Способ нейтронного активационного каротажа и устройство для его осуществления

 

Использование: геология, геофизика, в частности геофизические исследования скважин. Сущность: горную породу дискретно-циклически облучают источником нейтронов, перемещающимся сверху вниз синхронно со скоростью подъема скважинного прибора, регистрируют наведенное гамма-излучение (N₁) в интервалах протяженностью 40-60 см детектором гамма-квантов, затем определяют концентрацию элементов по интенсивности спектральных потоков наведенного гамма-излучения. Облучение осуществляют импульсным генератором нейтронов с энергией 14 мэВ и дополнительно проводят измерение спектрального потока наведенного гамма-излучения изотопа азот-16 (N₂) в функции времени (t) с шагом квантования 1-5 сек с помощью второго гамма-детектора, расположенного на расстоянии l = 40-100 см выше источника нейтронов и синхронно перемещающегося с ним. Поток N₂ = f(t) измеряют между импульсами быстрых нейтронов с начальной временной задержкой после каждого импульса t = 5-6 мсек при суммарной экспозиции измерений в цикле t = h/V, где h - база свободного перемещения источника нейтронов и второго детектора гамма-квантов, V - скорость подъема скважинного прибора. По времени нарастания и интенсивности спектрального потока от активированных ядер изотопа N-16 (N₁) определяют скорость перетока пластового флюида V_ф = l/t_ф и его относительную интенсивность, где l - расстояние между вторым детектором гамма-квантов и импульсным источником нейтронов, t_ф - время вступления активированного потока N₂ в область второго детектора, отсчитываемое с момента начала облучения в каждом цикле. Устройство для осуществления способа содержит скважинный прибор с наземным пультом, соединенные геофизическим кабелем, и блок управления подвижной системой, причем наземный пульт содержит импульсный датчик глубины, n-разрядный счетчик импульсов, амплитудный анализатор импульсов, каротажный регистратор, блок экспозиции, блок питания скважинного генератора нейтронов и схему фиксации начала цикла облучения-измерения.

В скважинный прибор дополнительно введены второй детектор гамма-квантов, вторая регистрирующе-передающая схема и блок управления подвижной системой, дополнительно содержащий импульсный датчик глубины, концевой выключатель, схему блокирования, второй n-разрядный счетчик импульсов и второй цифроаналоговый преобразователь, при этом второй детектор гамма-квантов размещен выше источника нейтронов на расстоянии 40-100 см в подвижной системе. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к прикладной ядерной геофизике и может быть использовано для дистанционных исследований труднодоступных объектов методом нейтронной активации в геологии, горной промышленности, металлургическом или химическом производстве и других областях народного хозяйства.

Известен способ нейтронного активационного анализа горных пород, основанный на облучении проб потоком нейтронов и последующем измерении наведенной активности от изотопов-индикаторов. По интенсивности наведенного гамма-излучения определяют содержание элемента. Устройство, реализующее способ, состоит из активационной установки, содержащей источник нейтронов и защитные экраны, пневмопочты и анализирующей аппаратуры, включающей блок детектирования и анализатор импульсов [1] Данные способ и устройство обеспечивают высокочувствительное определение содержания элементов, но только в пробах. Применение способа и устройства для определения элементов, например, в скважинах невозможно, так как исследуемой средой являются не пробы, а массивы горных пород.

Известен также способ радиоактивного каротажа, заключающийся в облучении горных пород потоком нейтронов и измерении наведенного эффекта от изотопа-индикатора в процессе непрерывного перемещения скважинного прибора по скважине с оптимальной скоростью. Для практического осуществления способа предложено устройство, состоящее из скважинного прибора и наземной измерительной аппаратуры. Скважинный прибор содержит блок детектирования, источник быстрых нейтронов и регистрирующе-передающую схему. Блок детектирования расположен на некотором фиксированном расстоянии от источника нейтронов и защищен от его прямого излучения экранами. Наземная измерительная аппаратура представляет собой 2-4-канальный или многоканальный анализатор импульсов, по выходу подключенный к аналоговому или цифровому регистратору информации. В качестве источника нейтронов в скважинном приборе могут использоваться управляемые генераторы быстрых нейтронов. В этом случае в состав наземной аппаратуры входит блок питания скважинного генератора нейтронов [2] Результаты измерений в виде скорости счета наведенного эффекта в функции глубины скважины фиксируются на диаграммную ленту, протягивающуюся синхронно со скоростью подъема скважинного прибора. Наличие определяемого элемента отмечается в виде аномалий, по интенсивности которых судят о границах залегания определенного вида полезного ископаемого и о содержании в горных породах анализируемого элемента.

Основным недостатком способа является невысокая его чувствительность к анализируемым элементам, что обусловлено непрерывным режимом облучения и измерения. Фактически способ позволяет определять только макросодержания элементов, изотопы которых имеют небольшой период полураспада (менее 5 мин) и высокое течение активации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ нейтронного активационного каротажа, заключающийся в дискретном облучении горных пород потоком нейтронов в скважине во время остановки скважинного прибора и последующей непрерывной регистрации наведенного эффекта в движении в интервале протяженностью 20-40 см, располагающемся симметрично относительно точек облучения [2] В качестве источника нейтронов при проведении измерений используют известные стационарные источники или импульсные источники нейтронов. Для реализации способа используется устройство, абсолютно идентичное вышеприведенному второму аналогу.

Благодаря дискретному режиму облучения предложенное техническое решение позволяет в 3-10 раз повысить чувствительность нейтронного активационного каротажа к анализируемым элементам, что, в частности, открывает возможность его использования для решения задач геохимии.

Главным недостатком способа является низкая производительность и нетехнологичность работ. Например, для изучения распределения содержаний фтора в скважине глубиной 300 метров с шагом 2 метра требуется 150 остановок длительностью в 20-30 сек. После каждой остановки необходимо набрать оптимальную скорость перемещения скважинного прибора и прописать облученную точку. Нетрудно видеть, что такую технологию измерения на практике реализовать очень сложно.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности, производительности и технологичности нейтронного активационного каротажа. Для этого по способу нейтронного активационного каротажа, заключающемуся в дискретном облучении горных пород потоком нейтронов от импульсного генератора нейтронов и непрерывной регистрации наведенного гамма-излучения (N₁) в интервалах протяженностью 20-40 см, располагаемых симметрично относительно облученных точек, и последующем определении содержания элементов по интенсивности спектральных потоков, регистрируемых в характерных областях энергетического спектра, облучение осуществляют циклично при непрерывном движении скважинного прибора с оптимальной скоростью (V), для чего в каждом цикле источник нейтронов синхронно со скоростью каротажа перемещают в направлении, обратном движению скважинного прибора, на расстояние от детектора гамма-квантов, равное l₁ t_п·V, затем быстро возвращают его в начальное положение на расстояние от детектора гамма-квантов, равное l₂ V(t_п + t_a), где t_п и t_a - соответственно расчетные значения времени паузы и активации, устанавливаемые из условия регистрации наведенного эффекта i-го изотопа с минимальной статистической погрешностью.

Кроме того, дополнительно проводят измерения спектрального потока наведенного гамма-излучения изотопа азот-16 (N₂) в функции времени (t) с шагом квантования 1-5 сек с помощью второго гамма-детектора, расположенного выше источника нейтронов на расстоянии l, равном 40-100 см, и синхронно перемещающегося с ним, причем поток N₂ f(t) измеряют между импульсами быстрых нейтронов с начальной временной задержкой после каждого импульса t 5-6 мсек при суммарной экспозиции измерений в цикле t h/V, где h база свободного перемещения источника нейтронов и второго детектора гамма-квантов, по времени нарастания и интенсивности спектрального потока от активированных ядер изотопа N-16 (N₁) определяют скорость перетока пластового флюида V_ф l/t_ф и его относительную интенсивность Q_i, где l - расстояние между вторым детектором гамма-квантов и импульсным источником нейтронов, t_ф время вступления активированного потока N₂ в область второго детектора, отсчитываемое с момента начала облучения в каждом цикле.

Для реализации способа предлагается устройство нейтронного активационного каротажа, содержащее скважинный прибор с наземным пультом, соединенные геофизическим кабелем, причем наземный пульт содержит импульсный датчик глубины, амплитудный анализатор импульсов, каротажный регистратор и блок питания импульсного источника быстрых нейтронов, при этом выход импульсного датчика глубины связан с каротажным регистратором, информационный вход которого подключен к выходу амплитудного анализатора импульсов, первым входом соединенного с первой жилой геофизического кабеля, выход блока питания импульсного источника быстрых нейтронов соединен с 3-й жилой геофизического кабеля. Скважинный прибор состоит из охранного корпуса с размещенными в нем первым детектором гамма-квантов, подключенным к входу первой регистрирующе-передающей схемы, на выходе связанной с первой жилой геофизического кабеля, импульсным источником быстрых нейтронов, отделенным от первого гамма-детектора защитным экраном.

Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что наземный пульт дополнительно содержит n-разрядный счетчик импульсов, двухвходовый блок экспозиции и схему фиксации начала цикла "облучение-измерение", вход которой подключен к второй жиле геофизического кабеля, а выход к входу "установка нуля" n-разрядного счетчика импульсов и второму входу блока экспозиции, выход импульсного датчика глубины связан дополнительно с второй жилой геофизического кабеля и информационным входом n-разрядного счетчика импульсов, выходом подключенного к первому входу блока экспозиции, выход которого соединен с входом блокирования "Вх.бл." амплитудного анализатора импульсов, снабженного вторым информационным входом, подключенного через емкость к 3-й жиле геофизического кабеля. Скважинный прибор дополнительно содержит второй детектор гамма-квантов, вторую регистрирующе-передающую схему, подвижную систему с редуктором скорости и микролебедкой, реверсивный электродвигатель, блок управления подвижной системой, включающей в себя импульсный датчик глубины, концевой выключатель, схему блокирования, первый и второй n-разрядные счетчики импульсов, n-разрядный цифровой компаратор, n переключателей логических уровней нуля и единицы, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, схему сравнения и усилитель нуль-орган, при этом второй детектор гамма-квантов и импульсный источник быстрых нейтронов размещены в подвижной системе, причем гамма-детектор размещен выше импульсного источника быстрых нейтронов на расстоянии 40-100 см и посредством гибкой связи (типа телефонной) связан с входом второй регистрирующе-передающей схемы, выходом подключенной к 3-й жиле геофизического кабеля, подвижная система механически связана с редуктором скорости, с микролебедкой и реверсивным электродвигателем, выход импульсного датчика глубины подключен к информационному входу первого n-разрядного счетчика импульсов, а его выход соединен шиной с входом первого цифроаналогового преобразователя, выход второго n-разрядного счетчика импульсов соединен шиной с первым входом n-разрядного цифрового компаратора и входом второго цифроаналогового преобразователя, выход n-разрядного цифрового компаратора соединен с входами "установка нуля" второго n-разрядного счетчика импульсов и второго цифроаналогового преобразователя, выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей подключены к первому и второму входам схемы сравнения, выходом связанной с входом усилителя нуль-органа, соединенного по выходу с реверсивным электродвигателем, выходы n переключателей логических уровней нуля и единицы посредством шины подключены к второму входу n-разрядного цифрового компаратора, выход концевого выключателя связан с входом "установка нуля" первого n-разрядного счетчика импульсов, первого цифроаналогового преобразователя и первым управляющим входом схемы блокирования, второй управляющий вход которой подключен к выходу n-разрядного цифрового компаратора, выход схемы блокирования соединен с входом второго n-разрядного счетчика импульсов, а вход подключен к второй жиле геофизического кабеля.

На фиг. 1 изображены зависимости наведенного эффекта от ядер кислорода, измеряемого вторым детектором при двух разных скоростях притока при реализации предлагаемого способа.

Сущность способа состоит, как и в прототипе, в дискретном облучении среды потоком быстрых нейтронов и регистрации наведенного гамма-излучения первым гамма-детектором в процессе непрерывного перемещения скважинного прибора над активированной (облученной) точкой и дополнительном измерении спектрального потока от изотопа кислорода азот-16 вторым гамма-детектором, перемещающимся синхронно с импульсным источником быстрых нейтронов. Поскольку положение последнего стабилизировано относительно исследуемой среды в каждом цикле измерений, то второй детектор может регистрировать только гамма-кванты от естественно-радиоактивных изотопов и изотопов, выносящихся из зоны облучения в направлении второго гамма-детектора, например, за счет вертикального перетока пластового флюида по скважине или по заколонному пространству. Очевидно, что интенсивность наведенного эффекта, обусловленного выносом активированных ядер из зоны облучения, будет зависеть от дебита, т.е. интенсивности перетока, а время вступления фронта активированных ядер в область расположения второго детектора гамма-квантов определяет скорость перетока при фиксированном расстоянии до источника быстрых нейтронов. В качестве изотопа-индикатора для определения параметров перетока пластового флюида (скорости, относительного дебита) целесообразно использовать изотоп кислорода азот-16. Последний образуется по реакции O¹⁶(n,p)N¹⁶ с порогом 10 мэВ, имеет небольшой период полураспада (Т 7,4 сек) и при распаде испускает интенсивное жесткое излучение с энергией 6,4 и 7,1 мэВ. Благодаря благоприятным активационным характеристикам излучение его легко выделяется с уровнем дискриминации 2,5-3 мэВ. Отсутствие других изотопов с такой энергией вторичного излучения обеспечивает практически бесфоновые измерения и соответственно высокую чувствительность способа к перетокам пластового и скважинного флюида, всегда содержащего стабильные ядра кислорода.

Поскольку второй детектор располагается на небольшом расстоянии от источника быстрых нейтронов (40-100 см), а реакция O¹⁶(n,p)N¹⁶ протекает при энергии нейтронов более 10 мэВ, для активации ядер необходим скважинный импульсный источник быстрых нейтронов (генератор нейтронов) с энергией более 10 мэВ, например на 14 мэВ. Измерение спектрального потока от изотопа N-16 легко достигается в области более 2,5-3 мэВ с временной задержкой после каждого импульса нейтронов, равной t 5-6 мсек. Такая временная задержка необходима для исключения фонового гамма-излучения, обусловленного радиационным захватом тепловых нейтронов ядрами исследуемой среды и конструкционных материалов. При частоте следования нейтронных импульсов f 20 Гц чистое время измерения наведенного эффекта от изотопа N-16 составит 44-46 мсек.

Одновременно при той же начальной временной задержке может регистрироваться спектр естественного и наведенного гамма-излучения. Время активации и измерения для второго гамма-детектора определяется скоростью каротажа (V) и базой свободного перемещения системы детектор гамма-квантов - источник нейтронов (h). При h 180 см, V 4 м/мин t_a 1,8/4 м/мин 0,45 мин или 27 сек. Этот режим близок к оптимальному и позволяет определять скорости перетока в диапазоне от 40 до 3 см/сек при l 40 см и от 100 до 4 см/сек при l 100 см, где l расстояние между детектором гамма-квантов и импульсным источником быстрых нейтронов. При меньших скоростях перетока оценка его параметров снижается вследствие распада ядер изотопа N-16 по мере движения жидкости от зоны активации в область детектора гамма-квантов. Так, при V_ф 3 см/сек активность составляет примерно 6% от начальной.

Конкретно скорость перетока может быть определена по кривой нарастания фронта активированных ядер изотопа N-16, для чего спектральная интенсивность N₂ в каждом цикле измеряется в функции времени N₂ f(t). Пример регистрации спектральной интенсивности при двух разных скоростях перетока V_ф1 и V_ф2 1/2 V_ф1 приведен на фиг.1. При равном дебите максимальный эффект фиксируется при скорости перетока v^o_ф^pt = λ·l.. Из формулы следует, что при l 100 см и λ = 0,1сек, v^o_ф^pt = 10см/сек. При скорости от 0 до 10 см/сек наведенный эффект возрастает, а при V_ф > 10 см/сек снова уменьшается. Однако эта неоднозначность влияет только на определение относительного дебита и легко устраняется по времени прихода фронта активированных ядер. В силу этого оценка относительно дебита должна осуществляться минимум по двум зависимостям при v_ф<v_ф^pt и при v_ф>v^o_ф^pt. Поскольку при прочих равных условиях регистрируемая вторым детектором интенсивность гамма-квантов в области насыщения (см. фиг.1) зависит от объема перетекаемой жидкости Q и скорости ее фильтрации, для i-го и эталонного (с известными дебитом и скоростью перетока) интервалов справедливы соотношения N_2i Q_i·V_i; N_эт Q_эт·V_эт, откуда Q_i Q_эт·N_2i/N_2эт ·V_эт/V_i.

Реально активности N₂ определяются по асимптотическим ветвям зависимостей N₂ f(t). Поэтому регистрация потока N₂ должна осуществляться в функции времени с шагом квантования 1-5 сек. Интервал квантования по времени определяется из соображений обеспечения достаточной точности измерения спектральных потоков N₂(t) и времени вступления в область детектора фронта активированной жидкости.

Одновременно второй гамма-детектор может быть использован для измерения полного спектра естественного и наведенного гамма-излучения, что позволяет реализовать радиогеохимические исследования. Регистрируемый предлагаемым способом спектр содержит информацию о содержании в горных породах естественно -радиоактивных элементов (урана, тория, калия) и об эквивалентном содержании кислорода в активированной жидкости. Количественное определение всех указанных элементов осуществляется обычным способом путем решения системы линейных уравнений вида g(U) a₁N₁ + b₁N₂ + c₁N₃ + d₁N₄;
g(Th) a₂N₁ + b₂N₂ + c₂N₃ + d₂N₄;
g(K) a₃N₁ + b₃N₂ + c₃N₃ + d₃N₄;
g(O) d₄N₄,
где g(U), g(Th), g(K) и g(O) соответственно содержания урана, тория, калия и кислорода; a_i, b_i, c_i, d_i спектральные коэффициенты, определяющие вклад i-го изотопа в i-ую энергетическую область; N₁, N₂, N₃, N₄ спектральные интенсивности, регистрируемые в области основных гамма-линий урана (1,78 мэВ), тория (2,62 мэВ), калия (1,46 мэВ) и кислорода (> 2,5-3 мэВ).

При отсутствии перетоков N₄ 0 система переходит в обычную систему уравнений, хорошо известную в спектрометрическом гамма-каротаже.

Первый детектор гамма-квантов, располагающийся жестко в скважинном приборе, служит для регистрации наведенного гамма-излучения, образующегося в горных породах при его облучении потоком быстрых нейтронов аналогично как в прототипе. Заметим только, что применение в качестве источника генератора нейтронов позволяет резко повысить информативность метода за счет возбуждения ядер по пороговым реакциям: кислорода O¹⁶(n,p)N¹⁶, E_n 10 мэВ; натрия Na²³(n,p)Ne²³, E_n 3,5 мэВ и Na²³(n,α)F²⁰, E_n 4,5 мэВ; хлора Cl³⁷(n,p)S³⁷, E_n 4,1 мэВ и Cl³⁷(n,α)P³⁴, E_n 1,44 мэВ и др. Указанные изотопы входят в состав пластового флюида нефтеносных пластов и могут быть использованы для их идентификации, оценки характера насыщения, а также количественного определения их запасов в недрах.

На pудных местоpождениях пеpвый гамма-детектоp может быть использован для определения таких распространенных и важных элементов, как фтор, алюминий и кремний. Эта информация в комплексе с данными о содержании естественно-радиоактивных элементов может быть использована для поисков различных эндогенных месторождений по ореолам рассеяния.

Для практической реализации способа нейтронного активационного каротажа предложено устройство, функциональные схемы которого приведены на фиг.2 и фиг. 3. На фиг.2 представлена функциональная схема скважинного прибора и наземного пульта; на фиг.3 представлена функциональная схема блока управления подвижной системой.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 детектор гамма-квантов, 2 первая регистрирующе-передающая схема, 3 второй детектор гамма-квантов, 4 вторая регистрирующе-передающая схема, 5 импульсный генератор нейтронов, 6 подвижная система, 7 защитный экран, 8 реверсивный электродвигатель, 9 - редуктор скорости с микролебедкой, 10 импульсный датчик глубины скважинного прибора, 11 устройство укладки гибкой линии связи, 12 блок управления подвижной системой, 13 транспортировочный тросик, 14 гибкая линия связи второго детектора гамма-квантов и источника нейтронов, 15 n-разрядный счетчик импульсов, 16 импульсный датчик глубины, 17 блок экспозиции, 18 - схема фиксации начала цикла "облучение-измерение", 19 каротажный регистратор, 20 анализатор импульсов, 21 блок питания импульсного генератора нейтронов, 22 схема блокирования, 23 концевой выключатель, 24 и 25 первый и второй n-разрядные счетчики импульсов, 26 n-разрядный цифровой компаратор, 27 n переключателей логических уровней нуля и единицы, 28 и 29 - первый и второй цифроаналоговые преобразователи, 30 схема сравнения, 31 - усилитель нуль-орган, R вход "установка нуля", 1У и 2У первый и второй управляющие входы, Инф.вх.1 и Инф.вх.2 первый и второй информационные входы, Вх.бл. вход блокирования.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии подвижная система 6 с источником быстрых нейтронов 5 и вторым детектором гамма-квантов 3 находится в крайнем верхнем положении. Все счетные элементы сброшены в состояние нуля. При движении вверх (вправо по чертежу) импульсный датчик глубины 16 вырабатывает импульсы, например, по одному на каждый миллиметр перемещения скважинного прибора. Эти импульсы поступают на вход n-разрядного счетчика импульсов 15, каротажный регистратор 19 и по второй жиле кабеля на n-разрядный счетчик импульсов 24 блока управления подвижной системой 12, на выходе которого количество поступивших импульсов отображается в двоичном коде. По n-разрядной шине этот код подается на соответствующие входы цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 28 и n-разрядного цифрового компаратора 26. С выхода ЦАП 28 сигнал в аналоговой форме подается на схему сравнения 30. Так как на второй ее вход постоянное напряжение поступает с выхода второго ЦАП 29, находящегося в сброшенном состоянии (на выходе нулевой потенциал), то на выходе схемы сравнения 30 появляется сигнал разбаланса, который, усиливаясь усилителем нуль-органом 31, попадает на вход управления реверсивным электродвигателем 8 в виде напряжения, например, положительной полярности. Электродвигатель 8 начинает вращаться до тех пор, пока не сработает импульсный датчик глубины скважинного прибора 10.

Импульс с его выхода поступает на вход второго n-разрядного счетчика импульсов 15 блока управления подвижной системой 12, на выходе которого количество импульсов также отражается в двоичном коде и по n-разрядной шине поступает на вход второго ЦАП 29, работающего идентично с первым. В результате напряжение на входах схемы сравнения 30 становится равным и двигатель 8 останавливается. Для синхронного перемещения подвижной системы 6 и скважинного прибора используются датчики глубины 16 и 10 с идентичным шагом квантования импульсных сигналов на единицу перемещения. По мере подъема скважинного прибора и появления с импульсного датчика глубины 16 новых импульсов снова появляется сигнал разбаланса, который аналогичным образом компенсируется электродвигателем 8 посредством усилителя нуль-органа 31. В этом режиме устройство работает до тех пор, пока подвижная система 6 не переместится на расстояние h t·V, где t время активации, V скорость каротажа. Предположим, что h 1,8 метра. Тогда в момент поступления от импульсного датчика глубины 16 1800-го импульса на выходе n-разрядного цифрового компаратора 26 появляется сигнал. Перед работой на входы второго канала n-разрядного цифрового компаратора необходимо подать с n переключателей логических уровней нуля и единицы 27 двоичный код числа 1800. Сигнал с выхода цифрового n-разрядного компаратора запрещает прохождение импульсов с импульсного датчика глубины 16 по второй жиле кабеля посредством закрытия ключа схемы блокирования 22, сбрасывает n-разрядный счетчик импульсов 24 и ЦАП 28 в исходное нулевое состояние, что приводит к снижению на первом входе схемы сравнения 30 напряжения до нуля.

В то же время на втором входе схемы сравнения напряжение остается максимальным. Соответственно сигнал разбаланса наибольший и, что особенно важно, имеет обратную полярность. Вследствие этого на выходе усилителя нуль-органа 31 также вырабатывается сигнал, но уже отрицательной полярности. Электродвигатель меняет вращение, быстро перемещая подвижную систему с источником быстрых нейтронов 5 и вторым детектором гамма-квантов 3 в исходное состояние. В момент перехода системы в исходное состояние срабатывает концевой выключатель 23, который сбрасывает n-разрядный счетчик импульсов 25 и цифроаналоговый преобразователь 29 в нулевое состояние и деблокирует вход n-разрядного счетчика импульсов 24 путем открытия ключа схемы 22. В момент деблокировки в схеме 22 вырабатывается сигнал, который в виде импульса, например отрицательной полярности по второй жиле кабеля передается на вход схемы фиксации начала цикла "облучение-измерение" 18. Сформированный этой схемой выходной сигнал сбрасывает n-разрядный счетчик импульсов 15 в нулевое состояние и поступает на второй вход блока экспозиции 17, управляющего работой анализатора импульсов 20. В момент поступления сигнала 0, фиксирующего начало нового цикла "облучение-измерение", деблокируется 2-ой информационный вход анализатора импульсов, и таким образом осуществляется регистрация информации от второго детектора гамма-квантов, поступающей с выхода второй регистрирующе-передающей схемы по третьей жиле кабеля. По этой же жиле осуществляется питание генератора нейтронов (источника нейтронов) постоянным напряжением 200-300 вольт. Начало регистрации информации от первого детектора гамма-квантов реализуется по приходе 1800-го импульса на n-разрядный счетчик импульсов 15. Режим измерения наведенного гамма-излучения N₁ в заданном интервале исследований задается блоком экспозиции 17 посредством блокирования или деблокирования первого информационного входа анализатора импульсов. Информация N₁ на вход анализатора импульсов 20 передается от первой регистрирующе-передающей схемы по первой жиле геофизического кабеля.

Раздельная передача импульсов глубины от импульсного датчика глубины 16 и концевого выключателя 23 по второй жиле кабеля осуществляется импульсами разной полярности или разной амплитуды. Питание генератора нейтронов 5 (источника быстрых нейтронов) и второго детектора гамма-квантов 3 осуществляется по гибкой линии связи 14 типа телефонного провода, самосжимающегося при укладке в полном устройстве 11. Редуктор скорости 9 служит для усиления тягового усилия электродвигателя и обеспечения синхронного срабатывания импульсного датчика глубины 10. Выход редуктора сочленен с микролебедкой для подъема подвижной системы 6 после цикла "облучение-измерение". Синхронный спуск системы осуществляется под действием силы тяжести и облегчается за счет применения подшипников скольжения.

В отличие от прототипа в предложенном устройстве управление синхронным перемещением подвижной системы осуществляется по импульсам от двух датчиков глубины, что исключает влияние на ее работу изменения омического сопротивления жил геофизического кабеля, наличие утечек или изменение реактивного сопротивления кабеля при работах на разной глубине. Благодаря этому обеспечивается более точная стабилизация положения источника в каждой точке разреза и соответственно точность определения содержаний элементов по спектральным потокам от изотопов-индикаторов и параметров перетока пластового или скважинного флюида.

Рассмотренная выше функциональная схема устройства для реализации способа не является единственной. При использовании геофизического кабеля большой длины (более 2-3 км) анализатор импульсов с блоком экспозиции целесообразнее разместить непосредственно в скважинном приборе. В этом случае регистрация и передача информационных сигналов по кабелю могут осуществляться в цифровой форме с обработкой ее в наземном комплексе, включающем микроЭВМ. Принцип работы такой спектрометрической системы описан, например, в статье Цифровой скважинный спектрометр, сб. Гамма-спектрометрия скважин при поисках и разведке нефти и твердых полезных ископаемых, М. ВНИИГеоинформсистем, 1987, с. 64-68.

Возможности способа исследованы экспериментально на физических моделях с использованием макетного образца скважинного прибора с импульсным генератором нейтронов на 14 мэВ, обеспечивающего выход нейтронов на уровне 2·10⁷ н/сек. Для регистрации естественного и наведенного гамма-излучения использовались сцинтилляционные детекторы гамма-квантов типа Nal(Tl) размером 50х150 мм в паре с ФЭУ-151.

По результатам экспериментов установлено:
погрешность определения скорости перетока зависит от его дебита и составляет менее 10% относительных при дебите более 0,5 литра/сек,
способ обеспечивает относительную оценку дебита пластового флюида по скважинам при скорости перетока от 3-4 см/сек до 80-100 см/сек с погрешностью в пределах 5-15% относительных,
точность определения содержания элементов по наведенной и естественной радиоактивности соответствует точности, полученной в прототипе.

Однако третье положение выполняется только при условии строгой стабилизации импульсного источника быстрых нейтронов в каждом цикле измерений. При смещении источника в процессе облучения на 5 см точность количественных измерений снижается примерно на 20-30% Таким образом, предложенные способ и устройство нейтронного активационного каротажа и устройство для его реализации обеспечивают существенное расширение аналитических возможностей, повышают точность количественных определений элементов и одновременно позволяют выявлять и количественно оценивать параметры перетока пластового флюида по скважине или по заколонному пространству. Рассмотренные методические возможности способа и устройства создают реальную основу для решения важнейших прикладных задач, особенно на стадии разработки нефтяных месторождений, где необходима комплексная информация о перетоках и их параметрах, положении нефте-водонасыщенных пластов, их текущей продуктивности и т.д.

Формула изобретения

1. Способ нейтронного активационного каротажа, включающий дискретное облучение горных пород потоком нейтронов от импульсного генератора нейтронов и непрерывную регистрацию наведенного гамма-излучения (N₁) в интервалах протяженностью 20 40 см располагаемых симметрично облученных точек и последующее определение содержания элементов по интенсивности спектральных потоков, регистрируемых в характерных областях энергетического спектра, отличающийся тем, что облучение осуществляют циклично при непрерывном движении скважинного прибора с оптимальной скоростью V, для чего в каждом цикле импульсный генератор нейтронов синхронно со скоростью каротажа перемещают в направлении, обратном движению скважинного прибора, на расстояние от детектора гамма-квантов l₁ t_п·V затем возвращают его в начальное положение на расстояние от детектора гамма-квантов l₂ V(t_п + t_a), где t_п и t_a соответственно расчетные значения времени паузы и активации, устанавливаемые из условия регистрации наведенного эффекта i-го изотопа с минимальной статистической погрешностью, и дополнительно проводят измерения спектрального потока наведенного гамма-излучения изотопа азот-16 (N₂) в функции времени t с шагом квантования 1 5 с с помощью второго гамма-детектора,
расположенного выше импульсного генератора нейтронов на расстоянии l 40 100 см и синхронно перемещающегося с ним, причем поток N₂ f(t) измеряют между импульсами быстрых нейтронов с начальной временной задержкой после каждого импульса t 5 6 мс при суммарной экспозиции измерений в цикле t h/V, где h база свободного перемещения импульсного генератора нейтронов и второго детектора гамма-квантов, по времени нарастания и интенсивности спектрального потока от активированных ядер изотопа N-16 (N₁) определяют скорость перетока пластового флюида V_ф l/t_ф и его относительную интенсивность Q_i, где l расстояние между вторым детектором гамма-квантов и импульсным генератором нейтронов, t_ф время вступления активированного потока N₂ в область второго детектора, отсчитываемое с момента начала облучения в каждом цикле.

2. Устройство нейтронного активационного каротажа, содержащее скважинный прибор с наземным пультом, соединенные геофизическим кабелем, причем наземный пульт содержит импульсный датчик глубины, анализатор импульсов, каротажный регистратор и блок питания импульсного генератора нейтронов, при этом выход импульсного датчика глубины связан с каротажным регистратором, информационный вход которого подключен к выходу анализатора импульсов, первым входом соединенного с первой жилой геофизического кабеля, выход блока питания импульсного генератора нейтронов соединен с третьей жилой геофизического кабеля, скважинный прибор состоит из охранного корпуса с размещенными в нем первым детектором гамма-квантов, подключенным к входу первой регистрирующе-передающей схемы, на выходе связанной с первой жилой геофизического кабеля, импульсным генератором нейтронов, отделенным от первого гамма-детектора защитным экраном, отличающееся тем, что наземный пульт дополнительно содержит n-разрядный счетчик импульсов,
двухвходовый блок экспозиции и схему фиксации начала цикла облучение - измерение, вход которой подключен к второй жиле геофизического кабеля, а выход к входу "Установка нуля" n-разрядного счетчика импульсов и второму входу блока экспозиции, выход импульсного датчика глубины связан дополнительно с второй жилой геофизического кабеля и информационным входом n-разрядного счетчика импульсов, выходом подключенного к первому входу блока экспозиции, выход которого соединен с входом блокирования анализатора импульсов, снабженного вторым информационным входом, подключенного через емкость к третьей жиле геофизического кабеля, скважинный прибор дополнительно содержит второй детектор гамма-квантов, вторую регистрирующе-передающую схему, подвижную систему с редуктором скорости и микролебедкой, реверсивный электродвигатель, блок управления подвижной системой, включающей в себя импульсный датчик глубины скважинного прибора,
концевой выключатель, схему блокирования, первый и второй n-разрядные счетчики импульсов, n-разрядный цифровой компаратор, n переключателей логических уровней нуля и единицы, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, схему сравнения и усилитель нуль-орган, при этом второй детектор гамма-квантов и импульсный источник быстрых нейтронов размещены в подвижной системе, причем гамма-детектор размещен выше импульсного генератора нейтронов на расстоянии 40-100 см и посредством гибкой связи (типа телефонной) связан с входом второй регистрирующе-передающей схемы, выходом подключенной к третьей жиле геофизического кабеля, подвижная система механически связана с редуктором скорости, с микролебедкой и реверсивным электродвигателем, выход импульсного датчика глубины скважинного прибора подключен к информационному входу первого n-разрядного счетчика импульсов,
а его выход соединен шиной с входом первого цифроаналогового преобразователя, выход второго n-разрядного счетчика импульсов соединен шиной с первым входом n-разрядного цифрового компаратора и входом второго цифроаналогового преобразователя, выход n-разрядного цифрового компаратора соединен с входами "Установка нуля" второго n-разрядного счетчика импульсов и второго цифроаналогового преобразователя, выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей подключены к первому и второму входам схемы сравнения, выходом связанной с входом усилителя нуль-органа, соединенного по выходу с реверсивным электродвигателем, выходы n переключателей логических уровней нуля и единицы посредством шины подключены к второму входу n-разрядного цифрового компаратора, выход концевого выключателя связан с входом "Установка нуля" первого n-разрядного счетчика импульсов, первого цифроаналогового преобразователя и первым управляющим входом схемы блокирования,
второй управляющий вход которой подключен к выходу n-разрядного цифрового компаратора, выход схемы блокирования соединен с входом второго n-разрядного счетчика импульсов, а вход подключен к второй жиле геофизического кабеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3