RU2377610C1 - Method of gamma-ray logging wells (versions) - Google Patents
Method of gamma-ray logging wells (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2377610C1 RU2377610C1 RU2008115421/28A RU2008115421A RU2377610C1 RU 2377610 C1 RU2377610 C1 RU 2377610C1 RU 2008115421/28 A RU2008115421/28 A RU 2008115421/28A RU 2008115421 A RU2008115421 A RU 2008115421A RU 2377610 C1 RU2377610 C1 RU 2377610C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- detector
- gamma
- neutrons
- quanta
- ray
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области геофизических исследований, применяемых при исследовании строения Земли, предпочтительно при исследовании разведочных, вспомогательных и промысловых скважин, а именно способов исследования характеристик геологических пластов вокруг скважины.The invention relates to the field of geophysical studies used in the study of the Earth’s structure, preferably in the study of exploratory, auxiliary and production wells, namely, methods for studying the characteristics of geological formations around the well.
Настоящее изобретение относится к методам каротажа скважин, в частности к разработке приборов для детектирования гамма-излучения и тепловых нейтронов. Имеющиеся в продаже ксеноновые детекторы высокого давления с надежной конфигурацией и высоким температурным пределом могут быть использованы для детектирования спектров естественной радиоактивности в скважинных условиях. Из уровня техники применение ксеноновых детекторов высокого давления для геофизических измерений в скважине является новым.The present invention relates to well logging methods, in particular to the development of devices for detecting gamma radiation and thermal neutrons. Commercially available high pressure xenon detectors with a robust configuration and high temperature limit can be used to detect natural radioactivity spectra under borehole conditions. In the prior art, the use of xenon high pressure detectors for geophysical measurements in the well is new.
В большинстве современных каротажных приборов с радиоактивными источниками для детектирования гамма-квантов широко используют сцинтилляционные детекторы (с фотоэлектронными умножителями и соответствующей электронной аппаратурой). Обычно их используют для измерения уровня естественной радиоактивности, для определения литологии и плотности породы, определения толщины материалов и поиска дефектов в скважине, для определения качества цементажа и т.д.In most modern logging tools with radioactive sources, scintillation detectors (with photoelectronic multipliers and associated electronic equipment) are widely used to detect gamma rays. Usually they are used to measure the level of natural radioactivity, to determine the lithology and density of the rock, to determine the thickness of materials and to search for defects in the well, to determine the quality of cementing, etc.
Другой сферой применения сцинтилляционных детекторов является измерение фазового состава добываемого флюида (расчет фракций нефти, воды и газа в многофазном потоке).Another area of application of scintillation detectors is the measurement of the phase composition of the produced fluid (calculation of oil, water and gas fractions in a multiphase flow).
Хотя сцинтилляционные детекторы для детектирования гамма- и рентгеновских квантов успешно используют в каротажных приборах в течение многих лет, они имеют ряд определенных принципиальных недостатков, ограничивающих их применяемость. Эффективность сцинтилляционного детектора имеет сильную зависимость от рабочей температуры (это ограничивает гамма-каротаж в очень глубоких скважинах с экстремальными температурами). Обычно неорганические или полимерные сцинтилляторы разрушаются в жестких условиях (при температуре свыше 120°С). Кроме того, механическая прочность всей системы «сцинтилляционный кристалл - фотокатод - фотоэлектронный умножитель» представляет собой сложную проблему, что сокращает применение стандартных устройств в случае, если требуется виброустойчивость регистрирующего устройства (скважинные условия).Although scintillation detectors for detecting gamma and x-ray quanta have been successfully used in logging tools for many years, they have a number of certain fundamental disadvantages that limit their applicability. The efficiency of the scintillation detector is highly dependent on the operating temperature (this limits gamma-ray logging in very deep wells with extreme temperatures). Inorganic or polymer scintillators are usually destroyed under harsh conditions (at temperatures above 120 ° C). In addition, the mechanical strength of the entire system “scintillation crystal - photocathode - photomultiplier tube” is a complex problem, which reduces the use of standard devices if vibration resistance of the recording device is required (downhole conditions).
В отличие от стандартных сцинтилляционных детекторов, газонаполненные детекторы имеют ряд преимуществ в некоторых случаях использования - их рабочая характеристика практически не зависит от температуры среды, эффективность зависит от свойств газа (плотности) и от электрического поля внутри детектора. Кроме того, газонаполненные детекторы могут быть оснащены многими каналами (анодными проволоками), пригодными для измерений координат (очень ценные данные в некоторых каротажных задачах, так как позволяют заменять несколько детекторов).Unlike standard scintillation detectors, gas-filled detectors have a number of advantages in some cases of use - their performance is almost independent of the temperature of the medium, the efficiency depends on the properties of the gas (density) and on the electric field inside the detector. In addition, gas-filled detectors can be equipped with many channels (anode wires) suitable for measuring coordinates (very valuable data in some logging tasks, as they allow the replacement of several detectors).
В газонаполненных детекторах (ионизационных и пропорциональных камерах) явление излучения возникает внутри газонаполненной камеры, когда один гамма-квант (или рентгеновский квант) взаимодействует с атомами газа. Полученные свободные фотоэлектроны дрейфуют к аноду в электрическом поле катод-анод, генерируя сигнал на анодной проволочке. Заряд, собранный анодом, превращается в электрический импульс и дает информацию об энергии детектируемого гамма- или рентгеновского кванта.In gas-filled detectors (ionization and proportional chambers), the phenomenon of radiation occurs inside a gas-filled chamber, when one gamma quantum (or X-ray quantum) interacts with gas atoms. The resulting free photoelectrons drift to the anode in the electric field of the cathode-anode, generating a signal on the anode wire. The charge collected by the anode is converted into an electrical impulse and gives information about the energy of the detected gamma or X-ray quantum.
Хотя газонаполненные детекторы (например, детекторы, наполненные ксеноном) для детектирования гамма-квантов высокой энергии уже использовали в течение многих лет в лабораторных условиях в ядерных исследованиях и астрофизике, пока отсутствуют данные о применении такого рода приборов для каротажных исследований.Although gas-filled detectors (for example, detectors filled with xenon) for the detection of high-energy gamma rays have already been used for many years in laboratory conditions in nuclear research and astrophysics, there is no data on the use of such instruments for logging studies.
Недавний прогресс, достигнутый в отношении ксеноновых ионизационных камер высокого давления, делает их привлекательными для применения в сфере каротажа. Эти устройства заполняют нишу между менее точными сцинтилляционными детекторами, и дорогими и сложными в эксплуатации полупроводниковыми спектрометрами. Полупроводниковые (германиевые) спектрометры имеют идеальное энергетическое разрешение (0,1% при 1 МэВ), но требуют криогенного охлаждения.Recent progress in high pressure xenon ionization chambers makes them attractive for logging applications. These devices fill the gap between less accurate scintillation detectors and expensive and difficult-to-use semiconductor spectrometers. Semiconductor (germanium) spectrometers have an ideal energy resolution (0.1% at 1 MeV), but require cryogenic cooling.
Имеющиеся в продаже ксеноновые детекторы (например, от корпорации Constellation Technology Corporation, США) имеют массу рабочей среды в диапазоне от 0,1 до 2 кг. Наземные испытания устройств, разработанных для детектирования ядерных отходов, продемонстрировали разумное энергетическое разрешение, которое составляет приблизительно 1-3% при 662 кэВ, и надежную работу при температурах до 200°С. Напряжение, приложенное к электродам, варьировалось от 4 до 12 кВ, а устройство может быть подключено к батарее или к сети переменного тока напряжением 120 В. Температурный предел для наземных сфер применения ограничен стоимостью и температурной уязвимостью электронной части (предусилителя); но электронная часть может быть усовершенствована с использованием известных электронных средств.Commercially available xenon detectors (e.g., from Constellation Technology Corporation, USA) have a mass of medium in the range of 0.1 to 2 kg. Ground tests of devices designed to detect nuclear waste have demonstrated reasonable energy resolution, which is approximately 1-3% at 662 keV, and reliable operation at temperatures up to 200 ° C. The voltage applied to the electrodes ranged from 4 to 12 kV, and the device can be connected to a battery or to an AC network with a voltage of 120 V. The temperature limit for terrestrial applications is limited by the cost and temperature vulnerability of the electronic part (preamplifier); but the electronic part can be improved using known electronic means.
Высокая плотность рабочего газа обеспечивает высокую эффективность детектирования для этого класса устройств (более 10% для 662 кэВ, точное значение зависит от рабочего объема газа).The high density of the working gas provides high detection efficiency for this class of devices (more than 10% for 662 keV, the exact value depends on the working volume of the gas).
Конфигурация ксеноновых детекторов высокого давления может быть плоской или цилиндрической, что представляет дополнительно преимущество для применения в сфере каротажа с трубообразной конфигурацией до 1 м. Устройство может быть выполнено из нержавеющей стали и керамических материалов, что делает его конструкцию надежной и пригодной для применения в полевых условиях. Рабочий материал (газ ксенон) не имеет признаков деградации при облучении, а срок службы устройства составляет, по оценке, более шести лет.The configuration of xenon high pressure detectors can be flat or cylindrical, which is an additional advantage for applications in the field of logging with a tubular configuration of up to 1 m. The device can be made of stainless steel and ceramic materials, which makes its design reliable and suitable for use in the field . The working material (xenon gas) has no signs of degradation during irradiation, and the life of the device is estimated to be more than six years.
Известен (SU, авторское свидетельство 1364704) способ контроля качества цементирования обсадных труб большого диаметра. При реализации известного способа используют сцинтилляционный счетчик гамма-квантов, содержащий корпус, измерительные блоки, вращающиеся соосно относительно корпуса, узел электрической связи между измерительными блоками и механизм вращения блоков.Known (SU, copyright certificate 1364704) is a method for controlling the quality of cementing of large diameter casing pipes. When implementing the known method, a gamma-ray scintillation counter is used, comprising a housing, measuring units rotating coaxially with respect to the housing, an electrical communication unit between the measuring units and a rotation mechanism of the units.
Недостатком известного способа следует наличие вращающихся частей, а потому ограниченное разрешение по высоте.The disadvantage of this method is the presence of rotating parts, and therefore a limited resolution in height.
Известен также (RU, патент 2073896) способ гамма-каротажа наклонных и горизонтальных скважин. При реализации данного способа используют гамма-поглощающий экран, имеющий возможность свободного осевого вращения, внутри которого размещены источник гамма-излучения в контейнере и сцинтилляционные детекторы гамма-излучения, расположенные внутри герметичного корпуса, односторонне направленные коллимационные каналы, выполненные в гамма-поглощающем экране напротив источника и детекторов гамма-излучения, причем гамма-поглощающий экран выполнен асимметричным со смещением центра тяжести в сторону коллимационных каналов источника гамма-излучения и детектора гамма-излучения.Also known (RU, patent 2073896) is a gamma-ray logging method for deviated and horizontal wells. When implementing this method, a gamma-absorbing screen is used, which has the possibility of free axial rotation, inside of which a gamma-ray source is placed in the container and gamma-ray scintillation detectors located inside the sealed enclosure, one-way directed collimation channels made in the gamma-absorbing screen opposite the source and gamma-ray detectors, wherein the gamma-absorbing screen is asymmetric with the center of gravity shifted towards the collimation channels of the source ha MMA radiation and gamma radiation detector.
Недостатком известного способа следует признать невысокую точность результатов, получаемых при характеристике состояния прискважинных пластов.The disadvantage of this method should be recognized as the low accuracy of the results obtained when characterizing the state of downhole formations.
Известен также способ (SU, авторское свидетельство 1653437) гамма-каротажа скважин. При реализации способа используют устройство, содержащее герметичный цилиндрический корпус, внутри которого размещены источник гамма-излучения и сцинтилляционные детекторы гамма-излучения, а на корпусе установлен гамма-поглощающий экран, в котором выполнены односторонне направленные коллимационные каналы источника гамма-излучения и сцинтилляционных детекторов гамма-излучения, кроме того, устройство содержит прижимную систему. Гамма-поглощающий экран установлен на корпусе с возможностью свободного осевого вращения корпуса и экрана относительно друг друга, прижимная система закреплена на экране со стороны, противоположной коллимационным каналам источника гамма-излучения и сцинтилляционных детекторов гамма-излучения, а в цилиндрическом корпусе источник гамма-излучения и сцинтилляционные детекторы гамма-излучения установлены с возможностью обеспечения 4π геометрии.There is also known a method (SU, copyright certificate 1653437) of gamma-ray logging of wells. When implementing the method, a device is used that contains a sealed cylindrical body, inside which a gamma radiation source and scintillation gamma-ray detectors are placed, and a gamma-absorbing screen is installed on the body, in which unilaterally directed collimation channels of the gamma-radiation source and gamma-scintillation detectors are made radiation, in addition, the device contains a clamping system. The gamma-absorbing screen is mounted on the housing with the possibility of free axial rotation of the housing and the screen relative to each other, the clamping system is mounted on the screen from the side opposite to the collimation channels of the gamma radiation source and scintillation gamma radiation detectors, and in the cylindrical housing the gamma radiation source and scintillation gamma-ray detectors are installed with the possibility of providing 4π geometry.
Недостатком известного способа можно признать неприменимость его для работы в высокотемпературных скважинах и относительно невысокую точность измерений, связанную с невысоким энергетическим разрешением сцинтилляционных детекторов.The disadvantage of this method can be recognized as its inapplicability for work in high-temperature wells and the relatively low measurement accuracy associated with the low energy resolution of scintillation detectors.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного изобретения, состоит в разработке нового способа гамма-каротажа скважин, обеспечивающего получение данных с более высоким энергетическим разрешением, пространственным разрешением, а также в высокотемпературных скважинах, где традиционные сцинтилляционные детекторы не могут быть применены.The technical result obtained by the implementation of the developed invention consists in developing a new method of gamma-ray logging of wells, providing data with a higher energy resolution, spatial resolution, as well as in high-temperature wells, where traditional scintillation detectors cannot be applied.
Указанная цель может быть достигнута использованием способа гамма-каротажа скважины, включающего генерирование гамма-квантов и их регистрацию с использованием детектора, причем в качестве детектора используют ксеноновый детектор высокого напряжения, работающий в ионизационной моде. Предпочтительно используют детектор, давление ксенона в котором составляет 30-50 бар. В наиболее предпочтительном варианте желательно использовать детектор, содержащий сетку Фриша. Окно детектора предпочтительно изготавливать из керамики с низким атомным номером Z и высокой прочностью или полимерного волокна с теми же характеристиками. Также может быть использован детектор, окно которого выполнено из стеклопластика, углепластики или стекловолокна, а также из карбида бора или бериллия.This goal can be achieved using the gamma-ray logging method of the well, which includes generating gamma quanta and registering them using a detector, moreover, a high voltage xenon detector operating in the ionization mode is used as a detector. A detector is preferably used with a xenon pressure of 30-50 bar. In a most preferred embodiment, it is desirable to use a detector containing a Frisch grid. The detector window is preferably made of ceramic with a low atomic number Z and high strength or polymer fiber with the same characteristics. A detector can also be used, the window of which is made of fiberglass, carbon fiber or fiberglass, as well as boron carbide or beryllium.
Указанная цель также может быть достигнута использованием способа гамма-каротажа, включающего генерирование гамма-квантов и их регистрацию с использованием детектора, причем используют ксеноновый детектор высокого напряжения, работающий с газовым усилением сигнала. В предпочтительном варианте используют детектор, содержащий большое количество фольги с малой толщиной, способной конвертировать гамма-кванты в электроны с высокой эффективностью, при этом фольги устанавливают последовательно с зазором. В наиболее предпочтительном варианте реализации используют детектор, в состав которого входит, по меньшей мере, один комплект конвертора, состоящий из листов металлической фольги, разделенных слоями газа. Желательно использовать фольги из, по меньшей мере, двух металлов с различными номерами Z. Предпочтительно, используют не менее трех листов фольги из металла с Z около 50, затем с Z около 80, затем с Z около 90. Иногда используют детектор, у которого между источником гамма-квантов и детектором гамма-квантов установлен экран для подавления прямого попадания гамма-квантов из источника в детектор. Экран может быть выполнен из свинца или обедненного урана. В этом варианте реализации могут использовать детектор, входные окна которого выполнены из карбида бора, бериллия или волокнистого композиционного материала.This goal can also be achieved using the gamma-ray logging method, including generating gamma quanta and registering them using a detector, using a high voltage xenon detector working with gas signal amplification. In a preferred embodiment, a detector is used that contains a large amount of foil with a small thickness, capable of converting gamma rays into electrons with high efficiency, and the foils are installed in series with a gap. In the most preferred embodiment, a detector is used, which includes at least one converter set, consisting of sheets of metal foil separated by layers of gas. It is advisable to use foils of at least two metals with different Z numbers. Preferably, at least three sheets of metal foil with Z about 50, then with Z about 80, then with Z about 90 are used. Sometimes a detector is used that has between a gamma-ray source and a gamma-ray detector have a screen installed to suppress the direct hit of gamma-rays from the source into the detector. The screen may be made of lead or depleted uranium. In this embodiment, a detector may be used, the input windows of which are made of boron carbide, beryllium or fibrous composite material.
В обоих вариантах реализации детектор может иметь более одной анодной проволоки для получения координатного разрешения.In both embodiments, the detector may have more than one anode wire to obtain coordinate resolution.
Указанная цель также может быть достигнута применением способа проведения одновременного нейтрон-гамма каротажа скважины с детектированием нейтронов и гамма-квантов в одном детекторе, включающий генерирование нейтронов и регистрацию как тепловых нейтронов, так и гамма-квантов с использованием детектора, причем используют ксеноновый детектор, работающий в ионизационном режиме, содержащий 2-30% 3Не, добавленного к ксенону. С целью поглощения тепловых нейтронов и замедления надтепловых нейтронов до тепловых энергий и их последующим детектированием, по меньшей мере, часть поверхности корпуса детектора может быть покрыта слоем кадмия.This goal can also be achieved by using the method of simultaneous neutron-gamma-ray logging of a well with the detection of neutrons and gamma-quanta in one detector, including the generation of neutrons and the registration of both thermal neutrons and gamma-quanta using a detector, using a xenon detector operating in ionization mode, containing 2-30% 3 He added to xenon. In order to absorb thermal neutrons and slow down epithermal neutrons to thermal energies and their subsequent detection, at least part of the surface of the detector housing may be coated with a cadmium layer.
Указанная цель может быть также достигнута использованием способа проведения одновременного нейтрон-гамма каротажа скважины с детектированием нейтронов и гамма-квантов в одном детекторе, включающий генерирование нейтронов и регистрацию как тепловых нейтронов, так и гамма-квантов с использованием детектора, причем используют ксеноновый детектор, работающий в ионизационном режиме, содержащий 5-30% BF3, с повышенным содержанием 10В.This goal can also be achieved using the method of simultaneous neutron-gamma-ray logging of a well with the detection of neutrons and gamma-quanta in one detector, including the generation of neutrons and registration of both thermal neutrons and gamma-quanta using a detector, using a xenon detector operating in the ionization mode, containing 5-30% BF 3 , with a high content of 10 V.
С целью поглощения тепловых нейтронов и замедления надтепловых нейтронов до тепловых энергий и их последующим детектированием, по меньшей мере, часть поверхности корпуса детектора может быть покрыта слоем кадмия.In order to absorb thermal neutrons and slow down epithermal neutrons to thermal energies and their subsequent detection, at least part of the surface of the detector housing may be coated with a cadmium layer.
Газонаполненные детекторы могут быть использованы в ионизационной и пропорциональной моде (каждая имеет свои преимущества и недостатки) для детектирования гамма-квантов высокой энергии, предоставляя более детальную информацию по сравнению со сцинтилляционными детектороми.Gas-filled detectors can be used in an ionization and proportional mode (each has its own advantages and disadvantages) for the detection of high-energy gamma rays, providing more detailed information compared to scintillation detectors.
Вариант ксенонового детектора высокого давления с добавленным изотопом 3He может использоваться при каротаже для одновременного детектирования нейтронов и гамма-квантов.A variant of the xenon high-pressure detector with the added 3 He isotope can be used in logging for the simultaneous detection of neutrons and gamma rays.
Предлагается использовать газонаполненные детекторы для проведения каротажных исследований с целью получения данных с более высоким энергетическим разрешением, пространственным разрешением, а также в высокотемпературных скважинах, где сцинтилляционные детекторы не могут быть применены.It is proposed to use gas-filled detectors for conducting logging studies in order to obtain data with a higher energy resolution, spatial resolution, as well as in high-temperature wells where scintillation detectors cannot be used.
При реализации способа предложено использовать газонаполненные детекторы для измерения естественной радиоактивности породы гамма-гамма каротажа. Газонаполненные детекторы высокого давления, работающие в ионизационной моде, не имеют коэффициента усиления сигнала и требуют низкошумящую электронику. Коэффициент поглощения гамма-квантов, и, следовательно, эффективность детектирования возрастают при росте давления.When implementing the method, it is proposed to use gas-filled detectors to measure the natural radioactivity of gamma-gamma-ray logging rocks. Gas-filled high-pressure detectors operating in the ionization mode do not have a signal gain and require low-noise electronics. The absorption coefficient of gamma rays, and, consequently, the detection efficiency increases with increasing pressure.
При высоком давлении газонаполненные детекторы могут быть использованы в режиме спектрометра - для детектирования энергии гамма-квантов. В отличие от традиционно используемых в этой области техники сцинтилляционных детекторов теоретическое энергетическое разрешение газонаполненных детекторов выше. В самом деле, энергетическое разрешение ΔE гамма-кванта с энергией Е может быть рассчитано как 
Высокое энергетическое разрешение позволяет измерить большее количество выбранных энергетических окон и дает больше информации о составе породы. На фиг.1 представлена зависимость скорости счета гамма-квантов от их энергии: можно увидеть высокое энергетическое разрешение для газонаполненных детекторов. Это разрешение остается разумно высоким даже при более высоких температурах в скважине, приближающихся к 200°С.High energy resolution allows you to measure a larger number of selected energy windows and provides more information about the composition of the rock. Figure 1 shows the dependence of the count rate of gamma rays on their energy: you can see the high energy resolution for gas-filled detectors. This resolution remains reasonably high even at higher temperatures in the well, approaching 200 ° C.
Несмотря на меньший коэффициент поглощения ксенона по сравнению с детекторами на основе NaI (в связи с меньшей плотностью), общая длина детектора может достигать 50 см и более (в отличие от сцинтилляционных детекторов, где объем самого сцинтиллятора - кристалла ограничен, по крайней мере, это касается массового производства кристаллов больших размеров), что в итоге позволяет достичь схожих параметров по эффективности детектирования. Возможность производить детектирование одновременно большим количество каналов позволяет получать данные с высоким пространственным разрешением, получая в итоге более высокую точность измерения.Despite the lower xenon absorption coefficient compared to NaI-based detectors (due to the lower density), the total length of the detector can reach 50 cm or more (unlike scintillation detectors, where the volume of the scintillator-crystal itself is limited, at least this concerns the mass production of large crystals), which ultimately allows us to achieve similar parameters in terms of detection efficiency. The ability to simultaneously detect a large number of channels allows you to receive data with high spatial resolution, resulting in higher measurement accuracy.
Рабочая характеристика газонаполненного детектора практически не зависит от температуры (все температурные сдвиги связаны со стабильностью электронной аппаратуры, эксплуатирующейся при высокой температуре), что позволяет получить высокую эффективность детектирования для прибора, применяемого в высокотемпературной среде, например в нефтяных и газовых скважинах.The performance of a gas-filled detector is practically temperature independent (all temperature shifts are associated with the stability of electronic equipment operating at high temperatures), which allows one to obtain high detection efficiency for a device used in a high-temperature environment, for example, in oil and gas wells.
В дальнейшем изобретение будет рассмотрено более подробно.In the future, the invention will be discussed in more detail.
Согласно первому варианту реализации разработанного технического решения детектор, работающий в ионизационной моде, с ксеноном высокого давления (30-50 бар) может быть использован для измерения естественной радиоактивности или плотности и литологии породы. Данный режим позволяет детектировать гамма-кванты с высокой эффективностью и высоким энергетическим разрешением. По сравнению с традиционно используемыми сцинтилляционными детекторами ксеноновые детекторы высокого давления могут быть сделаны достаточно дешевыми, способными работать при высоких температурах и с энергетическим разрешением до 1% для 662 кэВ. Для получения высокой производительности (до 0,1 МГц или 100000 гамма-квантов в секунду) необходимо измерять лишь электронную компоненту сигнала. Чтобы избежать зависимости сигнала от координаты, где произошел акт ионизации, может быть использована, например, стандартная сетка Фриша. Высокая эффективность для рентгеновских квантов (<50 кэВ) может быть достигнута за счет правильного выбора материала окна. Это может быть керамика, стеклопластик, углепластик и другие композиционные материалы на основе полимерного волокна. Они характеризуются низким поглощением этих видов энергии и высокой прочностью (100-1000 атмосфер внешнего давления). Таким образом, стекловолокно является наиболее дешевым материалом, но его коэффициент поглощения выше, чем у арамидных волокон и у других полимерных композиционных материалов. Арамидное волокно, в частности кевлар, более эффективно с точки зрения прозрачности для рентгеновских квантов. Большинство промышленных композиционных материалов на основе полимерного волокна имеют температурный предел 120-150°С. Для более высоких температур окно выполняют из термостойких материалов (например, из карбида бора, бериллия) или высокотемпературных композиционных материалов (в частности, известных из патента US 6,300,762). Уровень напряжения является не очень жестким для устройства в режиме ионизации, но это повышает коэффициент умножения. Предлагаемое напряжение должно обеспечивать напряженность электрического поля приблизительно 10-20 кВ/см.According to the first embodiment of the developed technical solution, a detector operating in the ionization mode with high-pressure xenon (30-50 bar) can be used to measure natural radioactivity or rock density and lithology. This mode allows you to detect gamma rays with high efficiency and high energy resolution. Compared to traditionally used scintillation detectors, high pressure xenon detectors can be made quite cheap, able to operate at high temperatures and with an energy resolution of up to 1% for 662 keV. To obtain high performance (up to 0.1 MHz or 100,000 gamma-quanta per second), it is only necessary to measure the electronic component of the signal. To avoid dependence of the signal on the coordinate where the ionization act occurred, for example, a standard Frisch grid can be used. High efficiency for x-ray quanta (<50 keV) can be achieved by choosing the right window material. It can be ceramic, fiberglass, carbon fiber and other composite materials based on polymer fiber. They are characterized by low absorption of these types of energy and high strength (100-1000 atmospheres of external pressure). Thus, fiberglass is the cheapest material, but its absorption coefficient is higher than that of aramid fibers and other polymer composite materials. Aramid fiber, in particular Kevlar, is more effective in terms of transparency for x-ray quanta. Most industrial composite materials based on polymer fibers have a temperature limit of 120-150 ° C. For higher temperatures, the window is made of heat-resistant materials (for example, boron carbide, beryllium) or high-temperature composite materials (in particular, known from US patent 6,300,762). The voltage level is not very hard for the device in ionization mode, but it increases the multiplication factor. The proposed voltage should provide an electric field strength of approximately 10-20 kV / cm.
Согласно второму варианту реализации предложено использовать также газонаполненный детектор, работающий в пропорциональном режиме, то есть с газовым усилением сигнала. Преимущество такого детектора состоит в том, что он способен работать с достаточно дешевой электроникой (не низкошумящей, как в ионизационном режиме). Недостаток детектора проявляется в низком энергетическом разрешении при высоком коэффициенте усиления. Такие детекторы могут работать с электронной и ионной компонентами, без использования сетки Фриша, однако высокое давление не может быть создано. Действительно, обеспечение быстрого сбора ионов на катоде электрическое поле должно расти вместе с давлением. В частности, подвижность ионов в стандартных условиях составляет порядкаAccording to the second embodiment, it is also proposed to use a gas-filled detector operating in proportional mode, i.e. with gas signal amplification. The advantage of such a detector is that it is able to work with fairly cheap electronics (not low noise, as in the ionization mode). The disadvantage of the detector is manifested in low energy resolution at high gain. Such detectors can work with electronic and ionic components without using a Frisch grid, but high pressure cannot be created. Indeed, to ensure the rapid collection of ions at the cathode, the electric field must increase with pressure. In particular, the mobility of ions under standard conditions is of the order of
это означает, что рабочая характеристика, равная приблизительно 10 кГц для детектора с расстоянием между анодом и катодом 2 мм и давлением газа 50 бар, требует напряженности электрического поля приблизительно 100 кВ/см, что создает серьезную проблему с точки зрения проектирования и питания устройства. Поскольку свободный пробег электрона обратно пропорционален давлению, напряженность электрического поля пропорциональна давлению в детекторе:this means that a performance of approximately 10 kHz for a detector with a distance between the anode and cathode of 2 mm and a gas pressure of 50 bar requires an electric field strength of approximately 100 kV / cm, which poses a serious problem from the point of view of designing and supplying the device. Since the free path of an electron is inversely proportional to pressure, the electric field is proportional to the pressure in the detector:
Ожидается, что газонаполненные детекторы не будут использоваться в пропорциональном режиме с давлением свыше 15-20 бар, а электрическое поле не должно превышать 10-20 кВ/см.It is expected that gas-filled detectors will not be used in proportional mode with a pressure of more than 15-20 bar, and the electric field should not exceed 10-20 kV / cm.
В качестве компромисса можно предложить другое решение для увеличения эффективности детектирования - использовать специальную фольгу из тяжелого металла, способную конвертировать гамма-кванты в электроны с высокой эффективностью. Комплект конвертора состоит из листов металлической фольги, разделенных слоями газа. Количество таких листов фольги должно быть достаточно высоким, но толщина каждого листа должна быть небольшой (несколько микрон), во избежание сильного поглощения порождаемых электронов. Это дает возможность осуществлять эксплуатацию при умеренных давлениях (не выше 10-20 бар, в зависимости от геометрии детектора и технологических проблем) и сохранять при этом высокую эффективность детектирования. Оптимальный материал преобразователя гамма-квантов зависит от входной энергии. Например, для квантов с энергией 140 кэВ оптимальный атомный номер Z составляет приблизительно 50, для энергии 360 кэВ оптимальный Z составляет 80. Следует упомянуть также, что конверторы необходимы для того, чтобы одновременно решить две задачи: повысить эффективность детектора и найти зависимость скорости счета гамма-квантов от энергии.As a compromise, another solution can be proposed to increase the detection efficiency - to use a special heavy metal foil capable of converting gamma rays into electrons with high efficiency. The converter kit consists of sheets of metal foil separated by layers of gas. The number of such sheets of foil should be high enough, but the thickness of each sheet should be small (a few microns), in order to avoid strong absorption of the generated electrons. This makes it possible to operate at moderate pressures (not higher than 10-20 bar, depending on the geometry of the detector and technological problems) and maintain high detection efficiency. The optimal material for the gamma-ray converter depends on the input energy. For example, for quanta with an energy of 140 keV, the optimal atomic number Z is approximately 50, for an energy of 360 keV, the optimal Z is 80. It should also be mentioned that converters are necessary in order to simultaneously solve two problems: increase the detector efficiency and find the dependence of the gamma count rate quanta from energy.
Данный метод конвертирования также описан в патентах US 5521956 и RU 2262720. В патенте US 5521956 предложено использовать свинцовую фольгу для повышения разрешения детектора. В патенте RU 2262720 предложено использовать, по крайней мере, три группы листов фольги из тяжелых металлов, но с атомным номером, увеличивающимся от входного окна. Листы фольги из тяжелых металлов (меди, серебра, золота) чередуются с листами из легкого металла (алюминия) для обеспечения лучшего пространственного разрешения. Данное изобретение было раскрыто для создания зональных картин, т.е. делается попытка рассортировать входные гамма-кванты по трем (или более) энергетическим зонам.This conversion method is also described in US patents 5521956 and RU 2262720. In US patent 5521956 it is proposed to use lead foil to increase the resolution of the detector. In patent RU 2262720 it is proposed to use at least three groups of sheets of foil made of heavy metals, but with an atomic number increasing from the entrance window. Foil sheets of heavy metals (copper, silver, gold) alternate with sheets of light metal (aluminum) to provide better spatial resolution. The present invention has been disclosed for creating zonal patterns, i.e. an attempt is made to sort the input gamma-quanta into three (or more) energy zones.
На фиг.2 приведена конструкция многозонного газового детектора высокого давления (согласно патенту RU 2262720). Корпус детектора 1 имеет входное окно 2. Три ряда листов фольги из различных металлов (фольга 3 сделана из самого легкого металла, фольга 5 - из самого тяжелого) установлены друг за другом. Фольга из легкого металла (например, алюминия) 6 установлена для улучшения пространственного разрешения. Отрицательный потенциал (относительно анода) прикладывают к преобразователям для собирания всех испускаемых электронов из листов фольги 3-5 анодными проволоками 7. Систему проволочных анодов используют для детектирования координаты явления внутри газовой камеры.Figure 2 shows the design of a multi-zone gas detector of high pressure (according to patent RU 2262720). The detector housing 1 has an
Изобретение раскрывает газонаполненные детекторы с умеренным давлением (выше атмосферного): высокая эффективность детектирования достигается благодаря дополнительно установленным металлическим преобразователям (сделанным из одного материала или из различных материалов). Этот вариант осуществления разработан для получения скорости счета гамма-квантов, испущенных источником и рассеянных в породе, в различных энергетических окнах (при необходимости). Преобразователи могут иметь лопастную или сотовую конструкцию. Последний случай достаточно известен - принцип сот практически не отличается от конструкции фольговых преобразователей.The invention discloses gas-filled detectors with moderate pressure (above atmospheric): high detection efficiency is achieved thanks to additionally installed metal transducers (made of one material or from different materials). This embodiment is designed to obtain the count rate of gamma rays emitted by a source and scattered in a rock in various energy windows (if necessary). The converters may have a blade or honeycomb design. The latter case is well known - the principle of cells is practically no different from the design of foil converters.
Данная система позволяет получить высокую эффективность детектирования и рассортировать входные гамма-кванты по нескольким энергетическим зонам в одном устройстве. Типичная схема прибора, предназначенного для измерения плотности и литологии и основанного на газонаполненном детекторе, показана на фиг.3. Источник гамма-квантов 8 (химический источник типа Cs-137, Со-60, другого химического источника гамма-квантов или источника радиации в виде рентгеновской трубки) испускает гамма-кванты 9, попадающие в породу 10. Рассеянные гамма-кванты детектируют ксеноновый детектор 11 высокого давления. Между источником 8 и детектором 11 установлен дополнительный защитный экран 12 (свинец, обедненный уран или другой элемент с высоким атомным номером Z).This system allows to obtain high detection efficiency and sort input gamma-quanta into several energy zones in one device. A typical diagram of a device for measuring density and lithology and based on a gas-filled detector is shown in FIG. 3. A gamma ray source 8 (a chemical source like Cs-137, Co-60, another gamma ray chemical source or an X-ray tube radiation source) emits gamma rays 9 entering the
Использование конверторов из различных материалов позволяет дискриминировать гамма-кванты по энергии. Таким образом, несколько энергетических окон могут быть использованы для дальнейших расчетов, например: 30-100 кэВ, 100-300 кэВ, более 300 кэВ. Это позволяет производить измерения плотности и литологии породы.Using converters from various materials allows discriminating gamma quanta by energy. Thus, several energy windows can be used for further calculations, for example: 30-100 keV, 100-300 keV, more than 300 keV. This allows measurements of the density and lithology of the rock.
Использование нескольких анодных проволочек (многопроволочная пропорциональная камера) с использованием соответствующих коллиматоров позволяет измерять количество гамма-квантов в различных точках пространства. Таким образом, три или более сцинтилляционных детектора могут быть заменены одним газонаполненным детектором.The use of several anode wires (multiwire proportional chamber) using the appropriate collimators allows you to measure the number of gamma rays at different points in space. Thus, three or more scintillation detectors can be replaced with one gas-filled detector.
Кроме того, охарактеризованный выше прибор, а также прибор для измерения естественной радиоактивности породы, оснащенный соответствующей электронной аппаратурой и входными окнами из карбида бора, бериллия или волокнистого композиционного материала, может эксплуатироваться при высоких температурах (>200°С).In addition, the device described above, as well as a device for measuring the natural radioactivity of rocks, equipped with appropriate electronic equipment and input windows made of boron carbide, beryllium or fiber composite material, can be operated at high temperatures (> 200 ° C).
Согласно еще одному варианту разработанного технического решения ксеноновый детектор высокого давления может быть использован для одновременного детектирования гамма-квантов и нейтронов. В этом варианте реализации предпочтительно 2-30% 3He, добавленного к ксенону, обеспечивают высокое эффективное сечение взаимодействия с нейтронами и высокую эффективность регистрации. Пик регистрации нейтронов обусловлен реакцией входящих нейтронов с атомами 3He в детекторе:According to another embodiment of the developed technical solution, a high pressure xenon detector can be used for the simultaneous detection of gamma rays and neutrons. In this embodiment, preferably 2-30% 3 He added to xenon provides a high effective neutron interaction cross section and high detection efficiency. The peak of neutron detection is due to the reaction of incoming neutrons with 3 He atoms in the detector:
Энергия, равная 765 кэВ, делится между тритием и протоном. Эта энергия поглощается в газовом детекторе и проявляется как единственный пик спектра.An energy of 765 keV is shared between tritium and a proton. This energy is absorbed in the gas detector and manifests itself as a single peak in the spectrum.
Также возможно детектирование в том же самом устройстве сигналов от нейтронов и от гамма-квантов, поскольку обнаруженные частицы обычно имеют различные диапазоны энергий. Для обработки сигнала можно использовать низкошумящую электронную аппаратуру. Ожидаемый энергетический спектр при регистрации гамма-квантов 13 и тепловых нейтронов 14 показан на фиг.4.It is also possible to detect signals from neutrons and gamma rays in the same device, since the detected particles usually have different energy ranges. To process the signal, you can use low-noise electronic equipment. The expected energy spectrum when registering gamma rays 13 and thermal neutrons 14 is shown in Fig.4.
Таким образом, реакция, вызванная нейтронами, имеет энергию приблизительно 765 кэВ, но большинство полезных пиков гамма-квантов в каротажных задачах имеют энергию ниже этой энергии. Например, если каротаж проводят с использованием источника Cs-137 (пик - 662 кэВ), то энергия рассеянных гамма-квантов будет еще ниже.Thus, the reaction caused by neutrons has an energy of approximately 765 keV, but most of the useful peaks of gamma rays in logging tasks have an energy below this energy. For example, if the logging is carried out using a Cs-137 source (peak - 662 keV), then the energy of scattered gamma rays will be even lower.
Вместо 3He может быть использован также газ BF3 с повышенным содержанием 10В. Этот газ также позволяет детектировать нейтроны, однако с меньшим сечением взаимодействия (реакции нейтронов с ядрами В10), и, следовательно, с меньшей эффективностью.Instead of 3 He, a BF 3 gas with an increased content of 10 V can also be used. This gas also allows the detection of neutrons, however with a smaller interaction cross section (the reaction of neutrons with B 10 nuclei), and, therefore, with lower efficiency.
Использование газонаполненных детекторов, работающих в ионизационной моде (с высоким энергетическим разрешением) позволяет измерять литологию породы с высокой точностью (предположительно, с более высокой точностью, чем в случае сцинтилляционных детекторов). Действительно, в нейтрон-гамма каротаже нейтроны, испущенные радиоактивным источником, возбуждают ядра в породе, которые затем испускают высокоэнергетические гамма-кванты. Измерение гамма-квантов различных энергий с высоким энергетическим разрешением позволяет различить гамма-кванты, испущенные различными химическими элементами: углеродом, кислородом, кальцием, кремнием, алюминием и т.д. Более того, размер газонаполненного детектора может быть очень большим по сравнению с размером сцинтилляционного детектора (размер кристалла обычно не может быть выращен более нескольких сантиметров, себестоимость кристаллов больших размеров существенно выше), что позволяет сделать полную эффективность детектирования больше и предоставляет более ценную информацию о скорости счета нейтронов и гамма-квантов.The use of gas-filled detectors operating in the ionization mode (with high energy resolution) makes it possible to measure rock lithology with high accuracy (presumably with higher accuracy than in the case of scintillation detectors). Indeed, in neutron-gamma ray logging, neutrons emitted by a radioactive source excite nuclei in the rock, which then emit high-energy gamma rays. Measurement of gamma quanta of various energies with high energy resolution makes it possible to distinguish gamma quanta emitted by various chemical elements: carbon, oxygen, calcium, silicon, aluminum, etc. Moreover, the size of the gas-filled detector can be very large compared to the size of the scintillation detector (the crystal size usually cannot be grown more than a few centimeters, the cost of large crystals is much higher), which allows to make the full detection efficiency more and provides more valuable speed information counting neutrons and gamma rays.
Поверхность детектора по длине можно разбить не несколько частей, часть из которых может быть покрыта слоем материала, служащего замедлителем нейтронов. При этом надтепловые нейтроны замедляются до тепловых, которое затем могут быть зарегистрированы присутствующим в детекторе 3He. Например, это может быть кадмий (10-30 мм), поглощающий тепловые нейтроны и замедляющий надтепловые до тепловых скоростей. Однако практически все гамма-кванты до энергии 400-500 кэВ поглощаются. Это позволяет производить в одном приборе детектирование частью проволочек тепловых нейтронов и гамма-квантов, а частью - надтепловых нейтронов и высокоэнергетических гамма-квантов (свыше 400-500 кэВ).The detector surface along the length can be divided into several parts, some of which can be covered with a layer of material that serves as a neutron moderator. In this case, suprathermal neutrons slow down to thermal neutrons, which can then be detected by the 3 He detector. For example, it can be cadmium (10-30 mm), which absorbs thermal neutrons and slows down epithermal to thermal speeds. However, almost all gamma rays up to an energy of 400-500 keV are absorbed. This allows one device to detect partly wires of thermal neutrons and gamma rays, and partly epithermal neutrons and high-energy gamma rays (over 400-500 keV).
Claims (16)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008115421/28A RU2377610C1 (en) | 2007-11-30 | 2007-11-30 | Method of gamma-ray logging wells (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008115421/28A RU2377610C1 (en) | 2007-11-30 | 2007-11-30 | Method of gamma-ray logging wells (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2377610C1 true RU2377610C1 (en) | 2009-12-27 |
Family
ID=41643143
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008115421/28A RU2377610C1 (en) | 2007-11-30 | 2007-11-30 | Method of gamma-ray logging wells (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2377610C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2579822C1 (en) * | 2015-02-05 | 2016-04-10 | Открытое акционерное общество Опытно-демонстрационный центр вывода из эксплуатации уран-графитовых ядерных реакторов | Method of monitoring stability of internal safety barriers at storage point of uranium-graphite reactor |
| RU2695697C2 (en) * | 2014-07-14 | 2019-07-25 | Хельмхольтц-Центрум Гестхахт Центрум Фюр Материал-Унд Кюстенфоршунг Гмбх | Method of producing neutron converters |
-
2007
- 2007-11-30 RU RU2008115421/28A patent/RU2377610C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2695697C2 (en) * | 2014-07-14 | 2019-07-25 | Хельмхольтц-Центрум Гестхахт Центрум Фюр Материал-Унд Кюстенфоршунг Гмбх | Method of producing neutron converters |
| RU2579822C1 (en) * | 2015-02-05 | 2016-04-10 | Открытое акционерное общество Опытно-демонстрационный центр вывода из эксплуатации уран-графитовых ядерных реакторов | Method of monitoring stability of internal safety barriers at storage point of uranium-graphite reactor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Adams et al. | Gamma-ray spectrometry of rocks | |
| RU2481598C2 (en) | Sealed assembly and neutron shielding for scintillation-type radiation detectors | |
| Crouthamel et al. | Applied gamma-ray spectrometry | |
| US4883956A (en) | Methods and apparatus for gamma-ray spectroscopy and like measurements | |
| US6373066B1 (en) | Thermal neutron detector using a scintillator with background gamma ray shielding | |
| US20090057545A1 (en) | Downhole Tools with Solid-State Neutron Monitors | |
| CN105510956B (en) | Anti-Compton scattering detector | |
| US5313504A (en) | Neutron and photon monitor for subsurface surveying | |
| EP2315913A1 (en) | Well flaw detection system (embodiments) | |
| WO2015020713A2 (en) | Scintillation detector package having radioactive window therein | |
| WO2014186582A1 (en) | Scintillation detector package having radioactive reflective material therein | |
| Povinec et al. | IAEA-MEL's underground counting laboratory (CAVE) for the analysis of radionuclides in the environment at very low-levels | |
| EP0231693A1 (en) | Methods and apparatus for borehole gamma-ray spectroscopy and like measurements | |
| Schweitzer | Nuclear techniques in the oil industry. | |
| Iwanowska et al. | Liquid scintillators and composites in fast neutron detection | |
| RU2377610C1 (en) | Method of gamma-ray logging wells (versions) | |
| US8912484B2 (en) | Photomultipler-based neutron detector | |
| CN115508901A (en) | Nuclear logging tool and application thereof | |
| Tepper et al. | A compressed xenon ionization chamber X-ray/gamma-ray detector incorporating both charge and scintillation collection | |
| WO2009070049A1 (en) | Well gamma-logging method (variants) | |
| RU2264674C2 (en) | Gamma-neutron radiation recorder | |
| Gilboy et al. | Industrial radiography with cosmic-ray muons: A progress report | |
| Petr et al. | The composite directional γ-ray scintillation detector | |
| Kudryavtsev | Dark matter experiments at Boulby mine | |
| Bolotnikov et al. | Virtual Frisch-grid ionization chambers filled with high-pressure Xe |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091201 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20101210 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171201 |