Brevet FR2475746A1 — publié le 19810814

La présente invention concerne la stabilisation du gain d'un appareil de carottage de puits par radio activité. Dans le carottage de puits par radioactivité, on éprouve des difficultés pour stabiliser le niveau de sortie des détecteurs de rayons gamma dans la sonde des cendue dans le puits. Dans le passé, un générateur d'impulsions à mercure produisait des impulsions éleatriques stabilisatrices qui étaient envoyées à un préamplificateur détecteur électronique. De cette façon, les variations de gain qui se produisaient dans le cristal détecteur ou dans le tube photomultiplicateur tétaient pas mesurées ou utilisées en vue de la stabilisation du gain, et l'effet de variations dans le fonctionnement du détecteur ou du photomultiplicateur était en fait négligé. Un autre système, celui du brevet des Etats Unis d'Amérique n04053 767, utilisait une source de rayonnements chimique montée dans un cristal de référence qui était inclus dans un cristal scintillateur principal. En cas de détérioration ou de panne de l'un quelconque de ces éléments, on devait remplacer la totalité du montage, qui était onéreux. Dans d'autres techniques de sta bilisation, telles que celles décrites dana "Nuclear Instruments and Methods", volume 124, (1975), pages 235 à 241, Norton-Holland Publishing Co., il a été suggéré une excitation de ZnS et une stabilisation numérique. Une autre voie d'accès suggérée consistait à vérifier les photomultiplicateurs, apparemment dans des conditions de laboratoire, en simulant des phénomènes nucléaires sans utiliser de sources radioactives, en utilisant des diodes photoluminescentes, cette voie d'accès étant décrite dans tNuclear Instruments and Methods:' volume 138 (1976), pages 57 à 59, Norton - Holland Publishing Co. Pour autant mulon le sache, cependant, cette technique ne se prêtait pas aux conditions pratiques de carottage des puits par radioactivité. En bref, la présente invention concerne un appareil de stabilisation du gain amélioré dans un système de carottage de puits par radioactivité. Le système de carottage de puits comprend une source de neutrons montée dans une sonde en vue de son déplacement dans le trou de sonde, d'un puits pour bombarder avec des neutrons dés formations de terrain et un fluide au voisinage d'un trou de sonde. Un cristal scintillateur monté dans la sonde émet des éclairs lumineux en réponse à un rayonnement gamma résultant du bombardement heutronique. Les éclairs lumineux provenant du cristal sont envoyés sur un tube photomultiplicateur qui donne naissance à des signaux électriques pour la transmission à une instrumentation en surface en vue du traitement. L'appareil de stabilisation du gain de la pré- sente invention comporte une diode photoluminescente à laquelle un circuit oscillateur fait émettre des impulsions optiques de stabilisation. La diode photoluminescente est montée entre le cristal scintillateur et le photomultiplicateur présent dans la sonde, dans un disque optiquement transparent, de telle sorte que les éclairs lumineux delta diode photoluminescente sont également détectés par le tube photomultiplicateur. Ainsi, dans la pressente invention, des impulsions de stabilisation et de synchronisation sont produites dans la partie optique des détecteurs, et la compensation et la stabilisatipn des variations de gain peuvent être effectuées dans tout le système de détection, tant optique qu'électronique.En outre, l'appareil de stabilisation est séparable du cristal et du photomultiplicateur, et un appareil de stabilisation de rechange peut être tenu en réserve dans un état compensé en température, ce qui simplifie les réparations et l'entretien. L'appareil de stabilisation est également placé dans un vase de Dewar régulé en température avec le détecteur et le cristal et avec un circuit de compensation de la température minimisant les différences de température entre ces constituants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée uniquement à titre illustratif et non limitatif, en rence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'ensemble d'un système de carottage de puits conforme à la présente invention ; - la figure 2 est une vue isométrique d'un appareil de stabilisation du gain du système de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe transversale de l'appareil de la figure 2 ; et - la figure 4 est un spectre de rayons gamma typique obtenu lors de l'essai de l'appareil de la figure 2. La figure I est une représentation fonctionnelle simplifiée sous forme schématique de l'appareil de carottage de puits de la présente invention. Un trou de sonde 2 pénétrant dans des formations de terrain 3 est revêtu d'une enveloppe d'acier 4 et rempli d'un fluide pour puits 5. L'enveloppe d'acier 4 est cimentée sur place par une couche de ciment 6 qui sert également à éviter le passage du fluide entre des formations productrices adjacentes dans le terrain 3. On voit que la partie située dans le trou du système de carottage se compose essentiellement d'un élé- ment creux ou sonde 7 de forme allongée, étanche au fluide , que l'on fait passer longitudinalement à travers l'enveloppe 4 au cours de I'operation de carottage et qui est dimensionnéede façon à passer à travers celle-ci. L'instrumentation en surface, dont le rôle sera discuté plus en détail ci-après, sert au traitement et à l'enre- gistrement des mesures électriques fournies par la.sonde 7. Un cable 8 de carottage de puits qui passe sur une poulie 9 supporte la sonde 7 dans le trou de sonde et constitue également une voie de communication pour les signaux électriques entre l'appareillage de surface et la sonde 7. Le câble 8 peut être du type armé classique pour carottage de puits et peut comporter un ou plusieurs conducteurs électriques pour transmettre ces signaux entre la sonde 7 et l'appareillage de surface. Toujours à propos de la figure 1, la sonde 7 contient une source de neutrons à haute énergie 11. La source de neutrons dont l'utilisation est envisagée ici peut être n'importe quelle source de neutrons pulsée appropriée. Mais les spécialistes comprendront que l'invention n'est pas limites à cette source, et que l'on peut utiliser si on le désire des sources de neutrons continues. Un détecteur de rayonnements comprenant un tube photomultipli cateur 10 et un cristal scintillateur détecteur 12 est installé dans la sonde 7 pour détecter les rayons gamma, résultant de la diffusion inélastique de neutrons de haute énergie par les formations de terrain 3 entourant le trou de sonde 2.Un appareil de stabilisation du gain ou stabilisateur de gain G, dont la structure est décrite en détail ci-dessous, est monté entre le tube photomultipli cateur 10 et le cristal-détecteur 12 de la partie détection des rayonnements de l'appareil. Un écran contre les rayonnements 13 en fer, plomb ou une autre matière appropriée est interposé entre l'accélérateur de neutrons Il et le cristal détecteur 12 de l'appareil. Il peut y avoir en outre un manchon de blindage 15 pour arrêter les neutrons thermiques, comme celui représenté au voisinage du cristal détecteur 12, sur la partie intérieure ou extérieure de la paroi de la sonde. Un disque de blindage 16 pour arrêter les neutrons thermiques est interposé entre le matériau de blindage 13, pour arrêter les rayonnements,et le cristal détecteur 12 pour réduire la probabilité que des neutrons thermiques atteignent le cristal détecteur. Le cristal détecteur 12 est de préférence formé d'iodure de sodium dopé au thallium, bien qu'il puisse également être de l'iodure de césium ou une autre matière activée analogue, couplée optiquement par l'intermédiaire du stabilisateur de gain G au photomultiplicateur 10. Le blindage 13 pour arrêter les rayonnements réduit la probabilité d'une irradiation directe du cristal détecteur par des neutrons émis par la source de neutrons pulsée ou par l'accélérateur 11. Le disque de bLindage 56 pour arrêter les neutrons thermiques et le cylindre 15 entourant le cristal détecteur peuvent être constitués de bore ou de toute autre matière appropriée ayant une section efficace de capture des neutrons thermiques élevée.Ce blindage sert à reduire encore la possibilité que des neutrons thermiques qui suivent un traJet sinueux et qui ont été ralentis par le fluide 5 du trcu de sonde ou le matériau de blindage 1 3 atteignent le voisinage du cristal détecteur 12,pouvant provoquer l'activation neutronique de l'iode ou d'autres éléments constituant le cristal. En outre, lorsqu'on utilise une source de neutrons pulsée, le blindage pour arrêter les neutrons thermiques réduit la possibilité que des neutrons thermiques entrent en interaction avec les matériaux présents dans la sonde elle-même ou avec le cristal détecteur lui-même, provoquant l'émission de rayonnements gamma pendant la période au cours de laquelle on observe les rayonnements gamma neutroniques inélastiques. On sait que le cristal scintillateur 12 produit un éclair lumineux discret chaque fois qutun rayon gamma le traverse et échange de énergie avec son réseau cristallin. Le tube photomultiplicateur 10 produit une impulsion de tension dont la hauteur est proportionnelle à l'intensité de chacune des scintillations qui se produisent dans le cristal 12. L'intensité de ces scintillations est fonctionnellement reliée à énergie du rayon gamma provoquant l'éclair lumineux, de sorte que toute impulsion de tension produite par le tube photomultiplicateur 10 a une amplitude fonctionnellement reliée à l'énergie du rayon gamma correspondant.Ces impulsions de tension proportionnelles produites par le tube photomultiplicateur 10 comprennent un signal détecteur qui est envoyé à un amplificateur linéairei7 en passant par un discriminateur 18. Le discriminateur 18 peut être utilisé, si on le désire, pour discriminer par exemple le rayonnement gamma à bruit de fond de faible énergie résultant de l'activation thermique du cristal détecteur par la réaction I127(N,y ) il 28 Une tension de polarisation prédéterminée peut être utilisée pour ne laisser passer que les impulsions provenant du tube photomultiplicateur 10 dépassant la hauteur correspondant à des rayons gamma de 1 1,78 DisV produits dans la diffusion inélastique des neutrons par le silicium.Les rayons gamma à bruit de fond de faible énergie contribuant à l'accumula- tion d'impulsions peuvent ainsi être éliminés. De même, le discriminateur, étant logé dans le trou de sonde réduit le taux de comptage apporté au câble, améliorant ainsi la probabilité de ne pas avoir d'accumulation d'impulsions. Pour les sources de neutrons pulsées, l'accé- lérateur de neutrons 11 est de préférence commandé par un circuit d'impulsion 14, qui peut être de conception classique et qui a pour rôle de faire fonctionner l'accélérateur pendant des impulsions de courte durée. Le circuit d'impulsion 14 peut être commandé par des impulsions de synchrone sation provenant d'un circuit de synchronisation 19 en surface mise en-communication par les conducteurs du câble 8, et qui peuvent aussi être envoyées à un générateur d'impulsions de référence 20 placé dans le trou de sonde. Le circuit d'impulsion 14 peut, par exemple, être activé par une impulsion de synchronisation provenant d'un circuit de synchronisation 19 pour émettre une bouffée de neutrons d'une durée déterminée.La fréquence de ces bouffées serait alors réglée par le circuit de synchronisation 19, en surface. Le circuit de synchronisation 19 peut aussi être placé dans la sonde si on le désire. Pendant le temps que l'accélérateur de neutrons Il est activé, les signaux de sortie provenant du tube photomultiplicateur 10 sont envoyés, en passant par le discriminateur 18 et l'amplificateur linéaire 17, à un circuit d'entraînement 21 du câble de conception classique. Des impulsions sont envoyées du circuit d'entraînement 21 du câble , par le câble 8, à une porte 25 en surface. Comme le générateur d'impulsions 14 placé dans le trou de sonde et la porte 25 en surface qui commande les impulsions de données provenant de l'outil placé dans le trou de sonde sont tous deux synchronisés à partir du même circuit de synchronisation 19, il est clair que le synchronisme peut être maintenu entre l'appareillage de surface et l'appareillage placé dans le trou de sonde. Les signaux de données peuvent ainsi être activés en surface de manière à choisir en vue du traitement des parties de ceux-ci qui sont synchronisés, à volonté, par rapport à l'émission de neutrons. Bien que cela ne soit pas représenté sur la figure 1, les spécialistes comprendront que l'énergie électrique peut être fournie par une source de courant en surface (non représentée), par l'intermédiaire du câble 8 de carottage de puits, à la sonde 7. placée dans le trou. Des alimentations en courant appropriées (non représentées) sont prévues dans la sonde 7 pour alimenter en courant la partie de l'appareillage placée dans le trou de sonde. Les signaux de sortie provenant du câble 8 sont envoyés à la porte 25 et sont d'abord traités dans un circuit stabilisateur de spectre 23 qui réagit aux impulsions présentant le niveau d'énergie de référence, formées dans le tube photomultiplicateur, en réponse au stabilisateur de gain G de la manière qui sera indiquée. Le stabilisateur de spectre 23 utilise les impulsions présentant le niveau d'énergie de référence pour stabiliser le gain de l'appareil de carottage de puits et un signal de réglage du gain est fourni par le stabilisateur de spectre 23 à un analyseur de hauteur d'impulsions 26, comme indiqué sur le schéma. Les impulsions provenant du câble 8 sont ensuite envoyées du stabilisateur de spectre 23, à travers la porte 25, à l'analyseur de hauteur d'impulsions 26. Ces impulsons comprennent une succession d'impulsions de comptage résultant des rayons gamma détectés par le cristal détecteur 14 placé dans le trou de sonde, qui sont envoyées à l'analyseur de hauteur d'impulsions 26. L'analyseur de hauteur d'impulsions 26 peut être de conception classique, et comporter par exemple un nombre approprié de canaux ou de divisions d'énergie correspondant à des quantifications des hauteurs d'impulsions des impulsions d'entrée, si on le désire. L'analyseur de hauteur d'impulsions 26 a pour effet de trier et d'accumuler un nombre total, variable, dtimpul- sions d'entrée dans une multiplicité d'emplacements de stockage ou de canaux sur la base de la hauteur des impul-- sions qui arrivent, dont on rappellera qu'elle est directement liée à l'énergie des rayons gamma qui sont à l'origine de l'impulsion. Le débit de sortie de l'analyseur de hauteur d'impulsions 26 est envoyé à un calculateur 28 en vue d'un traitementetdJnalyse des impulsions pour former les données de carottage du puits concernant les formations 3 et les fluides se trouvant au voisinage du trou-de sonde 2. Un enregistreur approprié 29 est relié au calculateur 28 pour constituer un affichage des données de sortie des résultats de traitement provenant du calculateur 28, en fonction, habituellement, de la profondeur du trou de sonde 2.. Si l'on considère à présent plus en détail le stabilisateur de gain G (fig. 2 et 3), un disque cylindrique 30, formé d'une matière optiquement transparente, par exemple une résine synthétique telle que celle vendue sous la marque "Lucite", est monté avec son-axe cylindrique s'étendant (fig. 1) entre le cristal scintillateur détecteur 12 et le tube photomultiplicateur 10 placé dans la sonde 7. Une diode photoluminescente 32, communément désignée par LED, est montée dans une ouverture 34, s'étendant radialement vers l'intérieur et pratiquée dans le disque 30. La LED 32 est excitée par un circuit d'impulsion 20, qui comprend des circuits intégrés classiques, et émet en réponse des impulsions lumineuses qui traversent la matière optiquement transparente du disque 30 et sont détectées par le photomultiplicateur 10. En raison de l'emplacement du disque 30 entre le cristal 12 et le photomultiplicateur 10, ayant en son sein la LED 32, le disque 30 couple optiquement les scintillations de lumière provenant à la fois de la LED 32 et du cristal 12 en direction du photomultiplicateur 10.Le circuit d'impulsion 20 a pour effet de faire émettre à cette diode photoluminescente 32 des impulsions lumineuses d'intensité et de fréquence pratiquement constante, qui sont détectées par le photomultiplicateur 10 et transmises par l'amplificateur 18 et le circuit d'entraînement 21 du câble, en passant par le câble 8, au stabilisateur de spectre 23. En conséquence, un pic de la source de lumière de référence se forme dans la LED 32 et e=t détecté par chacun des mêmes constituants de l'appareil de carottage de puits qui détectent le rayonnement gamma et forment des signaux électriques en réponse à ceux-ci au cours des opérations de carottage du puits, y compris le tube photomultiplicateur 10. On crée ainsi dans la sonde un niveau d'énergie de référence qui peut être mesuré et contrôlé en vue de la stabilisation du gain. La figure 4 représente un spectre de rayons gamma typique de la structure de pics de Co60, Tl208 (série du Thorium 232) et un pic d'énergie des rayons gamma au-dessus de 8,0 MeV provenant de la LED 32. Si l'on considère à nouveau le stabilisateur de gain 6 (fig. 2 et 3), un sillon annulaire 36 peut être formé, s'étendant vers l'intérieur jusqu a une surface cylindrique 38 du disque 30, située entre des surfaces extérieures 30a et 30b, et des constituants (tels que ceux représentés) d'un circuit compensateur de température 40 et dlun circuit d'impulsions 20 (fig, 1) peuvent y être montés. Le circuit de compensation de température 40 est utilisé pour compenser les variations de température dans la sonde 7 au cours des opérations de carottage des puits. Pour améliorer encore la stabilité de la température, le circuit compensateur 40, le stabilisateur de gain G, le tube photomultiplicateur 10 et le cristal scintillateur 12 sont contenus dans un vase de Dewar régulé en température, représenté schématiquement en 42. De cette manière, les différences de température entre la LED 32, le circuit compensateur 40, le circuit d'impulsions 20 et le cristal 12 sont réduites au minimum. Il est à noter que le stabilisateur de gain 6 est un élément séparable du photomultiplicateur 10 et du cristal 12. En conséquence, des stabilisateurs de gain supplémentaires peuvent être compensés en température et gardés en réserve comme pièces détachées, ce qui simplifie l'entretien et les réparations. REVENDICATIONS 1. Appareil de stabilisation du gain (t) destiné à être utilisé dans un appareil de carottage de puits par radioactivité qui fanctionne en bombardant des formations de terrain (3) et de fluide (5) au voisinage du trou de sonde (2) d'un puits avec des neutrons provenant d'une source de neutrons (11) et détecte le rayonnement gamma produit dans un détecteur avec un cristal scintillateur (12) pour émettre des éclairs lumineux en réponse au rayonnement gamma et qui comprend un tube photomulti plicateur (10) produisant des impulsions de tension en réponse aux éclairs lumineux qui lui sont envoyés, cet appareil stabilisateur de gain (t) étant caractérisé en ce qu'il comporte - une diode photoluminescente (32) ;; - des moyens oscillateurs (20) pour provoquer l'émission de scintillations lumineuses par ladite diode photoluminescente (32) ; et - des moyens (30) pour monter ladite diode photoluminescente (32) entre ledit cristal scintillateur (12) et ledit tube photomultiplicateur (10) dudit appareil de carottage de puits, lesdits moyens de montage (30) couplant optiquement audit tube photomultiplicateur (10) les scintillations lumineuses provenant à la fois de ladite diode photoluminescente (32) pour la stabilisation du gain et dudit cristal scintillateur (12) pour le carottage des puits. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens oscillateurs (20) ont pour effet de faire émettre à ladite diode photoluminescente (32) des scintillations d'intensité pratiquement constante. 3. Appareil suivant l'une quelconque des revendication 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens oscillateurs (20) ont pour effet de faire émettre à ladite diode photoluminescente (32) des scintillations de fréquence pratiquement constante. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit cristal scintillateur (12) est formé dtiodure de sodium. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de montage (30) comprennent un disque-(30) de matière optiquement transparente disposé dans un espace compris entre test cristal scintillateur (12) et kdit photomultipli- cateur (10). 6. Appareil suivant l'uns quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le disque (30) remplit pratiquement 11 espace compris entre ledit cristal scintillateur (12) et ledit photomultiplicateur (10). 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ledit disque (30) est cylindrique et est monté avec un axe cylindrique s'étendant entre ledit cristal scintillateur (12) et ledit photomultiplicateur (10). 8. Appareil suivant la revendicati9n 7, caractérisé en ce qu'un sillon annulaire (36) est formé autour de la surface externe dudit disque (30) pour y loger lesdits moyens oscillateurs (20). 9. Appareil suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est percé d'une ouverture (34) s'étendant vers l'intérieur à partir dudit sillon annulaire (36-) dans ledit disque (30) pour y recevoir ladite diode photoluminescente (-32). 10. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qutil comporte un système de circuit compensateur (40). 11. Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ledit photomultiplicateur (10), ledit cristal scintillateur (12), ladite diode photoluminescente (32), lesdits moyens oscillateurs (20), ledit système de montage (30) et ledit système de circuit de compensation de température (40) sont montés dans un vase de Dewar (42). 12. Appareil suivant l'une quelconque des renvendications t è 11, caractérisé en ce que ladite diode photoluminescente (32) est capable d'émettre un rayonnement à un niveau d'énergie supérieur à 8,0 MeV.