第九章 补偿中子测井仪器

1、第九章补偿中子测井仪n9.1 测量方法原理 9.1.1 方法原理 9.1.2 测量原理n9.2 2435补偿种子测井仪n9.3 CNTG补偿种子测井仪n习题一、中子和中子源一、中子和中子源 中子中子原子核中不带电的中性微小粒子，原子核中不带电的中性微小粒子， 与质子以很强的核力结合在一起。与质子以很强的核力结合在一起。中子分类：中子分类： 快中子快中子 0.5Mev 中能中子中能中子1kev0.5Mev 慢中子慢中子 01kev中子源中子源将中子从原子核中释放出来的装置将中子从原子核中释放出来的装置 同位素中子源（连续中子源）：同位素中子源（连续中子源）： 加速器中子源（脉冲中子源）：加速器中

2、子源（脉冲中子源）：超热中子超热中子0.210ev热中子热中子 0.025ev(处于平衡状态）处于平衡状态）241237495932941214260()(5.701)AmNpHeBeHeCnQMeV412017.588DTHenMeV9.1测量方法原理 二、中子和物质的作用二、中子和物质的作用1）快中子非弹性散射）快中子非弹性散射 快中子快中子+靶核靶核=复核复核=能量较低中子能量较低中子+非弹性散射伽玛射线非弹性散射伽玛射线=基态靶核基态靶核2）快中子对原子核的活化）快中子对原子核的活化 快中子快中子+稳定原子核稳定原子核=放射性原子核放射性原子核=活化核衰变活化核衰变 +活化伽玛射线活化

3、伽玛射线3）快中子的弹性散射）快中子的弹性散射 快中子快中子+稳定靶核稳定靶核=能量较低的中子能量较低的中子+反冲核反冲核= = =热中子热中子+基态靶核基态靶核 微观弹性散射截面微观弹性散射截面一个中子与一个原子核发生弹性散射的几率一个中子与一个原子核发生弹性散射的几率 宏观弹性散射截面宏观弹性散射截面1cm3原子核的微观弹性散射截面原子核的微观弹性散射截面 沉积岩的核素中，沉积岩的核素中，H的散射截面以及每次散射的能量损失最大。的散射截面以及每次散射的能量损失最大。三、中子探测器三、中子探测器 探测方法：探测方法： 热中子与探测器物质的原子核发生反应热中子与探测器物质的原子核发生反应 =

4、= 放出电离能力很强的带电离子放出电离能力很强的带电离子 = = 探测器内形成脉冲电流或闪烁荧光，产生电压负脉冲探测器内形成脉冲电流或闪烁荧光，产生电压负脉冲 探测器类型：硼、锂、氦、锗探测器类型：硼、锂、氦、锗四、计数率、四、计数率、源距与孔隙度源距与孔隙度的关系的关系零源距孔隙度实际仪器采用长源距补偿中子计算孔隙度曲线五、补偿中子测井的补偿原理五、补偿中子测井的补偿原理 热中子与超热中子能量差不多，其空间分布规律与超热中子的空间分布规律基本一致。即长源距情况下，饱含流体岩层的孔隙度越大，热中子计数越低；孔隙度越小，计数率越高。 热中子能量与原子核能量处于平衡状态，易于被原子核俘获，同时生成

5、伽玛射线（ 地层中Cl的俘获截面最大）。 热中子测井同时受到H、Cl的影响，为了消除Cl的影响，采用双源距比值法的测井仪器。2/22( )()4()sdrLrLdtsdKLeeNrrrd LL 当 (r1 - r2)/L足够大时，长、短源距的计数率比值，只与地层的减速性质有关，从而仅反映地层的含H情况。12()/1221( )( )srrLttN rreN rr在均匀无限介质中，电状快中子源造成的热中子分布：9.2 2435补偿中子测井仪 n9.2.1仪器电路结构n9.2.2电路说明前置放大器中子信号处理器缆心驱动器电源9.2.1 2435 补偿中子测井仪器电路结构高压电源：输出+1150V直

6、流高压供探测器。低压电源：输出+24V直流低压供给个单元电路。前置放大器：将探测器输出的微伏级脉冲信号放大到可处理的电平。鉴别器：从背景噪声中取出信号脉冲。分频器：使长短计数道分别将计数减少到原来的1/4和1/6，避免了高计数率情况下，因电缆充电和衰减影响会造成信号首尾重叠而产生漏记。缆芯驱动器 ：将脉冲信号功率放大后送上测井电缆。前置放大器 前置放大器由两极低噪声性能的运算放大器组成(1)第一级是一个电荷灵敏放大器，具有很低的输入阻抗，以便减小输入寄生电容影响，为进一步降低噪声，要求反馈电容C3要小(5pF)。这样小不仅可以减小噪声，还可提高脉冲的分辨率，但对频率较高的脉冲放大倍数小。 (2

7、)第二级放大器用来获得足够的电压增益。(3)整个前置放大器的增益大小可通过调节电阻R6的数值来选择，放大器输入端电容C2用于隔直，用D1和R3保护IC1的输入级。中子信号处理器电路主要功能：对脉冲信号进行幅度鉴别和分频。主要器件：混合电路B117068(IC1,IC2) 其内部主要包括下列电路。(1)射极限随器:用作前置放大器和比较器的阻抗匹配。 (2)电压参考电路:为电压比较器提供参考电压(-40mV到-1mV范围内可调)。(3)电压比较器（鉴别器）:比较器用作脉冲幅度鉴别，当输入脉冲幅度超过参考电压时，比较器输出大约12V的脉冲信号 。(4)分频器:长、短源距计数分别除以4和16 ，避免了

8、高计数率情况下，因电缆充电和衰减影响会造成信号首尾重叠而产生漏记。 (5)单稳电路:将分频器的输出整形为输出幅度约12V，宽为40s的脉冲到缆芯驱动器。 电路简介： 该模块对输入的负脉冲信号进行缓冲、鉴别、分频、整形、电缆驱动输出。它共有五个引线，分别为电源输入+24V（+15V）、基准输出+12V(+6.2V）、GND、信号输入IN和鉴别器接线端DISC与两个输出端子SIG OUT和SIG GND。外部在+12V（+6.2V）引线和DISC引线之间接一电阻来调节内部鉴别器的鉴别门槛。调节电阻两端的电压值即为鉴别门槛值。信号处理线路用的分频倍数可选择一，二，四，八，十六，三十二，六十四，一百二

9、十八。缓冲器和外部输入信号之间要加一隔直耦合电容才可使用。 用 途：它可适用于脉冲伽玛仪器，补偿中子仪器，补偿密度等仪器。在这些仪器上，只把探头经过前放的信号引入它即可得到直接可上上传电缆的信号，不需任何外围电路。它实际上是把进口的B117068混合电路和它所需的外围电路集成在一起，方便使用并更加可靠。 B117068混合电路缆芯驱动电路 (1)中子脉冲输入缆芯驱动器的晶体管Q1和Q2，变压器T1和T2对测井电缆提供阻抗匹配。(2)输入信号控制晶体管通断从而使变压器输入端产生脉冲信号而耦合输出。(2)驱动器输出正脉冲，周期大约是38s，幅度为20V。(3)驱动器输出是通过C2和C4耦合的交流，

10、按规范连接它们对地是浮动的。输出负边（引脚6和10）用外跨接线短路，如果要改变脉冲的极性，可以改变跨接线的连接。电源电路构成：(1)变压器：输入180V AC，输出1300V AC和37V AC两种信号。(2)低压整流、滤波及稳压电路：输出+24V DC。（图中下面通道）(3)高压整流、滤波及稳压电路：输出1150V DC。高压稳压由两级构成，第一级稳压输出1350V，第二级放在保温瓶内，减小井下高温对器件的影响桥式整流电源电路图原理桥式整流电源电路图原理电容滤波电路电容滤波电路9.3 CNT-G补偿中子测井仪 n9.3.1概述仪器功能仪器结构特点n9.3.2仪器工作原理n9.3.3电路分析仪

11、器功能l补偿热中子孔隙度测量，用两个He3探测器测量距源38.1cm和62.8cm的热中子通量 ，确定地层的含氢指数和孔隙度l超热中子孔隙度测量，使用双探测器测量距源一定距离的超热中子通量 ，计算地层孔隙度lCNT-G把补偿热中子和补偿超热中子孔隙度测量结合在一起 ，可以获得比单一的某种补偿种子测井更好的效果热中子测井受热中子吸收剂（盐水中的氯和页岩中的稀土元素）影响很大。因此，在盐水井中用热中子测井的效果较差。 超热中子测井受热中子吸收剂的影响很小。因此，在盐水井中用超热中子测井可以得到较可靠的响应曲线，但超热中子比热中子分布范围小，其探测范围浅 仪器结构特点l四个 探测器：两个近中子探测器

12、位于源室的上面，源距：38.1cm；两个远中子探测器位于源室的下面，源距：62.8cml超热中子探测器结构特点：为防止热中子进入超热中子探测器，通常在超热中子探测器外面包了一层镉，用以俘获热中子，而只让超热中子通过。在镉过滤器与 计数管之间还有用耐热的尼龙制成的减速层，超热中子经减速成热中子后由 计数管检测lCNTG需要用电缆通讯电子短节CCCA或CCCB或CTS遥测电子短节TCCA。它可以同任何和CCS或CTS相容的一起组合测井3He3He3He9.3.2仪器工作原理低压电源 ：输出5V 、15V 和+24V高压电源 ：输出四路直流高压（可调）供探测器使用,近热中子：1200V；远热中子：1

13、400V；近超热中子：1500V；远超热中子：1400V测量电路：由探测器、前置放大器、鉴别器、分频器构成,其作用是：将探测到的中子射线转换为脉冲信号计数器：脉冲计数； 移位寄存器：实现计数结果的并串转换仪器总线接口：实现与遥测短节的命令/数据通讯； 诊断电路：用于仪器测试地层信号地层信号上传9.3.3 电路分析l低压电源l高压电源l测量电路l上传数据模式及电路l诊断电路l的命令格式l的数据格式一般开关稳压电源的原理框图一、低压电源低压电源框图(1)(1)开关调节器主要由开关管开关调节器主要由开关管Q3Q3，占空比控制电路、误差放大器和振荡器，占空比控制电路、误差放大器和振荡器U1U1组成组成

14、(2)(2)误差放大器将滤波输出的误差放大器将滤波输出的24V24V电压和参考电压比较、放大。若是正好电压和参考电压比较、放大。若是正好24V24V时，误差放大器输出控时，误差放大器输出控制占空比为某一定值。当滤波输出低于制占空比为某一定值。当滤波输出低于24V24V时，误差放大器输出控制占空比增大，相反，就控时，误差放大器输出控制占空比增大，相反，就控制占空比减小。制占空比减小。(3)Q3(3)Q3工作在开关通、断方式，开关通、断频率由振荡器输出信号频率决定。开关通、断时间比，即工作在开关通、断方式，开关通、断频率由振荡器输出信号频率决定。开关通、断时间比，即波形占空比将依据误差放大器输出信

15、号改变而改变。流过开关波形占空比将依据误差放大器输出信号改变而改变。流过开关Q3Q3的电流经的电流经L2L2、C8C8滤波输出滤波输出24V24V直流。直流。 (4)(4)24V24V电源分两由输出，一路经斩波、变压、整流和滤波产生电源分两由输出，一路经斩波、变压、整流和滤波产生5V5V和和15V15V直流。另一路送至高压直流。另一路送至高压电源电路。电源电路。 低压电低压电源是一个开源是一个开关型电源，关型电源，用串联开关用串联开关调节器限流调节器限流保持稳定输保持稳定输出出24V24V，然后经过然后经过DC/DCDC/DC变换变换器输出器输出5V5V和和15V15V低低压电源。压电源。 低

16、压输入电路（1）变压器和整流、滤波器n从地面供给井下仪器250V，60Hz电源，通过变压器T1降压变压输出大约38V，再经CR桥式全波整流和电容C1、C2滤波送电压调节器（紧接着的稳压调节电路）。 nR1保护仪器电子短节不受超载损害，如果超载就会熔断。n扼流圈L1阻塞电源通断由变压器反馈耦合的电流。 L1组成：（1 1）变压器和）变压器和整流、滤波器整流、滤波器（2 2）振荡器和）振荡器和脉宽调节器脉宽调节器（3 3）串联开关）串联开关Q3Q3及过流保护电及过流保护电路路低压输入电路n单稳U1A的两个反相输出端接成RC多谐振荡器，振荡频率由R5和C3确定。 n单稳U1B 用作脉宽调节，由U1A

17、输出的40kHz振荡信号上升沿触发。nQ1基极与7脚连接。当输给A2电压偏大时（4脚），7脚输入低电平，反之输入高电平。nC4是单稳定时电容器 ；Q1是一个压控电流源 ，相当于可变电阻。加在Q1基极的电压高，相应C4的充电电流小，单稳输出脉冲宽度宽。 反之，单稳输出脉冲宽度将变窄。nCR2限制加在Q1基极的低压范围，以便C4能够充电到单稳的触发门坎电平。通过齐纳二极管CR3对U1提供一个浮地的10V电源。（2）振荡器和脉宽调节器U1AU1B低压输入电路（3 3）串联）串联开关开关Q Q3 3及过及过流保护电路流保护电路n开关Q3串联在桥式全波整流的负边电路中，当单稳U1B的Q端输出高电平时，串

18、联开关Q3接通。 nQ2 、R8和R9 、 R构成过流保护电路n在Q3接通时间内，如果负载电流变得太大，那R8和R9两端的电压降将接通Q2，从Q2集电极输出低电平加在单稳U1B的复位端脚13，使U1B立刻复位并断开Q3，在Q3通、断周期范围内起到过流保护的作用。nR9是热敏电阻用以提供温度补偿。 n当从U1B的Q端（脚10）变低时，Q3断开。在脉冲周期的断开时间内，负载电流由滤波电容C8提供。因为通过扼流圈L2的电流不能突变，L2上的电压增加直到续流二极管CR4接通。 C8Q3L2低压输出电路（1）低压调节电路n该电路由取样电位器R3 、稳压管CR1和误差放大器U1构成。n运算放大器U1将R3

19、提供的取样电压与CR1给定的参考电压之差放大后加到低压输出电路上Q1的基极，用以控制占空比。组成：（1 1）低压调节电路）低压调节电路（2 2）DC/DCDC/DC转换器转换器低压输出电路nDC/DC转换器 是由U2接成“T”形触发器对40kHz信号分频输出20kHz的方波。n U2的两个互补输出连到Q1和Q2栅极，控制Q1、Q2交替接通。于是在变压器次级中产生出20kHz方波 。n二极管CR5CR12两组桥式整流和R11R14、C8C11滤波为下井仪器提供5V和15V电源。 (2)DC/DC转换器脉冲波直流电平误差信号二、高压电源 n高压电源工作原理n高压电源电路分析l高压振荡器l高压调节器

20、l高压分配器高压电源组成：n高压振荡器和升压变压器：将变换为n倍压整流器 ：对交流高压整流产生高压直流n高压分配器和高压调节器 ：调节稳定高压直流输出CNT-G有两组电路完全相同的高压电源，一组供远、近热中子探测器，另一组供远、近超热中子探测器。具体电路n高压振荡器 由Q1、Q2和变压器组成n电路接通后，随着C2充电电压升高，Q1、Q2管中的某一个先导通，导通晶体管的集电极电流将按变压器和周围电路确定的速率增大。这样，增大的电流通过变压器绕组感应耦合对晶体管提供基极驱动。变压器绕组的极性是使导通管的基极处于正向偏置，截止管基极处于反向偏置。这种正反馈作用将使导通管的集电极电流迅速增大。当电流达

21、到铁心饱和点时，绕组之间的感应耦合消失，对饱和管的基极驱动电流减小，进而引起导通管截止。n当导通管截止时，变压器铁心中的磁场消失，变化的磁场耦合进入截止管的基极绕组，使它变为导通。两个晶体管交替接通和断开，周而复始产生振荡。 (1)高压振荡器具体电路(2)高压调节器 l运放U1比较器和开关管Q3、稳压管CR1及其电阻、电容器件构成高压调节器l24V电源经L1和C5滤波供给高压调节器 lU1把高压反馈电压同参考电压进行比较放大，其输出加在Q3基极，控制Q3的管压降变化，相应改变加在高压振荡器斩波管的电源 ，保持高压输出稳定。l参考电压由电阻R9和齐纳二极管CR1产生。调节R10参考电压可从6.4

22、V变到3.2V（齐纳电压的一半）。 l遥测接口D/A转换器输出的坪检查电压经电阻R7、R8、R13和C6滤波 可对加在U1同相端的参考电压微调，达到调整高压的目的具体电路(3)电压倍增电路：将低压升高为高电压电压倍增电路介绍电压倍增电路介绍利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现“整流整流” 、“倍压倍压” 功能。功能。在在u2正半周，正半周，D1导通，导通，C1充电至充电至 ，极性如图。，极性如图。22U+-+-22U利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现“整流整流” 、“倍压倍压” 功能。功能。在在u

23、2负半周，负半周，D2导通，导通，C2充电至充电至 。222U+-+-22U+-222U电压倍增电路介绍电压倍增电路介绍利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现“整流整流” 、“倍压倍压” 功能。功能。+22U-电压倍增电路介绍电压倍增电路介绍利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现“整流整流” 、“倍压倍压” 功能。功能。+22U-+222U-电压倍增电路介绍电压倍增电路介绍利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现“整流整流” 、“倍压倍压” 功能。功能。+22

24、U-+222U-+222U-电压倍增电路介绍电压倍增电路介绍利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现“整流整流” 、“倍压倍压” 功能。功能。+22U-+222U-+222U-+222U-电压倍增电路介绍电压倍增电路介绍利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现利用二极管的导引作用和电容的储能作用，实现“整流整流” 、“倍压倍压” 功能。功能。+22U-+222U-+222U-+222U-+222U-+222U-电压倍增电路介绍电压倍增电路介绍由于前一级电容要向后一级电容充电，因此需下由于前一级电容要向后一级电容充电，因此需下 一周期补充，即整个过程

25、要经过多个周期稳定。一周期补充，即整个过程要经过多个周期稳定。以上分析为空载情况，当接上负载后，由于电容以上分析为空载情况，当接上负载后，由于电容 有了放电回路，因次电容上的电压达不到最大值。有了放电回路，因次电容上的电压达不到最大值。注意注意具体电路(4)高压分配器l高压分配器是一个多极的电阻分压网络，每后一级电压降低大约。l高压分配器内部具有级精密的电阻分压，用于输出电压的细调。l加到高压调节器的高压反馈（）是输出高压最大值的大约高压分配电路三、测量电路（热中子测量道）l前置放大器（与2435仪器相似）l鉴别器四道相同的测量电路。四道相同的测量电路。前置放大器前置放大器n当He3探测器探测

26、到热中子后，从阳极输出数量级为0.1nC的电荷脉冲，该脉冲通过电容C2耦合进入放大器U1。 nU1是一个输入阻抗很低的电荷灵敏放大器，它将来自探测器的电荷脉冲放大并转换成电压脉冲。 nU2是一个高增益的微分放大器 ，C9是微分电容，调节R5和R6可改变放大器总增益到大约200。 鉴别器nU3采用的是LM111H比较器 ，对U2的输出信号进行鉴别整形n鉴别器初始门坎电平由R8和R9对-15V电源分压固定在大约-0.8V n当来自U2的负脉冲超过这个电平时，输出晶体管导通，由鉴别器输出高电平。该输出电压经R10反馈耦合，使门坎电平降低到-0.7V，以便可靠计数低幅度的脉冲。 n从鉴别器输出5V脉冲

27、送至遥测输入电路A4。 四、上传数据模式及电路 n 遥测输入电路（A4）n数据选择和测试电路 n除分频n定时逻辑电路和锁存器n遥测累加器（A5+移位寄存器）n遥测接口电路（A3）组成：组成：1、数据选择和测试电路（A4）lU1为10kHz 振荡器lU2产对U1输出分频得到各种测试信号lU3和U4是两个双4选1数字多路开关用作数据选择器。 l输入信号：UCK时钟 、测试信号 、实际探测器的探测计数信号。（1）遥测输入电路1、数据选择和测试电路（2）除8分频和锁存除8分频器(计数器)U5和U6对数据选择的输出信号分频,分频后保存在寄存器U7中；1、数据选择和测试电路定时逻辑电路由一对单稳电路U9A、U9B和双稳触发器U8组成。 l作用：在上传数据启动信号GOP到来时产生计数器保持