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，使钻贴片电感 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。扁平线圈电感制造厂

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