹配，將產(chǎn)生0～130 kV負(fù)高壓。

中子管電離由2個(gè)參數(shù)決定，即陽極脈沖高壓和氘氚儲(chǔ)存器電流。陽極高壓電源產(chǎn)生電壓為0～2 000 VDC的正高壓，通過高壓開關(guān)模塊輸出直流且占空比可調(diào)的陽極脈沖高壓。氘氚儲(chǔ)存器控制器是能輸出電壓+5 V、電流1 A的可控制電源，通過控制電路自動(dòng)調(diào)整儲(chǔ)存器的電流，以調(diào)節(jié)中子管內(nèi)的氣壓，從而達(dá)到離子源的穩(wěn)定電離。

中子發(fā)生器穩(wěn)控電路[6]流程如圖2所示，穩(wěn)控的實(shí)現(xiàn)步驟為：1)先通過地面控制系統(tǒng)給中子管燈絲電流置入較小初值，預(yù)熱中子管。2)通過回饋的陽極電流信號(hào)取樣值，與單片機(jī)設(shè)定的陽極電流標(biāo)準(zhǔn)電離電流信號(hào)的取樣值相比較，設(shè)定了若干燈絲步長(zhǎng)，讓陽極電流逐漸靠近標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，燈絲值不變，保證中子產(chǎn)額的穩(wěn)定。

圖2 中子發(fā)生器工作原理框圖

3 中子發(fā)生器試驗(yàn)結(jié)果

為了檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)方案的合理性和可靠性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)中子發(fā)生器進(jìn)行了高溫試驗(yàn)和室內(nèi)儀器配接，整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制表格。

3.1 中子發(fā)生器高溫試驗(yàn)

中子發(fā)生器高溫條件下的穩(wěn)定性是一項(xiàng)重要指標(biāo)[7]。為保證中子發(fā)生器-130 kV靶壓高壓電源在高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作，電路中的關(guān)鍵元件都經(jīng)過高溫測(cè)試篩選，對(duì)其在高溫條件下的中子產(chǎn)額檢測(cè)如下。

從表1中可以看出，中子發(fā)生器在150 ℃環(huán)境溫度下中子產(chǎn)額比較穩(wěn)定，變化率較小，為測(cè)井儀提供了可靠、穩(wěn)定的可控中子源。

表1 中子發(fā)生器耐溫指標(biāo)檢測(cè)

3.2 中子發(fā)生器與PNST-3D測(cè)井儀的室內(nèi)試驗(yàn)

在室溫條件下，中子發(fā)生器與測(cè)井儀連接，由地面電源給儀器供電，記錄不同靶壓下儀器的工作狀態(tài)。圖3顯示了測(cè)井儀靶高壓在-100 kV下的能譜曲線，可以看到中子發(fā)生器工作狀態(tài)穩(wěn)定，中子產(chǎn)額穩(wěn)定。

圖3 PNST-3D能譜曲線圖

4 結(jié)論

1)通過對(duì)中子管、高壓絕緣、種子發(fā)生器自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，研制了能夠與PNST-3D測(cè)井儀配接使用的新型小直徑中子發(fā)生器。

2)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，小直徑中子發(fā)生器在密封高壓和自動(dòng)控制方面實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，通過試驗(yàn)可知中子發(fā)生器150 ℃高溫下技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)和測(cè)井儀器的要求。