駱慶鋒,周維,崔曉靜,李勝,陳輝,岳燦

(1.中國石油集團測井有限公司測井技術(shù)研究院,陜西西安710077;2.北京濱松光子技術(shù)股份有限公司,河北廊坊065001;3.中國石油集團測井有限公司吐哈分公司,新疆鄯善838202)

0 引 言

方位伽馬測井儀是鉆井行業(yè)普遍應(yīng)用的一種隨鉆測井儀器,儀器能夠直觀獲取豐富多樣的地層信息,通過井周三維成像更加有效地指導(dǎo)鉆井施工,是大斜度井/水平井開發(fā)“提速提效”的利器。作為該技術(shù)的核心組件“一體化伽馬探測器”,其性能尤為重要[1-5]。由于石油蘊藏地層深處,隨鉆測井儀器的工作環(huán)境相對惡劣,井下溫度可達(dá)200 ℃,且隨著鉆頭向地層鉆進會伴有較強的振動和沖擊[6-7]。因此,隨鉆測井儀器對其組件要求極高。多年來這類隨鉆一體化伽馬探測器一直被國外專業(yè)化公司壟斷,中國相關(guān)技術(shù)的發(fā)展受限于高端閃爍晶體材料生產(chǎn)和高溫封裝技術(shù),如何在有限的物理空間獲得更高的探測效率,探測器整體可靠性、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)成為難以突破的瓶頸。

本文創(chuàng)新設(shè)計了晶體及光電倍增管等核心部件結(jié)構(gòu),采用釬焊熔封、柔性和剛性結(jié)合的減振、升壓斬波電路等技術(shù),研制了國產(chǎn)一體化伽馬探測器,實現(xiàn)批量生產(chǎn)和規(guī)?；茝V。實際應(yīng)用表明產(chǎn)品整體技術(shù)指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品水平相當(dāng),能夠滿足現(xiàn)場施工需求。

1 產(chǎn)品設(shè)計及實現(xiàn)

1.1 總體設(shè)計

本文所述的一體化探測器由高溫NaI(TI)閃爍晶體、高溫光電倍增管封裝品、高溫高壓電源和信號處理電路以及外殼部件組成,通過輸入18～48 V的寬電壓范圍進行供電,產(chǎn)品進行伽馬射線強度測量,輸出+5 V的TTL數(shù)字電平。

1.2 詳細(xì)設(shè)計

NaI(TI)晶體以及光電倍增管的玻璃外殼均屬于易碎材料,如何使其應(yīng)用于石油測井的高溫、強振動、沖擊環(huán)境中,關(guān)鍵技術(shù)是需要引入合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及封裝技術(shù)對其進行包裝,從而保證其既不損壞,又可穩(wěn)定工作。

1.2.1NaI(TI)晶體設(shè)計

NaI(TI)晶體因其在閃爍效率、分辨率及光產(chǎn)額方面的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用,但其缺點是易碎、易潮解,導(dǎo)致其光輸出大幅度下降和能量分辨率變差。因此,通常需要將其密封在帶有出光窗口的密封殼體內(nèi)使用[8-10]。本產(chǎn)品創(chuàng)新采用鈦合金(藍(lán)寶石)釬焊熔封技術(shù),保證晶體的密封性及透光性。

熱鍛NaI(TI)晶體是在一定的溫度和壓力下通過塑性形變而成。晶體在發(fā)生塑性變形后,由于位錯的不斷交互和增殖,形成了位錯多邊化和亞晶粒結(jié)構(gòu),從而提高了其抗冷熱沖擊和機械振動的能力,且閃爍體光電性能不受影響。

本文自制的NaI(TI)多晶材料封裝時,在晶體與封裝外殼之間填充柔性和剛性結(jié)合的減振材料,實現(xiàn)抗振保護。出光端面和玻璃窗口間采用特殊工藝高透光性硅橡膠墊進行減振,后端面與后蓋間采用定制波形彈簧軸向上保持晶體的穩(wěn)定,側(cè)面與外殼間通過引入柔性加剛性材料的復(fù)合方式進行減振。通過以上材料及工藝,晶體可承受工作狀態(tài)下的最大振動加速度為300 m/s2,最大沖擊加速度為10 000 m/s2。

1.2.2光電倍增管的設(shè)計

光電倍增管負(fù)責(zé)將閃爍體與伽馬射線作用后產(chǎn)生的微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號,實現(xiàn)了能量信息的記錄和傳遞[13-15]。本產(chǎn)品采用柔性減振材料以對整體玻璃殼及內(nèi)部組件進行保護封裝,且封裝后不影響光陰極面與閃爍體的耦合;創(chuàng)新采用了一種新的止推結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)光電倍增管的陰極面承受245 N的推力且不發(fā)生位移,提高了光電倍增管的抗壓特性。

光電倍增管工作時,陰極面接收到的光信號會通過倍增極進行放大,而光電子在倍增極間的運動軌跡極易受到磁場的影響導(dǎo)致其工作異常。地球表面測得的磁場強度約為5×10-5T,光電倍增管的固有設(shè)計使其容易受到地磁場的干擾,本產(chǎn)品引入特殊的磁屏蔽外殼對其進行封裝,可以將地磁對光電倍增管的影響有效降至1%以下。

1.2.3外殼材料選擇

外殼材料對伽馬射線的屏蔽作用不容忽視。基于高溫閃爍晶體的密封性封裝及力學(xué)振動要求,通常會選用不銹鋼或鈦合金作為外殼材料,二者均會造成探測效率的降低,從材料本身的強度以及對射線的屏蔽效果角度考慮,本產(chǎn)品選用鈦合金材料作為探測器外殼,更小的壁厚即可提供所需的強度,以提高整體閃爍晶體對伽馬射線的探測效率,表1所列為4種常用封裝金屬材料對不同能量射線的屏蔽效果[16]。

表1 4種厚度為1 mm的常用金屬封裝材料對γ射線的屏蔽作用

1.2.4電路設(shè)計

本文的電路設(shè)計采用升壓斬波(BOOST)加倍壓整流的升壓方式,直接使用電感即達(dá)到要求的輸出高壓,和通常采用變壓器的升壓方式相比,顯著降低了功耗。

選用低功耗脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWW)芯片,采用裸片+厚膜工藝封裝成混合電路,改善了散熱效果,減少由于芯片溫度升高導(dǎo)致的功耗增加;對分壓器進行合理設(shè)計,等同于降低高壓負(fù)載,進一步減少功耗。這種設(shè)計模式在中國尚屬首例。

1.3 產(chǎn)品實現(xiàn)

通過以上關(guān)鍵組件的選型、設(shè)計,采用標(biāo)準(zhǔn)化的機械、電氣連接接口,共完成了2種不同直徑的一體化探測器組裝與調(diào)試(見圖1)。

圖1 不同直徑的一體化探測器

2 產(chǎn)品性能驗證

評價一體化探測器工作穩(wěn)定性的指標(biāo)即為探測器在伽馬射線作用下輸出的計數(shù)率,而計數(shù)率指標(biāo)在高溫、振動環(huán)境中穩(wěn)定與否則是衡量其是否可用于隨鉆儀器最重要的性能參數(shù),儀器對該指標(biāo)的要求為工作過程中變化率不超過5%。參照隨鉆儀器實際使用環(huán)境,模擬試驗條件,對其性能進行考察。

2.1 -30 ℃低溫工作測試

針對儀器在寒冷區(qū)域作業(yè)的可能性,對產(chǎn)品進行低溫-30 ℃連續(xù)工作48 h穩(wěn)定性的考察試驗,在24 V輸入電壓條件下,工作過程連續(xù)測試產(chǎn)品的輸出計數(shù)率,每組計數(shù)采集時間為300 s。

圖2所示為選取的2支產(chǎn)品(CH399-13-3號、CH399-13-4號)的實測數(shù)據(jù),計數(shù)率穩(wěn)定。圖2中紅色曲線為CH399-13-3號產(chǎn)品在-30 ℃時計數(shù)率曲線,黑色曲線為CH399-13-4號產(chǎn)品在-30 ℃時計數(shù)率曲線。

圖2 低溫-30 ℃連續(xù)工作48 h計數(shù)率變化曲線

2.2 175 ℃高溫工作測試

中國大部分油田實際作業(yè)溫度不超過175 ℃,有些儀器井下作業(yè)過程中即使達(dá)到175 ℃,也不會持續(xù)很長時間。對產(chǎn)品進行了高溫175 ℃連續(xù)工作8 h的試驗,在24 V輸入電壓條件下,工作過程中連續(xù)測試產(chǎn)品的輸出計數(shù)率,每組計數(shù)采集時間為300 s。圖3所示為選取的2支產(chǎn)品(CH375-13-5號、CH375-13-6號)的實測數(shù)據(jù),計數(shù)率穩(wěn)定。圖3中紅色曲線為CH375-13-5號產(chǎn)品在175 ℃時計數(shù)率曲線,黑色曲線為CH375-13-6號產(chǎn)品在175 ℃時計數(shù)率曲線。

圖3 高溫175 ℃時連續(xù)工作8 h計數(shù)率變化曲線

2.3 升、降溫過程中計數(shù)率的穩(wěn)定性

實際測井作業(yè)過程中,溫度隨著儀器向地層深處鉆進逐漸升高。通常平均每向下鉆進100 m,溫度會升高3 ℃。因此,儀器在升溫、降溫過程中計數(shù)率是否穩(wěn)定影響著儀器鉆進過程中數(shù)據(jù)的有效性。在24 V輸入電壓條件下,連續(xù)監(jiān)測產(chǎn)品升溫、降溫過程中輸出計數(shù)率,升降溫速率控制在3 ℃/min以內(nèi),每組計數(shù)率采集時間為300 s,升降溫過程計數(shù)率變化情況如圖4所示,計數(shù)率較穩(wěn)定。圖4中紅色曲線為產(chǎn)品從室溫升溫至175 ℃后降溫至40 ℃的溫度變化曲線,藍(lán)色曲線是在環(huán)境溫度變化時產(chǎn)品的計數(shù)率曲線。

圖4 升溫、降溫過程中計數(shù)率變化曲線

2.4 振動條件下175 ℃高溫計數(shù)率工作測試

對于產(chǎn)品而言,最嚴(yán)苛的條件即為高溫175 ℃溫度條件時承受力學(xué)振動。為了充分考察產(chǎn)品在極端條件下的工作狀態(tài),對產(chǎn)品進行了X、Y、Z軸各4 h的高溫隨機振動工作試驗,振動加速度為150 m/s2,振動頻率范圍50～1 000 Hz。圖5為產(chǎn)品高溫振動過程的實測數(shù)據(jù),計數(shù)率穩(wěn)定。

圖5 175 ℃高溫振動過程中計數(shù)率變化曲線

從上述試驗結(jié)果可知,產(chǎn)品在低溫、高溫以及振動環(huán)境中工作時,輸出計數(shù)率穩(wěn)定,并可耐受200 m/s2的隨機振動,滿足石油測井隨鉆方位伽馬儀器工作的需要。

3 產(chǎn)品應(yīng)用

近幾年,該一體化NaI(TI)伽馬探測器累計使用200余支,先后在長慶致密油、四川頁巖氣、塔里木碳酸鹽巖等區(qū)塊現(xiàn)場進行了商業(yè)化應(yīng)用。所有探測器下井累計工作時長約180 000 h,單支探測器在井下最長可靠工作時間為1 575 h,在施工過程中探測器提供穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù),滿足現(xiàn)場需求。

在吉林油田乾2XX井施工中,旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向遇卡后,為降低成本及風(fēng)險,使用“隨鉆測錄井+地質(zhì)導(dǎo)向建模+動態(tài)調(diào)整技術(shù)”方案完成該井作業(yè)任務(wù)。該井完鉆井深3 735 m,水平段1 255 m,伽馬成像作業(yè)1 090 m,伽馬探測器在井下連續(xù)工作610 h,儀器穩(wěn)定可靠。前期地質(zhì)研究結(jié)果顯示地層為下傾,利用成像測井及錄井?dāng)?shù)據(jù)進行綜合分析,判斷儲層變化,發(fā)現(xiàn)實際地層為上傾;及時指導(dǎo)軌跡調(diào)整,實現(xiàn)精確地質(zhì)導(dǎo)向,同時在目的層厚度不足2 m的情況下,實現(xiàn)砂體鉆遇率90%(見圖6),為后期該區(qū)塊油藏的開發(fā)提供指導(dǎo)。

圖6 乾XX井方位自然伽馬測井地質(zhì)導(dǎo)向圖

4 結(jié)論與認(rèn)識

(1)本文介紹了隨鉆測井用一體化探測器,通過對材料、結(jié)構(gòu)封裝、減振設(shè)計進行研究,創(chuàng)新一系列工藝措施,使得探測器的穩(wěn)定性、可靠性得以顯著提高。該探測器整體性能指標(biāo)達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平,可以完全替代進口探測器,打破國外專業(yè)化公司壟斷。

(2)該產(chǎn)品在中國多個油田區(qū)塊規(guī)?；瘧?yīng)用,耐受井下作業(yè)長期高溫和強振動,產(chǎn)品可靠性和測量準(zhǔn)確性都得到用戶認(rèn)可。進一步提高一體化探測器的溫度性能、抗振級別及探測效率將是今后工作的重點方向。