一种小直径碳氢比饱和度井下仪及测井仪系统的制作方法

本实用新型涉及饱和度测井仪，尤其涉及一种小直径碳氢比饱和度井下仪及测井仪系统。

背景技术：

传统的脉冲中子饱和度测井仪采用双源距的伽马探测技术和C/O解释方法，目前只采用的长远距的数据，并且只能适用于孔隙度＞25%以上的地层，对水淹程度只能定性解释为弱、中、强等级。现有的饱和度测井仪直径都为φ90mm左右，只能应用于套管中测量，虽然都标称能获得不同的地层信息，但一次下井只能得到一类地层信息，并且所属核心部件中子发生器寿命≤100h，测十几口井就必须更换中子发生器，造成生产测井成本昂贵。另一方面，现有的饱和度测井仪采用的也是双源距伽马探测技术或双热中子探测技术，一次下井只能得到一类地层信息，不能同时完成含油饱和度、地层岩性以及识别气层的测量。

技术实现要素：

本实用新型提供一种小直径碳氢比饱和度井下仪及测井仪系统，以解决上述现有技术的缺陷，可在油管中直接完成测井任务，单次下井获得多种地层信息，降低了生产测井成本，扩大仪器的应用范围，且采用单个伽马探测器加单个热中子探测器的模式，可同时完成饱和度测井和中子寿命测井，定量的反应含油饱和度、识别 气层等。

为了实现本实用新型的目的，拟采用以下技术：

一种小直径碳氢比饱和度井下仪，其特征在于，包括从上到下依次设置于壳体内的通讯滤波组件、低压电源组件、测控组件、放大组件、探测组件、离子源组件、中子发生器、靶压驱动组件，所述通讯滤波组件通过电缆连接地面系统，低压电源组件连接通讯滤波组件、测控组件、放大组件、探测组件，放大组件连接探测组件，测控组件连接中子发生器、离子源组件和靶压驱动组件，中子发生器连接离子源组件和靶压驱动组件，测控组件连接通讯滤波组件和放大组件，其中：

通讯滤波组件，通过电缆建立井下仪与地面系统间的通信链路和电力传输线路，对电缆衰减的通讯信号进行调整，并对低压电源组件的输入输出进行滤波；

低压电源组件，为测控组件、通讯滤波组件、放大组件、探测组件提供±15V和5V电源；

测控组件，解码地面系统下发的指令，控制靶压驱动组件和离子源组件的驱动输出，采集探测组件的数据，读取中子发生器的工作参数，存贮并上传数据到地面系统；

放大组件，对探测组件输出的脉冲信号进行放大整形并送至测控组件，并为探测组件的探头提供所需高压电源；

探测组件，包括将地层元素发射的特征γ射线转换为电脉冲信号的NaI探头，以及将热中子信号转化为电脉冲信号的He3探头；

离子源组件，为中子发生器提供灯丝电流和阳极脉冲，采集灯丝电流和离子流的值并上传给测控组件；

中子发生器，受离子源组件和靶压驱动组件的控制，产生14Mev的高能脉冲中子；

靶压驱动组件，为中子发生器提供靶压驱动信号，采集靶压采样信号的值并上传给测控组件。

进一步的，所述离子源组件与屏蔽壳体设计为一体，所述屏蔽壳体采用钨镍合金材质。

进一步的，所述通讯滤波组件、测控组件、放大组件、探测组件设置在一保温承压瓶中。保温承压瓶为真空绝热瓶，承压100Mpa，环境温度175℃下连续工作8h瓶内温度≤85℃。

进一步的，所述测控组件为FPGA控制器，包括FPGA芯片、STD-1553MIL编解码器、伽马信号采集器、热中子脉冲信号采集器、离子源控制器、靶压驱动控制器。

进一步的，所述放大组件包括伽马信号放大器、热中子脉冲信号提取器，以及为NaI探头和He3探头提供高压电源的高压模块。

进一步的，所述井下仪直径为φ43mm。

进一步的，所述中子发生器采用中子管寿命≥1000h的发生器。

一种小直径碳氢比饱和度测井仪系统，其特征在于，包括前文所述的小直径碳氢比饱和度井下仪，还包括地面系统，所述地面系统包括：装载有与通讯滤波组件连接的电缆的车载电缆架，与车载电缆架的电缆连接的地面电源，与地面电源连接的地面数控组件和地面控制电脑，地面数控组件连接车载电缆架的电缆，其中：

地面电源，为单路或者双路0~300V/1A的台式电源，用以为井下仪及地面系统提供电源；

地面数控组件，通过车载电缆架的电缆与通讯滤波组件通讯，上传或下达地面控制电脑与井下仪之间的数据或指令，采集电缆张力信号，计算井深和测井速度；

地面控制电脑，提供一个人机交互界面，控制整个系统的工作，向地面数控组件下达指令，并对地面数控组件上传的数据进行计算，绘制实时能谱图形、显示测井实时曲线。

本实用新型的有益效果是：

1、直径小，可直接应用于油管中，简化了测井操作，降低了生产成本；

2、国内外测井仪器探测组件组合方式主要是双源距γ探测器和双热中子探测器。双源距γ探测器主要用于测量γ能谱，主要应用于含油饱和度测井；双热中子探测器主要用于测量热中子计数，主要应用于热中子寿命测量，发现气层。本方案采用单个伽马探测器加单个热中子探测器的模式，可同时完成饱和度测井和中子寿命测井，定量的反应含油饱和度、识别气层等；

3、传统测井仪，多采用碳氧比C/O解释方法，在孔隙度＞20%的条件下，才能定量解释地层含油饱和度，并且只能应用于低矿化度环境中，对水淹层的等级划分不明确；本方案可用于实现碳氢比C/H解释方法，在孔隙度＞2%的条件下，并且矿化度＜300000PPM的条件下也能定量解释地层含油饱和度，将水淹层分为弱水淹、中水淹、强水淹等；

4、在进行直径缩小的过程中，为了保证探测组件的源距，将中子发生器的驱动控制分成离子源组件和靶压驱动组件，同时改变结构，将离子源组件和屏蔽壳体设计成一体，屏蔽壳体采用钨镍合金材质，屏蔽中子，避免中子穿过保温承压瓶活化探测组件，解决了屏蔽体出线困难的问题；

5、由于探测组件的输出脉冲幅度随温度变化很大，会影响地面系统的剥谱，故将通讯滤波组件、测控组件、放大组件、探测组件放置在保温瓶中，由于直径限制，将保温和承压设计成一体，构成保温承压瓶，由此，解决了保温承压壳和离子源组件、靶压驱动组件等的信号传输问题；

6、目前国内外的核测井仪器，虽有多种工作模式，但一次下井只能获取一种参数，并且国内仪器不能识别气层。本方案的应用，一次测井可同时获取地层特征伽马能谱和中子寿命参数，在采用碳氢比解释方法的基础上，利用He3探头、放大组件、测控组件配合地面系统可增加地层俘获截面曲线，从而能准确的识别油层、气层，确定地层含油饱和度、岩性、孔隙度及水淹程度等地质和工程参数。

附图说明

图1是本实用新型的小直径碳氢比饱和度井下仪整体结构示意图。

图2是本实用新型的小直径碳氢比饱和度井下仪各组件电气连接关系图。

图3是本实用新型的小直径碳氢比饱和度测井仪系统整体结构示意图。

图4是本实用新型的小直径碳氢比饱和度测井仪系统各组件电气连接关系图。

图5是本实用新型的小直径碳氢比饱和度测井仪系统测控组件和通讯滤波组件的承载电路板骨架的结构俯视图。

图6是本实用新型的小直径碳氢比饱和度测井仪系统测控组件和通讯滤波组件的承载电路板骨架的结构侧视图。

其中，0-井下仪，01-油井套管，02-车载电缆架，03-地面电源，04-地面数控组件，05-地面控制电脑，1-通讯滤波组件，2-低压电源组件，3-测控组件，4-放大组件、5-探测组件、51-He3探头，52-NaI探头，6-离子源组件，7-中子发生器、8-靶压驱动组件、9-电路板骨架、92-测控组件承载区、91-通讯滤波组件承载区、93-底部铣槽的铝棒。

具体实施方式

如图1~2所示，一种小直径碳氢比饱和度井下仪0，包括从上到下依次设置于壳体内的通讯滤波组件1、低压电源组件2、测控组件3、放大组件4、探测组件5、离子源组件6、中子发生器7、靶压驱动组件8，通讯滤波组件1通过电缆连接地面系统，低压电源组件2连接通讯滤波组件1、测控组件3、放大组件4、探测组件5，放大组件4连接探测组件5，测控组件3连接离子源组件6和靶压驱动组件8，中子发生器7连接离子源组件6和靶压驱动组件8，测控组件3连接通讯滤波组件1和放大组件4。

探测组件5，包括将地层元素发射的特征γ射线转换为电脉冲信号的NaI探头52，以及将热中子信号转化为电脉冲信号的He3探头51。

通讯滤波组件1通过电缆建立井下仪与地面系统间的通信链路和电力传输线路，对电缆衰减的通讯信号和电力进行滤波调整，滤波后将通讯信号传输给测控组件3，将电力传输给低压电源组件2、离子源组件6、靶压驱动组件8。通讯滤波组件1同时接收测控组件3上传的数据信号，放大后传输给地面系统。

离子源组件6采用单片机以及与单片机连接的阳极脉冲发生电路、恒流源电源、离子流和灯丝电流采集电路进行实现，为中子发生器7提供灯丝电流和阳极脉冲，采集灯丝电流和离子流的值并上传给测控组件3。

靶压驱动组件8采用单片机以及与单片机连接的靶压驱动电路、靶压采样电路进行实现，为中子发生器7提供靶压驱动信号，采集靶压采样信号的值并上传给测控组件3。

离子源组件6和靶压驱动组件8产生中子发生器7所需的驱动信号，使中子发生器7产生14Mev的高能脉冲中子。

低压电源组件2接收通过通讯滤波组件1滤波后传输的电力，并将电力转换，为测控组件3、通讯滤波组件1、放大组件4、探测组件5提供±15V和5V电源。在输出供电的过程中，同时由通讯滤波组件1进行输出的滤波。

放大组件4包括伽马信号放大器、热中子脉冲信号提取器，以及为NaI探头52和He3探头51提供高压电源的高压模块。伽马信号放大器用于对NaI探头52转换γ射线的电脉冲信号进行放大并传输到测控组件3，热中子脉冲信号提取器用于对He3探头51转换热中子信号的电脉冲信号进行放大并并传输到测控组件3。

测控组件3为FPGA控制器，包括FPGA芯片，以及与FPGA芯片连接的STD-1553MIL编解码器、伽马信号采集器、热中子脉冲信号采集器、离子源控制器、靶压驱动控制器。STD-1553MIL编解码器用于解码地面系统下发的指令，伽马信号采集器用于采集放大组件4传输的放大后的NaI探头52转换γ射线的电脉冲信号，热中子脉冲信号采集器用于采集放大组件4传输的放大后的He3探头51转换热中子信号的电脉冲信号，离子源控制器用于控制离子源组件6的驱动输出，靶压驱动控制器用于控制制靶压驱动组件8的驱动输出，FPGA芯片对测控组件3内部的各器件进行控制，存储采集的信号，读取中子发生器7的工作参数并存储，将存储的信号和参数传输给通讯滤波组件1，由通讯滤波组件1放大后上传到地面系统。

离子源组件6与屏蔽壳体设计为一体，所述屏蔽壳体采用钨镍合金材质。所述通讯滤波组件1、测控组件3、放大组件4、探测组件5设置在一保温承压瓶中。保温承压瓶为真空绝热瓶，承压100Mpa，环境温度175℃下连续工作8h瓶内温度≤85℃。中子发生器7采用中子管寿命≥1000h的发生器。井下仪直径设计为φ43mm。

如图3~4所示，一种小直径碳氢比饱和度测井仪系统，包括上述的一种小直径碳氢比饱和度井下仪0，以及地面系统。

地面系统包括：装载有与通讯滤波组件1连接的电缆的车载电缆架02，与车载电缆架02的电缆连接的地面电源04，与地面电源04连接的地面数控组件03和地面控制电脑05，地面数控组件03连接车载电缆架02的电缆。

地面电源04，为单路或者双路0~300V/1A的台式电源，用以为井下仪及地面系统提供电源。

地面数控组件03，通过车载电缆架02的电缆与通讯滤波组件1通讯，上传或下达地面控制电脑05与井下仪之间的数据或指令，采集电缆张力信号，计算井深和测井速度；具体的，地面数控组件03通过网线与地面控制电脑05通讯，TCP/IP协议；与通讯滤波组件1的通讯，按照MIL-STD-1553B协议编解码，数据传输速率不小于10Kb/S，通过车载电缆架02的电缆与通讯滤波组件1通讯；信号采集：实时采集车载电缆架02的马丁戴克信号和电缆张力信号，实时显示测井深度和测井速度。

地面控制电脑05，提供一个人机交互界面，控制整个系统的工作，向地面数控组件03下达指令，并对地面数控组件03上传的数据进行计算，绘制实时能谱图形、显示测井实时曲线。

具体实施方式：

一、测量就位：利用车载电缆架02将电缆与井下仪0连接，并通过适合指点的定滑轮进行井下仪0的下放，由于井下仪直径设计为φ43mm，直接下放于油井套管01中测量；地面数控组件03对电缆的张力信号进行采集，并计算井深和测井速度，反馈给地面控制电脑05，操作人员根据实际测量需求进行下放的控制。

二、供电及电力传输方式：地面电源04为系统的总电源，为井下仪0提供电力；地面数控组件03、地面控制电脑05直接由测井车提供AC220V作为电力。为井下仪0提供电力的具体电力传输是通过车载电缆架02的电缆传输给通讯滤波组件1，由通讯滤波组件1对电缆引起的衰减进行处理后传输给低压电源组件2、离子源组件6、靶压驱动组件8，其中，低压电源组件2将电力转换，为测控组件3、通讯滤波组件1、放大组件4、探测组件5提供±15V和﹢5V电源，放大组件4的高压模块对电力进行转换后为NaI探头52和He3探头51提供高压电源，离子源组件6为中子发生器7提供灯丝电流和阳极脉冲，靶压驱动组件8为中子发生器7提供靶压驱动信号，中子发生器7发射14MeV的高能脉冲中子。

三、指令下达及信号采集的传输方式：操作人员通过地面控制电脑05的人机交互界面下达指令，地面数控组件03响应指令，通过电缆向通讯滤波组件1发送控制指令，通讯滤波组件1对通讯信号进行处理并送至测控组件3，测控组件3对指令进行解码，测控组件3根据指令控制靶压驱动组件8和离子源组件6为中子发生器7提供工作条件，使中子发生器7发射14MeV的高能脉冲中子，中子穿透套管、水泥环等介质与地层元素反应，不同的元素与中子会发生不同的反应，释放出不同能量的特征γ射线，NaI探头52采集地层元素发出的特征γ射线并转换为电脉冲信号，He3探头51采集热中子计数并转化为电脉冲信号，放大组件4对探测组件5输出的电脉冲信号进行放大整形后送至测控组件3，由测控组件3采集电脉冲信号并传输至通讯滤波组件1，通讯滤波组件1对数据信号进行放大，并通过电缆上传至地面数控组件03，地面数控组件03反馈数据信号给地面控制电脑05，地面控制电脑05对采集的数据进行剥谱计算，转换为所需的C/O、C/H、Si/Ga等曲线，根据测井曲线，计算出地层分层的含油饱和度、水淹强度、岩性剖面、气层等结果，用于指导油层、气层开发。

为了获得直径为φ43的尺寸设计，又将耐温提高到150℃，本方案还采用有以下创新技术方案：

一、为了保证探测组件的源距，将中子发生器的驱动控制分成离子源组件和靶压驱动组件两个组件，同时改变结构，将离子源组件和屏蔽体设计成一体，解决了屏蔽体出线困难的问题，又达到了缩小尺寸的目的。

二、扁长化设计电路板，缩小电路板尺寸以匹配直径；由于缩小电路板尺寸，提高了散热难度，针对散热问题，采取增加散热面积、热源错位技术方案增强散热。具体是：

1、传统技术的方案中，测控组件和通讯滤波组件采用衬板上下叠放的方式，热源集中，不利于散热；本方案采用两个组件分开放置，如图5~图6所示为测控组件和通讯滤波组件的承载电路板骨架的结构，承载电路板骨架9上设有相隔开的测控组件承载区92和通讯滤波组件承载区91，且测控组件承载区92的散热采用底部铣槽的铝棒93；

2、改变离子源组件的结构。现有技术中，多采用体积较大的电源模块提供低压，并通过变压器升压二极管整流后，再由MOS管控制高压的导通、截止；更改为：由通用的24V升压至700V，并采用3级倍压之后，MOS管控制高压的导通、截止，进一步缩小了整体电路的尺寸。

由上述两方面，缩小了组件的尺寸，实现扁长化设计电路板，满足小直径要求，同时一并解决了散热问题。

三、由于探测组件的输出脉冲幅度随温度变化很大，会影响地面系统的剥谱，故将通讯滤波组件、测控组件、放大组件、探测组件放置在保温瓶中，由于直径限制，将保温和承压设计成一体，构成保温承压瓶，由此，保温瓶内与离子源组件、靶压驱动组件只需要四根线，选择了一个五芯接插件，屏蔽体前端设计空隙放置五芯接插件与保温承压壳对接，然后从屏蔽体表面出线至离子源组件，解决了保温承压壳和离子源组件、靶压驱动组件等的信号传输问题。

四、本方案采用单个热中子探测器加单个伽马探测器的方案，相较于原有的两个伽马探测器的方案，伽马信号的相关处理电路减少了一半，热中子探头信号只需计数，由此进一步简化了测控组件的电路，减少了测控组件的器件数量，利于扁长化设计电路板，并降低了组件的发热量。

五、目前国内外的核测井仪器，虽有多种工作模式，但一次下井只能获取一种参数，并且国内仪器不能识别气层。本方案的应用，一次测井可同时获取地层特征伽马能谱和中子寿命参数，在采用碳氢比解释方法的基础上，利用He3探头、放大组件、测控组件配合地面系统可增加地层俘获截面曲线，从而能准确的识别油层、气层，确定地层含油饱和度、岩性、孔隙度及水淹程度等地质和工程参数。