ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ
NEUTRON GENERATOR

1. Область техники изобретения
Данное изобретение относится к системам, генерирующим нейтроны, и, более конкретно, касается нового и усовершенствованного генератора нейтронов, специально приспособленного для прохода в узких местах скважины или ствола скважины, хотя подходит для различных других применений. Поскольку генератор нейтронов согласно изобретению идеально подходит для каротажных работ в скважине, он описан применительно к таким работам.
2. Предшествующий уровень техники
Использование генератора нейтронов высокой энергии для нейтронного гамма-каротажа или нейтрон-нейтронного каротажа известно давно. Генераторы нейтронов, используемые в каротажных инструментах для нефтяных скважин, обычно требуют регулируемой атмосферы низкого давления и магнитных полей высокой интенсивности. Соответственно, для иллюстративных целей изобретение описано более детально применительно к генератору нейтронов, подходящему для использования в инструменте каротажа скважины.
Генераторы нейтронов обычно имеют три главных элемента:
2
3
источник газа для подачи реагирующих веществ, таких как дейтерий (H) и тритий (H);
источник ионов, отрывающий электроны от молекул газа, таким образом создающий положительно заряженные ионы; и
ускоряющий промежуток, приводящий ионы в движение к мишени с такой энергией, что бомбардирующие ионы сталкиваются с ядрами дейтерия или трития в мишени для создания и эмиссии нейтронов из нее.
Обычно отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы получают при столкновениях электронов и незаряженных молекул газа в источнике ионов. Электроды анод и катод разного потенциала способствуют ионизации посредством ускорения электронов до энергии, превышающей порог ионизации. Столкновения данных электронов высокой энергии с молекулами газа создают дополнительные ионы и электроны. Одновременно некоторые электроны и ионы поглощаются анодом и катодом. В таком режиме положительные и отрицательные заряды внутри источника ионов приближаются к равновесию. КПД столкновений можно увеличивать, удлиняя расстояния, которое электроны проходят в источнике ионов до нейтрализации при соударении с положительным электродом. По одной известной методике удлинения пути устанавливают магнитное поле, перпендикулярное вышеописанному электрическому полю. Объединенные магнитное и электрическое поля заставляют электроны описывать винтовую траекторию в источнике ионов с существенным увеличением расстояния, которое проходят электроны в источнике ионов, и, таким образом, увеличивают КПД столкновений устройства. Такой тип источника ионов, названный «источник ионов Пеннинга», известен с 1937 г.; см., например, статью авторов F.M.Penning и J.H.A.Moubis в Physica 4 (1937) 1190. Примеры генераторов нейтронов, включающие в себя источники ионов Пеннинга, использующиеся в каротажных инструментах, описаны, например, в патентах США №№ 3546512 или 3756682, оба переуступленные Schlumberger Technology Corporation.
Вместе с тем, генераторы нейтронов, использующие источники ионов Пеннинга, применяемые в каротажных инструментах, имеют ограниченный КПД столкновений и относительно низкое атомно-молекулярное соотношение ионов источника ионов. Для преодоления такой низкой производительности в источниках ионов применяют конструкции, предназначенные для удлинения или расширения путей пробега электронов. Такие конструкции являются относительно громоздкими и увеличивают общие габариты и/или вес генератора нейтронов. Указанное является важным для каротажного инструмента, который подается на большие расстояния в оборудование забоя ствола скважины, где пространство ограничено.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
6
2
Генератор нейтронов настоящего изобретения включает в себя источник ионов, размещенный под давлением в среде, содержащей ионизируемый газ. Источник ионов включает в себя подложку с пучком углеродных нанотрубок, проходящих от нее. Концы нанотрубок разнесены с решеткой. Схема подачи напряжения на источник ионов создает напряжение с положительной разностью потенциалов между подложкой и решеткой источника ионов, обуславливающее ионизацию ионизируемого газа и эмиссию ионов через решетку. Секция ускорителя ионов расположена между источником ионов и мишенью. Секция ускорителя ионов ускоряет ионы, проходящие через решетку к мишени, так что столкновения ионов с мишенью обуславливают генерирование и эмиссию нейтронов мишенью. В предпочтительном варианте осуществления источник ионов, секция ускорителя и мишень размещены в герметичной трубе, и предпочтительно углеродные нанотрубки пучка являются высокоупорядоченными, по меньшей мере с 10 углеродными нанотрубками на см, проходящими в направлении, по существу, параллельном центральной осевой линии трубы.
Генератор нейтронов настоящего изобретения создает ионизацию газа с более высоким атомно-молекулярным соотношением, чем известные генераторы нейтронов. Этим обеспечивается создание компактных малоразмерных образцов, подходящих для каротажных инструментов, используемых в ограниченном пространстве оборудования забоя ствола скважины. В таких вариантах применения генератор нейтронов и, по меньшей мере, один детектор радиоактивного излучения размещают в зонде для перемещения по стволу скважины и проведения исследований геологических пластов, окружающих ствол скважины.
Дополнительные цели и преимущества изобретения должны стать ясными специалисту в данной области техники после изучения подробного описания с прилагаемыми фигурами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показан схематичный вид скважинного каротажного инструмента и связанных с ним контрольно-измерительных устройств на поверхности.
На фиг.2A показан вид сечения генератора нейтронов каротажного инструмента фиг.1 настоящего изобретения.
На фиг.2B схематично представлена часть источника ионов генератора нейтронов фиг.2A.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Как показано на фиг.1 и 2A, генератор нейтронов 10 согласно настоящему изобретению можно использовать как часть показанного каротажного инструмента 111. Генератор нейтронов 10 включает в себя герметичную электроизоляционную цилиндрическую трубу 12, в которой размещены средство 18 подачи газа, источник 20 ионов, секция 22 ускорителя ионов и мишень 24, описанные ниже более подробно. Обычно труба 12 заключена в металлический кожух (не показан), заполненный диэлектрическим веществом для электроизоляции элементов высокого напряжения трубы 12. Металлический кожух вместе с электрическими компонентами, например, цепями 112 скважинной телеметрии, электронной схемой 114 управления генератором нейтронов (включающей в себя электронную цепь 26A управления подачей газа, схему 26В электропитания источника ионов и схему 26С электропитания высокого напряжения, описанные ниже), по меньшей мере, одним детектором радиоактивного излучения (в примере показаны два детектора 116A, 116B) и, возможно, другими компонентами системы, размещен в зонде 118, выполненном с возможностью перемещения в стволе 120 скважины. Ствол 120 скважин включает в себя стальную обсадную колонну 122 и окружающее зацементированное кольцевое пространство 124. Зонд 118 обычно подвешивают в стволе 120 скважины на каротажном кабеле, гибкой насосно-компрессорной трубе или другом средстве (позиция 126). Средство 126 подвески несет многожильный кабель 130 электропитания, подающий электроэнергию с поверхности (которую дает блок 132 электропитания) в стволе скважины на зонд 118 и электрические компоненты в нем, которые включают в себя скважинные цепи 112 телеметрии, схему 114 управления генератором нейтронов, детекторы 116A, 116B радиоактивного излучения и генератор 10 нейтронов. Генератор 10 нейтронов работает, испуская нейтроны для облучения нейтронами пласта, примыкающего к зонду 118. Нейтроны и/или фотоны, возвращающиеся из пласта, обнаруживают детекторы 116A, 116B радиоактивного излучения. Выходные данные детекторов 116A, 116B радиоактивного излучения передают на поверхность с помощью скважинных электронных схем 112 телеметрии и электронных схем 132 телеметрии на поверхности и анализируют посредством анализатора 134 сигналов для получения информации, касающейся пласта. Более конкретно, нефть, газ, вода и элементы геологических пластов обладают отличающимися радиационными характеристиками, что дает возможность идентификации геологических пластов. Генератор 10 нейтронов настоящего изобретения можно использовать в связи с другими каротажными инструментами, такими как инструменты, описанные в патентах США №№ 4794792, 4721853, 4600838 и 5313504.
Как показано на фиг.2A, генератор 10 нейтронов включает в себя цилиндрическую трубу 12, выполненную из диэлектрического материала, такого как алюмооксидная керамика или стекло. Поперечный цоколь 14 и электрод 16 мишени закрывают концы трубы 12 для создания газонепроницаемой цилиндрической камеры внутри трубы 12. Средство 18 подачи газа расположено предпочтительно вдоль центральной осевой линии трубы 12 между цоколем 14 и электропроводящим фланцем 26. В предпочтительном варианте осуществления средство 18 подачи газа содержит винтовую намотку металлической нити (такой как вольфрам) с покрытием из металлогидридной пленки (такой как из гидрида титана, скандия и/или циркония) или т.п. Концы 19A, 19B соединены с электронной схемой 26А управления подачей газа, предпочтительно через электропроводный фланец 26 и цоколь 14 соответственно. Электронная схема 26А управления подачей газа нагревает (или охлаждает) нить 18 и металлогидридную пленку на ней электрическим током, подводимым к нити 18. При нагреве (или охлаждении) металлогидридная пленка нити 18 испускает (или абсорбирует) дейтерий и/или тритий в газообразной форме, обеспечивая тем самым подачу данных газов и управляя давлением газа во время работы генератора.
6
2
Газы, испускаемые средством 18 подачи газа, диффундируют через пространство 27 между средством 18 подачи газа и источником 20 ионов и входят в источник 20 ионов. Как лучше всего показано на фиг.2B, источник ионов 20 включает в себя электропроводящую подложку 51, на которой образован пучок углеродных нанотрубок 53. Углеродные нанотрубки 53 пучка могут представлять собой углеродные нанотрубки с однослойной стенкой, углеродные нанотрубки с многослойной стенкой или их комбинации. Углеродная нанотрубка с однослойной стенкой является цилиндрической структурой с диаметром порядка нанометра и кольцевой боковой стенкой, выполненной из одноатомного листа графита (называемого «графен»). Углеродная нанотрубка с многослойной стенкой включает в себя многочисленные слои графита, скатанные в рулон с образованием формы трубы. В предпочтительном варианте осуществления углеродные нанотрубки 53 пучка образованы на электропроводной подложке 51 химическим осаждением пара, при котором наночастицы катализатора размещают на четко определенных площадках поверхности на подложке и затем нагревают до высоких температур в реакторе с проходящим потоком углеводородных газов. Углеродные нанотрубки получают из частиц катализатора посредством каталитической диссоциации углеводородных молекул и частиц катализатора и рассеяния атомов углерода в частицы. После насыщения атомы углерода осаждаются от частицы катализатора с образованием при этом трубчатой углеродной структуры. В предпочтительном варианте осуществления подложка 51 сориентирована, по существу, поперек центральной осевой линии трубы 12, тогда как углеродные нанотрубки 53 пучка высоко упорядочены, по меньшей мере 10 углеродных нанотрубок на см проходят в направлении, по существу, параллельно центральной оси y-y трубы 12. Решетка 55 проходит поперек центральной оси трубы 12. Решетку 55 можно выполнять из никеля, молибдена или любого электропроводного материала, совместимого с ионизированной водородной средой внутри трубы 12.
Подложка 51 и решетка 55 источника 20 ионов предпочтительно опираются на электропроводные фланцы 29, 31 соответственно и электрически соединены указанными фланцами, в свою очередь электрически соединенными со схемой 26В электропитания источника ионов. Во время работы генератора 10 газы, испускаемые средством 18 подачи газа, диффундируют через отверстия или другие пустоты (не показано) в подложке 51 и пучке углеродных нанотрубок 53 и входят в пространство 54 между концами пучка углеродных нанотрубок 53 и решеткой 55. Схема 26В электропитания источника ионов создает напряжение с положительным потенциалом между подложкой 51 и решеткой 55 для обеспечения ионизации газа в пространстве 54 и эмиссию получающихся в результате ионов через решетку 55.
Ионизация газа на концах углеродных нанотрубок пучка или вблизи концов может возникать, если градиент электрического поля между соответствующими вершинами углеродных нанотрубок 53 пучка и решеткой 55 достаточно велик, и соответствующие вершины углеродных нанотрубок 53 пучка имеют высокий положительный потенциал относительно решетки 55. Если молекула газа перемещается в область высокого градиента электрического поля, электрон можно туннелировать из молекулы к вершине углеродной нанотрубки 53 пучка нанотрубок, где он транспортируется через нанотрубку на подложку 51 и затем в электронную схему 26B. Получившийся в результате ион затем ускоряется от вершины углеродной нанотрубки и через решетку 55 высоким градиентом электрического поля. Величина напряжения с положительной разностью потенциалов между подложкой 51 и решеткой 55 и разнос между вершинами углеродных нанотрубок 53 пучка и решеткой 55 регулирует градиент электрического поля, обуславливающий ионизацию и эмиссию ионов. Предпочтительно разнос между вершинами пучка углеродных нанотрубок 53 и решеткой 55 установлен таким, что напряжение с положительной разностью потенциалов между подложкой 51 и решеткой 55 порядка 1 кВ создает 100 мкА ионного тока при давлении газа 1 мТорр (133 мПа). Такой разнос прогнозируют составляющим менее 1 мм для достижения указанного ионного тока.
Ионы, создаваемые вблизи вершин углеродных нанотрубок 53 пучка нанотрубок и проходящие через решетку 55, входят в секцию 22 ускорителя ионов, толкающую ионы на мишень 24 с такой энергией, что бомбардирующие ионы сталкиваются с ядрами дейтерия или трития мишени 24 с генерированием и испусканием из них нейтронов. В показанном иллюстративном варианте осуществления секция 22 ускорителя ионов включает в себя добавочный электрод 32, опирающийся на электропроводный опорный фланец 33 и электрически соединенный с ним, а также защитный электрод 34, опирающийся на электропроводный опорный фланец 35 и электрически соединенный с ним. Схема 26С электропитания высокого напряжения электрически соединена с электродами 32, 34 секции 22 ускорителя посредством фланцев 33, 35 соответственно и с электродом 16 мишени. Во время работы схема 26С электропитания высокого напряжения создает напряжение с большой положительной разностью потенциалов (обычно между 80-180 кВ) между добавочным электродом 32 и защитным электродом 34/мишенью 24 для ускорения ионов к мишени 24 с достаточной энергией для осуществления бомбардировки ионов для генерирования и испускания нейтронов из мишени 24. Такое ускорение возникает в результате высокого градиента электрического поля в промежутке 36 между добавочным электродом 32 и защитным электродом 34/мишенью 24. Защитный электрод 34 предпочтительно расположен за вогнутым элементом, обращенным к мишени 24 центральным отверстием, обеспечивающим прохождение ионов через него к мишени 24. Защитный электрод 34 действует, предотвращая извлечение электронов из мишени 24 после бомбардировки ионами (данные извлеченные электроны обычно именуют вторичными электронами). Для выполнения указанного схема 26С электропитания высокого напряжения подводит напряжение с положительной разностью потенциалов между защитным электродом 34 и мишенью 24 обычно в диапазоне между 500 В - 2 кВ. К добавочному электроду 32 подводят напряжение с отрицательной разностью потенциалов относительно решетки 55 (обычно порядка 0,1-5 кВ) для создания ионного потока в секцию 22 ускорителя.
В альтернативном варианте осуществления добавочный электрод 32 может быть исключен. В данном варианте напряжение с большой положительной разностью потенциалов между решеткой 55 источника ионов и защитным электродом 34/мишенью 24 используют для ускорения ионов к мишени 24 с достаточной энергией, обуславливающей генерирование бомбардирующими ионами и испускание нейтронов из мишени 24.
Мишень 24 предпочтительно содержит тонкую металлогидридную пленку из титана, скандия или циркония, осажденную на поверхности электрода 16 мишени, обращенного к источнику 20 ионов. Альтернативно, мишень 24 можно выполнить в виде углеродного дискового электрода малого диаметра. Первоначальная бомбардировка углеродного дискового электрода вырабатывает относительно мало нейтронов. С течением времени сталкивающиеся ионы проникают в матрицу углеродной мишени и удерживаются в ней в достаточном количестве для инициирования реакций генерирования нейтронов между бомбардирующими ионами и ядрами мишени, а также пополнения мишени ядрами. Другие подходящие мишени можно также использовать.
Схему 26В электропитания источника ионов и схему 26С электропитания высокого напряжения можно приспособить для создания непрерывного регулируемого выхода нейтронов или выхода в виде периодических выбросов (например, режим с импульсным выходом). Темп и продолжительности выбросов можно регулировать контроллером или другой подходящей логической схемой.
Электронная схема 26А управления подачей газа предпочтительно регулирует ток, подводящийся к средству 18 подачи газа для управления давлением газа внутри изолированной трубы 12. Такую регулировку обычно выполняют по каналу обратной связи (не показано), оборудованному между схемой 26С электропитания высокого напряжения (или другой электронной схемой мониторинга выходных данных) и электронной схемой 26A управления подачей газа. Данный канал обратной связи несет сигналы отслеживания выхода нейтронов. В случае если выход нейтронов падает ниже необходимой величины, электронная схема 26A управления подачей газа может увеличивать давление газа внутри изолированной трубы для увеличения выхода нейтронов. В случае если выход нейтронов поднимается выше необходимой величины, электронная схема 26A управления подачей газа может уменьшать давление газа внутри изолированной трубы для уменьшения выхода нейтронов.
Предпочтительно генератор нейтронов настоящего изобретения создает ионизацию газа с гораздо более высоким атомно-молекулярным соотношением, чем известные генераторы нейтронов, основанные на источнике ионов Пеннинга. Это обеспечивает создание компактных образцов малого размера, подходящих для каротажных инструментов, использующихся в условиях забойного оборудования ствола скважины, где пространство ограничено.
В данном документе описаны и проиллюстрированы вариант осуществления генератора нейтронов, способ управления его работой, а также каротажный инструмент на его основе. Хотя описан конкретный вариант осуществления изобретения, он не предназначен для ограничения изобретения, поскольку изобретение имеет такой широкий объем, какой должен обеспечивать уровень техники, и данное описание необходимо читать соответственно. Таким образом, хотя описаны конкретные каротажные инструменты, должно быть ясно, что генератор нейтронов настоящего изобретения можно использовать в других каротажных инструментах, а также других вариантах применения. Кроме того, хотя описаны конкретные конфигурации генератора нейтронов настоящего изобретения, должно быть ясно, что другие конфигурации также можно использовать. Поэтому специалистам в данной области техники должно быть ясно, что можно выполнять и другие модификации изобретения без отклонения от его сущности и объема, определяемого формулой изобретения.