Устройство для проведения комплекса методов импульсного нейтронного каротажа

(з 01 Ч 5/00 ооударотвенный комитетСовета Министров СССРпо делам изобретенийи открытий 8,76,Бюллетень3(45) Дата опубликования описания 03,10,7.ч, Беспалов, В,Н, Дыдычкин и А.А. Дылю сесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии) Заявител 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КОМПЛЕКСА МЕТОДОВ ИМПУЛЬСНОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАМА радиовней ампл ора опт егулиро ия пита едставляет й генерараторными НТ) и сменными ейтронов ейтронов пловых - ти окристаллы Изобретение относится к устройствам для проведения нейтронного каротажа и может быть использовано для ядерно-геофизических исследований нефтяных, газовых и рудных месторождений с применением скважинных нейтронов.Известна аппаратура НГС, содержащая скважинный прибор, включающий в себя устройство, генерирующее импульсы быстрых нейтронов и гамма-излучение, электронный блок предварительной обработки информации и блок питания, а также каротажный кабель и комплекс наземной аппаратуры с временным анализатором,Скважинный снаряд НГСпрсобой импульсный низкочастотнытор нейтронов со сменными генеблоками ( для трубок НТидвухканальным радиометром сосцинтилляционными счетчиками нили гамма-излучения: быстрых нна основе светосостава Т, тепа ЛДНМ, гамма-квантов - монйодистого натрия или цезия. Каналы регистрации скважиннометра снабжены переключателямидискриминации градуированными птуде входных импульсов, Для выбмального режима предусмотрена рка величины стабильного напряжен ния отоумножителеи, а также возможность коммутации любого из датчиков с двумя каналами регистрации, что позволит прово- О дить ГК и ИНГК при двух различных уровнях дискриминации. Информацию из скважин- ного прибора передают по двум жилам кабеля КТБотносительно заземленной оплетки одновременно с напряжениями питанияскважинного снаряда.Основным недостатком НГСявляетсяневьсокая информативность замера, обусловленная возможностью комплексирования максимум двух методов одновременно: импу- О льсного нейтронного гамма-каротажа ( ИНГК)и каротажа по наведенной активности кислорода (НАК), импульсного нейтрон-нейтронного каротажа (ИННК) и ИНГК (на разных зондах), Относительно высока и трудо емкость измерений, ибо реализация всего525038 50 Составитель А Йылюхв Техред М. Ликовмч едактор:И. рректор А ди,д. М 578 аж 690 Подпнсно Предприятие Патент, Москва, Г, Бережковская наб 24 Заказ 5039.цнии Государственногпо делам из Москва, 1130 комитета Совета Министров СССРретений и открытий Раушская наб., 4комплекса методов: ИНГК одним зондом и НАК с мониторированием, ИННК одним зондом с мояиторированием, ИННК и ИНГК, обе в двухэондовой модификации, с использованием НГСможет быть осуществлена 5 на четыре спуско-подъемные операции, причем каждой иэ них предшествуют разборка прибора и замена детекторов. Неодновременное использование различных модификаций ИНК затрудняет сравнение полученных 10 результатов и снижает их достоверность.Проведение на одну спуско-подъемную операцию трех методов: ИНК (ИННК, ИНГК, НАК) и мояиторирование выхода быстрых нейтронов возможно лишь в неоптимальных 15 условиях:при ограниченном диапазоне измеряемых потоков тепловых нейтронов в области их малых значений, вызванном малой эффективностью регистрации и большим фоном излу чения наведенной активности применяемого в этом случае для осуществления ИННК и мониторирования детектора на основе светосостава Т;при одинаковом уровне дискриминации 5 для замеров по ИНГК и НАК, при малом значении которого (нужном для ИНГК) ухудшается соотношение согнал фон для НАК, а при высоком (необходимом при НАК) - существенно снижается чувствительность ИНГК,Целью предлагаемого изобретения является повышение информативности и производительности ядерно-геофиэических исследований с использованием скважинных генераторов нейтронов.Зб Это достигается тем, что в состав регистрирующего устройства скважинного прибора введен амплитудяо-временной селектор(АВС), ко входам которого подсоединены 40спектрометрические датчики нейтронов и гамма-кваятов, а к выходам через каротажныйкабель -временной анализатор наземногоустройства. Подавая с последнего серии управляющих (командньх) импульсов, в соответствующие моменты времени с помощьюАВС из всего массива информации, поступающей со спектрометрических датчиков, потрем признакам (вид, энергия и временнойинтервал существования используемого иэлу- %чения) выделяют информацию каждого из комппексируемых ядерно-геофизических методов,Затем ее передают последовательными порциями яаповерхность и разделяют с помощью временного анализатора, синхронизованного с АВС с помощью упомянутых вышекомандных импульсов,Вывод информации по каждому из комплексируемых методов (кроме ГК) осуществляютв каждом интервале между импульсами быст е 0 рых нейтронов, что равносильно одновременному их проведению,Запись результатов измерений осуществляют с помощью стандартных регистрирующш устройств. По совокупности всех показаний определяют изучаемые свойства горных пород и параметры скважины.Предлагаемое устройство позволяет одя временно, за одну спуско-подъемную операцию реализовать комплекс большинства известных модификаций ИНК, в частности, следующие восемь из них:каротаж по гамма-излучению яеупругого рассеяния быстрых нейтронов (НРК, или ГИНР); импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым (ИННК-НТ) и тепловым (ИННК-Т) нейторнам, последний в двухзондовой моцификации; импульсный нейтронный гамма-каротаж (ИНГК) в двухэондовой модификации; импульсный нейтронный гаммаяейтронный каротаж (ИНГНК); активационный кислородный каротаж (НАК); нейтроннейтронный (ННК-И) и нейтронный гаммакаротаж (НГК-И) с импульсным источником нейтронов. Последние две модификации реализуются путем регистрации интегральных потоков нейтронов (ННК-И) и гамма-квантов радиационного захвата тепловых нейтронов (НГК) и родственны стационарным ННК и НГК. Кроме перечисленных, предлагаемое устройство позволяют производить мониторирование первичного потока нейтронов и гамма-каротаж по естественной радиоактивности горных пород (ГК) - при выключенном генерирующем нейтроны устройстве.С помощью указанного комплекса ядерно- геофизических методов исследования предлагаемое устройство позволяют решать следующие задачи: литологическое расчленение разреза скважин комплексом методов ИННК, ИНГК, ННК-И, НГК-И и ГК; выделение продуктивных нефтяных и газовых пластов по результатам ИННК и ИНГК в двухзондовой модификации; определение местоположении и контроль за перемещением водонефтяногО и газожидкостного контактов на месторождениях с минерализованными пластовыми водами; количественная оценка плотности и коэффициента пористости горных пород по их водородосодержанию методами ННК-И и НГК-И; выделение пластов, содержащих полезные ископаемые, лишенные кислорода (нефть уголь. самородовая сера, сульфиды) методом НАК; определение нейтронных диффузионных параметров горных пород - коэф фициента диффузии тепловых нейтронов, в основном характеризующего водородосодержание пород, и среднего времени жизни теп525038 5ловых нейтронов, зависящего от содержания элементов с большим сочетанием пог лощения тепловых нейтронов (хлор, бор и др,); и ряд других задач. 5Питание, управление и передача информации с предлагаемого многопараметрового прибора осуществляется через стандартный трехжильный каротажный кабель, например, типа КТБ. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы вывода информации со сквакинного снаряда устройства; на фиг, 3 - блок-схема многозондового устройства; на фиг. 4 - временные диаграммы вывода информации с многозондового устройства.На чертежах приняты следующие обозначения; 1 -скважинный прибор; 2 - наземная О аппаратура: 3 - каротажный кабель; 4 - генерирующее устройство; 5 - регистрирующее устройство; 6 - спектрометрический датчик гамма-квантов; 7 - спектрометрический датчик нейтронов; 8 - амплитудно-времен- р ной селектор (АВС); 9 - формирователь;10 - блок питания; 11 - временной анализатор; 12 - декодирующее устройство; 13 - 23 - интенсиметры; 24-34 регистраторы;35 - генератор маркерных импульсов; 36 - З 0 источник питания; 37 - серия управляющих импульсов для проведения ГК; 38 - гамма- излучение естественной радиоактивности горных пород; 39 - информация ГК; 40 - серия управляющих импульсов для проведения ком плекса ННК; 41 - временны диаграмма исследуемых нейтронных излучений; 42 - вре,менная диаграмма исследуемых гамма-излучений; 43 - гамма-излучение неупругого рассеяния быстрых нейтронов; 44 - импульс 40 быстрых нейтронов; 45 - информация НРК;46 - информация по мониторированию; 47 - надтепловые нейтроны; 48 - тепловые нейт роны; 49 - гамма-излучение радиационного .захвата; 50 - информация ННК-И; 51 - 45 информация НГК-И; 52 - информация ИНГК;53 - временная задержка неред ГК; 54 - информация ИННК-Н; 55 - информация ИННК-Т; 66 - фотонейтроны; 57 - информация ИНГНК; 58 - гамма-излучение наведенной радиоактивности; 59- информация НАК; ,60 - информация, передаваемая по первой жиле кабеля; 61 - информация, передаваемая по второй жиде кабеля; 62-63 - спектрометрические детекторы гамма-излучения первого и 55 второго .ондов соответственно; 64 - детектор юадтещтовых нейтроиов; 65-66 - детекторы тепловых нейтронов первого и второго зондов соответственно; 67 - ективационный детектор быстрых нейтронов; 68 - активацион 6ный детектор тепловых нейтронов; 69-75 - усилитель; 76 - командное устройство АВС;77 - исполнительное устройство АВС; 78-87 - ключи; 88 - амплитудный анализатор; 89- 90 - интегральные дискриминаторы с низким порогом первого и второго зондов соответственно; 91 и 92 интегральные дискриминаторы с высоким порогом первого и второго зондов соответственно; 93-95 - триггеры;96-99 - одновибраторы; 100 и 101 - ключи; 102 - серия командных импульсов, подаваемых на вход АВС.Предлагаемое устройство (фиг, 1) состоит из скважинного прибора 1 и наземной аппаратуры 2, соединенных каротажным кабелем 3, Скважинный прибор 1 содержит генерирующее 4 и регистрирующее 5 устройства. В состав последнего входят спектрометрические датчики гамма-квантов 6, нейгронов 7, амплитудно-временной селектор (АВС) 8, формирователь 9 и блок питания 10, В состав наземной аппаратуры 2 входят; временной анализатор 11, декодирующее устройство 12, интенсиметры 13-23, регистраторы 24-34, генератор маркерных импульсов 35 и источник питания 36.Предлагаемое устройство работает следующим образом. Опустив скважинный прибор 1 (фиг, 1 ) до верхней части исследуемого интервала скважины, от комплекса наземной аппаратуры 2 на амплитудно-временной селектор 8 регистрирующего устройства 5 подают серию командных импульсов 37, подключая выход спектрометрического датчика гамма- квантов 6 к формирователю 9 через канал АВС с требуемым для реализации ГК низким энергетическим порогом (например, нг уровне 0,15 - 0,5 МэВ). Спуская прибор и регистрируя датчиком 6 гамма-излучение естественной радиоактивности 38, проводят ГК 39. Дойдя до конца исследуемого интервала, останавливают прибор 1 и подачоа еще двух управляющих импульсов выключают канал ГК, Прибор готов к осуществлению комплекса ИНК.Начинают подъем прибора 1, подавая на его с заданной частотой (10-1000 гц - з зависимости от тира используемого генерирующего устройства 4) серии командных импульсов 40.Первый (маркерный) импульс серии 40 вызывает срабатывание генерирующего устройства 4, приводящее к появлению нейтронных 41 и гамма-полей 42, а также переключение селектора 8 в режиме НРК и "монитор". В общем случае это означает режим многоканального амплитудного анализатора, а в частности, для НРК режим дифФеренциального дискриминатора, настроенного на исследуемые спектральные линиигамма-излучения неупругого рассеяния 43быстрых нейтронов 44 на ядрах горных пород и насыщающих их флюидов. б Мониторирование выхода быстрых нейч ронов 44 из генерирующего устройства 4 осуществляют путем регистрации импульса быстрых нейтронов спектрометрическим дач10 чиком нейтронов 7, работающим в данном случае в режиме физического интегрирования, когда амплитуда импульса на его выходе пропорциональна общему числу попавших в него нейтронов. Такой режим обусловлен большими значениями выхода нейтронов н импульсе (до 10 и/имп) и малой длительностью последних (до 1-2 мксек).Сигнал с датчика 7 подают на АВС 8, где измеряют его амплитуду и кодируют ее о с помощью формирователя 9, служащего также для согласования выхода АВС с каротажным кабелем 3. Полученный код-импульс передают на вход "вх" временного анализатора 11 наземной аппаратуры 2 и по первой жиле каротажного кабеля 3, используемой только для передачи информации ядерно-геофизических методов, связанных с регистрацией нейтронов 41, С выхода вых" временного анализатора 11 сигнал поступает на вход "вх" декодирующего устройства 12, преобразующего информацию об амплитуде, например, в число импульсов, которое измеряют интенсиметором 13 и записывают стандартным регистратором 24 в виде Зб непрерывной диаграммы.При проведении НРК датчиком 6 регистрируют гамма-излучение неупругого рассеяния быстрых нейтронов 43, сигнал подают на второй вход АВС 8 и подвергают той же 40 обработке, что и в случае мониторирования. Разница состоит лишь в том, что код-импульс передают по второй жиле кабеля 3, служащего для передачи информации методов ИНК, связанных с регистрацией гамма б излучения 42, Тоетья жила служит для пере дачи серий командных импульсов 37 и 40 от наземной аппаратуры 2 и скважинному прибору 1, С выхода "вых" временного анализатора 11 код-сигнал подают на вход бО "вх" декодирующего устройства 12, а с него уже счетные импульсы - на тот или иной канал записи показаний в зависимости от величины-закодированной амплитуды, а следовательно, от энергии зарегистрированных бб гамма-квантов 43.Например, канал записи, состоящий иэ интенсиметра 14 и регистратора 25, соответствует энергии 4,42 МэВ (неупругое рассеяние 14 МэВ нейтронов на углероде525038а канал (15 и 26) - 6,1 МэВ рассеяниена кислороде)Прекращение проведения НРК 45 и мониторирования 46 связано с затуханием ив- пульсов быстрых нейтронов 44 и гамма-излучения их неупругого рассеяния 43 и нетребует дополнительных команд.В результате замедления быстрых нейтронов после окончания их импульса в скважине и в породах резко возрастает плотностьнадтепловых 47 и тепловых нейтронов 481а также гамма-квантов радиационного захвата 49 тепловых нейтронов веществом скважин и породы, благодаря чему создают условия для проведении таких методов, какННК-И, НГК-И, ИННК-И, ИННК-Т, ИНГК.ННК-И 50 проводят путем регистрацииинтегрального потока тепловых нейтронов48 в течение интервала времени порядканескольких сотен микросекунд, на которыйприходится 90% и более общего числа нейтронов в импульсе. При этом датчик 7 работает по-прежнему в режиме физическогоинтегрирования, а его выходной сигнал обрабатывают точно также, как при мониторировании 46, проводя его по цепи: АВС 8,формирователь 9, первая жила кабеля 3,вход "вх" - выход "вых " временного анализатора 11, вход "вх" - выход "вых" декодирующего устройства 12, интенсиметр 16,регистратор 27.Аналогично проводят НГК-И 51, регистрируя в тот же интервал времени интегральный поток гамма-квантов радиационного захвата 49 датнйком 6, работрющем в режимефизического интегрирования.Сигнал с его выхода подвергают той жеобработке, что и в предыдущем случае,пропуская его по цепи: АВС 8, формирующееустройство 9, вторая жила кабеля 3, вход"вх ф - выход "вых" временного анализатора 11, вход "вхчф - выход "выхдекоФдирующего устройства 12, интенсиметр 17,регистратор 28.Вторым командным импульсом серии 40,подаваемым спустя несколько сотен микросекунд после первого, переключают АВС 8в режим интегрального дискриминатора сэнергетическим порогом 0,5 МэВ по входу"вх" и (0,1-1) кэВ - по входу фвхф,Уменьшившаяся плотность потока гаммаквантов радиационного захвата 49 позволяет регистрировать их по одному и, изучаявременное распределение плотности их потока, проводить ИНГК 52. С этой целью сигнал с датчика 6 подают на вход "вх ф АВСа8, осуществляя с его помощью интегральную энергетическую отсечку на уровне 0,5МэВ, затем на формирующее устройство 9,вторую жилу кабеля 3, вход вх - выходвых" временного анализатора 11, интенсиметр 19, регистратор 29.Описаннный режим пригоден так же дляпроведения ГК 39, Поэтому измерения гамма-излучения естественной радиоактивности горных пород 38 методом ГК и начинают после подачи двух командных импульсов и непродолжительной временной выдержки 58 для спада потоков нейтронов и гамма-излучения, вызванных однократным срабатывани ем генерирующего устройства. Для замеров используют следующую измерительную цепь: датчик 6, вход "вх" - выход "вых " АВС 8, вход "вх " - выход фвых" формировате. ля 9, вторая жила кабеля 3, вход "вх" - выход "вых" временного анализатора 11, интенсиметр 23, регистратор 34. Подклю-. чение выход "вых временного анализатора осуществляют, например, вручную переключением тумблера "Род работы" из ао - З ложения "Комплекс ННК" в положение "ГК".Заметим также, что после прихода второго командного импульса сигнал с АВС подают на формирующее устройство 9 с выходов "вых" и "вых," осуществляя с помощью последнего согласование выхода АВСс кабелем 3 (уже без кодирования,амплитуды импульсов), так как переводят формирующее устройство из спектрометрическогов счетный режим,Регистрируя тепловые 48 и надтепловые47 нейтроны датчиком 7 и дискриминтируясигнал от тепловых нейтронов энергетической отсечкой с помощью АВС 8 (вход "вх")Зпроводят ИННК-Н 54. Временное распределение потока надтепловых нейтронов изучают временным анализатором 11, подаваясигнал на его вход "вх" с выхода "вых,"АВС 8 через формирователь 9 и первую жи-лу кабеля 3, С выхода "вых 6" временного40анализатора 11 сигнал подают на интенсиметр 19 и регистратор 30.Третий командный импульс подают послеокончания исследований методом ИННК-Н 4 кподключая ко входу "вх " АВС 8 дифференциальный канал, соответствующий энергии0,025 эВ,Выделяя с помощью АВС 8 сигналы с выхода нейтронного датчика 7, соответствук)щие тепловым нейтронам 48, подают их навход "вход" формирователя устройства 9 дляформирования и усиления по мощности, после чего по первой жиле кабеля 3 на вход,ИННК-Т 55. Измерение потока и запись ре,зультатов осуществлйют путем подачи сигнала с выхода "вых" временного анализатора 11 на интенсиметр 20 и регистратор31. 60 После окончания импульса тепловых нейт ронов регистрируют термализованные фото- нейтроны 56, осуществляя ИНГНК 57. Измерения производят, как и в случае ИННКТ, используя для обработки сигнала следующую цепь: нейтронный датчик 7 вход "вх "- выход "вых" АВС 8, вход "вх," - выход "выход" .формирователя 9, первую жилу кабеля 3 .вход фвх" - выход "выхф временного анализатора 11, интенсиметр 21, регистратор 32. Четвертым команднм импульсом АВС 8 по входу "вх" переводят в режим интеграль ного амплитудного дискриминатора с эквивалентным энергетическим порогом на уровне 3 МэВ. Регистрируя датчиком 6 гамма-излучение наведенной радиоактивности кислорода 58 в режиме интегральной дискриминации, задаваемом АВС 8, проводят НАК 59. С выхода "вых " АВС сигнал подают на формирователь 9, затем по второй жиле кабеля 3 на вход "вхз"временного анализатора 11, а с его выхода фвых" на интенсиметр 22 и регистратор 33,Очевидно, что подбором других энергетических порогов дискриминатора или включением АВС в режиме многоканального амплитудного анализатора можно проводить каротаж по наведенной активности других химических элементов, осуществляя, в частности, нейтронно-активационный элементный анализ состава горных пород.Серии командных импульсов получают с помощью временного анализатора 11, например, путем дифференциации фронтов импульсов, служащих для формирования временных окон. Частоту следования серий создают генератором маркерных импульсов 35. Предложенный способ управления обладает следующим достоинством: во-пе.вых, он позволяет оператору регулировать временной режим измерений в широких пределах при нахождении приборов в скважине, вовторых, осуществляя жесткую синхронизацию работы амплитудно-временного селектора скважинного прибора и временного анализатора наземного устройства, передавать всю информацию по двум жилам кабеля: по первой 60 от "нейтронных" и по второй 61 - от гамма" методов, что позволяет использовать стандартный трехжильный каротажный кабель.Совокупность полученных данных в виде каротажных диаграмм или последовательностей электрических сигналов подвергают соответственно ручной или машинной обработке, по результатам которой судят о свойствах горных пород или параметрах скважины.Устройство для проведения комплекса мегодов импульсного нейтронного каротажа,содержащее скважинный прибор, включающийв себя устройство, генерирующее импульсыбыстрых нейтронов и гамма-излучения, электронный блок предварительной обработки информации и блок питания, а также каротажный кабель и комплекс наземной аппаратурыс временным анализатором, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повышения информативности и производительности ядерногеофизических исследований, в состав скважинного прибора введен амплитудно-временной селектор, ко входам которого подсоединены датчики нейтронов и гамма-излучения,а к выходам через каротажный кабель - временной анализатор наземного устройства,задающий рабочий режим амплитудно-временного селектора,Х, =с 3Х=СуХ, =акрХч= й 1Х = ФЧ,ют все триггеры, возвращая АВС 8 в исходное состояние,С приходом нового маркерного импульсаописанный цикл повторяется и может бытьпредставлен двумя системами уравнений, 5первая из которых характеризует работу командного, а вторая - исполнительного устройства АВС,С,= аЬсс(едц - НРК,а=аЬсДеРЧ - ИННК-Н, НГК-И10=фьсф-Ф 3="Ьсс)ейЦ - ИННК-Ть,=аЬсдедИ ) ИНГКЮ =аЬсдефЬЦ - ИНГНК1 =аьсдерЫ,) НАКсВ, =аьсбеФдЮ) - Монитор, ННК-И6:аЬсйе 1 дЫ ) ГКВ,= аЬсде 7 р 1)1 Ч+5 4 - НРК 20 где Й - С1 ЮМ- командные сигналы(причем, К и ж - четные числа),я,б,сф,0р ц ). ) - управляющиесигналы,Х-Х.щ - рабочие сигналы на выходе ключей исполнительного устройства АВС,Те же обозначения с черточкой наверхусоответствуют отсутствию сигналов. формула изобретения