СПОСОБ ЯДЕРНОГО КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к ядерной геофизике и может быть использовано для проведения томографии нефтяных и газовых скважин.

Известны способы и устройства неразрушающего радиационного анализа вещества по времяпролетной технологии исследования. Наиболее широкое применение данная технология нашла в системах определения взрывчатого вещества (поиск мин, просвечивание багажа на наличие взрывчатки в аэропортах и т.д.), поиска наркотиков в перевозимых контейнерах, в животноводстве для определения жирности мяса на растущих овцах, в геофизике для определения содержания углерода и кислорода вблизи буровой скважины.

С применением изотопных источников известны способ и устройство [1], предназначенные для использования при каротаже скважин. В основу способа положен тот факт, что скорость быстрого нейтрона в зависимости от энергии составляет 0.01÷ 0.05 м/нс, скорость гамма-кванта - 0.3 м/нс. Регистрация быстрых совпадений рассеянных нейтронов и гамма-квантов в 10-и наносекундном интервале позволяет выделить спектр неупругого рассеяния с характерными линиями углерода и кислорода. Т.е. если в течение 5-10 нс после регистрации гамма-кванта происходит регистрация быстрого нейтрона, то с большой долей вероятности допускается, что зарегистрированные частицы есть результат неупругого рассеяния быстрого нейтрона на ядре породы. Способ реализуется устройством, использующим изотопный источник активностью не более 10⁸ н/с и схему совпадений с временем разрешения 10 нс.

Недостатком данного способа является то, что низок коэффициент полезного действия, т.е. доля гамма-квантов неупругого рассеяния быстрых нейтронов, попавшая во временное окно совпадения к общему количеству зарегистрированных гамма-квантов. В первом приближении вероятность того, чтобы после неупругого взаимодействия быстрого нейтрона с ядром окружающей породы рассеянный нейтрон и индуцированный при этом гамма-квант попали в соответствующие детекторы и тем самым вызвали эффект совпадения, определяется произведением телесных углов, под которыми смотрятся детекторы из точки неупругого рассеяния, и вероятностью нейтрона и гамма-кванта быть не рассеянными на пути из точки неупругого рассеяния к соответствующим детекторам. При реальных размерах скважинных приборов 40-90 мм и, соответственно, при реальных диаметрах используемых в них детекторов, для типичных горных пород коэффициент полезного действия такой системы не превышает 5· 10^-8 и, соответственно, не позволяет проводить измерения, пригодные для промышленного применения. Кроме того, отсутствие возможности определения места неупругого рассеяния нейтрона не позволяет отделить гамма-излучение неупругого рассеяния на ядрах интересующего объекта от гамма-излучения неупругого рассеяния на ядрах окружающей среды, представляющей фон (жидкость внутри скважины, конструкция скважины, цементный камень и т.д.). Возможности по увеличению интегральной загрузки нейтронного детектора и детектора гамма-квантов ограничены их пропускной способностью. Отсутствие информации об угле вылета нейтрона исключает возможность направленного зондирования. Таким образом, изменение содержания углерода и кислорода вблизи скважинного прибора, например изменение заполнения флюида скважины, неконтролируемо и приводит к дополнительным ошибкам.

Наиболее близким к заявляемому способу каротажа является [2] (подробно описанный в [3]). Здесь в качестве источника нейтронов используется нейтронный генератор с нейтронами энергией 14 Мэв. Для генерации нейтронов в этом случае используется D-T реакция (₁Н²+₁H³→^{₂He4+₀n1), в результате которой образуются альфа-частица и нейтрон с энергией 14 МэВ. Вылет нейтрона и альфа-частицы происходит в противоположных направлениях. Таким образом, если разместить рядом с источником нейтронов альфа-детектор, то регистрация им альфа-частицы будет свидетельствовать о том, что в противоположном направлении вылетел быстрый нейтрон. Скорость распространения быстрых нейтронов и гамма-квантов в веществе различна и соответствует ≈ 0.01÷ 0.05 м/нс для нейтрона и ≈ 0.3 м/нс для гамма-кванта. Таким образом, если в течение некоторого времени после регистрации альфа-частицы (8-10 нс по [2]) детектор гамма-излучения регистрирует гамма-квант, то очень велика вероятность того, что это гамма-квант неупругого рассеяния вылетевшего быстрого нейтрона. Сцинтилляционные детекторы альфа-частиц установлены кольцом около мишени нейтронной трубки. Геометрия установки детекторов альфа-частиц и временное окно совпадений сигналов альфа-частиц и гамма-квантов выбраны таким образом, чтобы регистрируемая время-пролетной системой область формирования гамма-квантов неупругого рассеяния была близка к изометричной объемной фигуре.}

Наиболее близким к заявляемому устройству является [2] (подробно описанное в [3]). Устройство носит название APTF-C/О-WLA, и содержит детектор альфа-частиц и детектор гамма-квантов, последовательно соединенные с соответствующими дискриминаторами и линиями задержек. Сигналы с линий задержек поступают на преобразователь “время-амплитуда”. Причем сигнал с линии задержки тракта детектора альфа-частиц инициализирует нарастание амплитуды, а сигнал с тракта детектора гамма-квантов - убывание. С выхода преобразователя “время-амплитуда” колоколообразный импульс напряжения подается на формирователь для вырабатывания временного импульса наличия события совпадения для многоканального амплитудного анализатора, на который подается сигнал с детектора гамма-квантов, предварительно усиленный соответствующим усилителем. Линии задержки и формирователь предназначены для выравнивания во времени процессов распространения сигналов по усилительным трактам и в многоканальном амплитудном анализаторе. Те сигналы с детектора гамма-квантов, которые попали во временное окно совпадения, формируются в спектр неупругого рассеяния из зондируемого участка.

К недостаткам данного способа и реализующего его устройства следует отнести отсутствие возможности проведения томографического зондирования, что снижает точность проведения исследований. Например, при увеличении зоны проникновения бурового раствора в породу, изменении диаметра скважины и, соответственно, толщины цементного камня, в силу того, что сектор регистрации гамма-излучения неупругого рассеяния время-пролетной системой остается неизменным, вклады фоновой и полезной составляющих будут меняться неконтролируемым образом. К недостаткам используемого устройства следует также отнести конструкцию используемой нейтронной трубки с сцинтилляционными детекторами альфа-частиц. В силу конструктивных особенностей фотоэлектронных умножителей, а именно их минимального диаметра и длины, диаметр нейтронной трубки не может быть менее 50 мм, что делает невозможным изготовление скважинных приборов для работы через насосно-компрессорные трубы - в этом случае диаметр самого скважинного прибора не должен превышать 43 мм.

Предлагаемые способ и устройство для проведения каротажа решают задачу повышения точности проводимых измерений.

Поставленная задача решается введением в способ, включающий облучение горных пород в скважине нейтронами, генерированными в скважинном приборе, регистрацию альфа-частиц, образовавшихся в результате реакции ₁Н²+₁H³→^{₂He4+₀n1 и вылетевших с нейтронной мишени в заданном направлении, противоположном направлению вылета с мишени быстрого нейтрона, регистрацию амплитудных спектров индуцированного гамма-излучения детектором в заданном временном интервале после момента регистрации альфа-частицы, дополнительно ориентации скважинного прибора относительно скважины таким образом, что конус распространения быстрых нейтронов, направление вылета которых контролируется регистрируемыми альфа-частицами, направлен из скважины таким образом, что плоскость, проведенная через ось скважинного прибора, ось прижима к стенке скважины и ось конуса, перпендикулярна к касательной плоскости, проведенной через линию соприкосновения скважинного прибора и стенки скважины, при этом угол между осью конуса и осью скважинного прибора со стороны детектора лежит в пределах 10÷ 60 градусов, регистрируют амплитудные спектры индуцированного гамма-излучения в n-временных окнах, рассчитывают координату места неупругого рассеяния быстрого нейтрона, на основании этого выделяют спектры гамма излучения неупругого рассеяния от различных зон скважины.}

Это позволяет провести томографию нефтяных и газовых скважин. В результате решения поставленной задачи повышается точность проводимых измерений.

Поставленная задача в устройстве решается введением в устройство, состоящее из скважинного прибора, имеющего нейтронный генератор, центр мишени которого расположен на оси скважинного прибора, детектор альфа-частиц, центр которого установлен в непосредственной близости от мишени нейтронного генератора на некотором расстоянии от оси скважинного прибора и включенный последовательно с соответствующим усилителем-дискриминатором, детектор гамма-квантов, включенный последовательно с соответствующим усилителем, первый выход которого соединен с первым входом многоканального амплитудного анализатора, усилитель-дискриминатор канала гамма-квантов, временной анализатор совпадений, дополнительно селектора, выходная шина данных которого подключена на второй вход многоканального амплитудного анализатора, второй выход усилителя канала гамма-квантов подключен на вход усилителя-дискриминатора канала гамма квантов, выходы усилителя-дискриминатора канала альфа-частиц и усилителя-дискриминатора канала гамма-квантов подключены соответственно на первый и второй входы временного анализатора совпадений и параллельно на первый и второй входы селектора, временной анализатор совпадений соединен по выходу шиной данных с шинным входом селектора, а скважинный прибор имеет прижим к стенке скважины, расположенный в одной плоскости с осью скважинного прибора и осью, соединяющей центр мишени нейтронного генератора и центр детектора альфа-частиц, при этом угол со стороны детектора гамма-излучения между осью, соединяющей центр мишени нейтронного генератора с центром детектора альфа-частиц и осью скважинного прибора, лежит в пределах 10-60 градусов.

Это позволяет создать устройство для проведения томографии скважин. В результате решения поставленной задачи повышается точность проводимых измерений.

Новым по отношению к прототипу в способе ядерного каротажа является то, что в способе ядерного каротажа, включающем облучение горных пород в скважине нейтронами, генерированными в скважинном приборе, регистрацию альфа-частиц, образовавшихся в результате реакции ₁H²+₁H³→^{₂He4+₀n1 и вылетевших с нейтронной мишени в заданном направлении, противоположном направлению вылета с мишени быстрого нейтрона, регистрацию амплитудных спектров индуцированного гамма-излучения детектором в заданном временном интервале после момента регистрации альфа-частицы, скважинный прибор ориентируют относительно скважины таким образом, что конус распространения быстрых нейтронов, направление вылета которых контролируется регистрируемыми альфа-частицами, направлен из скважины таким образом, что плоскость, проведенная через ось скважинного прибора ос прижима к стенке скважины и ось конуса, перпендикулярна к касательной плоскости, проведенной через линию соприкосновения скважинного прибора и стенки скважины, при этом угол со стороны детектора между осью конуса и осью скважинного прибора лежит в пределах 10÷ 60 градусов, регистрируют амплитудные спектры индуцированного гамма-излучения в n-временных окнах, рассчитывают координату места неупругого рассеяния быстрого нейтрона, на основании этого выделяют спектры гамма-излучения неупругого рассеяния от различных зон скважины.}

Регистрация амплитудных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния в n-временных окнах (n>1) после момента регистрации альфа-частицы позволяет рассчитывать координату места неупругого рассеяния нейтрона и на основании этого проводить томографическое зондирование. Т.е. выделять спектры неупругого рассеяния от различных зон: конструкции скважины и породу (n=2), конструкции скважины, ближней зоны породы, дальней зоны породы (n=3) и т.д. Ориентация скважинного прибора относительно оси скважины позволяет производить ориентацию контролируемых зон неупругого рассеяния нейтронов.

Новым по отношению к прототипу в устройстве ядерного каротажа, включающем скважинный прибор, имеющий нейтронный генератор, центр мишени которого расположен на оси скважинного прибора, детектор альфа-частиц, центр которого установлен в непосредственной близости от мишени нейтронного генератора на некотором расстоянии от оси скважинного прибора и включенный последовательно с соответствующим усилителем-дискриминатором, детектор гамма-квантов, включенный последовательно с соответствующим усилителем, первый выход которого соединен с первым входом многоканального амплитудного анализатора, усилитель-дискриминатор канала гамма-квантов, временной анализатор совпадений, является дополнительно введенный селектор, выходная шина данных которого подключена на второй вход многоканального амплитудного анализатора, второй выход усилителя канала гамма-квантов подключен на вход усилителя дискриминатора канала гамма-квантов, выходы усилителя-дискриминатора канала альфа-частиц и усилителя-дискриминатора канала гамма-квантов подключены соответственно на первый и второй входы временного анализатора совпадений и параллельно на первый и второй входы селектора, временной анализатор совпадений соединен по выходу шиной данных с шинным входом селектора, а скважинный прибор имеет прижим к стенке скважины, расположенный в одной плоскости с осью скважинного прибора и осью, соединяющей центр мишени нейтронного генератора и центр детектора альфа-частиц, при этом угол со стороны детектора гамма-излучения между осью, соединяющей центр мишени нейтронного генератора с центром детектора альфа-частиц и осью скважинного прибора, лежит в пределах 10-60 градусов.

Техническая сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен скважинный прибор, находящийся в скважине, ориентированный прижимным устройством и зондирующий горную породу.

На фиг.2 изображен скважинный прибор, находящийся в скважине, ориентированный прижимным устройством и зондирующий горную породу и флюид, заполняющий скважинное пространство.

На фиг.3 изображена блок схема устройства.

На фиг.4 изображена временная работа предложенного устройства.

На фиг.5 приведен спектр гамма-излучения неупругого рассеяния, рассчитанный по методу Монте-Карло.

Скважинный прибор 1 ориентирован относительно стенки скважины прижимным устройством 2. Источником нейтронов является мишень 3 нейтронного генератора. Направление зондирования задают детекторы альфа-частиц 4. Детектирование гамма-квантов осуществляется сцинцилляционным детектором 5. Скважина обсажена обсадной колонной 6. Между породой и колонной расположен цемент 7. Внутри скважина заполнена флюидом 8. В представленных вариантах в результате зондирования исследуются четыре зоны: 9 - зона колонны и цементного камня, 10 - ближняя зона породы, 11 - дальняя зона породы, 12 - зона флюида, содержащегося внутри скважины.

Устройство для томографии содержит несколько детекторов альфа-частиц 4, включенных последовательно с усилителями-дискриминаторами каналов альфа-частиц 13, детектор гамма-квантов 5, включенный последовательно с усилителем 14, первый выход которого соединен с входом усилителя-дискриминатора канала гамма-квантов 15, а второй выход соединен с входом многоканального амплитудного анализатора 16, выходы всех усилителей-дискриминаторов 13 и усилителя 14 соединены с соответствующими входами временного анализатора совпадений 17 и параллельно соединены с соответствующими входами селектора 18, выходная шина которого соединена с входом многоканального амплитудного анализатора 16, выходная шина временного анализатора совпадений 17 соединена с входом селектора 18. На спектре гамма-излучения неупругого рассеяния, рассчитанном методом Монте-Карло, приведены: 19 - водонасыщенный пласт чистого песчаника пористостью 20% (0.2× H₂O+0.8× SiO₂), поры заполнены водой; 20 - нефтенасыщенный пласт пористостью 20% (0.2× CH+0.8× SiO₂), поры заполнены нефтью.

Скважинный прибор выполнен в диаметре, обеспечивающем его прохождение через конструкцию буровой скважины и, при необходимости, через насосно-компрессорные трубы. Для ориентирования скважинного прибора 1 относительно оси скважины служит прижим 2, выполненный в виде рессоры. Прижим может быть выполнен как пассивным элементом, так и открывающимся/закрывающимся по командам управления сверху (например, как в [4, 5]). На фиг.1 показана предпочтительная ориентация детектора 4 альфа-частиц для зондирования горных пород. Исследуемая зона в этом случае представляет из себя конус с центром на нейтронной мишени 3 и направлением под определенным углом, например 30° , в противоположную от прижимного устройства 2 направлении. Проведенные расчеты с данной фокусировкой показали возможность выделения не менее 3-х зон взаимодействия неупругого рассеяния нейтронов с веществом. Временное разрешения системы регистрации при этом должно составлять порядка 3 нс. Эти три зоны 9 - зона колонны и цементного камня, 10 - ближняя зона породы, 11 - дальняя зона породы. На фиг.2 показан еще один вариант ориентации детекторов 4 альфа-частиц для зондирования горных пород. В этом случае два детектора 4 альфа-частиц определяют две конические исследуемые зоны. Первая, как в предыдущем случае - исследуемая зона, представляет из себя конус с центром на нейтронной мишени 3 и направлением под определенным, например 30° , в противоположную от прижимного устройства 2 направлении в сторону расположения детектора гамма-квантов 5. Вторая зона представляет собой конус с центром на нейтронной мишени 3 и направлением под определенным углом, например 10° , в сторону прижимного устройства 2. В этом случае при работе в скважинах большого диаметра, например 150÷ 250 мм, наличие второго зондирующего конуса позволяет выделять дополнительно спектр гамма-излучения неупругого рассеяния от 12 - зоны флюида, заполняющего скважину.

Предложенное для реализации способа устройство работает следующим образом. В начальный момент времени код адреса временного, поступающий с выхода временного анализатора совпадений 17, и код адреса позиционного, поступающего с выхода селектора 18, соответствуют бинарным кодам 00В. Результирующий код, получаемый в результате, например, двойного сдвига влево кода адреса позиционного и последующего сложения с кодом адреса временного, соответственно равен 0000В. Результирующий код определяет область памяти в многоканальном амплитудном анализаторе 16. Таким образом, если в этот момент в многоканальный амплитудный анализатор 16 с детектора гамма-квантов 5 поступит информационный импульс, то он будет помещен в блок памяти с адресом 0000В, и в этом блоке будет происходить накопление спектров гамма-излучения, не привязанных к альфа-частицам. В случае если любой из детекторов 4 зарегистрирует альфа-частицу, то сигнал с соответствующего усилителя-дискриминатора канала альфа-частиц 13 и т.д. стартует многоканальный временной анализатор совпадений 17. В результате работы многоканального временного анализатора совпадений 17 каждые несколько нс, например 3-4 нс, будет последовательно меняться в сторону увеличения код адреса временного - 00В→ 01В→ 10В→ 11В. Одновременно, если любой из детекторов 4 зарегистрирует альфа-частицу, сигнал с соответствующего усилителя-дискриминатора канала альфа-частиц 13 определяет в селекторе 18 код адреса позиционного. Например, позиционный код первого детектора альфа-частиц 00В, позиционный код второго детектора альфа-частиц 01В и т.д. Время инкрементирования кода адреса временного ограничено, например, 16 нс. Если в течение этого времени в многоканальный временной анализатор совпадений 17 и селектор 18 не поступит сигнал с усилителя-дискриминатора 15 канала гамма-квантов, то это означает, что факта совпадения не зарегистрировано и устройство возвращается в исходное состояние. В случае если за время анализа, например 16 нс, гамма-квант зарегистрирован, то сигнал с усилителя-дискриминатора 15 канала гамма-квантов стробирует текущие значения кодов адреса временного и адреса позиционного. Например, в результате регистрации гамма-кванта во временном окне, соответствующем III интервалу, будут застробированы код адреса временного 11В и код адреса позиционного 01В. Результирующий код, получаемый в результате, например, двойного сдвига влево кода адреса позиционного и последующего сложения с кодом адреса временного, соответственно равен 0111В. Зарегистрированный гамма-квант будет помещен в блок памяти с адресом 0111В, т.е. в этом блоке будет происходить накопление спектров гамма-излучения, пришедших из зоны III. Сброс устройства в исходное состояние в случае фиксирования факта совпадения событий происходит по сигналу окончания преобразования многоканального амплитудного анализатора 16.

Приведен спектр гамма-излучения неупругого рассеяния, рассчитанный методом Монте-Карло для следующих условий:

19 - водонасыщенный пласт чистого песчаника пористостью 20% (0.2× H₂О+0.8× SiО₂), поры заполнены водой;

20 - нефтенасыщенный пласт пористостью 20% (0.2× CH+0.8× SiО₂), поры заполнены нефтью.

Значения плотностей сред σ (Н₂О)=1 г/см³, σ (Si₂О)=2.65 г/см³, σ (СН)=0.85 г/см³. Скважина диаметром 216 мм. Цементное кольцо внешним диаметром 216 мм, внутренним диаметром 162 мм, состав: 0.3× SiО₂+0.3× CaO+0.4× H₂О, плотность σ (СаО)=2.0 г/см³. Скважина обсажена обсадной колонной внутренним диаметром 146 мм и толщиной стенки 8 мм, состав 100% Fe, σ (Fe)=7.8 г/см³. Заполнение пространства между скважинным прибором и обсадной колонной 100% Н₂О. Как показывают расчеты, эффект изменения насыщенности не меньше эффекта, измеряемого скважинными приборами диаметром 89 мм.

Источники информации

1. Патент Великобритании №2212264, МПК G 01 N 23/222, 1989 г.

2. Патент Китая №1047237, МПК Е 21 В 47/00, по заявке №93109244, 1995 г.

3. Патент США №6297507, МПК G 01 T 1/24, 2001 г.

4. Ю.А.Гулин. Гамма-гамма-метод исследования нефтяных скважин. М.: Недра, 1975 г., стр.17, 28, 75.

5. А.А.Молчанов, В.В.Лаптев, В.Н.Моисеев, Р.С.Челокьян. Аппаратура и оборудование для геофизических исследований нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1987 г., стр.110.

6. Патент РФ №1653437, МПК G 01 V 5/04.