УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В СКВАЖИНЕ

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к устройствам для измерения интенсивности радиоактивного излучения непосредственно в процессе бурения на забое скважины. Оно может быть использовано в забойных телеметрических системах для измерения радиоактивного излучения горных пород в процессе бурения разведочных, эксплуатационных и пьезометрических скважин как роторным, так и турбинным способом. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения и надежности работы скважинного прибора путем использования в качестве преобразователя интенсивности радиоактивного излучения струйного генератора и применения гидравлического канала связи забоя с устьем скважины.

Известно устройство для измерения плотности и естественной радиоактивности горных пород, содержащее детекторы, расположенные на разных расстояниях от источника излучения, усилительно-преобразовательную схему, выполненную на полупроводниковых элементах. (см. кн. Молчанов А.А., Лаптев В.В. Аппаратура и оборудование для геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 1987. - с. 77-83).

Недостатком данного устройства является малый диапазон рабочих температур (до 200°C) из-за полупроводниковых приборов, прерывность процесса измерения, а также затраты времени на спускоподъемные операции.

Самым близким по технической сути является устройство (см. диссертацию Есауленко В.Н.: Теория и практика систем контроля автоматического управления забойными параметрами для совершенствования техники и технологии бурения скважин: дисс. д-ра техн. наук. Московская государственная геологоразведочная академия, Москва, 1994, с. 221-228), содержащее корпус, ионизационную камеру с металлизированной поверхностью, первичный преобразователь, струйный генератор, канал питания, приемный, выходной и расходный каналы, приемную емкость, неподвижный и подвижный электроды, источник питания, сильфон.

Недостатком прототипа является низкая точность измерения за счет малой девиации частоты колебаний струйного генератора.

Техническая задача - создание надежного и термостойкого устройства для непрерывного измерения интенсивности радиоактивного излучения горных пород непосредственно в процессе бурения.

Технический результат - повышение точности измерения интенсивности радиоактивного излучения горных пород.

Он достигается тем, что в устройстве, содержащем корпус, ионизационную камеру с металлизированной поверхностью, первичный преобразователь, струйный генератор с каналами питания, приемным, выходным и расходным, приемной емкостью, неподвижный и подвижный электроды, источник питания, сильфон, на подвижном электроде жестко закреплена трубка малого диаметра, выполненная из полимерного материала, например фторкаучука, соединенная с приемной емкостью струйного генератора.

Предлагаемое устройство изображено на чертежах: фиг. 1 - общий вид, фиг. 2 - схема, на которой показано истечение струи сжатого воздуха из канала питания, фиг. 3 - график зависимости частоты колебаний струйного генератора от изменения интенсивности радиоактивного излучения горных пород, фиг. 4 - график зависимости частоты колебаний струйного генератора от изменения угла между полимерной трубкой и осью приемного канала.

Устройство содержит корпус 1, металлизированную ионизационную камеру 2, первичный преобразователь 19, включающий струйный генератор 3, в виде панели с размещенными на ней каналами: питания 4, приемным 5, выходным 6 и расходным 7, сообщающиеся через углубление 8 в точке схождения каналов, неподвижный электрод 9 и подвижный 10, с жестко закрепленной на нем полимерной трубкой 11, встроенные в приемный канал 5, приемную емкость 12, источник питания струйного генератора 3, выполненный в виде баллона со сжатым газом 13, выход которого через регулируемый дроссель 14 соединен с каналом питания 4 струйного генератора 3, приемный канал 5 соединен с приемной емкостью 12, а выходной канал 6 соединен через сильфон 15 с каналом связи (на чертеже не показан), управляющий шток 16 гидравлического усилителя (на чертеже не показан), нить 17, соединенная с источником электрического тока 18.

Устройство работает следующим образом.

Выходящий из канала питания 4 поток воздуха в силу эффекта Коанда прилипает к приемному каналу 5, попадает в закрепленную на подвижном электроде 10 полимерную трубку малого диаметра 11 и заполняет емкость 12. При достижении максимального давления в емкости 12 поток воздуха прилипает к выходному каналу 6 и удерживается до тех пор, пока противодавление в емкости 12 на входе приемного канала 5 не снизится до величины, при которой поток вновь будет обтекать поверхность стенки приемного канала 5 и заполнять емкость 12. Далее процесс повторяется. При этом частота переключения определяется уравнением

где С - постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей генератора;

V - объем емкости.

С изменением интенсивности радиоактивности горной породы в скважине изменяется степень ионизации газа в металлизированной ионизационной камере 2. При этом изменяется заряд электрически связанных неподвижного 9 и подвижного 10 электродов и металлизированной ионизационной камеры 2, созданный источником электрического тока 18, и изменяется отталкивающая сила одноименно заряженных неподвижного 9 и подвижного 10 электродов. В результате конец подвижного электрода 10 перемещается от оси струи сжатого воздуха, вытекающей из канала питания 4 и прилипающей к профилю приемного канала 5, к ее периферии. Это показано на фиг. 2, где 1 - это полимерная трубка малого диаметра, закрепленная на подвижном электроде, в двух крайних положениях, 2 - эпюр изменения скорости струи в зависимости от изменения угла θ, 3 - приемный канал. Перемещение трубки 10 вызывает изменение времени заполнения приемной емкости 12, а следовательно, и частоты колебаний струйного генератора 3 в зависимости от изменения интенсивности радиоактивного излучения горных пород, что показано на графиках фиг. 3 и фиг. 4. Серия пневматических импульсов, полученных на струйном генераторе 3 и преобразованных сильфоном 15 в линейное перемещение управляющего штока 16 гидравлического усилителя, преобразуется в серию мощных гидравлических импульсов промывочной жидкости, которые простираются до устья скважины, где трансформируются в электрические импульсы, например, посредством тензопреобразователя, усиливаются и поступают на фильтр, где отфильтровываются от помех, фиксируются регистрирующим прибором. (См. кн.: Молчанов А.А. "Измерение геофизических параметров в процессе бурения скважин". М.: Недра, 1983, стр. 113-132). Корпус предлагаемого устройства должен быть герметичным, что обеспечивается путем тщательной притирки управляющего штока 16 в отверстии корпуса 1. Регулируемый дроссель 14 обеспечивает стабильность давления питания при изменении внешних воздействий.

Конструктивные размеры элементов струйного генератора находятся в следующих пределах: сечение каналов и сопел - 0,25÷0,5 мм²; объем емкости - 40÷50 см³; начальное расстояние между подвижным и неподвижным электродом - 0,2÷0,3 мм, подвижный электрод изготовлен из фосфористой бронзы толщиной 0,1 мм и имеет форму стерженька размером 30×5×0,1 мм. Расстояние между нитью и электродом - 15 мм. Диапазон измеряемых интенсивностей составляет от единиц до 100 нкг·экв. Ra/м³. В соответствии с графиком на фиг. 3 чувствительность устройства равна 0,6 Гц/(мр/ч).

Для определения работоспособности и чувствительности на макете была проведена опытная проверка предложенного устройства. Макет представляет собой плату из оргстекла с выполненной в ней системой сопел и встроенным соответствующим образом подвижным, неподвижным электродами и нитью. На электроды подавалось напряжение от источника питания. Макет облучался источником радиоактивного излучения изотопом "Цезий-137". Максимальная мощность дозы излучения составила 40 мр/ч. Заряд на электродах ≈10 кВ максимальное перемещение электрода, указанных выше размеров 0,8 мм. Опыт проводился на воздухе при нормальных условиях (t=20°C, Р=760 мм рт.ст.).

Пластичность трубки, влияющая на ее перемещение и, как следствие, на точность измерения устройства, достигается использованием полимерного материала, обладающего высокой пластичностью и термостойкостью, например фторкаучука СКФ-26, температура эксплуатации которого может достигать 300°C. Диаметр трубки выбирается малым (d=0,2÷0,3 мм) с целью уменьшения расхода сжатого воздуха в условиях стесненных размеров скважины.

Положительный эффект - данное устройство позволяет непрерывно измерять интенсивность излучения горных пород в скважине непосредственно в процессе бурения с малой величиной погрешности и высокой чувствительностью, отвечает высокой надежности и термостойкости.

Источники информации

1. Молчанов А.А., Лаптев В.В. Аппаратура и оборудование для геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 1987, - с. 77-83.

2. Молчанов А.А. "Измерение геофизических параметров в процессе бурения скважин". М.: Недра, 1983, стр. 113-132.

3. Есауленко В.Н. Теория и практика систем контроля автоматического управления забойными параметрами для совершенствования техники и технологии бурения скважин: диссертация д-ра техн. наук. Московская государственная геологоразведочная академия, Москва, 1994, - с. 221-228 (прототип).