СПОСОБ НЕЙТРОННОГО ГАММА-КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR NEUTRON GAMMA LOGGING AND FACILITY FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к ядерной геофизике и может быть использовано для каротажа нефтяных и газовых скважин.
Известны способы и устройства для неразрушающего контроля с применением времяпролетной методики, в которой используются генераторы нейтронов со встроенными детекторами альфа-частиц. Такие генераторы называют генераторами меченых нейтронов (ГМН). Устройство таких генераторов подробно описано в [1, 2]. Генерация нейтронов происходит по ядерной реакции , в которой продукты реакции - альфа-частица и нейтрон разлетаются в противоположные относительно друг друга стороны, угол разлета равен 180°. Если на пути альфа-частицы поставить детектор, то при регистрации альфа-частицы можно сказать, что в противоположном направлении летит нейтрон. Угол контролируемого конуса разлета нейтронов зависит от размеров детектора альфа-частиц и его расположения относительно точки рождения продуктов ядерной реакции (мишени нейтронного генератора) и постоянен для конкретной конструкции нейтронного генератора. Параметры альфа-частицы по законам движения связаны с направлением и моментом вылета самого нейтрона, что дает возможность отслеживать начальный этап траектории нейтрона в среде, в т.ч. и оценивать его удаление от источника посредством регистрации возникающего при взаимодействии со средой гамма-излучения.
Детектор гамма-квантов измеряет спектры гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов в заданных относительно момента регистрации альфа-частицы интервалах времени. По измеренным спектрам определяется элементный состав в зонах, разно удаленных от точки облучения.
Такой способ измерения получил название в русскоязычной литературе как Метод Меченых Нейтронов (ММН) [1], а в англоязычной литературе именуется как Associated Particle Imaging (API) или Associated-Particle, Sealed-Tube, Neutron Generator (APSTNG) [7].
Известно, что устройства, реализующие такой способ, применяются для решения специальных задач безопасности, контроля багажа, обнаружения взрывчатых веществ [2], а также для исследования состава вещества, окружающего скважину [3, 4, 5].
Наиболее близким к заявляемому способу является изложенный в [6] способ ядерного каротажа, включающий облучение горных пород в скважине нейтронами, сгенерированными в скважинном приборе, регистрацию альфа-частиц, образовавшихся в результате реакции  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. При этом скважинный прибор ориентируют относительно скважины так, 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°. В данном способе 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.
Наиболее близким к заявляемому устройству является изложенное в [6] устройство для ядерного каротажа, включающее 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, селектор, выходная шина данных которого подключена на второй вход многоканального амплитудного анализатора. Второй выход усилителя канала гамма-квантов устройства 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. При этом 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, причем 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°.
Данный способ и реализующее его устройство позволяют по зарегистрированным спектрам гамма-излучения проводить томографию нефтяных и газовых скважин.
К недостаткам данного способа и реализующего его устройства следует отнести наличие мертвой зоны, связанной с тем, что момент регистрации альфа-частицы запаздывает относительно момента вылета нейтрона на время пролета альфа-частицей расстояния от точки рождения до детектора альфа-частиц, вследствие чего гамма-излучение неупругого рассеяния от нейтронов, взаимодействующих вблизи источника, не регистрируется и информация о ближней зоне скважины отсутствует. При временном разрешении системы регистрации, приведенном в описании прототипа, равном 3 наносекундам, обеспечивается пространственное разрешение не более 15 см, что недостаточно для детального изучения радиального разреза околоскважинного пространства.
Предлагаемый способ и реализующее его устройство устраняют эти недостатки, позволяют повысить точность проводимых измерений и получить непосредственно информацию об элементном составе среды в скважине, качестве обсадки, толщине и составе глинистой корки, размере зоны проникновения скважинного флюида и происходящих в ней изменениях химического состава, а также о составе неизмененной породы в дальней зоне от скважины с пространственным разрешением около 0,5 см.
Технический результат достигается тем, что в способе контролируют вылет нейтронов в конус с углом 30° перпендикулярно оси прибора, непрерывно оцифровывают сигнал детектора гамма-квантов аналого-цифровым преобразователем с дискретностью 0,1 наносекунды, непрерывно записывают его значения в память микропроцессора, определяют наличие импульса от детектора гамма-квантов, его амплитуду и время прихода относительно момента рождения нейтрона в заранее заданном интервале, производят селекцию импульсов от гамма-квантов, совпадающих с энергиями нерассеянного гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S, формируют из них временные распределения, рассчитывают координаты границ цилиндрических зон, окружающих скважину, и концентрации в них элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S путем подбора параметров заранее заданной модели околоскважинного пространства до наилучшего совпадения с результатами измеренных временных распределений.
Технический результат достигается также тем, что устройство снабжено аналого-цифровым преобразователем с временем преобразования 0,1 наносекунды, оцифровывающим непрерывно сигнал детектора гамма-квантов, микропроцессором, который при появлении импульса от альфа-частицы со встроенного в нейтронный генератор детектора альфа-частиц определяет наличие импульса от детектора гамма-квантов, амплитуду и время его прихода относительно момента рождения нейтрона в заранее заданном интервале, селектирует импульсы от гамма-квантов, совпадающие с энергиями нерассеянного гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S, формирует из них временные распределения, рассчитывает координаты границ цилиндрических зон, окружающих скважину, и концентрацию в них элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S путем подбора параметров заранее заданной модели околоскважинного пространства до наилучшего совпадения с результатами измеренных временных распределений.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен скважинный прибор, зондирующий околоскважинное пространство; на фиг.2 - блок-схема устройства; на фиг.3 - временная диаграмма процесса регистрации; на фиг.4 - структура модели околоскважинной среды, принятая в расчетах; на фиг.5 - результаты моделирования временных спектров нерассеянных потоков гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов от Ca, Si, C, O, Fe в модели околоскважинной среды при угле вылета нейтронов 30°; на фиг.6 - результаты моделирования временных спектров нерассеянных потоков гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов от Са, Si, С, О, Fe в модели околоскважинной среды при угле вылета нейтронов 90°.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В скважину помещают каротажный прибор 3, содержащий генератор нейтронов 2 со встроенным детектором альфа-частиц 8 и детектор гамма-квантов 1. Детектор альфа-частиц расположен в генераторе нейтронов так, что контролируемый конус вылета нейтронов 4 имеет угол разлета 30° и перпендикулярен к оси скважинного прибора.
Генератор 2 испускает быстрые нейтроны, которые взаимодействуют с веществом в околоскважинном пространстве. Вещество рассматривается как последовательность различающихся по составу зон, находящихся на разном удалении от точки вылета нейтрона, например: скважинный флюид (I), обсадная колонна (II), цемент (III), измененная зона пласта (IV), неизмененная порода (V). Расположение зон показано на фиг.1.
Испускаемые генератором 2 быстрые нейтроны с энергией 14,1 МэВ, попадая в среду, вступают в ядерные реакции с атомами среды, в результате которых ядра излучают гамма-кванты с характеристической для каждого элемента энергией. Часть этих квантов, не претерпев ни единого соударения с атомами среды, попадает в детектор гамма-квантов 1, расположенный в скважинном приборе 3.
Гамма-квант, рожденный при взаимодействии нейтрона с атомом в околоскважинном пространстве, может прилететь в детектор 1 раньше, чем в генераторе нейтронов будет зарегистрирована альфа-частица, рожденная одновременно с этим нейтроном, поэтому сигнал детектора гамма-квантов регистрируют непрерывно во времени с помощью аналого-цифрового преобразователя 6 с дискретностью 0,1 наносекунды и непрерывно записывают в память микропроцессора 7.
При появлении импульса от альфа-частицы со встроенного в генератор 2 детектора 8 микропроцессор 7 определяет наличие импульса от детектора гамма-квантов 1, его амплитуду и время прихода относительно момента рождения нейтрона в заранее заданном интервале, селектирует импульсы от гамма-квантов, совпадающие с энергиями нерассеянного гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S, формирует временные распределения элементов, рассчитывает координаты границ цилиндрических зон, окружающих скважину, и концентрации в них элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S путем подбора параметров заранее заданной модели околоскважинного пространства до наилучшего совпадения с результатами измеренных временных распределений.
Предложенное для реализации способа устройство работает следующим образом. Нейтронный генератор 2 со встроенным детектором альфа-частиц 8 испускает быстрые нейтроны. Индуцированное нейтронами гамма-излучение регистрируется детектором гамма-квантов 1. Сигнал с детектора гамма-квантов через усилитель 5 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Аналого-цифровой преобразователь непрерывно оцифровывает сигнал детектора 1 с дискретностью 0,1 наносекунды. Мгновенные значения сигнала детектора 1 записываются в память микропроцессора 7.
Детектор альфа-частиц 8 расположен в генераторе нейтронов так, что контролируемый конус вылета нейтронов 4 имеет угол разлета 30° и перпендикулярен к оси скважинного прибора.
Сигнал от детектора альфа-частиц 8 усиливается усилителем-формирователем 9 и в виде прямоугольного импульса подается на вход микропроцессора 7.
Сигнал от альфа-частицы всегда запаздывает относительно момента рождения нейтрона и альфа-частицы. Время запаздывания Т1 равно времени пролета альфа-частицей расстояния от точки рождения до детектора альфа-частиц, постоянно для конкретной конструкции нейтронного генератора и учитывается при обработке сигнала детектора гамма-квантов.
При появлении импульса от альфа-частицы на входе микропроцессора микропроцессор продолжает запись значений сигнала в течение времени Т2. По окончании интервала микропроцессор по записанным мгновенным значениям сигнала детектора 1 определяет наличие импульса от гамма-квантов, его амплитуду и время прихода относительно момента рождения нейтрона в заранее заданном интервале Т3, селектирует импульсы от гамма-квантов, совпадающие с энергиями нерассеянного гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов на элементах Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S, формирует из них временные распределения, рассчитывает координаты границ цилиндрических зон, окружающих скважину, и концентрацию в них элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S путем подбора параметров заранее заданной модели околоскважинного пространства до наилучшего совпадения с результатами измеренных временных распределений и передает на индикатор 10. На индикаторе отображаются результаты измерений.
На фиг.3 показана временная диаграмма работы устройства. Подписи к диаграмме соответствуют:
- Т1 - время пролета альфа-частицей расстояния от точки рождения до детектора альфа-частиц,
- Т2 - интервал времени после регистрации альфа-частицы,
- Т3 - заданный интервал наблюдения,
- А - ситуация, когда импульс от детектора гамма-квантов находится вне заданного интервала наблюдения и игнорируется,
- В - ситуация, когда импульс от детектора гамма-квантов находится в заданном интервале наблюдения и обрабатывается,
- С - ситуация, когда импульс от детектора гамма-квантов находится в интервале времени пролета альфа-частицей расстояния от точки рождения до детектора альфа-частиц и обрабатывается,
- D - ситуация, когда импульс от детектора гамма-квантов в заданном интервале наблюдения отсутствует и измерение игнорируется.
Для оценки возможностей предлагаемого способа и устройства на его основе проведены численные расчеты в моделях сред, наиболее близких к реальным скважинным и геологическим условиям. На фиг.4 показана модель среды, использованная в проведенных расчетах. Она состоит из пяти цилиндрических слоев, различающихся по химическому составу:
2
- скважина, заполненная жидкостью I, химический состав HO
- железная колонна II, Fe
3
- цемент III, CaCO
2
2
- измененная зона пласта IV, SiO+HO
2
2
- неизмененная порода V, SiO+CH
В качестве величин, используемых для определения положения границ пространственных неоднородностей и состава среды между этими границами, выбраны зависимости изменения нерассеянных спектральных компонент потоков гамма-излучения неупругого рассеяния во времени, для элементов Ca, Si, C, O, Fe. Рассчитанные временные распределения гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов для угла вылета нейтронов 30° показаны на фиг.5, для угла вылета нейтронов 90° показаны на фиг.6.
Результаты моделирования указывают на высокую чувствительность измерений к радиальным границам и на достаточное пространственное разрешение (около 0,5 см) при временной дискретизации измерений на уровне 0,1 нс.
Источники информации
1. В.М.Быстрицкий, Н.И.Замятин, В.Г.Кадышевский, А.П.Кобзев, В.А.Никитин, Ю.Н.Рогов, М.Г.Сапожников, А.Н.Сисакян, В.М.Слепнев, Н.В.Власов. Изучение ядерно-физических методов идентификации скрытых веществ в ОИЯИ. Сборник материалов международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», ФА по атомной энергии РФ, ВНИИА, М., 2004, с.306-319.
2. Е.П.Боголюбов, С.А.Коротков, С.А.Краснов, Ю.К.Пресняков, Т.О.Хасаев. Нейтронные технологии на базе портативных генераторов нейтронов для инспекции опасных объектов. Сборник материалов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», ФА по атомной энергии РФ, ВНИИА, М., 2004, с.326-333.
3. Qu Xiancai, Ding Xijin, Li Huazhang, Wu Liping, Jiang Shilian. Новый каротажный прибор для спектрометрии сопутствующих а-частиц при углерод/кислородном каротаже и его применение для оценки маломощных пластов. II Китайско-Российский научный симпозиум по геофизическим исследованиям скважин, Шанхай, 3-5 ноября 2002 г. Материалы Симпозиума, Уфа, 2003, с.11-17.
4. Qu Xiancai, Ding Xijin, Li Huazhang, Wu Liping, Jiang Shilian. Каротажный прибор для спектрометрии сопутствующих а-частиц углерода/кислорода и его применение для оценки маломощных пластов, НТВ «КАРОТАЖНИК», Выпуск 12-13 (125-126), Тверь, 2004, с.257-265.
5. Патент Китая №1047237, МПК E21B 47/00, по заявке №93109244, 1995.
6. Патент РФ №2256200, МПК G01V 5/10.
7. Е.Rhodes, С.Е.Dickerman, A.DeVolpi, C.W.Peters. APSTNG: Radiation Interrogation for Verification of Chemical and Nuclear Weapons, IEEE Trans. Nucl. Science. 1992, vol.39, pp.1041-1045.