随钻中子伽马能谱测量系统
张金倩楠+贾衡天+彭浩+艾维平+高文凯+管康+范锦辉
摘 要： 在勘探开发油气资源的工程中，划分地层岩性寻找气层划分油水界面和气水界面的重要手段是对储层伽马能谱测量和分析。而随钻中子伽马能谱测量方式实时性好、效率高，能够最大程度的降低钻井液对地层入侵的影响，更准确地反应出原状储层的性质。能使井眼轨迹保持在储层内，为地质导向钻井工程准确顺利施工提供重要测量参数。中子伽马能谱测量系统向储层发射中子束，并测量和分析中子与储层元素发生作用时产生的伽马能谱来确定地层的岩性。为此设计一套随钻中子伽马能谱测量系统，其可以提高地质导向钻井系统性能，提高油气储层钻遇率。
关键词： 中子伽马能谱测量； 地质导向； 油气储层； 油气勘探
中图分类号： TN98?34； TE21 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）02?0006?06
Abstract： In the development of oil and gas exploration project， the method of the neutron Gamma ray spectrometry with drill bit has good real?time performance and high efficiency， can reduce the impact of drilling fluid on the stratum invasion to the greatest extent， keep the trace of the well in reservoir layer， and provide important measuring parameters for a geosteering drilling project. The neutron gamma ray energy spectrometric system emits the neutron beam to the reservoir layer， and the measures and analyzes the gamma ray spectrum produced when the neutron and elements in the reservoir layer militate， so as to determine the lithology. To achieve the purpose， a neutron Gamma energy spectrometric system working with drill bit is designed， which can improve the performance of the geosteering drilling system， and the drilling meeting rate of oil and gas reservoirs.
Keyword： neutron Gamma energy spectrometry； geosteering； oil and gas reservoir； oil?gas exploration
0 引 言
随钻中子伽马能谱测量系统使用加速中子发生器向地层中发射14 MeV的快中子束，中子束与地层中的某些核素的原子核发生非弹性散射，使这些原子核处于激发状态[1]。在这个过程中中子的部分动能转变成与其相互作用的原子核的激发能。处在激发状态的原子核不稳定，将在很短的时间内发射出一个或多个伽马光子，并释放出多余的能量从而返回稳定的基态[2]。这些伽马光子是在中子发射期间内产生的，因此在时间分布上可以与此后其他反应产生的光子区分开。而不同能量的伽马光子和强度体现着地层中特定核素种类和含量[3]。根据测量到的特征伽马射线的强度可以判断出特定核素在地层中的含量。
1 随钻中子伽马能谱测量系统结构及测量原理
随钻中子伽马能谱测量系统结构如图1所示，其由中子脉冲发生器、屏蔽体、氦3管探测器、短源距探测器、长源距探测器和超长源距探测器构成[4]。探测器均为伽马能谱传感器，由于源距不同其能够探测的深度也不相同。为了防止脉冲中子管所发射恶中子束直接照射到伽马能谱传感器和氦3管探测器上，引起测量失效，必须设计一个可靠的屏蔽结构，如图2所示。
首先在靠近中子脉冲发生器的地方需要防止快中子减速材料，快中子与原子核发生几次非弹性碰撞后，其能量会迅速降低，速度也同时下降。钨镍铁合金结构体能够起到这个作用，其非常适合作非弹性散射屏蔽材料。在非弹性屏蔽材料的后部还需要高含氢材料制成的弹性散射屏蔽体，使得快中子经过弹性散射后，成为热中子。为了使热中子不影响伽马能谱传感器和氦3管探测器对地层核素的真实测量，还需在弹性散射屏蔽体后面安装俘获热中子截面大的硼材料吸收热中子。此外由于硼材料吸收了热中子后也会释放出伽马射线，影响伽马能谱传感器，因此在脉冲中子管和伽马能谱传感器之间靠近传感器的地方安装伽马射线铅屏蔽体，用来阻止屏蔽中子过程中产生的伽马射线直接照射到伽马能谱传感器上。同时为了防止中子去活化伽马能谱传感器中的晶体，因此还需要在晶体外围加上氟化锂粉末。
随钻中子伽马能谱测量系统的测量原理为利用脉冲中子管向地层发射快中子与地层中的原子核发生非弹性碰撞同时也释放出非弹性伽马散射，不同元素的原子核发生非弹性碰撞时产生的伽马射线的能谱不同，通过分析能谱可以确定地层中的不同元素的相对含量。对脉冲中子管所产生的快中子的能量也有要求，如果能量过低，地层中其他元素也被激发，会产生大量的干扰伽马射线，将需要被分析的元素的伽马射线淹没在伽马辐射本底里面。而地层中除了碳和氧以外的其他常见元素，最佳的快中子轰击能量为2.5～3 MeV，但是碳和氧由于它们的第一激发能级的能量较高，因此需要的快中子的能量也高。因此选择14.1 MeV的脉冲中子发生器产生快中子脉冲，使得快中子与地层中的碳和氧的原子核发生非弹性散射碰撞，在这个过程中将释放出强度为（4.44 MeV和6.13 MeV）的特征伽马射线从而确定地层中的碳和氧的相对含量，碳和氧元素在油水中含量区别很大，因此多用于区分油层和水层的指示元素[5]。14.1 MeV的快中子发射到地层中的最初10-8～10-7 s，与地层将发生非弹性散射产生非弹性散射伽马射线。而快中子在和地层中的元素发生几次非弹性散射后能量将降低。在10-6～10-5 s后与地层元素发生弹性碰撞进而减速转变成为热中子，热中子在地层中扩散被地层吸收后将释放出俘获伽马射线。热中子在地层中存在1 000 μs或更长的时间后，被地层完全吸收，俘获伽马射线也就消失了。此时地层中就只有自然伽马射线和少数的活化伽马射线存在，这一过程如图3所示。而能够反映地层中碳和氧相对含量的非弹性散射伽马射线为系统所需测量的参数。
2 随钻中子伽马能谱测量电路系统
随钻中子伽马能谱测量系统的电路包括伽马能谱信号处理采集分析单元、脉冲中子管高压供电单元和脉冲中子信号发射单元等。
脉冲中子管高压供电单元为脉冲中子发生器提供高压激发电源，其电路如图4所示。
主要分成高压倍增和电压变换两部分。脉冲中子发生器需要120 kV左右的高压电源，这需要高压倍增器来实现，传统的高压倍增为单向结构，因此在倍增级数越多倍增器系统内阻越大，倍增器内部的压降越大，相应的输出功率减小，会影响脉冲中子发生器的功率，因此设计了双向倍增器，由于倍增级数减小，内阻减小，输出功率增大[6]。其如图4所示分别向双方向倍增10次，即正方向倍压10次、负方向倍压10次。其原理是在变压器次级的B点和A点之间为交变电压信号，当B点为正A点为负时，充电电流从B点经由电容C6′和高压硅堆G11流向A点，将电容C6′的电压充至变压器次级线圈B点和A点之间的压差V2MAX。当B点和A点间的交变电压变成A点正B点负的时候，一路电流由A点经高压硅堆G10和电容C5′流向B点，将C5′电压充至V2MAX。另一路由A点经电容器C6高压硅堆G12和电容C6′流向B点，将C6的电压充至V2MAX+=2V2MAX。到此变压器次级完成一个周期的交变电压变化，当下一个周期来到时，B点的电压高于A点电压，一路电流沿C6′电容C7′，G13电容C6到A点，将C7′充电到V2MAX-+=2V2MAX。另一路电流沿电容C5′硅堆G9电容C5到A点，将C5充电至V2MAX+ =2V2MAX。依次类推次电路将C点和D点之间的电容充电到20V2MAX。电压变换将低直流电压逆变成高交变电压加载到高压倍增器的输入端A点和B点，其采用自激推挽直流变换方式[7]，其具有以下优点：
（1） 如果负载高压电源短路时其自动停止震荡保护电路。
（2） 晶体管不管是在饱和或者截止状态都工作，效率高、功耗小。其原理如图4所示，当电源VCC接通时，由于两个晶体管的参数不一致，总会有一个先导通。如果G1先导通，电流将沿VCC变压器T中间抽头变压器上边线圈G1到地线上在变压器的感应次级线圈产生下正上负的感应电动势，G1的基极b1为正，G1将进一步导通知道饱和，G2的基极b由于感应线圈产生负电压，G2将进一步完全截止。这个过程为晶体管雪崩过程，时间很短。当G1完全饱和导通时，变压器将进入磁饱和状态，感应线圈上的感應电压下降到接近零，由于电流也随之迅速降低，因此在感应线圈形成反电动势，使得G1迅速截止G2迅速导通，依次类推G1和G2依次导通在变压器T的次级产生交变的电压信号。
伽马能谱信号处理采集分析单元，如图5所示。按照功能模块划分，其包括前置信号放大器、极零相消滤波成型器、线性放大器、有源积分滤波器、基线恢复器、峰值保持控制器、脉冲峰值信号量化器等。
由中子管发射的快中子进入被测地层后和地层的核素先后发生非弹性碰撞、弹性碰撞，最终被地层俘获，在这期间将释放出伽马射线。通过伽马射线探测器将伽马射线转换成相应的电信号供后续信号整形测量电路处理，地层中不同核素释放的伽马信号能级不同，通过伽马探测转换后的电脉冲信号的峰值也不相同，根据测量和记录的电脉冲信号进行分析可以反映出地层中不同核素的含量比例。如图6所示，伽马射线探测器由闪烁晶体、光电倍增管和相应的高压供电电路组成。闪烁晶体对伽马射线有很强的吸收能力，具有很高的探测效率。光电倍增管可将由闪烁晶体发出的微弱光信号转换成能被测量的电信号，其是具有极高灵敏度和超快时间相应的光电转换器件[8]。由于伽马射线探测器的输出信号是带有直流高压偏置的脉冲信号，并且其脉冲信号幅值很小，不能直接进行处理。必须通过耐高压电容将直流高压信号隔离，并通过前置放大器分离出需要处理的脉冲信号。由于隔离后的脉冲信号上升沿快，但是下降到基线的时间长，所以需要加入极零相消滤波成型器，其通常由一个电阻和电容组成的RC微分电路构成，其能够很大程度减少单个脉冲信号下降沿恢复到基线的时间，因此在脉冲信号密集时可以消除掉信号的堆积效应。但脉冲信号这样处理后会在信号恢复到基线时出现反冲的情况，为消除这种现象采用了极零相消电路，来消除脉冲信号的反冲，主要方法如图6中的极零相消微分整形电路所示，通过加入直流通路，使得交流通道耦合过来的反冲被直流通道传递过来，消除了反冲的发生[9]。由于从伽马传感器输出经过前置放大后的信号幅值本身不大，其又经过了极零相消电路后，虽然脉冲信号的宽度变窄，但信号的幅度也受到影响变小，需要对该信号进一步放大处理。需要线性脉冲放大器来进行脉冲信号的放大，其电路如图6所示。电路采用两级放大结构，由于电路测量的是放射线信号，可能在实际工作中会出现幅度特别高的放射线脉冲信号，这类脉冲信号远超出了放大器正常工作的线性范围。这会使后续的低幅值伽马射线不能正常放大产生测量误差，这个现象称为放大器线性阻塞。
主要是由于放大器芯片内部的工作点偏移造成的。采用限幅二极管可以将信号的幅值限定在一定范围内，如图6中的线性放大电路所示的二极管可以很好地解决由于超高幅度脉冲信号引起线性放大器线性阻塞问题。
为了在采集射线脉冲信号前能够达到更好的信噪比，即能够形成近似于高斯型脉冲，以便后续电路进行分析处理。需要采用有源滤波器进行滤波，如图6中的积分滤波电路所示。把滤波和放大电路结合在一起，能达到更好的滤波效果。基线恢复电路可以恢复由于高速脉冲信号造成的信号尾部堆积所引起的基线飘移问题，如图6中的直流基线恢复电路所示。其原理为通过设置差分放大器A3，使其输出固定在一个基线电平上。当输入脉冲信号的基线电平发生变化时，如果其电平偏高于原先的设定，由于负反馈环节的存在经过差分运算后，使其输出降低。A3的输出又加载到A1的同相端可以将从A1反向端输入的信号的基线电平拉下来。同样当电平偏高于原先的设定，通过相应的原理可以将基线抬高，这样可以保持基线稳定[10]。
由于脉冲信号的幅值反映了伽马射线能级的大小，而能级的大小则反映了地层中不同核素的相对含量。因此对于被整形后的脉冲信号幅值的采集具有重要的意义，其电路如图7所示。
电路实现了脉冲信号峰值保持和信号采集控制功能。其由采样保持电路对采样电容CS充电，并控制采样电容保持伽马射线脉冲信号幅值保持的时间长度。
脉冲信号进入比较器A1，跟由分压电路预设的电压进行比较后控制D触发器T1，预设的分压电路的分压值是用于屏蔽环境噪音信号和电路噪音信号的，其由整个仪器在标定实验后确定。触发器T1可以控制采样保持电容的充放电状态。输入的脉冲信号通过二极管D2对采样保持电容CS进行充电。电容CS两端电压的变化将迅速地跟随输入脉冲信号上升沿的变化，很快将达到峰值。在到达峰值后二极管D2阴极对地的电压将高于阳极对地的电压，二极管进入截止状态。由于这时由控制器通过触发器T1控制的模拟开关K2断开。电容CS将保持现有的脉冲信号的峰值电压值。控制器脉冲信号采集开始工作，将该电压信号进行A/D采样分析。
当电容CS被充至射线脉冲峰值的过程中，由运算放大器A2组成的比较器的反向输入端电压高于正向输入端电压，运放A2输出低电平。当电容CS两端的电压逐渐上升到射线脉冲的峰值时，运放B的反向输入端电平不再高于正向输入端电平时，运放A2输出高电平，触发器T2的输出为高电平。将模拟开关K1打开，使得采样保持电路中运放A3的同相输入端接地。在此期间由控制器控制A/D采集芯片进入射线脉冲信号峰值采集过程。运算放大器A4被设计成跟随器，其输入电阻很高，输出电阻很低。能更好的将采样保持电路得到脉冲信号的峰值电压传递给A/D转换芯片，对脉冲信号进行采集和存储。
伽马射线脉冲信号采集，使用微控制器控制A/D转换实现，如图8所示。
采用的数/模转换芯片为ADS5807，其为TI公司的16位并行模/数转换芯片。控制器采用微芯公司的DSPIC33FJ256MC710A控制器，其具有100脚I/O，耐175 ℃高温并且内部包含DSP硬件处理单元，可对采样后的信号进行处理。对伽马脉冲进行A/D采集并记录的原理为将伽马脉冲信号的幅值按照A/D精度位数进行平均2n分配（n为A/D转换芯片的精度，ADS5807为16位精度，在DSPIC33FJ256MC710A控制器的SRAM快存模块开辟2n个计数单元。当采集到的脉冲信号的幅值被转换成相应2n数字量，这个数字量又被称为道址，这个道址的标号就对应2n个计数单元中其中一个，如果对应上就将相应的计数单元进行加一计数。表示接收到不同能級脉冲信号的次数。经过一段时间的测量后，每个道址上的计数单元的计数反映了伽马射线脉冲信号幅度分布情况。
3 随钻中子伽马能谱测量系统实验
随钻中子伽马能谱测量系统在位于河北省沧县刘家庙乡东官1503井进行了下井实验，如图9所示。并在钻具组合中安装钻头。设计井深3 650 m（垂深），井别为开发井，井型为定向井。随钻中子伽马能谱测量系统在井深1 822 m的位置开始工作。
系统在井下随钻累计工作72 h，系统工作环境温度125 ℃，整个系统工作正常，达到了井队对目的层碳氧比进行随钻测录的要求。系统的随钻测井碳氧能窗数据如图10所示， 特征能窗包含某种元素原子内的中子发生非弹散射时产生的不同能级伽马射线的分布图，碳和氧的特征能窗区间分别选取在3.195～4.654 MeV和4.862～6.633 MeV。因此碳氧比由以下公式：
计算，为地层元素非弹性谱第i道的计数值，该方法为能窗法测量碳氧比。
4 结 论
随钻中子伽马能谱测量为评价油气储层岩性提供重要参数，能在石油的勘探和开发领域发挥重要作用。因此研制随钻中子伽马能谱测量系统，其由脉冲中子管发射快中子进入被测地层，通过伽马能谱传感器测量单元，采集并记录地层中碳氧核素的相对含量。可以为地质人员分析该地区被测地层油水层、水淹层和划分水淹层等级提供准确的测量数据。并能帮助在低矿化度或矿化度变化很大的地层确定饱和度参数。该仪器满足井队对目的地层碳氧比测量的要求，提高了国内随钻测井技术研究和应用的水平，缩短了与国外测井技术间的差距，具有广阔的应用前景。
参考文献
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摘 要： 在勘探开发油气资源的工程中，划分地层岩性寻找气层划分油水界面和气水界面的重要手段是对储层伽马能谱测量和分析。而随钻中子伽马能谱测量方式实时性好、效率高，能够最大程度的降低钻井液对地层入侵的影响，更准确地反应出原状储层的性质。能使井眼轨迹保持在储层内，为地质导向钻井工程准确顺利施工提供重要测量参数。中子伽马能谱测量系统向储层发射中子束，并测量和分析中子与储层元素发生作用时产生的伽马能谱来确定地层的岩性。为此设计一套随钻中子伽马能谱测量系统，其可以提高地质导向钻井系统性能，提高油气储层钻遇率。
关键词： 中子伽马能谱测量； 地质导向； 油气储层； 油气勘探
中图分类号： TN98?34； TE21 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）02?0006?06
Abstract： In the development of oil and gas exploration project， the method of the neutron Gamma ray spectrometry with drill bit has good real?time performance and high efficiency， can reduce the impact of drilling fluid on the stratum invasion to the greatest extent， keep the trace of the well in reservoir layer， and provide important measuring parameters for a geosteering drilling project. The neutron gamma ray energy spectrometric system emits the neutron beam to the reservoir layer， and the measures and analyzes the gamma ray spectrum produced when the neutron and elements in the reservoir layer militate， so as to determine the lithology. To achieve the purpose， a neutron Gamma energy spectrometric system working with drill bit is designed， which can improve the performance of the geosteering drilling system， and the drilling meeting rate of oil and gas reservoirs.
Keyword： neutron Gamma energy spectrometry； geosteering； oil and gas reservoir； oil?gas exploration
0 引 言
随钻中子伽马能谱测量系统使用加速中子发生器向地层中发射14 MeV的快中子束，中子束与地层中的某些核素的原子核发生非弹性散射，使这些原子核处于激发状态[1]。在这个过程中中子的部分动能转变成与其相互作用的原子核的激发能。处在激发状态的原子核不稳定，将在很短的时间内发射出一个或多个伽马光子，并释放出多余的能量从而返回稳定的基态[2]。这些伽马光子是在中子发射期间内产生的，因此在时间分布上可以与此后其他反应产生的光子区分开。而不同能量的伽马光子和强度体现着地层中特定核素种类和含量[3]。根据测量到的特征伽马射线的强度可以判断出特定核素在地层中的含量。
1 随钻中子伽马能谱测量系统结构及测量原理
随钻中子伽马能谱测量系统结构如图1所示，其由中子脉冲发生器、屏蔽体、氦3管探测器、短源距探测器、长源距探测器和超长源距探测器构成[4]。探测器均为伽马能谱传感器，由于源距不同其能够探测的深度也不相同。为了防止脉冲中子管所发射恶中子束直接照射到伽马能谱传感器和氦3管探测器上，引起测量失效，必须设计一个可靠的屏蔽结构，如图2所示。
首先在靠近中子脉冲发生器的地方需要防止快中子减速材料，快中子与原子核发生几次非弹性碰撞后，其能量会迅速降低，速度也同时下降。钨镍铁合金结构体能够起到这个作用，其非常适合作非弹性散射屏蔽材料。在非弹性屏蔽材料的后部还需要高含氢材料制成的弹性散射屏蔽体，使得快中子经过弹性散射后，成为热中子。为了使热中子不影响伽马能谱传感器和氦3管探测器对地层核素的真实测量，还需在弹性散射屏蔽体后面安装俘获热中子截面大的硼材料吸收热中子。此外由于硼材料吸收了热中子后也会释放出伽马射线，影响伽马能谱传感器，因此在脉冲中子管和伽马能谱传感器之间靠近传感器的地方安装伽马射线铅屏蔽体，用来阻止屏蔽中子过程中产生的伽马射线直接照射到伽马能谱传感器上。同时为了防止中子去活化伽马能谱传感器中的晶体，因此还需要在晶体外围加上氟化锂粉末。
随钻中子伽马能谱测量系统的测量原理为利用脉冲中子管向地层发射快中子与地层中的原子核发生非弹性碰撞同时也释放出非弹性伽马散射，不同元素的原子核发生非弹性碰撞时产生的伽马射线的能谱不同，通过分析能谱可以确定地层中的不同元素的相对含量。对脉冲中子管所产生的快中子的能量也有要求，如果能量过低，地层中其他元素也被激发，会产生大量的干扰伽马射线，将需要被分析的元素的伽马射线淹没在伽马辐射本底里面。而地层中除了碳和氧以外的其他常见元素，最佳的快中子轰击能量为2.5～3 MeV，但是碳和氧由于它们的第一激发能级的能量较高，因此需要的快中子的能量也高。因此选择14.1 MeV的脉冲中子发生器产生快中子脉冲，使得快中子与地层中的碳和氧的原子核发生非弹性散射碰撞，在这个过程中将释放出强度为（4.44 MeV和6.13 MeV）的特征伽马射线从而确定地层中的碳和氧的相对含量，碳和氧元素在油水中含量区别很大，因此多用于区分油层和水层的指示元素[5]。14.1 MeV的快中子发射到地层中的最初10-8～10-7 s，与地层将发生非弹性散射产生非弹性散射伽马射线。而快中子在和地层中的元素发生几次非弹性散射后能量将降低。在10-6～10-5 s后与地层元素发生弹性碰撞进而减速转变成为热中子，热中子在地层中扩散被地层吸收后将释放出俘获伽马射线。热中子在地层中存在1 000 μs或更长的时间后，被地层完全吸收，俘获伽马射线也就消失了。此时地层中就只有自然伽马射线和少数的活化伽马射线存在，这一过程如图3所示。而能够反映地层中碳和氧相对含量的非弹性散射伽马射线为系统所需测量的参数。
2 随钻中子伽马能谱测量电路系统
随钻中子伽马能谱测量系统的电路包括伽马能谱信号处理采集分析单元、脉冲中子管高压供电单元和脉冲中子信号发射单元等。
脉冲中子管高压供电单元为脉冲中子发生器提供高压激发电源，其电路如图4所示。
主要分成高压倍增和电压变换两部分。脉冲中子发生器需要120 kV左右的高压电源，这需要高压倍增器来实现，传统的高压倍增为单向结构，因此在倍增级数越多倍增器系统内阻越大，倍增器内部的压降越大，相应的输出功率减小，会影响脉冲中子发生器的功率，因此设计了双向倍增器，由于倍增级数减小，内阻减小，输出功率增大[6]。其如图4所示分别向双方向倍增10次，即正方向倍压10次、负方向倍压10次。其原理是在变压器次级的B点和A点之间为交变电压信号，当B点为正A点为负时，充电电流从B点经由电容C6′和高压硅堆G11流向A点，将电容C6′的电压充至变压器次级线圈B点和A点之间的压差V2MAX。当B点和A点间的交变电压变成A点正B点负的时候，一路电流由A点经高压硅堆G10和电容C5′流向B点，将C5′电压充至V2MAX。另一路由A点经电容器C6高压硅堆G12和电容C6′流向B点，将C6的电压充至V2MAX+=2V2MAX。到此变压器次级完成一个周期的交变电压变化，当下一个周期来到时，B点的电压高于A点电压，一路电流沿C6′电容C7′，G13电容C6到A点，将C7′充电到V2MAX-+=2V2MAX。另一路电流沿电容C5′硅堆G9电容C5到A点，将C5充电至V2MAX+ =2V2MAX。依次类推次电路将C点和D点之间的电容充电到20V2MAX。电压变换将低直流电压逆变成高交变电压加载到高压倍增器的输入端A点和B点，其采用自激推挽直流变换方式[7]，其具有以下优点：
（1） 如果负载高压电源短路时其自动停止震荡保护电路。
（2） 晶体管不管是在饱和或者截止状态都工作，效率高、功耗小。其原理如图4所示，当电源VCC接通时，由于两个晶体管的参数不一致，总会有一个先导通。如果G1先导通，电流将沿VCC变压器T中间抽头变压器上边线圈G1到地线上在变压器的感应次级线圈产生下正上负的感应电动势，G1的基极b1为正，G1将进一步导通知道饱和，G2的基极b由于感应线圈产生负电压，G2将进一步完全截止。这个过程为晶体管雪崩过程，时间很短。当G1完全饱和导通时，变压器将进入磁饱和状态，感应线圈上的感應电压下降到接近零，由于电流也随之迅速降低，因此在感应线圈形成反电动势，使得G1迅速截止G2迅速导通，依次类推G1和G2依次导通在变压器T的次级产生交变的电压信号。
伽马能谱信号处理采集分析单元，如图5所示。按照功能模块划分，其包括前置信号放大器、极零相消滤波成型器、线性放大器、有源积分滤波器、基线恢复器、峰值保持控制器、脉冲峰值信号量化器等。
由中子管发射的快中子进入被测地层后和地层的核素先后发生非弹性碰撞、弹性碰撞，最终被地层俘获，在这期间将释放出伽马射线。通过伽马射线探测器将伽马射线转换成相应的电信号供后续信号整形测量电路处理，地层中不同核素释放的伽马信号能级不同，通过伽马探测转换后的电脉冲信号的峰值也不相同，根据测量和记录的电脉冲信号进行分析可以反映出地层中不同核素的含量比例。如图6所示，伽马射线探测器由闪烁晶体、光电倍增管和相应的高压供电电路组成。闪烁晶体对伽马射线有很强的吸收能力，具有很高的探测效率。光电倍增管可将由闪烁晶体发出的微弱光信号转换成能被测量的电信号，其是具有极高灵敏度和超快时间相应的光电转换器件[8]。由于伽马射线探测器的输出信号是带有直流高压偏置的脉冲信号，并且其脉冲信号幅值很小，不能直接进行处理。必须通过耐高压电容将直流高压信号隔离，并通过前置放大器分离出需要处理的脉冲信号。由于隔离后的脉冲信号上升沿快，但是下降到基线的时间长，所以需要加入极零相消滤波成型器，其通常由一个电阻和电容组成的RC微分电路构成，其能够很大程度减少单个脉冲信号下降沿恢复到基线的时间，因此在脉冲信号密集时可以消除掉信号的堆积效应。但脉冲信号这样处理后会在信号恢复到基线时出现反冲的情况，为消除这种现象采用了极零相消电路，来消除脉冲信号的反冲，主要方法如图6中的极零相消微分整形电路所示，通过加入直流通路，使得交流通道耦合过来的反冲被直流通道传递过来，消除了反冲的发生[9]。由于从伽马传感器输出经过前置放大后的信号幅值本身不大，其又经过了极零相消电路后，虽然脉冲信号的宽度变窄，但信号的幅度也受到影响变小，需要对该信号进一步放大处理。需要线性脉冲放大器来进行脉冲信号的放大，其电路如图6所示。电路采用两级放大结构，由于电路测量的是放射线信号，可能在实际工作中会出现幅度特别高的放射线脉冲信号，这类脉冲信号远超出了放大器正常工作的线性范围。这会使后续的低幅值伽马射线不能正常放大产生测量误差，这个现象称为放大器线性阻塞。
主要是由于放大器芯片内部的工作点偏移造成的。采用限幅二极管可以将信号的幅值限定在一定范围内，如图6中的线性放大电路所示的二极管可以很好地解决由于超高幅度脉冲信号引起线性放大器线性阻塞问题。
为了在采集射线脉冲信号前能够达到更好的信噪比，即能够形成近似于高斯型脉冲，以便后续电路进行分析处理。需要采用有源滤波器进行滤波，如图6中的积分滤波电路所示。把滤波和放大电路结合在一起，能达到更好的滤波效果。基线恢复电路可以恢复由于高速脉冲信号造成的信号尾部堆积所引起的基线飘移问题，如图6中的直流基线恢复电路所示。其原理为通过设置差分放大器A3，使其输出固定在一个基线电平上。当输入脉冲信号的基线电平发生变化时，如果其电平偏高于原先的设定，由于负反馈环节的存在经过差分运算后，使其输出降低。A3的输出又加载到A1的同相端可以将从A1反向端输入的信号的基线电平拉下来。同样当电平偏高于原先的设定，通过相应的原理可以将基线抬高，这样可以保持基线稳定[10]。
由于脉冲信号的幅值反映了伽马射线能级的大小，而能级的大小则反映了地层中不同核素的相对含量。因此对于被整形后的脉冲信号幅值的采集具有重要的意义，其电路如图7所示。
电路实现了脉冲信号峰值保持和信号采集控制功能。其由采样保持电路对采样电容CS充电，并控制采样电容保持伽马射线脉冲信号幅值保持的时间长度。
脉冲信号进入比较器A1，跟由分压电路预设的电压进行比较后控制D触发器T1，预设的分压电路的分压值是用于屏蔽环境噪音信号和电路噪音信号的，其由整个仪器在标定实验后确定。触发器T1可以控制采样保持电容的充放电状态。输入的脉冲信号通过二极管D2对采样保持电容CS进行充电。电容CS两端电压的变化将迅速地跟随输入脉冲信号上升沿的变化，很快将达到峰值。在到达峰值后二极管D2阴极对地的电压将高于阳极对地的电压，二极管进入截止状态。由于这时由控制器通过触发器T1控制的模拟开关K2断开。电容CS将保持现有的脉冲信号的峰值电压值。控制器脉冲信号采集开始工作，将该电压信号进行A/D采样分析。
当电容CS被充至射线脉冲峰值的过程中，由运算放大器A2组成的比较器的反向输入端电压高于正向输入端电压，运放A2输出低电平。当电容CS两端的电压逐渐上升到射线脉冲的峰值时，运放B的反向输入端电平不再高于正向输入端电平时，运放A2输出高电平，触发器T2的输出为高电平。将模拟开关K1打开，使得采样保持电路中运放A3的同相输入端接地。在此期间由控制器控制A/D采集芯片进入射线脉冲信号峰值采集过程。运算放大器A4被设计成跟随器，其输入电阻很高，输出电阻很低。能更好的将采样保持电路得到脉冲信号的峰值电压传递给A/D转换芯片，对脉冲信号进行采集和存储。
伽马射线脉冲信号采集，使用微控制器控制A/D转换实现，如图8所示。
采用的数/模转换芯片为ADS5807，其为TI公司的16位并行模/数转换芯片。控制器采用微芯公司的DSPIC33FJ256MC710A控制器，其具有100脚I/O，耐175 ℃高温并且内部包含DSP硬件处理单元，可对采样后的信号进行处理。对伽马脉冲进行A/D采集并记录的原理为将伽马脉冲信号的幅值按照A/D精度位数进行平均2n分配（n为A/D转换芯片的精度，ADS5807为16位精度，在DSPIC33FJ256MC710A控制器的SRAM快存模块开辟2n个计数单元。当采集到的脉冲信号的幅值被转换成相应2n数字量，这个数字量又被称为道址，这个道址的标号就对应2n个计数单元中其中一个，如果对应上就将相应的计数单元进行加一计数。表示接收到不同能級脉冲信号的次数。经过一段时间的测量后，每个道址上的计数单元的计数反映了伽马射线脉冲信号幅度分布情况。
3 随钻中子伽马能谱测量系统实验
随钻中子伽马能谱测量系统在位于河北省沧县刘家庙乡东官1503井进行了下井实验，如图9所示。并在钻具组合中安装钻头。设计井深3 650 m（垂深），井别为开发井，井型为定向井。随钻中子伽马能谱测量系统在井深1 822 m的位置开始工作。
系统在井下随钻累计工作72 h，系统工作环境温度125 ℃，整个系统工作正常，达到了井队对目的层碳氧比进行随钻测录的要求。系统的随钻测井碳氧能窗数据如图10所示， 特征能窗包含某种元素原子内的中子发生非弹散射时产生的不同能级伽马射线的分布图，碳和氧的特征能窗区间分别选取在3.195～4.654 MeV和4.862～6.633 MeV。因此碳氧比由以下公式：
计算，为地层元素非弹性谱第i道的计数值，该方法为能窗法测量碳氧比。
4 结 论
随钻中子伽马能谱测量为评价油气储层岩性提供重要参数，能在石油的勘探和开发领域发挥重要作用。因此研制随钻中子伽马能谱测量系统，其由脉冲中子管发射快中子进入被测地层，通过伽马能谱传感器测量单元，采集并记录地层中碳氧核素的相对含量。可以为地质人员分析该地区被测地层油水层、水淹层和划分水淹层等级提供准确的测量数据。并能帮助在低矿化度或矿化度变化很大的地层确定饱和度参数。该仪器满足井队对目的地层碳氧比测量的要求，提高了国内随钻测井技术研究和应用的水平，缩短了与国外测井技术间的差距，具有广阔的应用前景。
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