Способ гамма-каротажа

 

Использование: при гамма-каротаже для определения концентраций гамма-излучающих изотопов в горных породах. Сущность изобретения: детектируют гамма-излучение горных пород в скважине нечетным количеством однотипных датчиков, расположенных симметрично относительно середины пласта на отрезке длиной 2L с шагом ΔZ,, где L - пробег гамма-излучения в горных породах, ΔZ - требуемая разрешающая способность каротажа, полярность сигналов датчиков перед суммированием чередуют, и регистрируют суммарный сигнал. 1 ил.

Изобретение относится к области геофизических исследований буровых скважин.

Известен способ гамма-каротажа [1] при котором скважинный прибор перемещают по скважине, детектируют гамма-излучение горных пород, формируют импульсы, суммируют количество импульсов за определенный промежуток времени и накопленный таким образом суммарный сигнал передают на регистратор. Зарегистрированные данные обрабатываются (интерпретируются) с целью расчленения разреза по естественному гамма-излучению и определения концентрации гамма-излучающих изотопов в горных породах. Известны разновидности этого способа, когда для повышения точности исследования скважин применяют несколько однотипных датчиков, расположенных идентично друг другу (в одном сечении скважинного прибора), подавая их сигналы одновременно по параллельным цепям на суммирующее устройство. Количество датчиков при этом ограничено поперечным сечением скважинного прибора.

Недостатком этих решений является низкая разрешающая способность исследования разреза скважины вследствие того, что датчик(и) гамма-излучения воспринимает(ют) гамма-излучение горных пород с интервала длиной 2L вдоль оси скважины, где L длина пробега гамма-излучения в горных породах. Величина L равна примерно 0,5 м, следовательно, известным способом можно уверенно выделять однородные по радиоактивности слои мощностью не менее 1 м. Этой величиной и оценивается разрешающая способность гамма-каротажа в известном и наиболее широко распространенном его исполнении.

Наиболее близок к предлагаемому решению способ радиоактивного каротажа [2] состоящий в том, что в скважинном приборе применяется ряд однотипных датчиков, расположенных с некоторым интервалом по его длине, при этом информацию от датчиков непрерывно суммируют после приведения ее к условной точке скважинного снаряда посредством временной задержки сигнала в канале каждого из датчиков, устанавливаемой в зависимости от скорости.

Недостаток данного технического решения также заключается в низкой разрешающей способности каротажа, что оказывается весьма существенным при исследовании разрезов горных пород с резко изменяющейся радиоактивностью.

Заявляемое техническое решение направлено на решение задачи повышение разрешающей способности гамма-каротажа.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе гамма-каротажа, включающем детектирование гамма-излучения горных пород с применением ряда однотипных датчиков, общее число датчиков берут нечетным, полярность сигналов датчиков перед суммированием чередуют, а чувствительность датчиков настраивают в соответствии с законом изменения интенсивности гамма-излучения пласта мощностью ΔZ при условии равномерного и симметричного относительно пласта расположения датчиков на отрезке длиной 2L с шагом ΔZ, где L длина пробега гамма-излучения в горных породах, ΔZ требуемая разрешающая способность каротажа.

Для обоснования определяемого технического решения рассмотрим формальную связь измеряемой при гамма-каротаже интенсивности гамма-излучения I с концентрацией гамма-излучателей в горных породах ϕ, определение которой является целью каротажа. Эта связь имеет вид (1): (1), где K(Z-ζ) ядро интегрального уравнения (1), эта функция представляет собой интенсивность гамма-излучения элементарного пласта (бесконечно малой мощности dζ), при этом положение пласта соответствует точке z оси скважины, а гамма-излучение рассматривается в точке Z; L длина пробега гамма-излучения в горных породах. С достаточной для практики точностью величина L может быть оценена, как такое расстояние от пласта до датчика гамма-излучения, при котором влияние пласта на результат измерения становится пренебрежимо малым.

Приближенное решение уравнения (1) может быть записано как (2), здесь F(Z-ζ) разрешающее ядро. Для нахождения ϕ необходимо, таким образом, знать функцию F(Z-ζ).

Для определения F воспользуемся следующей формулой: где φ символ преобразования Фурье.

Функцию f[K(l)] приближенно представим в виде где а и А постоянные, ω параметр (частота).

В этом случае и функции К(l) и F(l), определенные на равномерной сетке с шагом Δl, будут иметь вид (вывод опускается):

,
где ω_N= π/Δl. При достаточно малой величине Δl (это условие является необходимым при построении формул (3).

тогда вместо (3) будет:

В этом случае
F(n·Δl) = (-1)·c·K(n·Δl), (4),
где
(5)
Таким образом, в соответствии с (4) для построения разрушающего ядра необходимо умножить значения ядра К на постоянную величину С и прочередовать знаки получившихся величин. Постоянная С может быть вычислена по формуле (5) или определена путем физического моделирования.

После того, как разрешающее ядро определено, можно вычислять ϕ, для чего в (2) следует интеграл заменить суммой, а функции Р и F заменить их значениями в узлах равномерной сетки с шагом DZ = Δl,
(6),
где m коэффициент пропорциональности, .

Выражение (6) является решением системы линейных алгебраических уравнений
(7),
которая получается из интегрального уравнения (1) после замены в (1) интеграла конечной суммой, а функций К и ϕ их значениями в узлах равномерной сетки с шагом Dz = ΔZ = Δl. В (7) KΔ приобретает смысл интенсивности гамма-излучения пласта мощностью DZ при единичной концентрации в нем гамма-излучателей. При этом интенсивность рассматривается в точке Z_i, а пласт относится к точке S_j.

Преобразование (6), позволяющее по наблюдениям интенсивности гамма-излучения в 2k + 1 точках оси скважины определить искомое значение концентрации гамма-излучателей в точке Z_i, может быть реализовано в процессе каротажа. Для автоматического выполнения этого преобразования:
1) необходимо установить в скважинном приборе 2k + 1 однотипных датчиков, равномерно расположив их на отрезке длиной 2L;
2) в соответствии с характером изменения знаков разрешающего ядра FΔ полярность сигналов датчиков должна чередоваться, т.е. два любых смежных датчика должны давать на суммирующее устройство сигналы разной полярности;
3) чувствительность датчиков нужно настроить пропорционально значениям функции KΔ(l), т.е. чувствительность центрального датчика установить пропорционально KΔ(O) чувствительность двух примыкающих к нему датчиков установить пропорционально KΔ(ΔZ),, последующих двух датчиков пропорционально KΔ(2ΔZ) и т.д.

На чертеже изображена блок-схема устройства для осуществления гамма-каротажа описываемым способом при использовании пяти датчиков.

В скважинном приборе располагают все блоки, показанные на чертеже, за исключением регистратора Р, который размещается на поверхности около устья скважины. При этом датчики Д1-Д3 располагаются равномерно по оси скважинного прибора, размещение остальных блоков несущественно. В качестве датчиков могут быть использованы любые индикаторы излучения, например газоразрядные счетчики, сцинтилляционные счетчики и ионизационные камеры. Для каждого датчика предусмотрен блок регулировки чувствительности (41-45). Настройку чувствительности можно осуществлять, например, меняя величину рабочего напряжения. Блоки П1-П5 регулируют полярность сигналов таким образом, что сигналы (импульсы) в каналах с нечетными номерами положительны, а с четными номерами отрицательны. Допустим и обратный случай, но тогда результирующий сигнал будет отрицательным и это должно быть учтено при включении регистратора.

Сигналы датчиков суммируются с учетом их полярности в блоке С, а результирующий сигнал записывается регистратором Р.

Способ может быть реализован как в непрерывном, так и в дискретном вариантах.

Суммирование сигналов, сформированных от датчиков, чувствительность которых устанавливают в соответствии с законом изменения и заданной полярностью, формирует результирующий сигнал, определяемый пластом мощностью ΔZ и свободный от влияния гамма-излучения вмещающих горных пород. Минимальное целесообразное расстояние между смежными датчиками 5 см, дальнейшее их сближение не увеличит разрешающей способности гамма-каротажа, ибо предельная разрешающая способность гамма-каротажа оценивается величиной 5 см.

Предлагаемый способ реализован в лабораторных условиях с помощью макета, блок-схема которого соответствует чертежу. В качестве датчиков применены сцинтилляционные счетчики полевых радиометров СРП-68. Настройка чувствительности осуществлялась путем регулировки рабочего напряжения на каждом из счетчиков. В качестве блоков П1-П5, регулирующих полярность сигналов, использовались интеграторы на операционных усилителях (соответственно в инвертирующем и неинвертирующем включении). С выходов этих блоков сигналы разной полярности, пропорциональные частоте поступающих импульсов от датчиков, подаются на суммирующее устройство С с числом входов, соответствующим числу датчиков. Выходной сигнал суммирующего устройства подается на регистратор Р, в качестве которого использовался каротажный регистратор Н-361.

Описанным устройством выполнены измерения на модели скважины, имитирующей сложный пласт, состоящий из четырех прослоев мощностью 20 см с известной различной концентрацией гамма-излучателей. Результаты измерений с погрешностью до 2% соответствуют заданным концентрациям. Тем самым подтверждена высокая эффективность предлагаемого способа, достигнутая при этом разрешающая способность (20 см) в 4-5 раз превышает разрешающую способность гамма-каротажа в известном исполнении.

Использование предлагаемого способа гамма-каротажа позволяет существенно повысить оперативность получения результатов и снизить общие затраты на определение радиоактивности горных пород, вскрытых скважинами. Эти положительные эффекты обусловливаются тем, что предлагаемый способ (в отличие от известных) благодаря высокой разрешающей способности позволяет фактически вместо кривой интенсивности гамма-излучения регистрировать в процессе каротажа кривую распределения концентрации гамма-излучателей в разрезе скважины. В традиционной технологии распределение концентрации гамма-излучателей удается определить лишь после выполнения довольно сложной и трудоемкой обработки результатов наблюдений. С применением предлагаемого способа необходимость в этих вычислениях отпадает.

Формула изобретения

Способ гамма-каротажа, включающий детектирование гамма-излучения горных пород с применением ряда однотипных датчиков, суммирование сигналов датчиков и регистрацию суммарного сигнала, отличающийся тем, что общее число датчиков берут нечетным, полярность сигналов датчиков перед суммированием чередуют, а чувствительность датчиков настраивают в соответствии с законом изменения интенсивности гамма-излучения пласта мощностью ΔZ при условии равномерного и симметричного относительно пласта расположения датчиков на отрезке длиной 2L с шагом ΔZ, где L длина пробега гамма-излучения в горных породах, ΔZ требуемая разрешающая способность каротажа.

РИСУНКИ

Рисунок 1