Устройство для импульсного нейтронного спектрометрического гамма-каротажа

Полезная модель относится к геофизическим исследованиям скважин, а конкретно к спектрометрическим измерениям гамма-излучения, используемого для количественной оценки содержания элементов в скважине, определения пористости, нефтенасыщенности и других показателей.
Известно устройство для импульсного нейтронного каротажа (Патент РФ RU 2262124, МПК G01V 5/10, 10.10.2005), содержащее размещенные в охранном кожухе импульсный генератор быстрых нейтронов, сцинтилляционный детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, экран, блок преобразования «аналог-код», блок центрального процессора, блок приемопередатчика, блоки памяти.
Недостатком данного устройства является отсутствие покрытия, обеспечивающего ослабление обратного потока тепловых нейтронов, приходящих на устройство со стороны породы скважины, что приводит к увеличению фона прибора вследствие реакции этих нейтронов с материалом охранного кожуха и блока детектирования, вследствие чего происходит образование дополнительных гамма-квантов, например, железа, которые также регистрируются детектором и зашумляют спектр излучения, внося в него дополнительный фон.
Известно устройство для проведения спектрометрического каротажа (патент РФ RU 2191413, МПК G01V 5/12, 20.10.2002), содержащее охранный кожух, изготовленный из титана, в котором размещены детектор гамма-излучения, соединенный с фотоэлектронным умножителем, обеспечиваемым питанием от блока питания высокого напряжения и имеющим выход на вход блока преобразования «аналог-код», второй вход которого соединен с выходом блока преобразования вторичных напряжений, а выходы соединены с блоком центрального процессора: один непосредственно, другой через блок накопления амплитудно-временных спектров. Выход блока центрального процессора соединен с блоком питания высокого напряжения, вход которого соединен с выходом блока преобразования вторичных напряжений, выход которого соединен с блоком накопления амплитудно-временных спектров, вход которого соединен с выходом блока коммутации, соединенным с разъемом головки скважинного прибора и проходным разъемом, выход которого соединен с входом блока центрального процессора. Детектор помещен в экран, выполненный из свинца.
Недостатком данного устройства является отсутствие покрытия, обеспечивающего ослабление обратного потока тепловых нейтронов.
В качестве прототипа выбрано скважинное устройство Litho Scanner фирмы Schlumberger, которое описано в [Litho Scanner. Спектрометрия высокого разрешения. - 2012 г.; https://www.slb.ru. Геофизические исследования скважин - ГИС в открытом стволе - Сканеры], состоящее из импульсного нейтронного генератора, защиты от прямого потока нейтронов, сцинтилляционного детектора гамма-излучения, охранного кожуха. Снаружи кожуха в детекторной части имеется проточка. В этой проточке размещено покрытие, содержащее бор и обеспечивающее ослабление потока тепловых нейтронов. Недостатком данного устройства является отсутствие защиты борного покрытия от контакта с породой скважины и скважинным флюидом, что приводит к его истиранию. Быстрый износ покрытия приводит к увеличению фона гамма-квантов, возникающих при рассеивании тепловых нейтронов на охранном кожухе.
Задачей и техническим результатом является повышение ресурса аппаратуры.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для импульсного нейтронного спектрометрического гамма-каротажа содержатся размещенные внутри охранного кожуха, изготовленного из высокопрочной стали, импульсный генератор быстрых нейтронов, экран для защиты от прямого излучения, сцинтилляционные детекторы гамма-излучения и защиту от обратного потока тепловых нейтронов. Защита от обратного потока тепловых нейтронов представляет собой покрытие из смеси порошка карбида бора и эпоксидного связующего, нанесенного на наружную поверхность охранного кожуха. Покрытие также может быть нанесено с помощью напыления порошка карбида бора. Это покрытие располагается в проточке напротив детекторной части. Снаружи проточка с покрытием защищена металлической трубой, стойкой к механическим воздействиям и герметично соединенной с охранным кожухом.
Новым по отношению к прототипу является использование внешней трубы на проточке с покрытием с целью обеспечения стойкости к ударам и трению о породу и флюиды скважины, что позволит увеличить срок службы.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2.
На фиг. 1 схематично представлена конструкция устройства, где 1 - импульсный генератор быстрых нейтронов, 2 - экраны для защиты от прямого потока нейтронов, 3 - сцинтилляционные детекторы, 4 - фотоэлектронные умножители (ФЭУ), 5 - охранный кожух, 6 - покрытие от обратного потока тепловых нейтронов, 7 - защитная труба.
На фиг. 2. представлен отдельно эскиз охранного кожуха с покрытием от обратного потока тепловых нейтронов, защищенного трубой.
2
Устройство для импульсного нейтронного спектрометрического гамма-каротажа (фиг. 1) содержит размещенные внутри металлического охранного кожуха 5 импульсный генератор быстрых нейтронов 1, экран для защиты от прямого потока излучения 2, сцинтилляционные детекторы гамма-излучения 3, фотоэлектронные умножители 4. Охранный кожух 5 изготавливается из высокопрочной стали, на внешнюю сторону которого в месте расположения сцинтилляционных детекторов 3 в проточку нанесено покрытие 6 из материала, хорошо поглощающего тепловые нейтроны. В качестве такого материала может быть использована смесь порошка карбида бора с различными эпоксидными связующими и клеями. Покрытие 6 также может быть нанесено с помощью напыления порошка карбида бора. Такая защита позволит уменьшить поток гамма-квантов, возникающих на материалах конструкции самого устройства, в частности на охранном кожухе 5, и элементах блока детектирования (втулки, корпуса и т.д.) вследствие бомбардировки обратным потоком нейтронов (преимущественно теплового), налетающих на устройство со стороны скважины. Для ослабления потока тепловых нейтронов в 100 раз поверхностная плотность изотопов бора должна составлять не менее 100 мг/см, что соответствует толщине слоя ≈1 мм. Снаружи покрытие защищено тонкостенной трубой 7 из нержавеющей стали с толщиной стенок 1-1,5 мм. Края трубы развальцованы и приварены, что обеспечивает ее герметичность и исключает контакт защиты с внешней средой скважины, предохраняет, в частности, от истирания и ударов об обсадную колонну скважины.
Таким образом, предлагаемое устройство позволит повысить срок службы.
Работа устройства осуществляется следующим образом: импульсный нейтронный генератор инициирует поток быстрых нейтронов. Эти нейтроны, в ходе взаимодействия с ядрами химических элементов породы скважины генерируют ответное гамма-излучение, регистрируемое сцинтилляционными детекторами. Кроме того, часть нейтронов, отразившихся от породы скважины, попадает в виде тепловых нейтронов на охранный кожух устройства, что создает дополнительное гамма-излучение. Использование борного покрытия позволяет минимизировать это гамма-излучение. Сигналы со сцинтилляционных детекторов усиливаются в ФЭУ и представляют собой данные в виде энергетического спектра гамма-излучения.