RU2262124C1 - Способ импульсного нейтронного каротажа и устройство для его проведения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при измерении гамма-излучения, индуцированного нейтронами. Заявлен способ импульсного нейтронного каротажа, включающий периодическое облучение горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов детектором гамма-излучения в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования по глубине, накопление в пределах заданного временного цикла полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения. По переданным на поверхность амплитудно-временным спектрам вычисляют временной спектр изменения интегральных скоростей счета, производят его обработку, по результатам которой в реальном режиме времени устанавливают границы временных интервалов и положение их относительно импульса генератора быстрых нейтронов. Также заявлено устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа, содержащее размещенные в охранном кожухе импульсный генератор быстрых нейтронов, сцинтилляционный детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, экран, блок преобразования "аналог-код", блок центрального процессора, блок приемопередатчика, блоки памяти. Технический результат: повышение точности выделения чистых спектров гамма-излучения неупругого рассеяния. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к ядерной геофизике, а более конкретно к области спектрометрических измерений гамма-излучения, индуцированного нейтронами.

Известен способ импульсного нейтронного каротажа [1], заключающийся в облучении горной породы импульсными потоками быстрых нейтронов с последующей регистрацией в результате взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами элементов горной породы, окружающей скважинный прибор, гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) и гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ). При неупругом рассеянии и радиационном захвате возникающее гамма-излучение является характерным для каждого элемента. Таким образом, если суметь зарегистрировать спектры ГИНР и ГИРЗ, то, анализируя их, можно получить информацию о тех элементах, характерные линии которых представлены в зарегистрированных спектрах. Вся сложность заключается в том, что реакции неупругого рассеяния быстрых нейтронов происходят при энергии нейтронов в пределах первых МэВ. Генератор нейтронов излучает нейтроны с энергией 14 МэВ. В потенциально нефтенасыщенных горных породах время замедления быстрых нейтронов до нижних порогов энергий, при которых еще возможна реакция неупругого рассеяния, составляет менее 0.1÷1 мксек, и ГИНР можно регистрировать только во время импульса быстрых нейтронов. Режим работы импульсного генератора быстрых нейтронов для максимального обеспечения статистики измерений выбран таким, что период следования нейтронных импульсов составляет 50÷100 мксек при их длительности 10÷20 мксек. Здесь под нейтронным импульсом имеется ввиду период работы нейтронного генератора, когда происходит излучение быстрых нейтронов. Время жизни нейтронов в потенциально нефтенасыщенных горных породах составляет 70÷400 мксек. Таким образом, регистрация ГИНР происходит на фоне ГИРЗ от предыдущих нейтронных импульсов. Получение чистого спектра ГИНР осуществляется путем вычитания из спектра, зарегистрированного в момент нейтронного импульса, фонового спектра, зарегистрированного непосредственно после нейтронного импульса в таком же по длительности временном окне.

Недостатком способа является то, что установка временных границ для регистрации спектров ГИНР и ГИРЗ происходит независимо от текущих геолого-технических условий окружающей среды. Например, изменение времени жизни тепловых нейтронов в пласте от 70 до 300 мксек изменяет фоновый вклад ГИРЗ в спектр гамма-излучения, измеренный в момент импульса быстрых нейтронов.

Известно устройство для проведения импульсного нейтронного каротажа [2]. Устройство содержит размещенные в охранном кожухе импульсный генератор нейтронов, защиту от прямого излучения, детектор гамма-квантов и фотоэлектронный умножитель, усилитель, амплитудный анализатор импульсов, блок программирования, датчик температуры, буферную память и блок телеметрии. Генератор нейтронов излучает импульсы быстрых нейтронов. Индуцированное этими нейтронами гамма-излучение регистрирует детектор гамма-квантов, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, сигнал с которого после усилителя поступает на амплитудный анализатор импульсов, где происходит его преобразование в цифровой вид. Блок программирования задает требуемые режимы работы, в т.ч. определяет временные границы накопления спектров. Зарегистрированные спектры хранятся в буферной памяти, связь с наземным компьютером осуществляется посредством блока телеметрии.

Недостатком указанного устройства является невозможность после проведения регистрации гамма-излучения изменения положения временного окна накопления суммарных спектров (ГИНР+ГИРЗ) и фонового спектра. В случае изменения формы нейтронного импульса, его длительности, это приводит к дополнительной погрешности вычисления чистого спектра ГИНР.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ [3]. В этом способе генерация нейтронов происходит с частотой 20 кГц. Длительность окна, в котором регистрируются спектры ГИНР+ГИРЗ, составляет 15 мксек, длительность фонового окна составляет 35 мксек. Спектры накапливаются внутри скважинного прибора и затем передаются на поверхность. Чистый спектр ГИНР получают путем вычитания из суммарного спектра фонового в определенной пропорции. В тракт детектирования включен временной анализатор на 250 каналов. Благодаря этому наземный компьютер имеет возможность отслеживать положение нейтронного импульса и регулировать относительно него положение неупругого окна.

Недостатком указанного способа является необратимость установки временных границ для регистрации спектров ГИНР и ГИРЗ, и изменение временных режимов регистрации после проведения каротажа провести невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [3]. Устройство содержит внутри охранного кожуха импульсный источник нейтронов, защиту детектора от прямого излучения, сцинтилляционный детектор, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, многопараметровый анализатор, выполняющий функции как энергетического, так и временного анализатора, контроллер скорости счета детектора, блок процессора, память, блок ввода-вывода информации.

Недостатком устройства является необратимость установки временных границ для регистрации спектров ГИНР и ГИРЗ, то есть изменение временных режимов регистрации после проведения каротажа невозможно.

В предлагаемом способе решается задача повышения точности при проведении импульсного нейтронного каротажа путем обеспечения режима регистрации, позволяющего изменить временные режимы накопления суммарных спектров ГИНР+ГИРЗ и фонового спектра после проведения регистрации в скважине.

Для решения поставленной задачи в способе импульсного нейтронного гамма-каротажа, включающем периодическое облучение горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов детектором гамма-излучения в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования по глубине, накопление в пределах заданного временного цикла полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов на всем диапазоне энергий в i фиксированных временных окнах, где i принадлежит интервалу от 2 до бесконечности, и положение i фиксированных временных окон устанавливают до начала скважинных исследований, по окончании накопления полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов по запросу на скважинный прибор осуществляют передачу на поверхность информации и в отличие от прототипа по переданным на поверхность амплитудно-временным спектрам вычисляют временной спектр изменения интегральных скоростей счета, производят его обработку, по результатам которой в реальном режиме времени устанавливают границы временных интервалов и положение их относительно импульса генератора быстрых нейтронов, а накопление полных амплитудных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов осуществляют в рамках установленных временных интервалов путем суммирования накопленных и переданных на поверхность i амплитудных спектров.

В результате решения поставленной задачи достигается повышение точности выделения чистых спектров гамма-излучения неупругого рассеяния. Численные оценки приведены в [4].

В предлагаемом устройстве решается задача увеличения точности получения чистых спектров ГИНР путем обеспечения регистрации амплитудных спектров ГИНР и ГИРЗ с шагом квантования по времени, обеспечивающем интегрирование суммарных спектров ГИРЗ+ГИНР и фонового спектра после проведения регистрации.

Для решения поставленной задачи устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа, содержащее размещенные в охранном кожухе импульсный генератор быстрых нейтронов, сцинтилляционный детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, защиту сцинтилляционного детектора от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов, причем защита от прямого излучения расположена между импульсным генератором быстрых нейтронов и сцинтилляционным детектором, блок преобразования "аналог-код", блок центрального процессора, блок приемопередатчика, первый блок памяти, при этом выход фотоэлектронного умножителя связан с первым входом блока преобразования "аналог-код", второй вход которого связан с первым выходом блока центрального процессора, шина данных блока преобразования "аналог-код" по выходу связана с входом шины данных первого блока памяти, первый двунаправленный вход-выход которого связан с первым двунаправленным входом-выходом блока центрального процессора, второй двунаправленный вход-выход которого связан с первым двунаправленным входом-выходом блока приемопередатчика, в отличие от прототипа дополнительно содержит второй блок памяти, программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, источник вторичных напряжений, верхний разъем и нижний разъем, причем вход шины данных второго блока памяти соединен с выходом шины данных блока преобразователя "аналог-код", а первый двунаправленный вход-выход второго блока памяти соединен с третьим двунаправленным входом-выходом блока центрального процессора, второй выход блока центрального процессора соединен с первым входом программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, выход которого соединен с входом фотоэлектронного умножителя, четвертый двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен с двунаправленным входом-выходом импульсного генератора нейтронов, выход блока приемопередатчика соединен с входом источника вторичных напряжений, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с соответствующими входами блока преобразования "аналог-код", первого блока памяти, второго блока памяти, блока центрального процессора, программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, блока приемопередатчика, второй и третий двунаправленные входы-выходы блока приемопередатчика подключены соответственно к первому и второму контактам верхнего и нижнего разъемов, третий контакт верхнего разъема подключен к входу импульсного генератора нейтронов.

В результате решения поставленной задачи повышается точность получения чистых спектров ГИНР.

Новым по отношению к прототипу в способе импульсного нейтронного гамма-каротажа, включающем периодическое облучение горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов детектором гамма-излучения в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования по глубине, накопление в пределах заданного временного цикла полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов на всем диапазоне энергий в i фиксированных временных окнах, где i принадлежит интервалу от 2 до бесконечности, и положение i фиксированных временных окон устанавливают до начала скважинных исследований, по окончании накопления полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов по запросу на скважинный прибор осуществляют передачу информации на поверхность, является то, что по переданным на поверхность амплитудно-временным спектрам вычисляют временной спектр изменения интегральных скоростей счета, производят его обработку, по результатам которой в реальном режиме времени устанавливают границы временных интервалов и положение их относительно импульса генератора быстрых нейтронов, а накопление полных амплитудных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов осуществляют в рамках установленных временных интервалов путем суммирования накопленных и переданных на поверхность i амплитудных спектров. Исследования патентно-технической информации показали, что неизвестен способ регистрации спектров ГИНР и ГИРЗ, изложенный в предлагаемом изобретении.

На основании чего можно сделать вывод, что предлагаемое решение соответствует критерию "Новизна".

Новым по отношению к прототипу в устройстве импульсного нейтронного гамма-каротажа, содержащем размещенные в охранном кожухе импульсный генератор быстрых нейтронов, сцинтилляционный детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, защиту сцинтилляционного детектора от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов, причем защита от прямого излучения расположена между импульсным генератором быстрых нейтронов и сцинтилляционным детектором, блок преобразования "аналог-код", блок центрального процессора, блок приемопередатчика, первый блок памяти, при этом выход фотоэлектронного умножителя связан с первым входом блока преобразования "аналог-код", второй вход которого связан с первым выходом блока центрального процессора, шина данных блока преобразования "аналог-код" по выходу связана с входом шины данных первого блока памяти, первый двунаправленный вход-выход которого связан с первым двунаправленным входом-выходом блока центрального процессора, второй двунаправленный вход-выход которого связан с первым двунаправленным входом-выходом блока приемопередатчика, является то, что устройство дополнительно содержит второй блок памяти, программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, источник вторичных напряжений, верхний разъем и нижний разъем, причем вход шины данных второго блока памяти соединен с выходом шины данных блока преобразователя "аналог-код", а первый двунаправленный вход-выход соединен с третьим двунаправленным входом-выходом блока центрального процессора, второй выход блока центрального процессора соединен с первым входом программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, выход которого соединен с входом фотоэлектронного умножителя, четвертый двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен с двунаправленным входом-выходом импульсного генератора нейтронов, выход блока приемопередатчика соединен со входом источника вторичных напряжений, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с соответствующими входами блока преобразования "аналог-код", первого блока памяти, второго блока памяти, блока центрального процессора, программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, блока приемопередатчика, второй и третий двунаправленные входы-выходы блока приемопередатчика подключены соответственно к первому и второму контактам верхнего и нижнего разъемов, третий контакт верхнего разъема подключен к входу импульсного генератора нейтронов.

Исследования патентно-технической информации показали, что неизвестно устройство для регистрации спектров ГИНР и ГИРЗ, описанное в предлагаемом изобретении.

На основании чего можно сделать вывод, что предлагаемое решение соответствует критерию "Новизна".

Изобретение поясняется чертежами, где:

на Фиг.1 представлено устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа;

на Фиг.2 приведена схема формирования временного спектра изменения интегральных скоростей счета;

на Фиг.3 приведен спектр, зарегистрированный в водонасыщенном песчанике в момент работы излучателя;

на Фиг.4 приведен спектр, зарегистрированный в водонасыщенном песчанике после окончания нейтронного импульса;

на Фиг.5 приведены спектры, полученные в результате вычитания из суммарного спектра ГИНР+ГИРЗ фонового спектра в водонасыщенном и нефтенасыщенном песчанике;

на Фиг.6 представлена функциональная схема блока памяти.

Устройство для проведения импульсного нейтронного каротажа состоит из размещенных в охранном кожухе 1 импульсного генератора быстрых нейтронов 2, экрана для защиты от прямого излучения 3, сцинтилляционного детектора гамма-излучения 4, оптически соединенного с фотоэлектронным умножителем 5. Экран для защиты от прямого излучения 3 расположен между импульсным генератором быстрых нейтронов 2 и сцинтилляционным детектором 4. Устройство для проведения импульсного нейтронного каротажа содержит блок преобразования "аналог-код" 6, блок центрального процессора 7, блок приемопередатчика 8, первый блок памяти 9, второй блок памяти 10, программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11, источник вторичных напряжений 12, верхний разъем 13, нижний разъем 14. Выход фотоэлектронного умножителя 5 связан с первым входом блока преобразования "аналог-код" 6, второй вход которого связан с первым выходом блока центрального процессора 7, шина данных блока преобразования "аналог-код" 6 по выходу связана с входом шины данных первого блока памяти 9, первый двунаправленный вход-выход которого связан с первым двунаправленным входом-выходом блока центрального процессора 7, второй двунаправленный вход-выход которого связан с первым двунаправленным входом-выходом блока приемопередатчика 8.

Устройство дополнительно содержит второй блок памяти 10, программно-управляемый блок высокого напряжения питания 11 фотоэлектронного умножителя, источник вторичных напряжений 12, верхний разъем 13, нижний разъем 14. Вход шины данных второго блока памяти 10 соединен с выходом шины данных блока преобразователя "аналог-код" 6, а первый двунаправленный вход-выход соединен с третьим двунаправленным входом-выходом блока центрального процессора 7. Второй выход блока центрального процессора 7 соединен с первым входом программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11, выход которого соединен с входом фотоэлектронного умножителя 5, четвертый двунаправленный вход-выход блока центрального процессора 7 соединен с двунаправленным входом-выходом импульсного генератора нейтронов 2. Выход блока приемопередатчика 8 соединен с входом источника вторичных напряжений 12, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с соответствующими входами блока преобразования "аналог-код" 6, первого блока памяти 9, второго блока памяти 10, блока центрального процессора 7, программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11, блока приемопередатчика 8. Второй и третий двунаправленные входы-выходы блока приемопередатчика 8 подключены соответственно к первому и второму контактам верхнего 13 и нижнего 14 разъемов, третий контакт верхнего разъема 13 подключен к входу импульсного генератора нейтронов 2. Устройство содержит:

- охранный кожух 1 (служит для защиты электронных блоков скважинного прибора от внешних воздействий давления);

- импульсный генератор нейтронов 2 (служит для генерации импульсов быстрых нейтронов);

- экран для защиты от прямого излучения 3 (служит для защиты сцинтилляционного детектора от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов);

- сцинтилляционный детектор 4 (предназначен для регистрации гамма-излучения и конвертации его в световые импульсы);

- фотоэлектронный умножитель 5 (предназначен для конвертации световых импульсов со сцинтилляционного детектора в импульсы электрические);

- блок преобразования "аналог-код" 6 (предназначен для преобразования аналоговых импульсов в соответствующий цифровой код);

- блок центрального процессора 7 (служит для связи скважинного прибора с бортовым компьютером и одновременно буферизирует данные для передачи по кабелю, управляет работой программных блоков электроники скважинного прибора);

- блок приемопередатчика 8 (служит для приема команд с наземного компьютера и передачи зарегистрированных данных);

- первый блок памяти 9 (производит накопление регистрируемых спектров);

- второй блок памяти 10 (производит накопление регистрируемых спектров);

- программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11 (предназначен для питания фотоэлектронного умножителя высоким напряжением, например, отрицательным относительно корпуса);

- источник вторичных напряжений 12 (предназначен для получения внутри скважинного прибора требуемых вторичных напряжений, например +5 В, -5 В, +12 В, -12 В, +24 В и т.д.);

- верхний разъем 13 (к нему происходит подсоединение трех жил и брони каротажного геофизического кабеля);

- нижний разъем 14 (к нему происходит подсоединение последующих модулей).

Устройство работает следующим образом. В охранном кожухе 1, имеющем верхний 13 и нижний 14 разъемы, расположены электронные блоки устройства. При подаче на верхний разъем 13 напряжения питания начинает работать источник вторичных напряжений 12. В результате его работы появляются необходимые напряжения для питания программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11, блока преобразования "аналог-код" 6, первого и второго блоков памяти 9, 10, блока центрального процессора 7, блока приемопередатчика 8. Импульсный генератор нейтронов 2 запитывается отдельно по третьей жиле кабеля, подсоединенного к верхнему разъему 13. При появлении питания блок центрального процессора 7 начинает работать по программе, хранящейся в его постоянном запоминающем устройстве. В результате этого происходит очистка первого и второго блоков памяти 9, 10, программирование необходимых параметров блока преобразования "аналог-код" 6, например коэффициентов усиления, уровня дискриминации и так далее, настройка программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11. При этом один из двух блоков накопления амплитудно-временных спектров включается в режим накопления спектров с блока преобразования "аналог-код" 6, другой - в режим работы с блоком центрального процессора 7. После этого устройство готово к приему управляющих команд с поверхности.

Команда принимается блоком приемопередатчика 8 и передается для дешифрации и исполнения в блок центрального процессора 7. Выполняя команду, блок центрального процессора 7 выставляет на блоке преобразования "аналог-код" 6 переданные коэффициент усиления, уровень режектора наложений и нижний уровень дискриминации аналогового тракта. Один из двух блоков памяти 9 или 10 включается в режим накопления спектров, другой, соответственно, через блок центрального процессора 7 и блок телеметрии 11 может передавать в это время по запросам с поверхности информацию на бортовой компьютер. Собственно импульсный нейтронный каротаж начинается по команде с бортового компьютера на включение генератора нейтронов. По этой команде блок центрального процессора 7 высылает по двунаправленной линии связи на генератор 2 команду включения. Генератор 2 начинает излучать импульсы нейтронов. Экран 3 служит для защиты сцинтилляционного детектора от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов. Гамма-излучение, индуцированное нейтронами генератора 2, регистрируется сцинтилляционным детектором 4. В результате взаимодействия гамма-квантов с люминофором сцинтилляционного детектора 4 последний преобразует энергию гамма-излучения в световые вспышки - сцинтилляции. При этом суммарная энергия испускаемых фотонов пропорциональна энергии, оставленной гамма-квантом в детекторе 4. Далее фотоэлектронный умножитель 5 конвертирует световой импульс в импульс электрический. Заряд, собираемый с выхода фотоэлектронного умножителя 5, при прочих равных условиях пропорционален суммарной энергии сцинтилляций люминофора детектора 4 и, следовательно, энергии, оставленной гамма-квантом в детекторе 4. В традиционных схемах включения фотоэлектронный умножитель 5 является источником тока, на выход которого подключен преобразователь "аналог-код" 6. В результате работы преобразователя "аналог-код" 6 на выходе последнего появляется цифровой код, пропорциональный энергии гамма-кванта, оставленной в сцинтилляционном детекторе 4.

Цифровой сигнал "конец преобразования" подтверждает наличие на выходе блока 6 устойчивых данных преобразования. С выхода блока преобразования "аналог-код" 6 данные поступают на вход блоков памяти 9 и 10. При этом один из блоков памяти включен в режим накопления спектров, другой в этот момент может по последовательному интерфейсу передавать накопленные спектры в блок центрального процессора 7. Функциональная схема блока памяти приведена на Фиг.2. Блок памяти состоит из собственно статической памяти (RAM), двух регистров (RG1, RG2) и процессора (CPU). После подачи напряжения питания на блок процессор (CPU) отключает (сигнал CSb в состоянии логической единицы) от шины адресов регистры (RG1, RG2) и перебирает все адреса памяти, записывая в них нули. Затем в блоке памяти, который включается в режим накопления спектров, регистры (RG1, RG2) подключаются к шине адресов (сигнал CSb в состоянии логического нуля). При этом процессор (CPU) сам от шины адресов отключается (переводит свой порт, соединенный с шиной адресов, в высокоимпедансное состояние). Перед началом каждой нейтронной вспышки с генератора нейтронов 2 на вход SIN процессора (CPU) блока памяти приходит импульс синхронизации. По началу этого импульса процессор (CPU) на шине кода временного канала выставляет двоичный код 00000. На шине адресов код временного канала добавляется в старшие разряды адреса, младшие 8 разрядов формируются в результате работы блока преобразования "аналог-код" 6. Таким образом, 8 разрядов с выхода преобразования "аналог-код" 6 адресуют ячейку в блоке памяти с адреса 0000000000000В по адрес 0000011111111В. Сигнал "конец преобразования" защелкивает выставленные адреса в регистрах (RG1, RG2), создает сигнал прерывания на процессоре (CPU). В результате работы программы обработки прерывания процессор считывает код по выставленному адресу, инкрементирует его, записывает на прежнее место, подавая при этом на память (RAM) соответствующие сигналы CS, WR, RD. Таким образом, в памяти происходит накопление амплитудного спектра первого временного окна. Спустя время, равное длительности первого временного окна накопления спектров (для скважинного прибора АИМС-СН первые 15 временных окон имеют длительность по 2 мксек, следующие 7 - по 6 мксек, 23 временное окно длится до прихода нового синхроимпульса от генератора нейтронов), происходит инкрементирование выставленного кода временного канала. Теперь 8 разрядов с выхода преобразования "аналог-код" 6 адресуют ячейку в блоке памяти с адреса 0000100000000В по адресу 0000111111111В. В этой области происходит накопление амплитудного спектра второго временного окна. Затем происходит очередное инкрементирование выставленного кода временного канала и т.д. Таким образом происходит накопление амплитудно-временных спектров. По окончании накопления процессор (CPU) отключает регистры (RG1 и RG2) от шины адресов и сам подключается к шине адресов. Перебирая все адреса (для прибора АИМС-СН от 0000000000000В до 1011011111111В), процессор считывает накопленную информацию и передает ее на блок центрального процессора 7. Получение команд на заданный режим работы и передача информации в блок центрального процессора осуществляются по линиям R×D и T×D в двунаправленной линии связи с блоком центрального процессора. На Фиг.2 показан один из возможных вариантов формирования амплитудно-временного спектра. Связь скважинного прибора с бортовым компьютером поддерживает блок центрального процессора 7 совместно с блоком приемопередатчика 8, выполненные традиционным образом. При этом блок преобразования аналог-код 6, блок центрального процессора 7, программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11, источник вторичных напряжений 12 можно выполнить как аналогичные блоки в [5], блок приемопередатчика 8 можно выполнить, как в прототипе.

Скважинный прибор содержит импульсный генератор быстрых нейтронов 2 и спектрометр для регистрации гамма-излучения в виде амплитудно-временных спектров. Генератор нейтронов 2 излучает импульсы нейтронов с некоторой частотой, например с фиксированной частотой 10 кГц. В начале каждого цикла излучения следует импульс синхронизации, показывающий, что нейтронная трубка начинает разжигаться. Через несколько микросекунд, необходимых для включения, нейтронная трубка начинает излучать нейтроны с энергией 14 МэВ. Нейтронный импульс длится порядка 5-25 микросекунд в зависимости от выбранного режима работы излучателя. Затем нейтронный поток прекращается до следующего цикла. Нейтроны с энергией 14 МэВ при взаимодействии с ядрами окружающей среды до своего поглощения испытывают ряд столкновений. Первые соударения обычно являются неупругим рассеянием, при котором нейтрон теряет большую часть энергии, передавая ее рассеивающему ядру. Возврат ядра из возбужденного состояния сопровождается гамма-излучением неупругого рассеяния нейтронов (ГИНР), имеющим характерные энергетические линии для каждого элемента. Например, при неупругом рассеянии на ядрах углерода по реакции С12(n,n′,у)С12 образуются гамма-кванты с энергией преимущественно 4.43 МэВ. На ядрах кислорода - соответственно с энергией 6.13 МэВ. После потери нейтроном на неупругих соударениях энергии примерно до 1 МэВ последующие соударения представляют собой упругое рассеяние, при котором нейтроны постепенно теряют энергию, пока не замедлятся до тепловой энергии. Наибольшим сечением упругого рассеяния обладает водород, и его присутствие в окружающей среде играет основную роль в процессе замедления. Упругое рассеяние не сопровождается гамма-излучением. Замедлившись до тепловой энергии, нейтроны захватываются ядрами. При этом наблюдается мгновенное гамма-излучение радиационного захвата. Каждому элементу характерен свой энергетический спектр ГИРЗ. Процесс замедления быстрых нейтронов длится порядка первых нескольких микросекунд, поэтому спектры ГИНР необходимо регистрировать в процессе излучения импульса нейтронов излучателем. Генератор 2 излучает нейтронные импульсы длительностью 5-25 мксек с периодом 100 мксек. Время жизни тепловых нейтронов в типичных разрезах колеблется от 70 до 500 мксек. Таким образом, во время вспышки тепловые нейтроны от предыдущих вспышек, а также те нейтроны, энергия которых приблизилась к энергии тепловых нейтронов во время вспышки, продолжают генерировать гамма-излучение захвата. При регистрации спектров ГИНР это излучение является фоновым. Чистые спектры ГИНР и ГИРЗ для многокомпонентного анализа получают после вычитания из измеренных спектров соответствующих фоновых спектров. Анализ спектров ГИНР позволяет определять относительное содержание углерода С и кислорода О. В общем случае это соотношение зависит от пористости, литологии, заполнения скважины и насыщенности пластов. Но это отношение С/О не зависит от минерализации флюидов, заполняющих поровое пространство. В то же время, посредством соответствующего сочетания наблюдаемых эффектов от Н, Si, Ca, Fe, Cl, S в спектрах ГИНР и ГИРЗ определяются такие параметры, как пористость и литологический состав, после чего введение поправок в отношении С/О позволяет рассчитать нефтенасыщенность.

На Фиг.2 приведена схема формирования временного спектра изменения интегральных скоростей счета. Здесь подъем относительной скорости счета, приходящийся в этом конкретном примере на 3÷16 временные каналы, соответствует работе генератора нейтронов, ноль на временной шкале соответствует моменту прихода с импульсного генератора нейтронов импульса синхронизации. Хорошо видно, что к 36 мксек ГИНР уже практически отсутствует. На Фиг.3 приведен спектр гамма-излучения, зарегистрированный в водонасыщенном песчанике в момент работы излучателя во временном окне 6÷28 мксек.

Спектр, зарегистрированный в водонасыщенном песчанике после окончания нейтронного импульса во временном окне 36÷96 мксек (Фиг.4), является фоновым для спектра, измеренного в процессе импульса быстрых нейтронов. На Фиг.5 приведены спектры, полученные в результате вычитания из суммарного спектра ГИНР+ГИРЗ фонового спектра в водонасыщенном и нефтенасыщенном песчанике. Хорошо видна разница в спектрах в области ГИНР кислорода и углерода. Существует несколько методик вычитания фонового спектра и расчета по полученному спектру ГИНР, например нефтенасыщенности. Это можно сделать так, как описано в [4]. Важно то, что независимо от положения импульса нейтронов относительно импульса синхронизации, от формы нейтронного импульса данный способ позволяет после проведения регистрации провести интегрирование суммарного и фонового спектров оптимальным образом. Как показала практика, изменения формы нейтронных импульсов, зарегистрированные по сопутствующему их гамма-излучению в одной и той же среде и геометрии измерений (модель песчаника) с одним и тем же импульсным генератором в процессе его наработки, могут достигать существенных значений. Начало нейтронного импульса изменяется с 2 до 14 мксек, окончание нейтронного импульса при этом не изменяется. Применение заявляемого способа позволяет для каждой формы нейтронного импульса уже после регистрации выбрать наиболее оптимальный режим интегрирования спектров по времени.

Описанные выше способ и устройство импульсного нейтронного каротажа реализованы в аппаратуре АИМС-СН. Далее приведены основные технические характеристики аппаратуры АИМС-СН

Диаметр скважинного прибора	89 мм
Длина скважинного прибора	3650 мм
Максимальная рабочая температура	120°С
Максимальное рабочее давление	80 - 120 МПа
Детектор	сцинтилляционный
Разрешение по линии Cs-137	не более 12%
Частота генерации нейтронов	до 20 кГц
Ресурс работы излучателя	не менее 200 час
Код телеметрии	"Манчестер II"
Ширина окна временного анализатора	2÷16 сек
Количество каналов амплитудного анализатора	256
Количество регистрируемых спектров	24
"Мертвое время" спектрометрического тракта	не более 0,8 мксек
Скорость приема-передачи данных по
геофизическому кабелю	20 кБод

Источники информации

1. "Техника каротажных исследований и интерпретации", Конференция в Москве, 1986 г., Shlumberger, стр.277÷294, Париж, Франция, Типография "Moderne du Lion s.n.". 1985 г.

2. "Methods and apparatus for borehole-corrected spectral analysis of earth formations". United States Patent Number 4661701, Shlumberger Technology Corporation, Inventor: James A.Gran, Danbury, Conn., Jul.17, 1985.

3. "The multiparameter spectroscopy instrument continuous carbon/oxygen log - MSI C/О", D.M.Chace, M.G.Schmidt, Dresser Atlas, Dresser Industries, Inc., Houston, Texas, M.P.Ducheck, Dresser Atlas, Dresser Industries, Inc., Calgary, Alberta, Presented at the Canadian Well Logging Society 10^th Formation Evaluation Symposium, Calgary, Alberta, September 29 - October 2, 1985.

4. "Некоторые вопросы методического обеспечения аппаратуры АИМС при решении задачи определения текущей нефтенасыщенности коллекторов", Велижанин В.А., Лобода Н.Г., Меженская Т.Е., Хаматдинов Р.Т., Черменский В.Г., Глебочева Н.К., Теленков В.М., Геофизический вестник, №12, Москва, 2003 г.

5. Патент РФ №2191413, "Способ спектрометрического гамма-каротажа и устройство для его проведения", Черменский В.Г., Велижанин В.А., Хаматдинов Р.Т., Саранцев С.Н., 19 июня 2001 г.

Claims (2)

1. Способ импульсного нейтронного гамма-каротажа, включающий периодическое облучение горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов детектором гамма-излучения в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования по глубине, накопление в пределах заданного временного цикла полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов на всем диапазоне энергий в i фиксированных временных окнах, где i принадлежит интервалу от 2 до бесконечности, и положение i фиксированных временных окон устанавливают до начала скважинных исследований, по окончании накопления полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов по запросу на скважинный прибор осуществляют передачу на поверхность информации, отличающийся тем, что по переданным на поверхность через блок приемопередатчика амплитудно-временным спектрам вычисляют временной спектр изменения интегральных скоростей счета, который обрабатывается в блоке преобразователя аналог-код, по результатам обработки в реальном режиме времени устанавливают границы временных интервалов и положение их относительно импульса генератора быстрых нейтронов, а накопление в одном из блоков памяти полных амплитудных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов осуществляют в рамках установленных временных интервалов путем суммирования накопленных и переданных на поверхность данных.

2. Устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа, содержащее размещенные в охранном кожухе импульсный генератор быстрых нейтронов, сцинтилляционный детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, экран, расположенный между импульсным генератором быстрых нейтронов и сцинтилляционным детектором, блок преобразования "аналог-код", блок центрального процессора, блок приемопередатчика, первый блок памяти, при этом выход фотоэлектронного умножителя связан с первым входом блока преобразования "аналог-код", второй вход которого связан с первым выходом блока центрального процессора, шина данных блока преобразования "аналог-код" по выходу связана со входом шины данных первого блока памяти, двунаправленный вход-выход которого связан с первым двунаправленным входом-выходом блока приемопередатчика, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит второй блок памяти, программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, источник вторичных напряжений, верхний разъем, и нижний разъем, причем вход шины данных второго блока памяти соединен с выходом шины данных блока преобразователя "аналог-код", а первый двунаправленный вход-выход соединен с третьим двунаправленным входом-выходом блока центрального процессора, второй выход блока центрального процессора соединен с первым входом программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, выход которого соединен с входом фотоэлектронного умножителя, четвертый двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен с двунаправленным входом-выходом импульсного генератора нейтронов, выход блока приемопередатчика соединен со входом источника вторичных напряжений, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с соответствующими входами блока преобразования "аналог-код", первого блока памяти, второго блока памяти, блока центрального процессора, программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, блока приемопередатчика, второй и третий двунаправленные входы-выходы блока приемопередатчика подключены, соответственно, к первому и второму контактам верхнего и нижнего разъемов, третий контакт верхнего разъема подключен к входу импульсного генератора нейтронов.

Images