摘  要： 地层自然伽马值反映了地层岩性的变化，设计了随钻自然伽马测量系统，可以测量出所钻地层自然伽马值，使钻井工程和石油地质人员能够准确地分析井下地质情况，并及时优化钻井设计和施工工艺，准确地钻达目的层。

　　关键词： 自然伽马值; 伽马测量装置; 光电倍增管

　　在石油钻井过程中，随时了解地层参数对钻井工程师十分重要，其为调整井眼轨迹提供判断依据，使钻头准确钻达目的层，提高钻井钻遇率，最终提高油气采收率[1-2]。由于自然界岩石中所含的铀、钍及其衰变产物和钾的放射性同位素能引起地层的自然放射性。这些放射性元素在没有任何外界激发的情况下，可以释放出射线。这些具有放射性的元素在衰变过程中能发射α粒子、β粒子和γ射线。α粒子和β粒子的穿透能力很差，不能用于测井；而γ射线是一种具有很强穿透能力的高能电磁波，它能在钻井过程中被探测到[3]。因此随钻自然伽马测量系统可以通过测量地层的自然伽马变化来反映地层的岩性。

1 随钻自然伽马测量系统的原理简介

　　随钻自然伽马测量系统的作用是测量在钻井过程中不同性质地层的伽马射线强度，再将各个地层中的伽马测量值标定为单位API自然伽马标准值，利用对不同地层的实时伽马测量数据绘制出钻井过程中实时伽马曲线[4]。因此该系统必须能够测量井下不同性质地层的伽马射线值并记录井下不同性质地层所对应的井深。

　　随钻自然伽马测量系统安装在钻头上方的无磁钻铤中，图1显示其安装在钻铤上的位置，系统由井下伽马探管、井下数据采集测量电路组成。其能够进行地层自然伽马脉冲计数率测量，并同步记录不同地层自然伽马值相关联的井深信息[5]。

　　井下数据采集测量电路的工作原理如图2所示。地层中的自然伽马射线进入伽马探管后，由探管将伽马粒子转换成电脉冲信号，经过信号整形电路将该信号变成标准脉冲,送入ARM处理器。ARM处理器利用内部计数器对其计数，采样一次伽马脉冲的计数值的时间间隔为16 s，再计算单位时间内的平均值，计算出的伽马脉冲计数率，将地层的伽马脉冲计数率刻度为自然伽马标准计量单位API，然后存入NOR Flash存储器中。ARM处理器电路也可通过RS485总线将数据发送给MWD的泥浆脉冲信息上传系统，通过该系统将自然伽马API值上传给地面计算机系统。地面计算机可将自然伽马API值与井深信息相对应，绘制出自然伽马测量曲线[6]。

2 随钻自然伽马测量系统的电路设计

　　随钻伽马测量仪采用以ARM处理器为核心的井下传感器和数据测量电路，并扩展相应外围功能扩展电路，设计对探管干扰小、抗干扰能力强的电路体系。

　　2.1 伽马探管高压电源

　　伽马探管高压电源由半桥开关电源变换器和倍压电路两部分构成，半桥开关电源形成开关电压脉冲，经过开关变压器对倍压电路进行充电，产生伽马探管所需要的2 000 V左右高压供电电源。

　　高压电源控制芯片为TL494电压型脉冲宽度控制器，它由PWM 比较器、振荡器、两个误差放大器、D 触发器、+5 V基准电压源、死区时间比较器和两个驱动三极管等组成。

　　由于电源电路在上电瞬间各点电压不确定，经过一段震荡时间之后才能稳定工作，所以在上电瞬间不能有加在栅极的激励信号，否则将导致开关管导通。延时软启动电路能实现该控制功能，如图3所示。该电路可以控制TL494的4脚死区引脚实现软启动，由于电压所在的软启动脚高于3 V时，TL494的占空比将设置为零，充电过程电阻R23与电容C5间的电压接近线性地上升,上电瞬间5 V左右的电压加在R31上,给电容充电的电压逐渐上升，导致电阻上的电压逐渐下降，下降到3 V以下时，占空比方波将正常输出,R31和C5决定了电源的软启动时间。

　　TL494控制电路如图4所示，TL494在工作时,定时元件RT 和CT 的取值决定了控制器内部锯齿波发生器上的工作频率。死区时间比较器和脉宽比较器的同相输入端与该锯齿波信号连接。在脉宽比较器中对锯齿波和误差放大器的输出电平比较，而在死区时间比较器中对死区控制电平与锯齿波进行比较，二者分别输出得到矩形脉冲。同时送入门电路，在D触发器内进行分频后，再由输出到两个驱动三极管，使其交替导通和截止，相差180°的脉宽控制脉冲通过9脚和10脚向外输出。

　　由上可知，如果TL494的参考电位（即两个误差放大器的反相输入端(2脚或者15脚)）稳定，当升高同相输入端电位时，则可以使两个驱动引脚输出脉冲变窄；反之，则可以使PWM 脉冲变宽。当加载到死区控制端电压下降时，则可以使两个驱动输出E1/E2的脉宽控制脉冲变宽。

　　通过电压跟随器将电压反馈信号Ufeb接入TL494的1脚反馈端，设定的参考电压加载到2脚反相输入端，并与引脚3共同组成PI调节器，用以保证电源输出稳定的电压。从开关管输出电流信号Ifeb反馈到控制的16脚，一个参考电压加载到15脚，可以限定电源对外最大输出电流的大小，最终控制最大负载功率，起到过载保护的作用。

　　TL494的9脚和10脚输出的两路PWM波形分别连接到半桥控制芯片IR2110的HIN和LIN管脚，由IR2110芯片的自举系统和外部相应电路抬高Q1源极电位，实现Q1的正常导通和关断，如图5所示，从HO和LO管脚分别输出信号驱动图6所示半桥MOSFET结构的开关电路。

　　半桥开关电路Q1和Q2被带有死区时间的两路互补PWM信号驱动，分时导通和关闭。即Q1导通时Q2关闭，电流从变压器的2脚流向1脚；而Q2导通时Q1关闭，电流从变压器的1脚流向2脚。这样在变压器的初级就形成了交变电压，该电压再过升压变压器T1升压。经过升压变压器升压后的电压再经过倍压升压电路，达到伽马探管工作所需要的电压。

　　倍压升压电路如图7所示。变压器T1对初极电压进行升压，并在次级产生交变电压。交变电压为负半周时，D1导通，其他二极管截止，电容C10充电到240 V； 交变电压为正半周时，D2导通, 其他二极管截止， 电容C9充电到480 V；交变电压再为负半周时，D3导通，其他二极管截止，电容C8充电到480 V；交变电压为正半周时，D4导通，其他二极管截止，电容C7充电到480 V；交变电压为负半周时，D1导通，其他二极管截止，电容C6充电到480 V。升压后输出电压对地电压为2 160 V，最终达到伽马探管的工作电压。

　　2.2 ARM处理器及测量电路低压供电单元

　　ARM处理STM32需要的供电电压为3.3 V, 测量电路供电电压为5 V。随钻自然伽马探测装置的供电输入电压为24 V。因此需要将24 V转换为5 V和3.3 V，可使用一个buck型开关电源和一个低压差电源[7]。

　　2.3 伽马探管工作原理

　　入射到探测管的伽马射线可由伽马探测管转换为电脉冲信号，脉冲整形电路对该脉冲进行处理。随钻伽马测量装置井下伽马探测管使用的是闪烁计数器。

　　由光电倍增管和闪烁晶体和组成的闪烁计数器如图8所示。闪烁晶体可以在放射线作用下发射荧光的物质，实现将伽马射线转换成光能。当没有入射光进入光电倍增管时，电倍增管的阳极上不会产生电流。但由于温度影响，会有少量的激发电子。其再经过倍增管的倍增效应后,阳极上会出现被称为暗电流的微小噪声电流。由于该噪声电流脉冲的幅值很小，且产生的时间短，所以噪声脉冲和有用信号脉冲可由脉冲鉴别电路加以区别。

　　当自然伽马射线入射到闪烁体后，其内部的分子或原子将吸收射线的能量，发生荧光效应。光电倍增管敏感的光阴极表面被荧光光子击中，将产生相应量级的光电子。光电倍增管的打拿极捕捉到这些电子，将电子数逐级倍增。光电倍增管的阳极得到倍增后的电子，形成相应量级的电流脉冲，当电流脉冲流过阳极连接的负载电阻时产生电压脉冲。该脉冲可以通过电容耦合至后级脉冲整形电路。射入晶体的伽马射线强度与脉冲整形电路的脉冲计数率成正比。

　　2.4 脉冲整形电路

　　来自伽马探管的信号是一个电压尖脉冲，脉冲整形电路对这个尖脉冲进行处理，将其整形为一个标准的脉冲，送给ARM处理的计数单元进行脉冲计数。脉冲整形电路如图9所示。

　　伽马探管输出的负电压脉冲信号前沿很陡，脉冲信号后沿衰减规律成指数趋势。通过电容C6该信号耦合至三极管Q4的基级，伽马探测器的直流高压也由C6隔离，以防止损坏后级电路。探管的输出信号由稳压二极管D2限幅，RC低通滤波器由R25和C7组成，能够去除测量信号中的高频干扰。

　　脉冲信号经过Q4反相相放大后，由于电容C9耦合到运放A3的输入端，因此调节A3上的反馈电阻可以对该脉冲信号再次进行放大。

　　运算放大器A3的输出信号加载到比较器A4的输入端，组成电压阈值比较器，进一步对脉冲信号整形，去除噪音信号。比较器A4输入阈值电压为10 V左右，使高于次电压的伽马脉冲信号可以通过比较器，其他噪声信号电平低于阈值电压而不能通过。

　　经过几级整形之后的信号波形已经变得比较理想，这样输出的信号成为与伽马脉冲相一致的标准脉冲信号，然后输出到CPLD芯片进行分频和电平匹配输出，最终输出到ARM控制器的计数单元。由于在一些地层中的伽马射线能量强，所探测的脉冲数量在单位时间内很多，直接加到ARM芯片的比较器计数单元上会使其产生计数溢出错误[8]。因此要使用CPLD芯片配置成分频器，对脉冲信号进行4分频计数。然后将分频后的脉冲波形送入ARM芯片的比较器计数单元内进行计数和保存。ARM芯片对伽马脉冲的计数由其内部定时器控制，每16 s完成一次计数，最后存储的伽马计数值应为16 s内计数脉冲的平均值。

　　2.5 井下实时时钟电路

　　井下实时时钟可与地面实时时钟进行对准，可推导出相应的井深参数。DS1305为外部时钟芯片，采用SPI通信方式，时间控制任务主要有两个方面：DS1305时钟与地面时间的对准功能；产生等时间间隔脉冲信号，作为外部中断源控制CPU的伽马数据定时采集和存储。

　　2.6 井下实时伽马数据存储电路

　　测量的自然伽马参数数值需要实时地存储到井下NOR Flash存储器中，与各个自然伽马参数数值相对应的实时时钟信息也需要对应地存储到井下NOR Flash存储器中。采用的井下NOR Flash存储器芯片为M25P64，其为64 Mbit(即8 MB)存储芯片。

3 随钻测量实验

　　图10 中随钻自然伽马测量曲线说明了该装置的应用情况(左图为自然伽马测量曲线，右图为电阻率测量曲线),这是该测量装置在冀东油田某钻井过程中的随钻测量数据。从图中可反映出当钻至1 965 m时，测量的自然伽马值开始下降，电阻率值开始升高。孔隙度高的含油地层，其伽马辐射低，可推测开始进入储油层。当钻至1 971 m时自然伽马值开始上升，测量的电阻率值开始降低，可推测钻出储油层。继续钻至1 998 m时，电阻率测量值值升高，自然伽马测量值降低，可推测再次进入储油层。根据测量的数据结果分析，自然伽马测量仪可以准确反映出真实地层情况。

　　本文对随钻伽马测量系统的研制意义进行了分析。在此基础上对随钻伽马系统进行设计，并着重分析了放射性伽马测量原理，包括总体分析与设计、高压电源电路设计、脉冲整形电路设计、伽马数据采集与存储电路设计等。同时，针对随钻伽马测量系统在电磁干扰环境下工作需要注意的问题进行分析，使其达到测量应用的要求。最后通过对仪器的实验验证了该仪器的功能[9]。

　　参考文献

　　[1] 苏义脑.井下控制工程学研究进展[M].北京:石油工业出版社，2001.

　　[2] 盛利民, 邓乐, 窦修荣.实现近钻头测量的关键[C].北京：井下控制工程技术学术研讨会, 2001：20-22.

　　[3] 袁祖贵．测井技术的发展及其应用[J]．测井科技，1997,(4)：6-8.

　　[4] 彭琥．20世纪90年代核测井新进展[J]．测井技术，200125(1):5-11.

　　[5] 孙建孟．浅议测井学科的发展[J]．测井技术，1998，22(5)：

　　380-382

　　[6] 马连山，冯敬，吴宝瑜,等．随钻测量(MWD)与地层评价在2000年的新进展[J]．石油仪器，2000，14(6)：37-41.

　　[7] 陈庭勋.正反激励式准谐振软开关电源[J]. 电子技术应用，2013，39(8):57-59.

　　[8] 刘洋.基于ARM9和CPLD的四导心音采集显示系统的设计[J]. 电子技术应用,2013,39(12)：18-22.

　　[9] 鞠小东．我国石油测井装备研发现状及发展的思考[J]石油仪器，2001，15(4)：1-4.