用于随钻中子孔隙度测量的中子产额控制方法及装置与流程

本发明关于石油、天然气钻井领域，特别是关于石油、天然气钻井作业中随钻中子孔隙度测量技术领域，尤其涉及一种随钻中子孔隙度测量的单位测量时间中子产额控制方法及装置。

背景技术：

在地质导向钻井系统中，随钻中子孔隙度测量装置负责地层孔隙度参数的实时获取，是地质导向钻井系统进行精确导向的重要依据之一。因此，底层孔隙度参数的准确性和可靠性是随钻中子孔隙度测量系统的核心测量技术。

随钻中子孔隙度测量利用了中子与地层作用的物理原理，通过实时装置所携带的中子源向周围地层发射的高能快中子，实时测量中子在底层的能量和强度变化，从而获取钻遇地层的孔隙度和其他岩性参数。

基于同位素的中子孔隙度测量是一种应用比较广泛的技术，然而，基于同位素源的中子孔隙度测量技术应用于随钻测量的严酷环境中时，中子源的安全性能就成了最大的问题和障碍。为了解决安全性的问题，一些随钻中子孔隙度测量系统使用了非同位素源的人工激发中子源，这种中子源在提供电能的条件下才能激发出中子，因此相对于天然同位素中子源的不受控制的天然放射性要安全很多。但这种技术也有其很大的问题，人工激发中子源在规定测量时间内的中子产额并不稳定，其受环境影响的很大。中子测量探测传感器对不同地层孔隙度的衡量的前提条件，就是在规定测量时间内稳定的中子产额。复杂的油气藏必须采用地质导向钻井系统来进行开采，孔隙度参数的实时测量对钻井导向操作至关重要，而孔隙度参数能够测量准确的前提是中子源的产额要稳定可靠。

因此，在现有技术造成的这种中子产额不稳定的情况下，就不能准确的测量出地层孔隙度，所以会直接导致对地层的地址情况判断错误。

技术实现要素：

本申请的发明人考虑到现有技术的以上缺点，提出了一种随钻中子孔隙度测量装置的中子产额控制方法和装置，已解决在规定测量时间内中子产额不稳定和不受控制的问题，可保证并提高地层孔隙度度测量的准确性。

根据本发明的实施例，提供了一种用于随钻中子孔隙度测量的中子产额控制方法，包括以下步骤：步骤1、通过热中子监测器测量当前中子产额；步骤2、如果当前中子产额与之前中子产额的差值超过第一阈值，根据当前中子产额与之前中子产额的差值、以及预期中子产额，计算出所需的中子产额调整量；步骤3、根据所述中子产额调整量、以及随钻中子发生器和热中子监测器的固有参数，计算出中子发生器的预期供电电压，并由此调整中子发生器的供电电压。

本发明的有益效果在于：在具有加速器中子源的随钻中子孔隙度测量中，实现了根据加速器中子源测量传感单元测量结果，来自动调节加速器中子源的中子产额。确保了加速器中子源中子产额的稳定可靠，从而适应了随钻中子孔隙度测量结果的准确真实。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种随钻中子孔隙度测量的中子产额控制方法的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的随钻中子孔隙度测量装置的中子产额控制装置的电控结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种随钻中子孔隙度测量的中子产额控制装置的电控功能示意图；

图4为本发明实施例提供的一种随钻中子孔隙度测量装置的中子产额控制方法的闭环控制示意图；

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本实施例的随钻中子孔隙度测量的中子产额控制装置主要包括以下功能模块：中子产额监测传感器，其包括2个不同位置的热中子监测传感器，其能够在2个不同位置对加速中子源激发出的中子产额进行测量，对2个中子监测传感器监测到的产额分析(后面描述)，可以准确、实时计算出中子产额；反馈环电能控制单元，用于根据热中子监测传感器监测到的产额，对加速器中子管的电能进行实时控制，其包括闭环的自控控制和额外的嵌入式控制，电能控制单元控制产生可调节高电压状态，为加速器中子管提供激发电压，并可根据中子管的中子产额来调节加速器中子管的驱动脉冲频率，来改变并重新达到要求的中子产额。另外，两个热中子监测传感器所探测的热中子计数比可以反映出地层中孔隙度信息，并确定中子管工作是否正常。

如图3所示，中子管发射的快中子进入包裹着中子产额传感器的减速物质后，与减速物质核素发生非弹性碰撞、弹性碰撞，最终被减速成为热中子，热中子被热中子传感器换成相应的电信号供后续信号整形测量电路采集、处理并存储。电路系统可参见参考文献【1】。

图1和2示出了本发明实施例提供的一种随钻中子孔隙度测量的中子产额控制方法的原理。

如图1和2所示，本实施例的随钻中子孔隙度测量的中子产额控制的方法包括：(1)中子产额监测传感器实时测量加速器中子管发射的快中子进入减速物质所激发出来的伽马射线的能谱，从而实时计算出(间接测量到)加速器中子管的中子产额；(2)根据实时计算出的中子产额，使用双反馈环来控制加速器中子管的中子产额。

在步骤(1)中，中子与传感器外围减速物质的相互作用中子产额监测的基础。由中子管所产生的快中子，其能量大约为14.1MeV。当其进入减速物质时，将立刻发生非弹性散射。其时间大约是10^-8到10^-7秒。减速物质的原子核受到激发产生能级的跃迁，当其重新返回基态时将放射出粒子射线。而中子产额监测传感器测量中子产额的基础理论依据也是快中子的非弹性散射理论。

加速器中子管是一种利用被加速的电离子束轰击氘靶、从而产生聚变反应激发出快中子的小型粒子加速器中子源。而中子产额监测传感器可以测量到，中子发射的快中子激发减速物质原子核后，产生的离子射线。该射线的能谱量级随着与中子管距离不同而不同，并且该射线的能谱也随着中子管快中子产额的变化而变化。其变化规律并非线性的，不能简单通过估计来确定出现有中子管产额。由于加速器中子管发射的14.1MeV快中子具有很高能量，其与减速物质发生非弹性散射，会产生高能量的非弹性散射粒子射线，其反应了减速物质原子核的相关信息。而在减速物质性质可知情况下，该非弹性散射粒子射线的能谱量级也可以反映出加速器中子管的中子产额。在已知减速物质性质的前提下，减速物质密度和中子管发射的中子入射到减速物质中发生非弹性散射从而放射出的伽马射线之间，有相应的函数关系(参见参考文献【2】)。

因此，单个中子产额传感器在减速物质性质一定的条件下，可以实时计算出中子管的产额变化情况，并根据该情况交由中子产额调控单元控制加速器中子管的产额输出。

在实施例中，通过包裹在固定减速物质中两个热中子监测传感器对热中子产额监测值相互配合来保护中子发生器。其工作原理如下：

如果在中子源附近安装的两个热中子监测传感器相对于中子源的距离和位置固定，那么它们测量的中子通量的比例也应为固定值。其关系可以表示为下面的公式推导：

其中一个中子产额监测传感器距离中子发射源距离为r，其测量到的中子通量为：

另外一个中子产额监测传感器距离中子发射源的距离为r+Δr，其测量到的中子通量为：

其中：Dt为热中子的扩散系数，Lt为热中子的扩散长度，Le为中子减速长度。

由此可见，两个监测器在位置距离固定、中子减速长度Le确定(这个值由包裹两个监测器的减速物质的属性和体积决定)，那么两个监测器监测到中子产额的比例应该是固定值。若该比例不为固定值，说明用于监测中子产额的热中子监测器发生损坏，此时热中子监测器的中子产额输出值不能作为闭环中子产额控制的依据。如依旧根据该产额值进行闭环调节，会在中子管电压反馈调节后产生击穿损坏中子管的高电压，因此当该比例值不为固定值时，电路系统将立即停止整个中子产额闭环调整过程以保护中子管避免被高电压击穿损坏。

在步骤(2)中，热中子监测器监测中子发生器产额是通过监测热中子计数来实现，中子发生器产生快中子，将入射到减速物质中，和减速物质的核素发生弹性和非弹性碰撞，逐渐损失能量减速成为热中子，热中子入射到包裹在减速物质的热中子监测器中，与监测器内部的惰性气体He3，并与其发生核反应。其反应公式为：

公式中n为中子，He代表惰性气体He-3，H代表氢原子，P代表质子。

热中子与中子发生核反应产生带电的质子P，带电的质子P与热中子监测器内的电极发生电离作用，在所述两个热中子监测传感器中的距离中子源较近的热中子监测器电极输出端发射出电脉冲信号，该电脉冲信号被计数测量电路测量后得到反映中子发生器产额的值C(k)。

中子管电压反馈调节单元和中子管发射脉冲频率调节单元同时工作，根据实时计算出的中子产额使用双环控制加速器中子管的中子产额，用来保证当其他环境因素引起中子管产额相对于设定值发生偏离时，能够及时准确的保证将中子管的快中子产额调整回设定值，来保证被测地层孔隙度测量结果的准确和稳定。

根据本发明的实施例，采用了Microchip公司的具有数字信号处理单元的控制芯片(例如DSPIC33FJ256MC710A)负责获取监测到的中子产额，并将其与预设的中子产额进行比较、分析，用于闭环控制中子发生器的产额，其还具有中子发生器过压保护功能，能够间接测量中子发生器的供电电压，如果发现中子发生器供电电压超出额定值，其能迅速通过中子发生器高压供电单元切断中子发生器的供电。

对中子发生器产额的闭环控制如图4所示。

预设的中子产额参数为R值，而实际由中子产额监测单元测量的值为C(k)，可以求出它们之间的差值为e(k)＝R-C(k),e(k)值为第k次单位时间内的测量得到中子产额值与预设的中子产额值之间的差值。经过多次计算产额差值。可以求出Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，其为第k次计算出的中子产额值之间的差值与第k-1次计算出的中子产额值之间的差值。将Δe(k)＝e(k)-e(k-1)带入以下公式，其中Δu(k)为需要调整的中子产额增量：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

可以算出第k次中子产额。再根据公式计算电压值E(k)：

式中，s为源距；Rt是热中子的扩散系数；de，dt分别为快中子的减速长度和热中子的扩散长度，E(k)为施加在中子发生器上的电压值。由于中子发生器与热中子传感器被固定在钻铤内部,因此参数源距S为常量，由于减速物质性质和减速厚度固定，参数快中子的减速长度de、热中子的扩散长度dt的值固定，因此可以计算出中子发生器上的电压值E(k)。

MICROCHIP控制器将根据以下公式，控制中子发生器的高压供电单元的初级的脉冲宽度调制信号的占空比：

Vin表示中子发生器高压供电单元的输入电压，LS表示中子发生器高压供电单元变压器等效电感，f表示中子发生器高压供电单元开关脉冲的频率，DY为中子发生器高压供电单元开关脉冲的占空比。

为到达跟踪到由上述公式计算出的电压，可将中子发生器上的电压调节到上述公式计算的电压值附近。此时由中子产额监测单元测量到的单位时间内的中子产额也将向预设的中子产额参数为R值靠近。

如果仍未达到预设中子产额R值，则可由MICROCHIP控制器增加或减少单位时间内施加在中子发生器上的激发脉冲数量，对中子发生器的产额进行细化微调，其计算公式如下：

表示中子发生器的氚靶对氘离子的阻止本领，Ed表示氘离子的能量强度，I表示中子发生器激发脉冲电流的强度，N表示单位时间内中子发生器激发脉冲数量，即中子激发脉冲的频率，T为总监测时间。

由此，直至中子产额监测单元测量到的单位时间内的中子产额与预设的中子产额值R相一致，达到闭环稳定控制中子产额的目的。

根据本发明的实施例的该闭环控制单元采用硬件稳定调压方法和程控干预调节方法并行使用。硬件稳定调压方法为传统的PWM自动调压过程，主要通过采集中子管高压电源分压器上的电压，通过调节脉宽的方式稳定高压模块的输出电压，来稳定中子管供电电压，保证中子管正常工作，闭环硬件调节回路不直接被中子产额监测单元的结果干预，工作相对独立。而程控干预调节方法是要根据中子产额监测单元的实时测量结果，进行对中子管高压系统输出电压的实时干预调节，以达到将加速器中子管产额调整到设定值的目的。由于软件控制灵活性高，可以实现准确的在线控制，因此可以实时的调节中子管的产额达到设定值。其主要的实现方式为通过对中子产额监测单元计算结果的识别，将其转换成相应的测量电压值，通过中子管电压反馈调节单元的主控制器对该电压的采样计算与计算机发送到主控器的设定中子产额转化成的电压值进行比较，得到一个基准的电压信号值。该信号经由压控振荡器，产生基准正弦信号。该正弦信号与主控制器定时产生的三角波信号相比较，产生一个具有死区时间的控制信号，该信号经过隔离驱动电路，驱动开关电路来对中子管电压反馈调节单元的输出电压进行控制，从而达到控制加速器中子快中子产额的目的。

由于中子管电压反馈调节单元输出到中子管的电源为高压电源，该电源可调节区间跨度大，因此其作为加速器中子管产额控制的粗调单元比较合适。当对中子管的中子产额调整到设定值附近时，就需要通过其他的调节方式来细调加速器中子管的中子产额了。这就需要中子管发射脉冲频率调节单元，如图4所示，其通过改变单位时间内施加在中子管上的发射脉冲的频率来改变加速器中子管的中子产额。当发射脉冲频率上升时，加速器中子管产额增加，当发射脉冲频率下降时中子管的产额下降。其能够在一个较小区间范围调节中子管产额，并将其调整到快中子产额设定值。其主要通过一种线性调节算法来进行控制，其根据给定的中子管产额值与中子管产额监测传感器实时测量到的快中子产额差值来组成产额控制偏差，用这个变差值进行计算。计算的结果为需要调整的中子产额量，再去不断的细微调整单位时间内加载到中子管的脉冲个数。中子管发射脉冲频率调节单元产生的单位时间的脉冲个数是实时更新，从而其能动态的细微提高或者降低单位测量时间内加速器中子管产生的中子产额，直到中子管产生稳定产额输出。中子管电压反馈调节单元和中子管发射脉冲频率调节单元采用双环控制来实现将单位测量时间内的中子产额数量调整到设定的中子产额数量上，并实时进行调节以保持产额稳定。

最后，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。

参考文献：

[1]肖红兵、马哲、李闪，随钻自然伽马井下测量仪器的研制[J]，石油仪器,2002(02).P15-17；

[2]张瑞、潘保芝、杨雪、刘丹、蒋必辞，脉冲中子源密度测井进展[J]，地球物理学进展，2015(06)，P2596-2602。