Устройство для литолого-плотностного гамма-гамма - каротажа и устройство для его проведения

Изобретение относится к ядерной геофизике. Заявлено устройство для литолого-плотностного гамма-гамма каротажа. Устройство содержит охранный кожух, источники гамма квантов, детекторы гамма-излучения, реперный источник, три зонда, фотоэлектронные умножители, программно-управляемые усилители-дискриминаторы, блок аналого-цифрового преобразования, блок центрального процессора и вольфрамовый защитный экран. В вольфрамовом защитном экране выполнены коллимационные окна. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к ядерной геофизике, а более конкретно к области спектрометрических измерений рассеянного гамма-излучения, используемых для количественного определения значений объемной плотности и индекса фотоэлектрического поглощения горных пород.

Известен способ определения объемной плотности и индекса фотоэлектрического поглощения горных пород [1], заключающийся в регистрации спектров рассеянного гамма излучения на двух расстояниях от источника гамма-квантов, с последующей привязкой энергетических шкал зарегистрированных спектров, определении значений средних скоростей следования импульсов в выбранных энергетических окнах, расчете значений плотности и индекса фотоэлектрического поглощения горных пород с последующей коррекцией полученных значений путем ввода поправок.

Стабилизация энергетических шкал спектров осуществляется по двум присутствующим в спектрах пикам:

пику Cs-137 с энергией 662 кэВ, полученному от дополнительного ампульного источника небольшой активности, размещенного вблизи детекторов;

пику характеристического гамма-излучения материала коллиматоров, изготовленных, например, из вольфрама, с энергией 69 кэВ.

По данным обоих зондов определяется объемная плотность горных пород, а по данным длинного зонда определяется значение индекса фотоэлектрического поглощения горных пород как функция отношения интенсивностей в области преобладания фотоэлектрического поглощения (далее “литологического” окна) к области преобладания комптоновского рассеяния (далее “плотностного” окна). При этом выбранные энергетические окна являются фиксированными во всем диапазоне измерений.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ [2], в котором определение индекса фотоэлектрического поглощения и объемной плотности горных пород осуществляется путем последовательного введения поправок за плотность и литологический эффект в значения средних скоростей следования импульсов в выбранных энергетических окнах. Весь процесс расчета представляет собой итерационную процедуру, прекращающуюся либо в связи с ограниченным количеством итераций, либо связан с выполнением условия (δ_n-δ_n-1)≤K, где К - некоторое стандартное отклонение значений плотности горных пород, полученных при последовательных расчетах, а δ_n и δ_n-1 соответственно плотности n и n-1 итераций. Последние рассчитанные значения плотности и индекса фотоэлектрического поглощения горных пород принимаются как результат измерения.

Недостатком этих двух способов является значительное увеличение ошибки определения индекса фотоэлектрического поглощения с увеличением эффективного атомного номера измеряемой среды. Это связано с уменьшением скорости счета импульсов в фиксированном "литологическом" окне при увеличении атомного номера среды, что, в свою очередь, обусловлено возрастанием сечения фотоэлектрического поглощения гамма-квантов. На регистрируемом спектре это проявляется в “выедании” его низкоэнергетической области с увеличением атомного номера среды.

Известно [3], что в области энергий от 0 до 100 КэВ зависимость относительного светового выхода сцинтилляционного детектора от энергии регистрируемых гамма-квантов нелинейная. В результате проведенных термоиспытаний в диапазоне от 25°С до 125°С также было выявлено, что энергетическая шкала в области энергий от 0 до 100 кэВ не линейна [4]. Причем величина нелинейности шкалы зависит от температуры окружающей среды. Поэтому при определении энергетической шкалы по двум точкам положение нижней границы “литологического” окна определяется с большой погрешностью, что также является недостатком как аналога, так и прототипа.

Для устранения этого недостатка необходимо иметь дополнительную опорную точку, лежащую на энергетической шкале левее нижней границы литологического окна. Для чего, предлагается провести оцифровку нуля энергетической шкалы, сформировать отдельный спектр энергетического нуля и добавить этот спектр к регистрируемому спектру. Используя точки, например E_W=69 кэВ и Е₀=0 кэВ, получить уточненную характеристику энергетической шкалы в области энергий от 0 до 69 кэВ, и по полученной зависимости определить положение нижней границы “литологического” окна, находящейся левее, например E_W=69 кэВ, здесь E_W - характеристическое излучение вольфрама.

Известно устройство для проведения литолого-плотностного каротажа [5]. Данное устройство имеет два детектора для регистрации гамма-квантов и два фотоэлектронных умножителя. Также устройство имеет два высоковольтных источника питания фотоэлектронных умножителей, причем напряжение питания фотоэлектронных умножителей ближнего и дальнего детекторов можно изменять, меняя тем самым коэффициент усиления аналогового тракта соответствующих зондов. Большой зонд данного устройства является спектрометрическим, то есть регистрирует спектр гамма-квантов в диапазоне энергий от 50 до 660 кэВ. Малый зонд является интегральным, т.е. измеряет количество импульсов в диапазоне энергий от 50 до 660 кэВ. Импульсы тока с фотоэлектронного умножителя спектрометрического зонда через пиковый детектор и схему сравнения с образцом поступают на аналого-цифровой преобразователь. После этого уже в цифровой форме через соответствующий буфер поступают на блок микропроцессора. Который осуществляет накопление информации и обмен информации с наземной станцией через блок приемопередатчика. Импульсы тока с фотоэлектронного умножителя интегрального зонда поступают на фильтр, в котором происходит фильтрация шумов ФЭУ. После фильтра сигнал поступает на пересчетное устройство и после него на измеритель скорости счета импульсов малого зонда. Далее уже пересчитанные импульсы в цифровом виде поступают на буфер и после него на блок микропроцессора. Обмен информации между блоком микропроцессора и наземным каротажным комплексом происходит через блок приемопередатчика, через который также происходит управление блоками высокого напряжения большого и малого зондов. Питание прибора осуществляется от специального блока питания по отдельной питающей жиле каротажного кабеля.

Регистрация на большом зонде спектра рассеянного гамма-излучения в диапазоне энергий от 50 до 660 кэВ и интегрирование зарегистрированного спектра позволяет получить по известным зависимостям, соответственно, индекс фотоэлектрического поглощения горных пород и по скоростям счета на двух расстояниях от источника гамма-квантов - плотность горных пород. Данному устройству присущ ряд недостатков. Передача спектра осуществляется суммированием энергетических окон по 10 кэВ, то есть регистрируется 60 канальный спектр. Для проведения операций по стабилизации энергетической шкалы с повышенной точностью такая разрядность преобразования оказывается недостаточной. Как недостаток устройства можно привести также использование в качестве реперных источников двух радиоактивных изотопов Cs-137 (661 кэВ) и Am-241 (60 кэВ) и отсутствие отслеживания положения нуля энергетической шкалы в процессе каротажа.

Наиболее близким к заявляемому устройству является скважинный прибор [2], соединенный кабелем с наземным компьютером и представляющий собой металлический кожух, в котором размещена электрическая схема и зондовая часть, содержащая детекторы гамма-излучения и источник гамма-излучения. Ближний зонд данного устройства выполнен в интегральной модификации и служит для детектирования скорости счета всех гамма-квантов, регистрируемых ближним зондом. Дальний зонд выполнен в спектрометрической модификации и позволяет регистрировать спектр рассеянного гамма-излучения, что, в свою очередь, делает возможным определение наряду с плотностью горных пород и их индекс фотоэлектрического поглощения. Импульсы с ФЭУ спектрометрического зонда через пиковый детектор и схему сравнения с образцовыми импульсам поступают на вход аналого-цифрового преобразователя. После этого уже в цифровой форме через соответствующий буфер, в котором происходит накопление информации, поступают на блок микропроцессора. Импульсы тока с фотоэлектронного умножителя интегрального зонда поступают на фильтр, в котором происходит фильтрация шумов ФЭУ. После фильтра сигнал поступает на пересчетное устройство и после него на измеритель скорости счета импульсов малого зонда. Далее уже пересчитанные импульсы накапливаются в буфере и после него информация о количестве накопленных импульсов поступает на блок микропроцессора. Обмен информации между блоком микропроцессора и наземным каротажным комплексом происходит через блок приемопередатчика, через который также происходит управление блоками высокого напряжения большого и малого зондов.

Индекс фотоэлектрического поглощения рассчитывается как функция отношения скоростей счета в определенных энергетических окнах. То есть реализуется модификация литологоплотностного каротажа. Для определения положения энергетической шкалы используются реперные энергетические пики полного поглощения гамма-квантов от изотопов Cs-137 (661 кэВ) и Am-241 (60 кэВ). Причем калибровка устройства гамма-излучением от изотопа Ат-241 проводится периодически, исходя из того, что положение энергетической шкалы, ее линейность, есть величина малоизменчивая и стабильная для условия проведения каротажа. Для реализации данного предположения стабильности энергетической шкалы требуется достаточно сложное схемотехническое решение аналогового тракта. Это усложняет устройство и требует дополнительного использования радиоактивных элементов. Кроме того, смещение в силу каких-либо дестабилизирующих факторов, например температуры, положение нуля энергетической шкалы приводит к появлению неконтролируемой ошибки выбора положения энергетических окон.

Новым в способе литолого-плотностного гамма-гамма каротажа по отношению к прототипу является то, что в способе каротажа, заключающемся в регистрации спектров рассеянного гамма излучения, последующей привязке энергетических шкал зарегистрированных спектров по реперным пикам Cs-137 и характеристического гамма-излучения вольфрама, определении значений средних скоростей следования импульсов в выбранных "литологическом" и "плотностном" энергетических окнах и расчете значений индекса фотоэлектрического поглощения и плотности горных пород, что расчет значения индекса фотоэлектрического поглощения горных пород проводится по результатам оценки индекса фотоэлектрического в зависимости от его значения уточняется положение границ “литологического” окна на энергетической шкале, с уточненными границами “литологического” окна проводится окончательный расчет значений индекса фотоэлектрического поглощения и плотности горных пород.

Кроме того, в способе литолого-плотностного каротажа левее пика характеристического излучения, вольфрама, создается третий реперный пик путем проведения оцифровки нуля энергетической шкалы и формирования отдельного спектра нуля энергетической шкалы.

Кроме того, в способе литолого-плотностного каротажа оцифрованный спектр нуля энергетической шкалы предварительно суммируется с зарегистрированным спектром.

Исследования патентно-технической информации показали, что неизвестны случаи, когда расчет индекса фотоэлектрического поглощения горных пород проводится по выше описанной схеме, а также неизвестны случаи корректировки положения нижней границы “литологического” окна и формирования спектра энергетического нуля шкалы.

Предлагаемое изобретение соответствует критерию “Новизна”.

Новым по отношению к прототипу в устройстве для проведения литолого-плотностного гамма-гамма каротажа является то, что в устройстве, содержащем охранный кожух, детекторы гамма-излучения малого и большого зондов, которые оптически соединены с соответствующими фотоэлектронными умножителями, два управляемых блока высокого напряжения, первый из которых соединен своим выходом с входом фотоэлектронным умножителем малого зонда, усилитель-дискриминатор малого зонда, своим первым входом соединенный с выходом фотоэлектронного умножителя малого зонда, блок преобразования аналог-код, своим выходом соединенный шиной данных с соответствующим входом блока накопления амплитудных спектров, соединенным, в свою очередь, двунаправленной линией связи с первым входом-выходом центрального процессора, второй двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен двунаправленной линией связи с блоком приемопередатчика, источник гамма-квантов, защитный экран, в котором напротив источника гамма-квантов и детекторов малого и большого зондов выполнены коллимационные окна, реперный источник, расположенный в непосредственной близости от детектора большого зонда, при этом два управляемых блока высокого напряжения, усилитель-дискриминатор малого зонда, блок преобразования аналог-код, блок накопления амплитудных спектров, блок центрального процессора, блок приемопередатчика расположены в охранном кожухе дополнительно введен детектор гамма-излучения среднего зонда, оптически соединенный с соответствующим фотоэлектронным умножителем, программно-управляемый усилитель-дискриминатор большого зонда, связанный своим первым входом с выходом фотоэлектронного умножителя большого зонда, блок оцифровки нуля, блок питания вторичных напряжений, верхний и нижний кабельные разъемы, при этом первый управляемый блок высокого напряжения своим вторым выходом соединен с входом фотоэлектронного умножителя большого зонда, второй управляемый блок высокого напряжения своим выходом соединен с входом фотоэлектронного умножителя среднего зонда, усилитель-дискриминатор малого зонда выполнен программно-управляемым, выход фотоэлектронного умножителя среднего зонда соединен с первым входом блоком аналого-цифрового преобразования, второй вход которого связан с выходом блока оцифровки нуля, блок центрального процессора своими первым, вторым и третьим выходами связан, соответственно, с первым входом блока оцифровки нуля, с первым входом управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов, с первым входом управляемого блока высокого напряжения среднего зонда, блок центрального процессора третьей двунаправленной линией связи соединен с соответствующим двунаправленным входом-выходом блока преобразования аналог-код, выходы программно-управляемых усилителей-дискриминаторов большого и малого зондов соединены с соответствующими первым и вторым входами блока центрального процессора, выход блока приемопередатчика соединен со входом блока питания вторичных напряжений, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый выходы которого соединены соответствующими входами соответственно блока накопления амплитудных спектров, блока преобразования аналог-код, блока оцифровки нуля, управляемого блока высокого напряжения среднего зонда, управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов, блока приемопередатчика, программно-управляемого усилителя-дискриминатора малого зонда, программно-управляемого усилителя-дискриминатора большого зонда, блока центрального процессора, первый, второй и третий двунаправленные входы нижнего разъема соединены с соответствующими двунаправленными входами верхнего разъема, первый и второй двунаправленные входы верхнего разъема соединены со вторым и третьим двунаправленными входами-выходами блока приемопередатчика, в защитном экране напротив детектора среднего зонда выполнено коллимационное окно, защитный экран выполнен из вольфрама и расположен внутри охранного кожуха, а детекторы гамма излучения малого среднего и большого зондов оптически соединенные с соответствующими фотоэлектронными умножителями, источник гамма квантов и реперный источник расположены внутри защитного экрана. Новым по отношению к прототипу в устройстве литолого-плотностного каротажа является получение в мягкой области пика полного поглощения без использования реперного источника за счет образования характеристического излучения материала, например, вольфрама, окружающего детектор.

Новым по отношению к прототипу в устройстве литолого-плотностного каротажа является введение в электронную схему блока оцифровки нуля, который позволяет оцифровывать ноль преобразователя аналог-код и тем самым контролировать линейность энергетической шкалы непосредственно в процессе каротажа по трем точкам.

Новым по отношению к прототипу в устройстве литолого-плотностного гамма-гамма каротажа является то, что в охранном кожухе размещены три детектора гамма-излучения, оптически соединенные с фотоэлектронными умножителями, обеспеченными питанием от двух программно-управляемых блоков питания высокого напряжения. Два фотоэлектронных умножителя имеют выход на программно-управляемые усилители-дискриминаторы, а один фотоэлектронный умножитель среднего зонда имеет выход на аналого-цифровой преобразователь. Выходы усилителей-дискриминаторов соединены с блоком центрального процессора, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом блока накопления амплитудных спектров, выход которого по двунаправленной линии связи соединен с блоком центрального процессора, выхода которого соединены с управляющими входами блока оцифровки нуля, программно-управляемых блоков высокого напряжения, блока аналого-цифрового преобразователя. Выхода преобразователя вторичных напряжений соединены с входами двух программно-управляемых блоков питания высокого напряжения, программно-управляемых усилителей-дискриминаторов большого и малого зондов, блока аналого-цифрового преобразователя, блока оцифровки нуля, блока накопления амплитудных спектров, блока центрального процессора и блока приемопередатчика. Детекторы помещены в вольфрамовый защитный экран, в котором прорезаны коллимационные окна.

Исследования патентно-технической информации показали, что неизвестны случаи, когда в электронную схему прибора литолого-плотностного каротажа вводился блок принудительной оцифровки нуля и одна из реперных линий получается в результате характеристического излучения, при этом для вычисления индекса фотоэлектрического поглощения применяется специальный, средний зонд. Теперь для стабилизации энергетической шкалы прибора используются три точки с известными энергиями, по которым возможно контролировать линейность энергетической шкалы непосредственно в процессе каротажа. Предлагаемое решение соответствует критерию “Новизна”.

Исследования свойств известного способа литолого-плотностного гамма-гамма каротажа показали, что известный способ имеет ряд недостатков. Для устранения этих недостатков в способе литолого-плотностного гамма-гамма каротажа, заключающемся в регистрации спектров рассеянного гамма излучения, последующей привязке энергетических шкал зарегистрированных спектров по реперным пикам Cs-137 и характеристического гамма-излучения вольфрама, определении значений средних скоростей следования импульсов в выбранных "литологическом" и "плотностном" энергетических окнах и расчете значений индекса фотоэлектрического поглощения и плотности горных пород, что, расчет значения индекса фотоэлектрического поглощения горных пород проводится по результатам оценки индекса фотоэлектрического в зависимости от его значения уточняется положение границ “литологического” окна на энергетической шкале, с уточненными границами “литологического” окна проводится окончательный расчет значений индекса фотоэлектрического поглощения и плотности горных пород.

Кроме того, в способе литолого-плотностного каротажа левее пика характеристического излучения, вольфрама, создается третий реперный пик путем проведения оцифровки нуля энергетической шкалы и формирования отдельного спектра нуля энергетической шкалы.

Кроме того, в способе литолого-плотностного каротажа оцифрованный спектр нуля энергетической шкалы предварительно суммируется с зарегистрированным спектром.

Для осуществления этого необходимо иметь дополнительную опорную точку, лежащую на энергетической шкале левее нижней границы литологического окна. Для чего предлагается провести оцифровку нуля энергетической шкалы, сформировать отдельный спектр энергетического нуля и добавить этот спектр к регистрируемому спектру. Используя точки, например Е_W=69 кэВ и Е₀=0 кэВ, получить уточненную характеристику энергетической шкалы в области энергий от 0 до 69 кэВ, и по полученной зависимости определить положение нижней границы “литологического” окна, находящейся левее, например E_W=69 кэВ, здесь E_W - характеристическое излучение вольфрама.

При создании изобретения способ литолого-плотностного гамма-гамма каротажа решалась задача определения параметров горных пород: индекса фотоэлектрического поглощения и плотности. Решение поставленной задачи приводит к тому, что повышается точность определения параметров горных пород: индекса фотоэлектрического поглощения и плотности.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что предлагаемый способ литолого-плотностного гамма-гамма каротажа соответствует критерию изобретательский уровень.

Исследования свойств известного устройства для проведения литолого-плотностного гамма-гамма каротажа показали, что известное устройство имеет ряд недостатков. Для устранения этих недостатков в устройстве для осуществления литолого-плотностного гамма-гамма каротажа, содержащем охранный кожух, детекторы гамма-излучения малого и большого зондов, которые оптически соединены с соответствующими фотоэлектронными умножителями, два управляемых блока высокого напряжения, первый из которых соединен своим выходом с входом фотоэлектронным умножителем малого зонда, усилитель-дискриминатор малого зонда, своим первым входом соединенный с выходом фотоэлектронного умножителя малого зонда, блок преобразования аналог-код, своим выходом соединенный шиной данных с соответствующим входом блока накопления амплитудных спектров, соединенным, в свою очередь, двунаправленной линией связи с первым входом-выходом центрального процессора, второй двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен двунаправленной линией связи с блоком приемопередатчика, источник гамма-квантов, защитный экран, в котором напротив источника гамма-квантов и детекторов малого и большого зондов выполнены коллимационные окна, реперный источник, расположенный в непосредственной близости от детектора большого зонда, при этом два управляемых блока высокого напряжения, усилитель-дискриминатор малого зонда, блок преобразования аналог-код, блок накопления амплитудных спектров, блок центрального процессора, блок приемопередатчика расположены в охранном кожухе дополнительно введен детектор гамма-излучения среднего зонда, оптически соединенный с соответствующим фотоэлектронным умножителем, программно-управляемый усилитель-дискриминатор большого зонда, связанного своим первым входом с выходом фотоэлектронного умножителя большого зонда, блок оцифровки нуля, блок питания вторичных напряжений, верхний и нижний кабельные разъемы, при этом первый управляемый блок высокого напряжения своим вторым выходом соединен с входом фотоэлектронного умножителя большого зонда, второй управляемый блок высокого напряжения своим выходом соединен с входом фотоэлектронного умножителя среднего зонда, усилитель-дискриминатор малого зонда выполнен программно-управляемым, выход фотоэлектронного умножителя среднего зонда соединен с первым входом блоком аналого-цифрового преобразования, второй вход которого связан с выходом блока оцифровки нуля, блок центрального процессора своими первым, вторым и третьим выходами связан, соответственно, с первым входом блока оцифровки нуля, с первым входом управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов, с первым входом управляемого блока высокого напряжения среднего зонда, блок центрального процессора третьей двунаправленной линией связи соединен с соответствующим двунаправленным входом-выходом блока преобразования аналог-код, выходы программно-управляемых усилителей-дискриминаторов большого и малого зондов соединены с соответствующими первым и вторым входами блока центрального процессора, выход блока приемопередатчика соединен со входом блока питания вторичных напряжений, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый выходы которого соединены соответствующими входами соответственно блока накопления амплитудных спектров, блока преобразования аналог-код, блока оцифровки нуля, управляемого блока высокого напряжения среднего зонда, управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов, блока приемопередатчика, программно-управляемого усилителя-дискриминатора малого зонда, программно-управляемого усилителя-дискриминатора большого зонда, блока центрального процессора, первый, второй и третий двунаправленные входы нижнего разъема соединены с соответствующими двунаправленными входами верхнего разъема, первый и второй двунаправленные входы верхнего разъема соединены со вторым и третьим двунаправленными входами-выходами блока приемопередатчика, в защитном экране напротив детектора среднего зонда выполнено коллимационное окно, защитный экран выполнен из вольфрама и расположен внутри охранного кожуха, а детекторы гамма излучения малого, среднего и большого зондов, оптически соединенные с соответствующими фотоэлектронными умножителями, источник гамма квантов и реперный источник расположены внутри защитного экрана.

При создании изобретения устройство для проведения литолого-плотностного гамма-гамма каротажа изобретения решалась задача определения параметров горных пород: индекса фотоэлектрического поглощения и плотности. Решение поставленной задачи приводит к тому, что повышается точность определения параметров горных пород: индекса фотоэлектрического поглощения и плотности.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретательский уровень.

Техническая сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема скважинного устройства.

Устройство состоит из охранного кожуха 1, детекторов гамма-излучения 2, 3, 4, которые оптически соединены с соответствующими фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) 5, 6, 7, управляемого блока высокого напряжения среднего зонда 8, управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов 9, которые обеспечивают питанием ФЭУ зондов, при этом выход управляемого блока высокого напряжения среднего зонда 8 связан со входом ФЭУ среднего зонда 6, первый и второй выходы управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов 9 связаны соответственно с входами ФЭУ малого зонда 5 и ФЭУ большого зонда 4, программно-управляемого усилителя-дискриминатора малого зонда 10, связанного своим первым входом с выходом ФЭУ малого зонда 5, программно-управляемого усилителя-дискриминатора большого зонда 11, связанного своим первым входом с выходом ФЭУ большого зонда 7, блока преобразования аналог-код 12, связанного своим первым входом с выходом ФЭУ среднего зонда 6, блока оцифровки нуля 13, выход которого соединен со вторым входом блока преобразования аналог-код 12, блока накопления амплитудных спектров 14, соединенного шиной с блоком аналого-цифрового преобразования 12, блока центрального процессора 15, соединенного первой двунаправленной линией связи с блоком накопления амплитудных спектров 14, второй двунаправленной линией связи с блоком аналого-цифрового преобразования 12 и первым выходом, связанным с первым входом блока оцифровки нуля 13, блока приемопередатчика 16, соединенного двунаправленной линией связи с блоком центрального процессора 15, блока питания вторичных напряжений 17, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый выходы которого соединены соответствующими входами соответственно блока накопления амплитудных спектров 14, блока преобразования аналог-код 12, блока оцифровки нуля 13, управляемого блока высокого напряжения среднего зонда 8, управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов 9, блока приемопередатчика 16, программно-управляемого усилителя-дискриминатора малого зонда 10, программно-управляемого усилителя-дискриминатора большого зонда 11, блока центрального процессора 15, верхнего 18 и нижнего 19 разъемов, при этом первый выход блока приемопередатчика 16 соединен со входом блока питания вторичных напряжений 17, второй и третий двунаправленные входа блока приемопередатчика 16 соединены с соответствующими двунаправленными входами верхнего 18 и нижнего 19 разъемов, второй и третий выходы блока центрального процессора 15 соединены с соответствующими входами управляемых блоков высокого напряжения среднего зонда 8 и малого и большого зондов 9, выход программно-управляемого усилителя-дискриминатора малого зонда 10 и выход программно-управляемого усилителя-дискриминатора большого зонда 11 подключены к соответствующим входам блока центрального процессора 15, источника гамма-квантов 20, вольфрамового защитного экрана 21, в котором напротив источника гамма-квантов 20, детектора малого зонда 2, детектора среднего зонда 3, детектора большого зонда 4, прорезаны коллимационные окна, соответственно 22, 23, 24 и 25, реперный источник 26, расположенный в непосредственной близости с детектором среднего зонда 3.

Устройство содержит:

охранный кожух 1 (служит для защиты электронных блоков скважинного прибора от внешних воздействий, давления и т.д.);

вольфрамовые коллимационные окна 22, 23, 24, 25 (служат для коллимации регистрируемого гамма-излучения);

источник гамма-квантов 20 (служит для облучения горных пород гамма-квантами);

реперный источник 26 (служит для создания реперного пика на среднем зонде);

вольфрамовый защитный кожух 21 (служит для защиты зондовой части скважинного прибора от фонового гамма-излучения);

сцинтилляционные детекторы 2, 3, 4 (предназначены для регистрации гамма-излучения и преобразования его в световые импульсы);

фотоэлектронные умножители ФЭУ 5, 6, 7 (предназначены для конвертирования световых импульсов со сцинтилляционных детекторов в электрические импульсы);

управляемый блок высокого напряжения большого и малого зондов 9 (предназначен для питания ФЭУ малого и большого зондов высоким напряжением, например, отрицательным относительно корпуса);

управляемый блок высокого напряжения среднего зонда 8 (предназначен для питания ФЭУ среднего зонда высоким напряжением, например, отрицательным относительно корпуса);

блок преобразования аналог-код 12 (АЦП предназначен для преобразования аналоговых импульсов в соответствующий цифровой код);

блок оцифровки нуля 13 (предназначен для создания в регистрируемом спектре пика, соответствующего нулю энергетической шкалы);

блок усилителя-дискриминатора большого зонда 11 (предназначен для регистрации аналоговых импульсов с ФЭУ большого зонда, преобразования их в цифровой импульс и передачу на блок центрального процессора);

блок усилителя-дискриминатора малого зонда 10 (предназначен для регистрации аналоговых импульсов с ФЭУ малого зонда, преобразования их в цифровой импульс и передачу на блок центрального процессора);

блок накопления амплитудных спектров 14 (предназначен для накопления регистрируемых спектров);

блок центрального процессора 15 (предназначен для связи скважинного прибора и бортового компьютера и одновременно буферизирует данные для передачи по кабелю и управляет работой программных блоков электроники скважинного прибора);

блок преобразования вторичных напряжений 17 (предназначен для получения внутри прибора требуемых вторичных напряжений, например +5В, -5В, +12В, -12В, +10В, +24В);

блок приемопередатчика 16 (предназначен для согласования работы скважинного прибора и бортового компьютера);

верхний разъем головки скважинного прибора 18 (к нему происходит подсоединение трех жил и брони каротажного геофизического кабеля);

нижний разъем 19 (к нему происходит подсоединение трех жил и брони каротажного геофизического кабеля последующих модулей).

Устройство для проведения литолого-плотностного каротажа работает следующим образом. К каротажной станции устройство для проведения литолого-плотностного каротажа подключается через геофизический кабель, сочлененный с верхним 18 или нижним 17 разъемом скважинного прибора. Количество жил каротажного кабеля на способ проведения каротажа не влияет, для примера рассмотрен вариант с тремя жилами. 1-я и 2-я жилы проходные и предназначены для питания скважинного прибора и одновременно по ним предается информация между скважинным прибором и каротажной станцией. 3-я жила является проходной и используется в последующих модулях. При подаче на 1-ю и 2-ю жилы геофизического каротажного кабеля питания прибора (в зависимости от модификации это может быть либо постоянное, либо переменное напряжение) начинает работать блок преобразования вторичных напряжений 17. При появлении вторичных напряжений внутри скважинного прибора начинают работать остальные блоки скважинного прибора. Блок центрального процессора 15 сбрасывает в состояние “по умолчанию” блок накопления амплитудных спектров 14, блоки высокого напряжения 8 и 9 и блок преобразования аналог-код 12. Блоки высокого напряжения 8 и 9 выполнены программно управляемыми, т.е. их выходными напряжениями можно управлять по командам с наземной каротажной станции, изменяя тем самым коэффициент усиления информационного сигнала. При установке "по умолчанию" напряжение питания всех ФЭУ устанавливается на значения, полученные по результатам настройки устройства. При этом 2 и 4 детекторы и соответствующие им ФЭУ 5 и 7 и соответствующие им программно-управляемые усилители-дискриминаторы большого 11 и малого 10 зондов настроены и работают в интегральных, так называемых режимах “плато”. Выставление на режим “плато” происходит путем снятия счетной характеристики прибора при изменении напряжения питания соответствующих ФЭУ с управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов 9. Детектор 3, соответствующие ему ФЭУ 6 и блок преобразования аналог-код 12 работают в спектрометрическом режиме. Реперный источник 26, находясь в непосредственной близости от детектора 3, обуславливает появление в спектре, регистрируемом детектором 3 пика полного поглощения изотопа репера. Обычно для этих целей используют изотоп Cs-137. По этому пику проводят стабилизацию энергетической шкалы, выводя положение пика в заданные каналы. Это происходит путем изменения напряжения питания ФЭУ с управляемого блока высокого напряжения среднего зонда 8. Источник 20 испускает в окружающую среду гамма-кванты. Коллимационное окно 22 служит для создания потока гамма-квантов в заданном направлении. Рассеянные в окружающей устройство среде гамма-кванты через коллимационные окна 23, 24, 25 попадают на соответствующие детектора 2, 3, 4. В результате взаимодействия гамма-квантов с люминофором сцинтилляционного детектора последний преобразует энергию гамма-излучения в световые вспышки - сцинтилляции.

При этом суммарная энергия испускаемых фотонов пропорциональна энергии оставленной гамма-квантом в детекторе. Фотоэлектронный умножитель конвертирует световой импульс в импульс электрический. Заряд, собираемый с выхода фотоэлектронного умножителя при прочих равных условиях, пропорционален суммарной энергии сцинтилляции люминофора детектора и, следовательно, энергии, оставленной гамма-квантом в детекторе. В традиционных схемах включения фотоэлектронный умножитель является источником тока, на выход которого подключен преобразователь ток-напряжение. В силу конечного значения времени высвечивания сцинтиллятора и пролета электронов между динодами фотоэлектронного умножителя, наличия паразитных емкостей в конструкции фотоэлектронного умножителя и во входных каскадах преобразователя ток - напряжение импульс напряжения, получаемый с системы “детектор+ФЭУ+преобразователь ток - напряжение” может быть описан некоторой функцией, например в первом приближении, гауссоидой. Амплитуда этого импульса, при сохранении неизменности вышеперечисленных параметров, будет пропорциональна, в конечном итоге, энергии зарегистрированного гамма-кванта.

По такому принципу работают все три сборки “детектор+ФЭУ” данного устройства для проведения литолого-плотностного каротажа, отличие заключается в дальнейшей обработке токовых импульсов с выхода фотоэлектронного умножителя. Токовый импульс с выхода ФЭУ 6 поступает на вход преобразователя ток - напряжение, входящего в блок преобразователя аналог-цифра 12. Токовые импульсы с выхода ФЭУ 5 и ФЭУ 7 поступают на соответствующие входа программно-управляемых усилителей-дискриминаторов большого 11 и малого 10 зондов. Там полезный сигнал усиливается до цифрового уровня, а шумы ФЭУ, находящиеся ниже уровнем дискриминации, отрезаются. После этого цифровые импульсы с программно управляемых усилителей - дискриминаторов 11 и 10 поступают на соответствующие счетные входа блока центрального процессора 15. Токовые импульсы с ФЭУ 6 преобразуются на блоке преобразователя аналог-цифра 12 в цифровой код, который устанавливается на выходе блока преобразователя аналог-цифра 12 и является пропорциональным энергии, оставленной гамма-квантом в сцинтилляционном детекторе. Блок накопления амплитудных спектров 14 инкрементирует содержимое ячейки, адрес которой соответствует цифровому коду, установленному на выходе блока преобразователя аналог-цифра 12. Таким образом, в блоке накопления амплитудных спектров 14 происходит накопление спектра гамма-излучения. По соответствующей команде с наземной каротажной станции накопленный спектр из блока накопления амплитудных спектров 14 переписывается в блок центрального процессора 15, который начинает передавать информацию на поверхность. Одновременно считываются с обнулением в буферные регистры и передаются на поверхность количества импульсов с программно-управляемых усилителей-дискриминаторов большого 11 и малого 10 зондов, сосчитанные блоком центрального процессора 15. Блок накопления амплитудных спектров 14 обнуляет содержимое памяти и устройство снова готово к накоплению очередного спектра. Максимальная загрузка спектрометрического тракта не превышает 200-250 импульсов в минуту. Учитывая, что длительность импульса на входе блока преобразователя аналог-цифра 12 составляет порядка 1-2 мксек, в основном потенциал, присутствующий на входе, определяется нулем энергетической шкалы. Принудительный запуск на преобразование блока преобразователя аналог-цифра 12 приводит к появлению в регистрируемом спектре линии, соответствующей положению энергетического нуля.

Выполнение вольфрамового защитного экрана 21 и коллимационных окон 22, 23, 24, 25 широко известно и приведено, например, в [6] и [7]. Реализация блоков усилителей дискриминаторов 11 и 10 показана в [8]. Блок преобразователя аналог-цифра 12, управляемые блоки питания высокого напряжения большого и малого, а также среднего зондов 9 и 8, блок накопления амплитудных спектров 14, блок преобразования вторичных напряжений 17 могут быть реализованы аналогично соответствующим блокам [9]. Блок центрального процессора 15 может представлять собой узел на основе микропроцессора, например на основе AT90S8535, имеющего в своем составе память программ, счетчики импульсов входящих с усилителей-дискриминаторов большого и малого зондов, оперативную память для хранения амплитудных спектров, необходимую вычислительную мощность для проведения процедур вычисления просчетов, восстановления за мертвое время регистрирующего тракта и управление блоками высокого напряжения. Блок оцифровки нуля 13 представляет собой узел, который по команде от блока центрального процессора начинает формировать сигнал принудительного запуска преобразования аналог-цифра с частотой более низкой, чем частота преобразования аналог-цифра, например, с частотой, в 2 раза меньшей. Это может быть, например, программно-управляемый генератор электрических импульсов. В силу того, что даже при самых высоких загрузках тракта гамма-квантами на входе преобразователя аналог-цифра большую часть времени информационный сигнал отсутствует, то в результате принудительного старта преобразования аналог-цифра полученный код будет соответствовать нулю энергетической шкалы. Блок приемо-передатчика может быть реализован по стандартной схеме, например, используемой в [5].

Зарегистрированные энергетический спектр среднего зонда и скорости счета большого и малого зондов в виде цифровых сигналов по каротажному кабелю передаются на компьютер, находящийся на поверхности.

Полученные данные зондов обрабатываются в следующей последовательности:

По данным большого и малого зондов с использованием полученных на моделях плотности и индекса фотоэлектрического поглощения палеточных зависимостей вычисляется значение объемной плотности.

Производится увязка энергетической шкалы зарегистрированного спектра среднего зонда со шкалой базового спектра полученного на образце с эталонной плотностью и значением индекса фотоэлектрического поглощения.

Для стандартного положения энергетических границ литологического окна проводится расчет скоростей счета в литологическом и плотностном окнах и по полученным данным с использованием палеточных зависимостей проводится предварительный расчет индекса фотоэлектрического поглощения (Ре) с учетом значения объемной плотности, полученной ранее.

В зависимости от полученного значения индекса фотоэлектрического поглощения (Ре) и на основании палеточного материала, полученного на моделях плотности и индекса фотоэлектрического поглощения, уточняется положение границ “литологического” окна.

С уточненными границами “литологического” окна проводится окончательный расчет значения индекса фотоэлектрического поглощения с учетом значения объемной плотности полученной ранее.

Источники информации:

1. Development of a spectral limo-density⁸¹⁰ logging tool by use of empirical methods, A. Gearhart, Gary L. Mathis. Gearhart Industries, Inc. Fort Worth, Texas, SPWLA 27 Annual Logging Symposium, June 9-13, 1996.

2. Патент США №4,628,202, “Method and apparatus for gamma ray well logging”, МПК G 01 V 5/12, HKH 250/269.3, 1986 [Прототип].

3. Energy resolution, non-proportionality, and absolute light yield of scintillation crystals. P.Dorenbos, M.Marsman, C.W.E.van Eijk, Proc. Int. Conf. On Inorganic Scintillators and Their Applications, SCINT95, 1996, Delft University Press, The Netherlands.

4. “Единая идеология стабилизации спектрометров гамма-излучений различной природы”, Черменский В.Г., Саранцев С.Н., “Каротажник” №102, Тверь, 2003 г.

5. Патент США №4,524,273 “Method and apparatus for gamma ray well logging”, МПК G 01 V 5/12, HKH 250/269.3, 1986.

6. Патент США №4,814,611, МПК G 01 V 5/12, HKH 250/269.3, 1986.

7. Патент РФ 2105331, МПК G 01 V 5/12, 1993.

8. “Цифровая многоканальная программно управляемая двухзондовая аппаратура импульсного нейтронного каротажа”, Черменский В.Г., Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1993 г., Тверь.

9. Патент РФ 2191413, МПК G 01 V 5/12, 2001.

Устройство для проведения литолого-плотностного гамма-гамма-каротажа, содержащее охранный кожух, детекторы гамма-излучения малого и большого зондов, которые оптически соединены с соответствующими фотоэлектронными умножителями, два управляемых блока высокого напряжения, первый из которых соединен своим выходом с входом фотоэлектронного умножителя малого зонда, усилитель-дискриминатор малого зонда, своим первым входом соединенный с выходом фотоэлектронного умножителя малого зонда, блок преобразования аналог-код, своим выходом соединенный шиной данных с соответствующим входом блока накопления амплитудных спектров, соединенным, в свою очередь, двунаправленной линией связи с первым входом-выходом центрального процессора, второй двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен двунаправленной линией связи с блоком приема-передатчика, источник гамма-квантов, защитный экран, в котором напротив источника гамма-квантов и детекторов малого и большого зондов выполнены коллимационные окна, реперный источник, расположенный в непосредственной близости от детектора большого зонда, при этом два управляемых блока высокого напряжения, усилитель-дискриминатор малого зонда, блок преобразования аналог-код, блок накопления амплитудных спектров, блок центрального процессора, блок приемопередатчика расположены в охранном кожухе, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит детектор гамма-излучения среднего зонда, оптически соединенный с соответствующим фотоэлектронным умножителем, программно-управляемый усилитель-дискриминатор большого зонда, связанный своим первым входом с выходом фотоэлектронного умножителя большого зонда, блок оцифровки нуля, блок питания вторичных напряжений, верхний и нижний кабельные разъемы, при этом первый управляемый блок высокого напряжения своим вторым выходом соединен с входом фотоэлектронного умножителя большого зонда, второй управляемый блок высокого напряжения своим выходом соединен с входом фотоэлектронного умножителя среднего зонда, усилитель-дискриминатор малого зонда выполнен программно-управляемым, выход фотоэлектронного умножителя среднего зонда соединен с первым входом блока аналого-цифрового преобразования, второй вход которого связан с выходом блока оцифровки нуля, блок центрального процессора своими первым, вторым и третьим выходами связан соответственно с первым входом блока оцифровки нуля, с первым входом управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов, с первым входом управляемого блока высокого напряжения среднего зонда, блок центрального процессора третьей двунаправленной линией связи соединен с соответствующим двунаправленным входом-выходом блока преобразования аналог-код, выходы программно-управляемых усилителей-дискриминаторов большого и малого зондов соединены с соответствующими первым и вторым входами блока центрального процессора, выход блока приема-передатчика соединен со входом блока питания вторичных напряжений, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый выходы которого соединены с соответствующими входами соответственно блока накопления амплитудных спектров, блока преобразования аналог-код, блока оцифровки нуля, управляемого блока высокого напряжения среднего зонда, управляемого блока высокого напряжения малого и большого зондов, блока приемопередатчика, программно-управляемого усилителя-дискриминатора малого зонда, программно-управляемого усилителя-дискриминатора большого зонда, блока центрального процессора, первый, второй и третий двунаправленные входы нижнего разъема соединены с соответствующими двунаправленными входами верхнего разъема, первый и второй двунаправленные входы верхнего разъема соединены со вторым и третьим двунаправленными входами-выходами блока приема-передатчика, в защитном экране напротив детектора среднего зонда выполнено коллимационное окно, защитный экран выполнен из вольфрама и расположен внутри охранного кожуха, а детекторы гамма-излучения малого среднего и большого зондов оптически соединенные с соответствующими фотоэлектронными умножителями, источник гамма-квантов и реперный источник расположены внутри защитного экрана.