第十章 巖性密度測(cè)井儀器

1、第十章 巖性密度測(cè)井儀n10.1 儀器原理n10.2 LDT-D井下儀器線路分析n習(xí)題光電效應(yīng)吸收系數(shù)光電效應(yīng)吸收系數(shù)10.1 儀器原理4.60.0089nbZA式中，為光子的波長(zhǎng)，單位：10-8cm; n為指數(shù)常數(shù),對(duì)于N、C、O則n=3.05;對(duì)于鈉到鐵的元素n= 2.85; A為克原子量； Z為原子序數(shù)； b為密度(g/cm3)。特別關(guān)注入射伽馬能量較低時(shí),主要產(chǎn)生光電效應(yīng)。10.1.1 測(cè)量基礎(chǔ)測(cè)量基礎(chǔ)1. 物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)康普頓效應(yīng)吸收系數(shù)康普頓效應(yīng)吸收系數(shù)AZNbAe式中，e每個(gè)電子的康普頓散射截面，當(dāng)光子的能量在0.25MeV2.5MeV范圍內(nèi)，近似為常數(shù); NA為阿伏加德羅常數(shù)

2、，6.0220451023mol-1； A為克原子量； Z為原子序數(shù)。特別關(guān)注入射伽馬能量中等時(shí),主要產(chǎn)生康譜頓效應(yīng)。 對(duì)于大部分沉積巖、石灰?guī)r、白云巖等，對(duì)于大部分沉積巖、石灰?guī)r、白云巖等，Z/A的平均的平均值近似等于值近似等于0.5,當(dāng)入射伽瑪射線的能量在一定范圍內(nèi)時(shí)當(dāng)入射伽瑪射線的能量在一定范圍內(nèi)時(shí), e 是一個(gè)常數(shù)。是一個(gè)常數(shù)?？灯疹D吸收系數(shù)簡(jiǎn)化為：康普頓吸收系數(shù)簡(jiǎn)化為：bk 為常數(shù)。eAZkNA核素HCONaSiClCaMgZ/A0.492 0.499 0.500 0.479 0.498 0.479 0.499 0.495幾種核素的Z/A巖性主要成份砂巖SiO20.499石灰?guī)rCaC

3、O30.500白云巖CaMg(CO3)20.499三種巖石的Z/ALoNNe, , , 當(dāng) 能量較小時(shí)當(dāng) 能量中等時(shí)當(dāng) 能量較大時(shí)射線的吸收射線的吸收對(duì)于地層密度測(cè)井(探測(cè)器帶屏蔽低于0.1MeV的伽馬射線屏蔽窗)：伽瑪射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)的能譜伽瑪射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)的能譜低能區(qū)計(jì)數(shù)率對(duì)Z變化敏感高能區(qū)對(duì)密度變化敏感 低能區(qū)計(jì)數(shù)率：NS=f(e,U) 高能區(qū)計(jì)數(shù)率：NH=f(e) 電子密度指數(shù)：eb 使用伽馬源放出能量為使用伽馬源放出能量為0.661 MeV的伽馬光子，與地層的伽馬光子，與地層主要發(fā)生康譜頓效應(yīng)主要發(fā)生康譜頓效應(yīng),則伽馬射線經(jīng)地層后的衰減系數(shù)：則伽馬射線經(jīng)地層后的衰減系數(shù)：bkLoNN

4、e2. 密度的測(cè)量密度的測(cè)量bk 則式中，式中，N0為源的計(jì)數(shù)率，為源的計(jì)數(shù)率，L為源距為源距(源到觀測(cè)點(diǎn)的距離源到觀測(cè)點(diǎn)的距離)。000lnlnln11lnlnlnbbbNNkLNkLNNN Bk LA 式中,A和B為與儀器有關(guān)的常數(shù),經(jīng)刻度確定.兩邊取對(duì)數(shù)，得兩邊取對(duì)數(shù)，得記長(zhǎng)源距（包括高能區(qū)和低能區(qū)）計(jì)數(shù)率為Nlith短源距（高能區(qū)）為NLS，則根據(jù)實(shí)驗(yàn)有如下關(guān)系（見(jiàn)右圖）：0.410.41lithLSeelithLSNbaNPbPNaNLSeNPlith因此,測(cè)出N和后可以算出ePb則 U3. Pe的測(cè)量的測(cè)量10.1.2 測(cè)量原理 n1.巖性密度測(cè)井儀極板 極板包含一個(gè)放射性源和兩個(gè)

5、不同源距的探測(cè)器，且要求直接與井壁接觸。 n放射性源：1.5Ci的Cs137源，它以能量為662keV伽馬射線照射地層。 n兩個(gè)閃爍晶體光電倍增管探測(cè)器，一個(gè)離源較近（約11.43cm），較簿的鋼窗 ，叫短源距探測(cè)器，一個(gè)離源較遠(yuǎn)（約36.83cm），Be（Z4）窗 ，叫長(zhǎng)源距探測(cè)器。 n每個(gè)探測(cè)器都附有高壓電源和脈沖放大器，探測(cè)器按正比方式工作，輸出脈沖幅度正比于記錄的伽馬射線能量。為保證正確的線性比例，必須采取穩(wěn)峰措施。 采用上述極板，在長(zhǎng)源距探測(cè)器處的計(jì)數(shù)率同時(shí)取決于地層電子密度和等效原子序數(shù)，在短源距探測(cè)器處的計(jì)數(shù)率主要取決于地層的電子密度。因此，通過(guò)建立合適能窗，從長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率，地面

6、儀器可以計(jì)算地層的體積密度和有效光電吸收系數(shù)Pe；從短源距計(jì)數(shù)率可以計(jì)算視體積密度。為實(shí)現(xiàn)這一目的，按長(zhǎng)源距探測(cè)器測(cè)得的伽馬射線能譜分為三個(gè)探測(cè)窗口：Lith窗（4379keV），LL窗（187251keV），LU12窗（251536keV）；短源距探測(cè)器分二個(gè)窗口：SS1窗（450330keV），SS2窗（330150keV）。 2.能窗 伽馬射線探測(cè)能窗是由標(biāo)準(zhǔn)電位進(jìn)行分壓比較實(shí)現(xiàn)的。 標(biāo)準(zhǔn)電位用恒定電流流過(guò)串聯(lián)電阻得到。若有一脈沖，其幅度為h，它與標(biāo)準(zhǔn)電位相比有如下關(guān)系： Vref3h Vref4 意思是與該脈沖相應(yīng)的伽馬射線有一個(gè)落入（N3N4）keV窗的能量。因此，（Vref3Vre

7、f4）確定的范圍叫能窗，Vref3和Vref4就是該能窗的邊界。 閃爍晶體和光電倍增管組成的探測(cè)器屬于比例器，使光電倍增管的輸出脈沖高度和探測(cè)到的伽馬射線能量直接有關(guān)。要精確確定所探測(cè)的伽馬射線的能量，還要解決兩個(gè)問(wèn)題： 一是要建立脈沖高度V與實(shí)際伽馬射線能量的關(guān)系，使所有能窗建立正確邊界； 二是要解決探測(cè)器輸出脈沖幅度隨環(huán)境溫度和光電倍增管上的高壓變化而變化問(wèn)題。為此，要引入一個(gè)穩(wěn)峰的高能伽馬射線源，并采用穩(wěn)譜措施。 3.穩(wěn)窗 要解決探測(cè)器輸出脈沖幅度隨環(huán)境溫度和光電倍增管上的高壓變化而變化問(wèn)題。為此，引入一個(gè)穩(wěn)峰的高能伽馬射線源及相應(yīng)的穩(wěn)譜措施。 引入一個(gè)穩(wěn)峰的高能伽馬射線源Cs137源（

8、1Ci），放射662keV的伽馬射線。由晶體直接探測(cè)這些射線，（而從鎢屏蔽體散射回來(lái)的低能伽馬射線被穩(wěn)定源和晶體之間的鎘屏蔽體所吸收。）主要脈沖高度應(yīng)與入射伽馬射線能量相當(dāng)。若以1V對(duì)應(yīng)100keV能量的比例，不難建立起各能窗的邊界電壓（標(biāo)準(zhǔn)比較電壓）。 設(shè)兩個(gè)窗口，窗1通過(guò)6.0V到6.62V之間的脈沖，窗2通過(guò)6.62V到7.24V之間的脈沖。 定義格式因子： 窗1內(nèi)計(jì)數(shù)率為N1，窗2內(nèi)的計(jì)數(shù)率為N2，若N1N2，F(xiàn)F0，H.V.（高壓）數(shù)值正確；若N1N2，F(xiàn)F0，H.V.數(shù)值太低；若N1N2，F(xiàn)F0，說(shuō)明H.V.數(shù)值太高。2121NNNNFF存在背景值從高能到低能有一個(gè)線性增高的趨勢(shì)，

9、這個(gè)附加背景計(jì)數(shù)可以看成是測(cè)量能譜上的線性高能尾巴，因而從一個(gè)窗口到下一個(gè)窗口所通過(guò)的值是按相同的數(shù)（n）增加的。 即 N1-N2n，N1-N23n則穩(wěn)譜條件：由此可以定義一個(gè)修正的格式因子CFF 12123NNNN1212121233NNNNCFFNNNN4. H.V.回路的地面軟件控制 輸入?yún)?shù)： 每幀傳輸數(shù)據(jù)中包含從8個(gè)穩(wěn)窗來(lái)的8個(gè)計(jì)數(shù)率值。對(duì)長(zhǎng)源距來(lái)講它們是： LLLC Cs峰低能邊低能窗計(jì)數(shù)率N1 LULC Cs峰低能邊高能窗計(jì)數(shù)率N2 LLUC Cs峰高能邊低能窗計(jì)數(shù)率N3 LUUC Cs峰高能邊高能窗計(jì)數(shù)率N4 對(duì)短源距的相應(yīng)數(shù)值是： SLLC（N1），SULC（N2），SLUC

10、（N3），SUUC（N4） LDT-D軟件以15幀（或250ms）輸入量為計(jì)數(shù)單位，所以要對(duì)15幀輸入量進(jìn)行對(duì)應(yīng)相加并存入臨時(shí)緩沖寄存器中，然后按一定算法進(jìn)行濾波。FF和CFF是用濾波后的Nx計(jì)算的。10.2 LDT-D井下儀器線路分析10.2.1巖性密度測(cè)井儀LDT-D總框圖 10.2.2通用按口U1、U2和U3 10.2.3用戶字（UDW）指令譯碼 10.2.4核信號(hào)的放大和處理 10.2.5井徑測(cè)量 儀器的外型結(jié)構(gòu)10.2.1巖性密度測(cè)井儀LDT-D總框圖 儀器總體由地面儀器、井下儀器和連接它們的CCC短節(jié)組成。地面儀器 由計(jì)算機(jī)中心CSU和計(jì)算機(jī)輔助單元CAUF-A、電纜對(duì)接單元CIM

11、-B組成。 CCC短節(jié)在CSU和NSC-E/PGD-G之間。它向上傳輸下井儀器獲得的數(shù)據(jù)，向下傳輸來(lái)自地面的指令CCS總線：井下儀器與CCC之間的通信是沿一條CCS總線進(jìn)行的（3條信號(hào)線+1條地線）。CCS總線LDT-D井下儀器包括PGD-G、NSC-E、和DRS-C等部分。 PGD-G為探測(cè)器滑板，它包括兩個(gè)閃爍晶體光電倍增管探測(cè)器。DRS-C探頭包含各種聯(lián)線，用來(lái)組合儀器和實(shí)現(xiàn)滑板到線路間的電連接。還包含必要的動(dòng)力電路和液壓一機(jī)械裝置，以保證滑板和地層緊密接觸。NSC-E由LS、SS能窗、井徑A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、總線連接的通用接口、用戶指令譯碼單元、LS(SS) H.V.回路控

12、制及電源系統(tǒng)等部分組成。CCS總線10.2.2 通用接口U1、U2和U3 CCS總線連接井下儀器的接口U1、U2和U3，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正確傳輸，達(dá)到兩者間電平和阻抗適配。 1. CCS總線信號(hào) n下傳信號(hào)（D-Signal） 它是下傳時(shí)鐘DCK（20kHz）與下傳數(shù)據(jù)指令D DATA（20Kb/s）相組合的32Bit信號(hào)。D Signal有+1.2V、0V和-1.2V三個(gè)電平，正電平載1，負(fù)電平載0。它經(jīng)U2譯碼成DCK和D DATA兩種信號(hào)，并把電平提升到+12V。 D Signal按CCS下井幀格式轉(zhuǎn)輸，它包含BIW（基本指令字）和UDW（用戶指令字）。 BIW格式中： B15B9LDT

13、-D地址； B8置“1”禁止LDT-D數(shù)據(jù)發(fā)送；置“0”允許數(shù)據(jù)發(fā)送； B7B0不用。*UDW格式見(jiàn)后。D-Signaln起動(dòng)脈沖（GOP） 它是由CCS周期性地施加在總線上的方波信號(hào)，方波寬10s、高3.6V、標(biāo)準(zhǔn)周期60Hz。對(duì)井下數(shù)據(jù)的寄存和傳輸起到啟動(dòng)作用。它經(jīng)U3后電平提升到+12V。 n上行時(shí)鐘（UCK） 它是一系列頻率為80kHz、幅度為1.2V的方波信號(hào)，由CCS加載到總線。UCK將連續(xù)地從移位寄存器中帶走由GOP存入的測(cè)量數(shù)據(jù)。它出現(xiàn)在GOP后面，長(zhǎng)度嚴(yán)格對(duì)應(yīng)必須提取的全部?jī)x器串?dāng)?shù)位數(shù)量。在接口板內(nèi)，其電平提到+12V。 n上行數(shù)據(jù)信號(hào)（U DATA） 它實(shí)際上是UCK從每個(gè)

14、寄存器里連續(xù)帶走的數(shù)據(jù)串。在接口板內(nèi)，它的幅度是12V，到總線降到1.2V。數(shù)據(jù)串按CCS上行幀格式排列。1幀中共有14個(gè)數(shù)據(jù)字：5個(gè)能窗計(jì)數(shù)字、4個(gè)穩(wěn)窗計(jì)數(shù)字、1個(gè)井徑計(jì)數(shù)字、2個(gè)“死時(shí)間”字和2個(gè)返回H.V.字?jǐn)?shù)據(jù)（LS和SS回路各一個(gè)）。2. 通用接口U1、U2和U3 nU2和U3是電平和阻抗適配器，解決總線信號(hào)電平低而接口電路電平高的矛盾和互相間的阻抗匹配。U2還對(duì)DSignal譯碼，獲得32位DCK時(shí)鐘和32位DDATA指令，并送給U1。U2內(nèi)還設(shè)有PUP（電源起動(dòng)）脈沖發(fā)生器，專向井下儀器輸送PUP信號(hào)。nU1主要功能有：一是負(fù)責(zé)對(duì)BIW中LDT-D地址識(shí)別和B8寄存（同時(shí)將UDW

15、指令轉(zhuǎn)入U(xiǎn)DW指令譯碼單元）；二是和U3一起完成對(duì)UCK和UDATA信號(hào)的轉(zhuǎn)接。 U1U3U2U1U3U2(1)BIW指令譯碼地址識(shí)別和B8寄存 （2）UDATA和UCK信號(hào)轉(zhuǎn)接 UDATA是CCC控制下，借助于GOP和UCK信號(hào)發(fā)送UCK信號(hào)服務(wù)于LDT，也服務(wù)于其他井下儀器。當(dāng)它被引向其他儀器時(shí)，UCK不進(jìn)入LDT，也無(wú)U-DATA產(chǎn)生，所以兩者通道應(yīng)禁止。當(dāng)把它引入LDT時(shí)，必須切斷它與其他儀器的連接，同時(shí)LDT產(chǎn)生U DATA數(shù)據(jù)串，需適時(shí)地引向總線傳輸?shù)降孛妗＝涌赨1用了UCK減法計(jì)數(shù)器來(lái)完成上述的控制。 U1U3U2n減法計(jì)數(shù)器受B8信息控制： 只要寄存的B8是“1”，計(jì)數(shù)器保持復(fù)

16、位狀態(tài)，計(jì)數(shù)器輸出端REQ為低電平。這樣，UCK時(shí)鐘經(jīng)U3被引向其他儀器，而LDT上下數(shù)據(jù)不能傳輸。當(dāng)B8為“0”時(shí)，才能使GOP平行加載于減法計(jì)數(shù)器，使REQ為高電平。這樣阻止UCK通過(guò)總線傳向下面其他儀器而進(jìn)入LDT，緊接而來(lái)的UCKT1（即UCK）使U9a輸出端Q（TALK）上升， 端（ ）下降。TALK高電平，讓倒置的UCKT1作為 傳到NSC-E移位寄存器，帶出UDATA數(shù)據(jù)； 低電平使UDATA通過(guò)U3到達(dá)總線傳輸?shù)降孛?。QUCKTALKTALKUCKUCK10.2.3 用戶字(UDW)指令譯碼 上面提到，UDW數(shù)據(jù)借助 （這里標(biāo)成 ）存入用戶字譯碼單元16位寄存器U20/U19中

17、。若奇偶校驗(yàn)正確，依靠UDW中B0到B3地址碼，UDW其余數(shù)據(jù)位將被存入四個(gè)鎖存器中的一個(gè)。 DCKDWCKDWCK四個(gè)鎖存器中的兩個(gè)，另外兩個(gè)沒(méi)畫(huà)出n假如地址是00010001，12剩余位存入鎖存器U18、U17和U13，它們將用來(lái)控制LS高壓電源；n假如地址是00100010，12剩余位將存入鎖存器U22U22、U21U21和和U25U25（未畫(huà)），將用來(lái)控制SS高壓電源；n假如地址是00110011，B4和B5被存入U(xiǎn)10U10，它們?cè)试S在每個(gè)高壓回路的硬件或軟件控制之間選擇；n假如地址是01000100，B4和B5被存入U(xiǎn)11U11（圖中未畫(huà)出），它們?cè)试S控制探棒電源。U11U22,U

18、21,U25U10UDW指令格式 （UDW指令） 5 4 3 2 1 0 高位 數(shù)據(jù) 低位 地址功 能 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1加載LS高壓數(shù)據(jù)加載SS高壓數(shù)據(jù)B4為1，LS高壓回路接向硬件控制B4為0，LS高壓回路接向軟件控制B5為1，SS高壓回路接向硬件控制B5為0, SS高壓回路給出軟件控制該指令將啟動(dòng)LS和SS高壓回路的硬件控制該指令啟動(dòng)探棒電源并送合攏馬達(dá)B5為1，掩探棒電源引向打開(kāi)線圈 B4為1，全部切斷探棒電源 10.3.4核信號(hào)的放大和處理 1.

19、PGD-G放大器 2.NSC核放大器 3.LS/SS能窗比較器 4.定時(shí)脈沖、“堆疊”檢測(cè)和“死”時(shí)間測(cè)量 1.PGD-G放大器 高阻抗、低電平的光電倍增管輸出的核信號(hào)要通過(guò)整個(gè)DRS探棒送到NSC中進(jìn)行處理，必須預(yù)先適量放大。這里，它先被增益為100的U1放大器放大，再送入電流放大器U2放大，最后以56的輸出阻抗來(lái)匹配N(xiāo)SC放大器的輸入阻抗。 圖中電容均為去干擾作用2.NSC核放大器 從探棒出來(lái)的核脈沖送入兩個(gè)獨(dú)立的放大系統(tǒng)： 一個(gè)快脈沖（FNP）系統(tǒng)，它為脈沖分辨提供一個(gè)合適的時(shí)間； 一個(gè)慢脈沖（SNP）系統(tǒng)，它為脈沖幅度測(cè)量提供展寬了的脈沖。 n快核脈沖（FNP）系統(tǒng)用于測(cè)量計(jì)數(shù)率 從探

20、棒來(lái)的前置放大脈沖經(jīng)U2/U1組合放大電路放大。U2為加法器，它的同相端輸入探棒信號(hào)，它的反相端輸入同一信號(hào)，但它通過(guò)R10、C27和R26后被延遲了。當(dāng)相反信號(hào)的幅度和延遲時(shí)間被適當(dāng)調(diào)節(jié)后，相應(yīng)的輸出脈沖降落時(shí)間將明顯地縮短了。意思是說(shuō)，將原來(lái)的信號(hào)適量延遲，然后再?gòu)脑瓉?lái)信號(hào)中減去這個(gè)被延遲的信號(hào)，達(dá)到減小脈沖的持續(xù)時(shí)間，使脈沖具有近似相同的上升時(shí)間和下降時(shí)間。這樣做的結(jié)果可減脈沖的堆積概率。n慢核脈沖（SNP）系統(tǒng)用于測(cè)量幅度 若核脈沖幅值持續(xù)時(shí)間很短，要精確地測(cè)量脈沖幅度，在現(xiàn)有條件下是困難的。為解決此問(wèn)題，須將脈沖頂部展寬。當(dāng)然，展寬后的脈沖幅度與輸入脈沖幅度要保持線性關(guān)系。展寬后的信

21、號(hào)就是進(jìn)行幅度測(cè)量的慢脈沖。 電路展寬原理電路展寬原理11111100111,11,11,:(),outinintoutininintR CintttR CR Coutoutd eeeRCdteee dtRCeeEeeEeedtRCR CRCEteRCEttT由考慮到具有指數(shù)上升特性 即則若使則當(dāng) 和 固定時(shí)則運(yùn)放輸出按指數(shù)ET增大到后,再按指數(shù)下降到零.RCeineout3.LS/SS能窗比較器核脈沖經(jīng)過(guò)放大和整形后再按能量分類這只要設(shè)置一系列能窗，看它們落入哪個(gè)窗口，再對(duì)它們計(jì)數(shù)和傳輸就可。 能窗系統(tǒng)實(shí)際上是一組比較器實(shí)現(xiàn)了按伽馬射線能量計(jì)數(shù)的目的。當(dāng)不存在輸入脈沖時(shí)，比較器X1X3全部輸出高