Устройство для определения состава грунта

Союз Советских Социалистических Республик(33) -Государственный номнте СССР по делам изобретений и открытийОпубликовано 25.04.79. Бюллетень М 15 Дата опубликования описания Г 5.04. Ю Иностранцы Ганс Юрген Паап(54) УСТРОЛСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГРУНТАИзобретение относится к исследованию состава и свойств грунтов и может быть применено при радиологических исследованиях грунтов.Известно устройство для определения состава грунтов при скваженных каротажных исследованиях, включающее герметический каротажный зонд с источником быстрых нейтронов и сцинтилляционный детектор гамма- излучения, а также средства для обработки получаемой информации, включающее анализатор высоты импульсов 1.Недостатком этого устройства является низкая разрешающая способность при анализе состава грунтов. Кроме того, увеличение числа анализируемых элементов достигается с увеличением числа каротажных зондов, присоединенных к одной электронной схеме, что ведет к конструктивному усложнению устройства.Из известных устройств наиболее близким к изобретению по техни еской сущности является устройство, включающее каротажный зонд в виде герметичного тела, источник быстрых нейтронов и детектор для обнаружения гамма-излучений, а также средство для разложения импульсов напряжения рункциоцальцо зависящих от энергии гамма- излучений, в энергетический спектр с ппц лизатором высоты импульсов, имеюгццм каналы высоты импульсов.В этом устройстве в качестве сцицтилляционного детектора использованы крцсталлы иолида натрия, а выбор энергетических каналов основывался в основном ца энергетических пиках неупругого рассеяния гамма.лучей: 4,44 МЭВ для углерода, 6,13 МЭВ для кислорода и 1,78 МЭВ для кремния 21.К недостаткам этого устройства относится то, что часть гамма. лучей, воспринимаемых летектором, создается за счет захвата быстрых нейтронов самим материалом датчика и послелующего возникновения гамма- излучения в кристалле детектора.Другим недостатком является относительно большая постоянная времени восстановления летекторов такого типы, что снижает скорость повторения ихпулыов.Цель изобретенпя -- повышение точности и надежности определения состава грунта.Это лостигается тем, что в устройстведля определения состава грунта, вклктчающем каротажцый зонд в виде герметичного тела, источник быстрых нейтронов ц летек1 о 4 Б 0 55 3тор для обнаружения гамма-излучений, расположенные в каротажном зонде, а также средство для разложения импульсов напря. жения, функционально зависящих от энергии гамма-излучений, в энергетический спектр с анализатором высоты импульсов, имеющим каналы высоты импульсов, детектор содержит сцинтиллируюший материал, помещенный в свободный от водорода жидкий органический растворитель, причем анализатор высоты импульсов содержит четыре канала высоты импульсов, соответствующие четырем энергетическим каналам энергетического спектра, которые находятся в пределах 1,4 - 1,6 МЭВ для кремния, 2,25 - 3,5 МЭВ лля кальция, 3,5 - 4,5 МЭВ для углерода и 4,5 - 6,1 МЭВ для кислорола, при этом свободным от водорода жидким органическим растворителем является гексафторбензол.На фиг. 1 изображена общая блок-схема устройства и прибор лля каротажа скважин; на фиг. 2 - временная диаграмма; на фиг. 3 - графическое изображение спектра жестких гамма-лучей, возникающих при захвате нейтронов при использовании системы обнаружения согласно изобретению с размещением на спектре четырех энергетических окон.Устройство включает блок-схему 1, скважину 2, пробуренную в грунте 3, обсаженную стальными трубами 4 и заполненную оуровой жилкостью 5. Обсадные трубы закреплены слоем цемента 6, который служит также лля гидроизоляции смежных продуктивных формаций в грунте 3. Спускаемая часть системы для каротажэ состоит в основном, из вытянутого герметичного полого тела или зонда 7, который в процессе проведения операции .каротажа пропускается внутри вдоль обсадной трубы и имеет для этого соответствуюцие размеры. Наземное оборудование предназначено для обработки и регистрации электрических измерений, осуществляемых зондом. Каботажный кабель 8, который проходит по блоку 9, удерживает зонд в скважине, а также образует электрическую цепь для сигналов, идуцих от наземного оборудования к зонду и обратно. Кабель может представлять собой обычный каротажный кабель бронированного типа и содержать один или несколько электропроводников для передачи сигналов между зондом и наземными устройстваВ зонде размещен источник 10 нейтронов большой энергии. Предполагается, что источник нейтронов представляет собой импульсный источник нейтронов, работа которого основана на реакции. дейтерий-тритий. Олнако могут быть использованы источники нейтронов другого типа. а И зо Э 5 4 Р 4В зонде установлен детектор излучения, содержащий фотоэлектронный умножитель 11, жидкий сцинтилляционный детектор 12, оптически связанный с фотоумножителем для обнаружения гамма-излучения, возникающего в результате неупругого рассеяния нейтронов большой энергии в формациях, окружаюших скважину. Защитный экран 13 из железа, свинца, парафина или из сочетания этих веществ, или из другого полходяшего материала, установлен между источником нейтронов и жидким сцинтилляционным детектором прибора. Жидкий сцинтилляционный детектор состоит из лишенного пузырьков металлического сосуда с гексафторбензолом (Сг Гв ) в качестве растворителя. Этот растворитель почти не содержит водорода. Жидкий сцинтилляционный детектор такого типа обладает сравнительно высокой эффективностью по отношению к гамма-лучам и очень низкой эффективностью по отношению к нейтронам. Как видно из фиг, 1 вокруг жидкого сцинтилляционного детектора на части либо внутренней, либо наружной стенки зонда установлена экранируюшая трубка 14 для защиты от тепловых нейтронов. Кроме того, между материалом радиационной защиты и кристаллом детектора установлен экранируюший диск 15 для зашиты от тепловых нейтронов с целью уменьшения вероятности попадания тепловых нейтронов в летектор, Эти экранируюшие детали могут быть выполнены из бора или другого материала, обладаюшего большим сечением захвата тепловых нейтронов. Экранирование также снижает вероятность попадания тепловых нейтронов, которые движутся по извилистой траектории и замедляются буровой жидкостью или же зашитным материалом, в окружность детектора и возбуждения нейтронов в элементах, образующих корпус детектора. Это ослабляет гамма-излучение, вызываемое захватом тепловых нейтронов, в течение периода времени наблюдения жестких гамма-лучей. Сцинтилляционный детектор создает диск ретную вспышку света всякий раз, когда гамма-лучи проходят сквозь него и сообшают энергию флюорестируюшему материалу, образующему жидкий сцинтилляционный детектор. Фотоумножитель 11 вырабатывает импульс тока, пропорциональный по амплитуде интенсивности каждой сцинтилляции, происходящей в жидком сцинтилляционном датчике. Интенсивность сцинтилляций или световых вспышек связана функциональной зависимостью с энергией гамма- лучей, их вызывающих. Таким образом, импульс напряжения, создаваемый за счет прохождения импульса тока через резистор (на чертеже не показан), имеет амплитуду, связанную функциональной зависимостью с энер.5гиейсоответствуюших гамма-лучей. Эти импульсы напряжения, вырабатываемые фотоумножителем, образуют сигнал детектора, который подается на линейный усилитель 16 через дискриминатор 17. Дискриминатор 17 может использоваться, например, для отделения слабого фонового гамма-излучения, идущего от материалов, окружавших стенки скважин. Таким образом, это отделение может быть использовано для подавления вредных импульсов, которые могут способствовать возникновению кумулятивного импульса, обусловленного временем переходного процесса в электронных элементах системы и полосой пропускания каротажного кабеля.Источник нейтронов приводится в действие, предпочтительно, импульсной схемой 18, которая имеет известную конструкцию. Импульсная схема 18 заставляет работать источник нейтронов в режиме коротких импульсов. Схема может работать от тактовых импульсов, поступающих с наземного хронируюшего эталона 19 по проводникам кабеля. В случае необходимости хронируюший эталон 19 может быть размещен также в спускаемом зонде.Тактовые сигналы подаются также на генератор 20 импульсов зонда. Например, импульсная схема 18 может запускаться тактовым сигналом с хронируюшего эталона 19 для излучения нейтронной вспышки определенной длительности. При этом частота таких вспышек может регулироваться изменением частоты хронирующего эталона 19. При измерении неупругого рассеяния нейтронов, предлагаемом в изобретении, желательно использовать импульсы нейтронов, имеющие длительность не менее 5 мкс и повторяющиеся приблизительно от 500 до 20000 раз в с.На фиг. 2 показана временная зависимость между вышеупомянутыми импульсами нейтронов, рабочим участком цикла детектирования гамма-излучения и плотностью нейтронов большой энергии и тепловых нейтронов. Цикл ускорения изображен сплошной кривой 21. Плотность жестких гамма-лучей вблизи жидкого сцинтилляционного детектора обозначена пунктирной кривой 22. Плотность гамма-лучей, вызываемых захватом тепловых нейтронов, вблизи жидкостного сцинтилляционного детектора изображена пунктирной кривой 23. Рабочий цикл детектора изображен отдельной сплошной кривой 24. За время импульса нейтронов резко нарастает кривая 22 плотности жестких гамма- лучей. Кривая 23 плотности гамма-лучей захвата тепловых нейтронов нарастает медленнее и достигает максимума только по окончании 5-микросекундного импульса нейтронов. Следует заметить, что расстояние между импульсами нейтронов во времени достаточно велико для того , чтобы кривая623 плотности тепловых нейтронов спзддлд почти до нуля перед началом слсдуюгцсго импульса. Однако обычно цри болсс исоких скоростях повторения импульсов нско торое число нейтронов остается вблизи жцлкостного сцинтилляццоцного детектора в момент возникновения следуюгцсго импульсд нейтронов. В этом случае экранируюгцдя трубка 4 для защиты от тепловых нейтронов, выполненная из бора, и диск 15 уменьшают число паразитных подсчетов гамма- лучей, создаваемых этим источником за счет быстрого поглощения тепловых нейтронов. При этом относительно низкая эффективность отсчета нейтронов детектора способствует снижецик парззитцого фона.В течение времени возбуждения источника 10 нейтронов выходные сигналы фотоумножителя 11 поступают через дискрц линатор 17 и линейный усилитель 16 в задающую цепь с пОмощью кабеля 25, цмскмцую обычную конструкцию. Генератор 20 импульсов также подает ня вход дискриминатора 7 опорный сигнал, имеющий известную амплитуду. Этот опорный сигнал, вырабатываемый генератором 20, может исцользовдп- ся в устройстве регулировки усцлсцця цлц стабилизаторе 26 спектра, размсщенц 5 м цд поверхности, для регулировки коэффициента усиления системы. Это можсг осущсст - вляться в течение промежутка времени между импульсами нейтронов, так кдк сигналы генератора могут подаваться в стаоилиззтор 26 спектра непрерывно илц в лк)бой желаемой последовательности.Так как импульсная схема зоила и наземное селектирующее приспособлсццс 27, которое осуществляет временную селекцию импульсов измерения, поступзюнгих из зонда, работают по тактовым импульсам от одного и того же хронирующего эталона 9, ясно, что между спускаемым и наземным оборудованием может быть достигнут синхронизм. Таким образом, сигналы измерения, поступая на поверхность, могут идопускаться так, чтобы выделять для обработки их части, сдвинутые по времени нужным обрд. зом относительно излучения нейтронов. 5055 5 10 15 то 25 Зо 35 40 Устройство работает следующим образом. Электроэнергия подается на зонд 7 от наземного источника на черт. не показдн) через каротажный кабель 8. Для питания спускаемой части оборудования в зонде 7 предусмотрены токоподводь нз черт. нс показаны) . Выходные сигналы селектирующсго приспособления 27 образуют последовательность импульсов счета, полученных из гамма-лучей, зарегистрированных жидкостным сцинтилляциоцным детектором 12, с помощью фотоумножителя 1 в течение промс. жулика времеци возбуждения источника нсй6591 1 о 1 то аз 7тронов 1 О. Эти импульсы представляют собой информацию, полученную, главным образом, в результате возбуждения ядер вблизи жидкостного спинтилляционного детектора 2 за счет неупругого рассеяния нейтронов, испускаемых источником 10. Жесткие гамма-лучи передаются в анализатор 28 ампли. туды импульсов. Анализатор 28 амплитуды импульсов может содержать, например, четыре или более энергетических канала или порога, соответствующих уровням разделения амплитуды входных импульсов. Анализатор 28 амплитуды импульсов селектирует и накапливает текущие суммарные числа входных импульсов в нескольких накопительных каналах, исходя из амплитуды входных импульсов. Эти энергетические каналы связаны непосредственно с энергией гамма-лучей, вызывающих импульс в жидкостном сцинтилляпионном детекторе зонда. Выходной сигнал анализатора 28 амплитуды импульсов состоит в данном случае из некоторого числа счетных импульсов, попавших в каждый из четырех заданных энергетических диапазонов или окон, выбранных так, чтобы они представляли следующие элементы: углерод, кислород, кремний и кальций,На фиг. 3 схематично изображен типовой энергетический спектр гамма-лучей, получаемых при неупругом расстоянии быстрых нейтронов в грунтах формаций вблизи скважин и обнаруживаемых с помощью жидкого сцинтиллятора. Сильное компоновское рассеяние гамма-лучей в жидком сцинтилляторе приводит к общему искажению спектра, изображенного на фиг, 3. Пиковый характер спектра, связанный, как правило, с обычным детектором на кристалле из иодистого натрия или цезия с присадкой, почти полностью отсутствует. На спектре (см. фиг. 3) в увеличенном виде показаны компоновские края у гамма-лучей, получаемых от кислорода, углерода, кальция и кремния. На фиг, 3 показаны также амплитуды импульсов (см. фиг, 1), выбранные так, чтобы они включали эти края. Энергетическое окно кремния идет примерно от 1,4 до 1,6 МЭВ, кальция - от 2,25 до 3,5 МЭВ, углерода - 3,5 до 4,5 МЭВ и кислорода - от 4,5 до 6,1 МЭВ. Эти окна включают, соответственно, комптоновские края для кремния 1,57 МЭВ, для кальция 3,49 МЭВ, для углерода - 4,19 МЭВ и для кислорода - 5,89 МЭВ. Таким образом, это расположение энергетических окон обеспечивает хорошую скорость счета по комптоновскому распределению, связанному с каждым из этих элементов в материале вблизи скважин.Числа отсчетов в каждом из четырех энергетических окон: углерода, кислорода, кремния и кальция в течение промежутка зо З 5 40 45 088времени, когда сигналы детектора зонда подаются в анализатор 28 амплитуды импульсов через селектирующее приспособление 7, выводятся из анализатора 28 в виде четырех отдельных цифровых сигналов.Эти сигналы подаются на регистрирующее приспособление 29, которое приводится в действие в функции глубины скважин элек трическим или механическим путем с помощью блока 9 (изображено пунктирной линией 30) . Таким образом, эти четыре отдельных цифровых сигнала могут быть размещены на графике в функции глубины скважины. Кроме того, эти четыре сигнала могут быть поданы в цепь 31 получения другой информации для определения влагонасыщения, пористости или другой величины. Помимо этого, выходние сигналы анализатора 28 амплитуды импульсов, которые попадают в энергетические окна угдерода и кислорода, подаются в вычислитель 32 отношения углерод/кислород. Отношение углерод/кислород с выхода вычислителя 32 записывается на одну из дорожек регистрирующего приспособления 29 в функции глубины скважины. Аналогично выходные сигналы анализатора, полученные из жестких гамма-лучей в энергетических окнах кремния и кальция, подаются на вычислитель 33 отношения кремний/кальций, который определяет это отношение и записывает его на другую дорожку регистрирующего приспособления 29. Таким образом, отношение кремний/кальций также оказывается записанным в функции глубины скважин. В целом, в устройстве регистрирующее присгюсобление 29 имеет шесть дорожек для записи содержания углерода, кислорода, кремния, кальция, и отношений углерод/кислород и кремний/кальций в функции глубины скважины.Эта информация может использоваться для выяснения наличия газосодержащих зон а также для вычисления других необходимых параметров, касающихся исследуемой скважины. Использование жидкостного сцинтилляционного детектора повышает результаты статистических отчетов.Форлула изобретения1. Устройство для определения состава грунта, включающее каротажный зонд в виде герметичного тела, источник быстрых нейт ронов и детектор для обнаружения гамма-из. лучений, расположенные в каротажном зонде, а также средство для разложения импульсов напряжения, функционально зависящих от энергии гамма-излучений, в энергетический спектр с анализатором высоты импульсов, имеющим каналы высоты импульсов, отличающееся тем, что, с целью ловышения точности и надежности определения состава грунта, детектор содержит сцинтил, г. Ужгоро нинКорректор АПодписноеСССР едактор А. М аказ 1896/60 иценк ОНИИПИ Государпо делам из113035, Москва, Ж Филиал ППП Патент итетаоткры ап наб д, ул. и д. 4/5роектнан, 4 лируюций материал, номеценный,иоый от водорода жидкий органп сс,.и р, ворггель, причем анализатор высоты им - пульсов содержит четыре канала высоты импульсов, соответствующие четырем энергетическим каналам энергетического спектра, которые находятся в пределах 1,4 - 1,6 МЭВ для кремния, 2,25 - 3,5 МЭВ для кальция, 3,5 - 4,5 МЭВ для углерода и 4,5 - 6,1 МЭВ для кислорода. 02. Усгро 1 тво по п. 1, отличающееся тем,что чооодпым от водорода жидким органи.чсскпм р створителем является гексафтороензол11 стпппкп информации, принятые во внимани и экспертизе5