Модуль гамма-каротажа

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин методом гамма-каротажа и может быть использована в скважинных приборах телеметрических систем для определения положения бурового инструмента относительно кровли и подошвы разбуриваемого пласта.
Из уровня техники, патент № 2427856 с приоритетом от 12.10.2005 г., известно устройство обнаружения гамма-излучения для портальных приложений, содержащее удлиненный модуль детектора гамма-излучения, имеющий корпус, содержащий крышку, герметично изолирующую упомянутый корпус, пару цилиндров внутри корпуса, каждый из которых содержит удлиненный сцинтилляционный материал, оба цилиндра со сцинтилляционным материалом на каждом из своих противоположных торцов содержат по установленному вдоль его оси фотоэлектронному умножителю и пружине для смещения соответствующего фотоэлектронного умножителя в направлении к сцинтилляционному материалу, при этом крышка имеет лицевую сторону, покрывающую, по меньшей мере, сцинтилляционный материал и выполненную из материала, по существу, прозрачного для гамма-излучения, обеспечивая возможность взаимодействия гамма-излучения со сцинтилляционными материалами, обнаруживаемого фотоэлектронными умножителями, для формирования электрического сигнала, пропорционального величине гамма-излучения.
Недостатком данного приемного устройства является то, что оно не может быть использовано в скважинных приборах телеметрических систем из-за ограниченных габаритных размеров скважинного оборудования.
Самым близким по своей технической сущности является модуль гамма-каротажа, описанный в патенте ПМ № 170212 с приоритетом от 20.09.2016 г., размещённый в защитном кожухе из титанового сплава и содержащий шасси электроники с платами, жестко закрепленное винтами с кожухом гамма-детектора, в продольном пазе кожуха расположены транзитные провода и установлены с двух сторон составные самоцентрирующиеся амортизаторы и соединители, причем в кожухе гамма-детектора расположен фотоэлектронный умножитель, установленный в заполненном силиконовым компаундом корпусе и соединенный оптически прозрачной силиконовой прокладкой со сцинцилляторным элементом, фотоэлектронный умножитель и сцинтилляторный элемент помещены между торцевыми амортизаторами из эластичного материала и амортизатором, выполненным в виде втулки из эластичного материала, для компенсации вибрации и ударов в осевом и радиальном направлении внутри кожуха гамма-детектора.
Недостатком данного технического решения является наличие одного сцинтиблока, имеющего объем кристалла, недостаточный для эффективного измерения интенсивности энергии гамма-излучения горных пород, пересекаемых скважиной.
Техническим результатом заявленной полезной модели является снижение относительной погрешности определения числа распадов за счет увеличения количества принятых гамма-частиц в единицу времени.
Задачей заявленной полезной модели является повышение достоверности и точности результатов, получаемых при геофизических исследованиях скважин.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что модуль гамма-каротажа, содержащий шасси электроники с платами, и включает два расположенных вдоль общей оси сцинтилляционных блока, размещённых в защитных кожухах, заполненных полимерным материалом и закрепленных между торцевыми амортизаторами, которые установлены зеркально по отношению к микроконтроллерному электронному модулю, закрепленному на шасси, причем каждый из сцинтилляционных блоков содержит делитель напряжений и сцинтилляционный кристалл, соединенный оптически прозрачной прокладкой с фотоэлектронным умножителем, при этом место соединения фотоэлектронного умножителя и сцинтилляционного кристалла оптически изолировано от корпуса скважинного прибора светоотражающей лентой. Достоверность и точность результатов, получаемых при геофизических исследованиях скважин (ГИС), определяется, в том числе, уровнем метрологического сопровождения этих работ, метрология, в данном случае, является одним из определяющих факторов при анализе результатов скважинных исследований. Все измерительные средства имеют погрешность измерения. Для методов радиационного каротажа (РК) дополнительно присутствует погрешность, вызванная статистическим характером радиоактивного распада и взаимодействия излучений. Закон радиоактивного распада отражает лишь среднее число распадов, фиксируемых при большом, теоретически бесконечном, повторении измерений. Число распадов за постоянное время испытывает случайные колебания, которые называются статистическими флуктуациями. В результате статистических флуктуаций кривая радиоактивного каротажа имеет отклонения, не связанные с изменением физических свойств пластов. Погрешность, вызванная флуктуацией тем больше, чем меньше импульсов, испускаемых в единицу времени (скорость счета). Абсолютная средняя квадратичная погрешность определения числа распадов равна
где N - зарегистрированное число распадов.
Относительная погрешность определения числа распадов равна:
Таким образом, измеряемая интенсивность излучения, то есть скорость счета в единицу времени:
где t - время измерений. Тогда:
.
Существуют следующие пути для уменьшения относительной погрешности, это:
Увеличение скорости счета J за счет повышения эффективности детектора, увеличения размеров кристалла детектора;
Увеличение времени измерений t;
Однако увеличение размера кристалла детектора ограничено габаритными размерами, т.е. диаметром скважинного прибора и технологическими ограничениями длины кристалла детектора, а увеличение времени измерения связано со снижением скорости движения скважинного прибора. Предположим, за 1 мин. зарегистрировано 100 распадов:
соответственно, за 100 мин будет зарегистрировано распадов:
т.е. для уменьшения относительной погрешности в 10 раз необходимо в 100 раз снизить скорость движения скважинного прибора, что неприемлемо при бурении скважин.
Увеличение числа детекторов, расположенных относительно рядом, позволяет уменьшить относительную погрешность, так как за один и тот же промежуток времени регистрируется большее количество распадов.
Конструкция заявленной полезной модели иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид модуля гамма-каротажа в двух проекциях, и на фиг. 2 представлен продольный разрез сцинтилляционного блока модуля гамма-каротажа. На фигуре 1 изображен сцинтилляционный блок 1, сцинтилляционный блок 2, микроконтроллерный электронный модуль 3, высоковольтный блок 4, высоковольтный блок 5, шасси 6. На фигуре 2 изображен сцинтилляционный кристалл 7, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 8, делитель напряжения 9, оптически прозрачная прокладка 10, светоотражающая лента 11, кожух 12, торцевой амортизатор 13, торцевой амортизатор 14, держатель 15, электрический соединитель 16, заполняющий полость полимерный материал 17.
Модуль гамма-каротажа включает сцинтилляционные блоки 1, 2, расположенные вдоль общей оси и установленные зеркально по отношению к микроконтроллерному электронному модулю 3, закрепленному на шасси 6. Каждый из сцинтилляционных блоков 1 и 2 состоит из сцинтилляционного кристалла 7, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 8 и делителя напряжений 9, представляющего собой блок печатных плат. Между сцинтилляционным кристаллом 7 и ФЭУ 8 закреплена оптически прозрачная прокладка 10. Место соединения ФЭУ 8 и сцинтилляционного кристалла 7 оптически изолировано от корпуса скважинного прибора светоотражающей лентой 11. Сцинтилляционный блок 1 помещен в кожух 12. Сцинтилляционный блок 1 упирается в торцевые амортизаторы 13, 14, выполненные из эластичного материала и зафиксированы держателем 15 с установленным электрическим соединителем 16. Свободное пространство между сцинтилляционным блоком 1 и кожухом 12 заполнено полимерным материалом 17. Транзитные электрические провода, соединенные с электрическим соединителем 16 и проходящие внутри кожуха 12 к микроконтроллерному электронному модулю 3 на рисунке условно не показаны. Сцинтилляционный блок 2 устроен аналогично сцинтилляционному блоку 1.
Работает заявленный модуль гамма-каротажа следующим образом. На модуль гамма-каротажа, помещенный в КНБК в составе скважинной телеметрической системы, воздействует гамма-излучение, как результат естественной гамма-активности горных пород в скважине. Гамма-частица, проходя сцинтилляционный кристалл 7, вызывает излучение фотона. Фотон поступает через оптически прозрачную прокладку 10 на ФЭУ 8 и преобразуется в электронный импульс. Далее импульс поступает на микроконтроллерный электронный модуль 3. Микроконтроллерный электронный модуль 3 обеспечивает усиление и регистрацию импульсов ФЭУ 8, а также суммирует поступающие импульсы и записывает данные во флеш-память микроконтроллерного электронного модуля 3. Высоковольтные блоки 4 и 5 формируют питающее напряжение минус 1500 В, подаваемое на делители напряжений 9, с которых напряжение подается на ФЭУ 8. Микроконтроллерный электронный модуль 3 получает и обрабатывает информацию от сцинтилляционных блоков 1 и 2 одновременно, что позволяет производить подсчет большего количества импульсов в единицу времени, чем при работе с единственным сцинтилляционным блоком. Модуль гамма-каротажа обменивается данными с устройством электронной передающей телеметрической системы по CAN-шине (на рисунке не показаны).