Зонд рентгенорадиометрического каротажа

 

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в устройствах рентгенорадиометрического каротажа. Целью изобретения является повышение точности определения размеров микрокаверн в скважинах, заполненных промывочной жидкостью. Конструкция зонда предусматривает заданное размещение двух одинаковых источников гамма-квантов относительно приемного окна счетчика и продольной оси последнего, что позволяет получить максимальную контрастность измерений по рассеянному излучению. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ядерно-физическим методам, применяемым в геологии, а именно к рентгенорадиометрическому каротажу скважин, и может быть использовано при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. Основной трудностью при проведении рентгенорадиометрического каротажа является выявление и оценка уровня микрокавернозности стенок исследуемых скважин. Определение размеров каверн позволяет вводить поправки в данные каротажа, что существенно повышает достоверность получаемой информации о содержании определяемых элементов. В настоящее время созданы ряд методик, которые позволяют оценивать степень микрокавернозности стенок скважин при проведении рентгенорадиометрического каротажа. Однако исследования в этой области направлены, главным образом, на разработку способов учета кавернозности в процессе каротажа, в то время как техническая сторона этой задачи практически не получила развития. Следует отметить, что в рентгенорадиометрическом методе для выявления каверн используется эффект аномального увеличения плотности потока рассеянного излучения при появлении промежуточной среды (промывочной жидкости) между входным окном зонда скважинного прибора и исследуемой поверхностью. Это явление наиболее четко проявляется в длинноволновой области спектра рентгеновского излучения (0 30 кэВ), где в качестве детекторов используются пропорциональные счетчики и источники сравнительно мягкого рентгеновского излучения (⁵⁵Fe, ¹⁰⁹Cd, ^119mSn). Известен зонд рентгеноpадиометричес- кого каротажа для определения размеров микрокаверн на стенках скважин, заполненных промывочной жидкостью, содержащий корпус с приемным окном, пропорциональный счетчик и два источника гамма-квантов, один из которых, самарий 145, используется для возбуждения в породах и рудах характеристического рентгеновского излучения олова, а другой, кадмий 109, -для определения размеров микрокаверн. Источники расположены по обеим сторонам от приемного окна детектора. Причем центры источников лежат на линии, проекция которой совпадает с продольной осью пропорционального счетчика. Указанная геометрия измерений, при которой ось коллиматора детектора (приемное окно) проходит через наиболее интенсивно облучаемую поверхность среды, называется геометрией прямой видимости и является наиболее распространенной в рентгенорадиометрическом каротаже. Данная геометрия измерения обеспечивает наилучшие условия для эффективного возбуждения и регистрации характеристического рентгеновского излучения определяемых элементов. Однако при определении размеров микрокаверн такая геометрия измерений обеспечивает невысокую точность измерений из-за малой величины отношения (контрастности) скоростей счета импульсов, измеренных в области пика однократно рассеянного излучения в присутствии промежуточного слоя промывочной жидкости и без него между зондом и опробуемой поверхностью. Указанное отношение составляет 2-3 единицы, что не обеспечивает уверенного определения размеров микрокаверн в диапазоне 0-10 мм, наиболее важном для практического использования метода. Другой недостаток зонда состоит в необходимости использования двух разных источников гамма-квантов, которые выполняют различные функции. Известен также двойной зонд рентгенорадиометрического каротажа, содержащий корпус с приемным окном и пропорциональный счетчик, в котором для уменьшения влияния на результаты рентгенорадиометрического каротажа промежуточного слоя промывочной жидкости использован второй источник первичного излучения (¹⁰⁹Cd), расположенный на большем расстоянии от детектора, чем первый источник ¹⁰⁹Cd в геометрии прямой видимости. Центры источников соосны с продольной осью пропорционального счетчика. Недостаток двойного зонда состоит в том, что, поскольку точность определения размеров микрокаверн низка, то самостоятельного значения для этой цели он не имеет и предназначается лишь для уменьшения влияния на результаты каротажа обводненной кавернозности скважин примерно в 2-3 раза при определении содержаний молибдена в породах и рудах. При этом следует отметить, что потери характеристического рентгеновского излучения молибдена в каверне глубиной 10 мм составляют примерно 90% при данной геометрии измерений. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является зонд рентгенорадиометрического каротажа, содержащий корпус с приемным окном, пропорциональный счетчик и два одинаковых источника гамма-квантов, реализованный в серийно выпускаемом скважинном приборе ПРС-1. Источники в зонде расположены по обе стороны от приемного окна детектора симметрично относительно его центра, а центры источников лежат на линии, проекция которой практически совпадает с продольной осью (нитью) пропорционального счетчика. В зонде использован классический вариант геометрии прямой видимости. Недостаток зонда состоит в невысокой точности определения размера микрокаверн за счет слабого проявления эффекта аномального роста пика однократно рассеянного излучения в присутствии промежуточного слоя промывочной жидкости по сравнению с вмещающей средой. Целью изобретения является повышение точности определения размеров микрокаверн в скважинах, заполненных промывочной жидкостью, за счет выбора таких геометрических условий измерений, которые позволяют добиться значительного увеличения плотности потока однократно рассеянного излучения в кавернозных участках по отношению к опробуемой поверхности, не имеющей каверн. Сущность изобретения состоит в аномальном увеличении плотности потока рассеянного гамма-излучения в присутствии промежуточного слоя промывочной жидкости между зондом скважинного прибора и стенкой исследуемой скважины. Кроме этого известно, что при увеличении плотности и атомного номера среды их однократного рассеяния смещается в сторону больших энергий относительно пика рассеянного, например, на алюминии (вмещающая среда) излучения вследствие уменьшения глубины проникновения в среду первичного излучения и, как результат этого, уменьшения объема и угла рассеяния. При переходе к среде с меньшими значениями плотности и атомного номера (промежуточный слой жидкости) или при удалении зонда от ее поверхности эффективный угол рассеяния увеличивается, а энергия комптоновского рассеяния соответственно уменьшается. Кроме этого, при изменении эффективного угла рассеяния меняются и углы падения вторичного излучения на поверхности детектора. Это также приводит к изменению спектрального распределения вторичного излучения. В связи с этим в скважинах с повышенным уровнем кавернозности необходимым условием является проведение измерений в расходящихся пучках первичного и вторичного излучений, т. е. использование зондовых устройств с неограниченным объемом прямой видимости. Таким образом, для повышения точности определения размеров микрокаверн по однократно рассеянному излучению необходимо добиваться максимального соотношения скоростей счета импульсов, измеренных в области пика однократно рассеянного излучения в условиях насыщенного слоя промывочной жидкости (для длинноволновой области спектра эта величина составляет 15-20 мм) и при отсутствии жидкости между зондом и стенкой скважины. Применение стандартных зондов рентгенорадиометрического каротажа позволяет получить величину указанного соотношения 2-3, в лучшем случае 5 единиц. На основе экспериментальных исследований выбраны геометрические условия измерений, которые позволили увеличить это соотношение минимум в 2 раза, т. е. равное 8-10 единицам. Предлагаемый зонд позволяет уверенно регистрировать каверны глубиной 0-10 мм, что вполне достаточно для практического применения рентгенорадиометрического каротажа. Критерием выбора предлагаемого зонда является такое взаимное расположение элементов зондового устройства "источники счетчик окно зонда", которое позволяет в рамках конкуретного базового скважинного прибора получить максимальную величину указанного выше соотношения или, иными словами, максимальную контрастность измерений по рассеянному излучению. На фиг. 1 представлены зонды рентгенорадиометрического каротажа, общий вид скважинного прибора с зондом (а) и предлагаемый зонд (б) и (в); на фиг. 2 спектры однократно рассеянного излучения источников ^119mSn с зондами различных конструкций прототипом (а) и предлагаемым (б); на фиг. 3 зависимости разностей скорости счета импульсов, измеренной в области однократно рассеянного излучения источников ^119mSn, от расстояния h между зондом и измеряемой поверхностью в присутствии промежуточного слоя промывочной жидкости с зондами: предлагаемым (III) и прототипом (IV); на фиг. 4 пример практического использования зонда для рентгенорадиометрического каротажа на молибден. Зонд рентгенорадиометрического каротажа содержит корпус 1, пропорциональный счетчик 2, бериллиевое окно 3 счетчика, окно 4 корпуса, корпус зонда или экран-контейнер 5 для источников, радиоизотопные источники 6, приемное окно 7 зонда. Зонд работает следующим образом. При движении скважинного прибора вдоль ствола исследуемой скважины корпус 1 в области зонда плотно прилегает к стенке скважины с помощью прижимных рессорных устройств (пружины и т. п.). Первичный поток гамма-квантов от источника 6, пройдя через бериллиевое окно 4, облучает породы и руды на стенке скважины. Поток однократно рассеянных квантов от облучаемой среды через бериллиевое окно 4, приемное окно 7 зонда, бериллиевое окно 3 пропорционального счетчика попадает внутрь детектора и преобразуется в электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна энергии гамма-квантов. С выхода счетчика сигнал передается к регистрирующей аппаратуре. При отсутствии между зондом и стенкой скважины каверн (промежуточного слоя жидкости) величина этого сигнала невелика и значение потока рассеянных квантов определяется плотностью и атомным номером среды, которые варьируют в незначительных пределах. При появлении промежуточного слоя промывочной жидкости (наличие каверны) происходит аномальный рост потока однократно рассеянного излучения, величина которого зависит, как указывалось, от геометрических условий измерений (конструкции зонда). На фиг. 2 показаны спектры однократно рассеянного излучения, полученные с источниками олово-119m и с помощью аппаратуры РАГ-М-101 со скважинным прибором ПРС-1, в котором использованы зонды различной конструкции. Кривая III характеризует поток однократно рассеянных квантов от смещающей алюмосиликатной среды (плотность 2,5 г/см³), атомный номер 13. При наличии каверны на исследуемой поверхности, заполненной промывочной жидкостью, плотность и атомный номер среды резко начинают уменьшаться пропорционально величине каверны и происходит аномальное увеличение плотности потока рассеянного излучения. Кривая IV отражает максимальную величину (насыщенный слоя промывочной жидкости) однократно рассеянного излучения. Соотношение величины потоков гамма-квантов, измеренных в области максимума пика однократно рассеянного излучения, при насыщенном слое промывочной жидкости и без него характеризует чувствительность метода при определении размера микрокаверн. Для зонда, изображенного на фиг. 2а, эта величина составляет примерно 4, а для зонда на фиг. 2 б 10-12 единиц. Как видно из спектров, представленных на фиг. 2, точность измерений с предлагаемыми зондами примерно в 2 3 раза возрастает по сравнению с зондом стандартной конструкции, принятым в качестве прототипа. На фиг. 3 показан линейный рост измеряемого параметра разностной скорости счета δ_h в области пика однократно рассеянного излучения от размера каверны h, заполненной промывочной жидкостью. Измерения выполнены с помощью зонда-прототипа (IV) и предлагаемого зонда (III), точность определения размера микрокаверн повышается минимум в 2 раза. Это достигается за счет выбора оптимальных геометрических условий измерений, которые реализованы в предлагаемых конструкциях зондовых устройств. В качестве примера, характеризующего работу предлагаемого зондового устройства, на фиг. 4 показана палетка, построенная на моделях горных пород и руд при различных значениях промежуточного слоя промывочной жидкости с помощью градуировочного устройства и аппаратуры РАГ-М-101 со скважинным прибором ПРС-1, в котором использован зонд, приведенный на фиг. 1. Палетка построена для определения по данным рентгенорадиометрического каротажа содержаний молибдена с одновременным определением размера микрокаверн на стенках скважины. Для возбуждения характеристического излучения молибдена и определения микрокаверн использовали источники ^119mSn общей активностью 0,3 ГБк. Кривая V отражает закономерность поглощения характеристического рентгеновского излучения молибдена в промежуточном слое промывочной жидкости h (параметр разностной скорости счета импульсов δ_x). Кривая VI характеризует параметр δ_h, который используется для определения величины каверны. По совокупности кривых V и VI автоматически в процессе каротажа определяют поправку t_h, которая восстанавливает ту долю рентгеновской флуоресценции молибдена, которая поглотилась в промежуточном слое жидкости. Предложенный зонд рентгенорадиометрического каротажа повышает точность определения размера микрокаверн минимум в 2 раза по сравнению с существующими конструкциями зондовых устройств. Зонд может быть применен практически в любом серийно выпускаемом скважинном приборе (ПРС-1, СП-РРК-II и др.). В зонде для определения размеров микрокаверн используются те же радиоизотопные источники гамма-квантов, что и для возбуждения характеристического рентгеновского излучения определяемых элементов. Зонд наиболее эффективно позволяет получить смещение пика однократно рассеянного излучения в сторону меньших энергий при наличии поглощающего слоя промывочной жидкости по сравнению с вмещающей средой (см. фиг. 2). Перечисленные преимущества предлагаемого зонда позволяют при минимальных технических усовершенст- вованиях существующих скважинных приборов эффективно решить основную проблему рентгенорадиометрического каротажа, связанную с оценкой микрокавернозности стенок исследуемых скважин при определениях содержаний элементов в породах и рудах. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при исследованиях в длинноволновой области спектра рентгеновского излучения. Геолого-экономическая эффективность от использования изобретения заключается в возможности создания практических методик рентгенорадиометрического каротажа с целью определения содержаний элементов непосредственно в условиях естественного залегания пород и руд. Предлагаемый зонд может быть использован в серийной каротажной аппаратуре и может иметь самостоятельное значение (вне приложения к рентгенорадиометрическому каротажу), когда необходимо выявлять степень микрокавернозности стенок скважин для решения тех или иных геологических задач.

Формула изобретения

1. ЗОНД РЕНТГЕНОРАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КАРОТАЖА, содержащий корпус с входным окном, размещенные в корпусе пропорциональный счетчик и первый и второй идентичные источники гамма-излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения размеров микрокаверн в скважинах, заполненных промывочной жидкостью, первый и второй источники гамма-излучения размещены симметрично по обеим сторонам относительно плоскости, проходящей через ось пропорционального счетчика и центр входного окна зонда. 2. Зонд по п.1, отличающийся тем, что первый и второй источник гамма-излучения размещены асимметрично по одну сторону относительно плоскости, проходящей через центр входного окна зонда перпендикулярно оси пропорционального счетчика. 3. Зонд по п.1, отличающийся тем, что первый и второй источники гамма-излучения размещены симметрично относительно плоскости, проходящей через центр входного окна зонда перпендикулярно оси пропорционального счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 32-2000

Извещение опубликовано: 20.11.2000        

---