СПОСОБ КАЛИБРОВКИ СКВАЖИННЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ Российский патент 2011 года по МПК G01V5/04 

Изобретение относится к области ядерной геофизики и служит для автоматической энергетической калибровки скважинных спектрометров со стальным кожухом, регистрирующих естественное гамма-излучение или нейтронное гамма-излучение, обладающих нелинейностью не больше ±2% и предназначенных для исследования обсаженных и необсаженных нефтегазовых, рудных и инженерных скважин, использующих стационарные или импульсные источники нейтронов.

Известен ряд способов энергетической калибровки скважинных спектрометров.

Методические указания, регламентирующие проведение СНГК (спектрометрический нейтронный гамма каротаж), на рудных месторождениях, энергетическую шкалу спектрометра предписывают устанавливать на поверхности перед проведением каротажа по положению парного пика железа (6.6 МэВ) на аппаратурном спектре полевого калибровочного устройства (ПКУ) с последующим выставлением рабочих окон; в процессе каротажа первоначальная энергетическая калибровка не корректируется [1].

Недостатком данного способа является невысокая точность и невозможность применения для нефтегазовых скважин.

Известен скважинный прибор аппаратуры гамма-каротажа (СГК - спектрометрический гамма-каротаж), в котором предусмотрена система автоматической регулировки усиления (АРУ), настраиваемая по пику Cs-137 (0.66 МэВ) [2].

Этот способ требует использования радиоактивного источника, что нежелательно; кроме того, возникает опасность перегрузки спектрометрического тракта.

Известен способ калибровки детекторов при регистрации естественного или индуцированного Y-излучения (гамма-излучения) детекторами, в котором производят определение интенсивностей спектральных потоков в заданных энергетических интервалах каждого спектра, границы которых определяют по положению реперной Y-линии в спектре первого детектора. Первый детектор окружают экраном, поглощающим Y-излучение и высвечивающим рентгеновское излучение (РИ). Y-спектры от каждого из детекторов регистрируют одновременно в двух энергетических диапазонах, для чего осуществляют пороговую селекцию и усиление сигналов с коэффициентами K₁ и K₂, затем в полых Y-спектрах находят номера каналов пиков Y-излучения естественно-радиоактивных нуклидов, по положению номера канала, максимума пика РИ n₁ и величине его энергии E₁ рассчитывают в первом приближении энергетические масштабы Y-спектра первого детектора по определенным формулам. В основном высокоэнергетическом спектре находят пик с минимальной погрешностью измерения и, используя значение энергетического масштаба, рассчитывают приблизительные значения энергии по определенной формуле. Идентифицируют энергии пика с минимальной погрешностью измерений Е_i ^min, используя определенные соотношения. По найденным энергии и номеру канала пика Е_i ^min и n_i ^min и положению максимума РИ (E₁, n₁) рассчитывают второе приближение для энергетического масштаба и калибровочное уравнение по определенным выражениям, идентифицируют значение энергии для всех других пиков в спектре жесткой компоненты первого детектора, по найденным Е_i и n_i для всех пиков спектра жесткой компоненты первого детектора рассчитывают истинный масштаб, для чего методом наименьших квадратов (н.к.) находят калибровочное уравнение. Определяют энергетические масштабы для остальных детекторов в первом приближении по положению в них пика Е_i ^min и n_i ^min, после чего для каждого детектора находят калибровочные уравнения, рассчитывают приближенные значения энергии для остальных пиков каждого спектра, идентифицируют их и по методу н. к. устанавливают окончательный вид калибровочных уравнений и масштабы детекторов, затем корректируют коэффициенты усиления в определенное число раз. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений [3].

Данный способ предъявляет высокие требования к спектрометру (идентичность энергетических калибровок нескольких детекторов) и отличается большой сложностью реализации.

В другом известном способе производят уточнение энергетической калибровки аппаратуры ИНГКС (импульсный нейтронный гамма-каротаж спектрометрический), которое проводят на этапе обработки в интерактивном режиме путем сравнения текущего спектра с эталонным [4].

Этот способ предъявляет высокие требования к квалификации исполнителя и существенно увеличивает время обработки материалов каротажа.

Задачей заявляемого способа является повышение точности измерений, упрощение технологии калибровки скважинной аппаратуры и снижение времени, затрачиваемого на его реализацию.

Задача решается тем, что в способе калибровки скважинных спектрометров, обеспечивающих измерение спектра не менее чем в 128 каналах (уровней дискриминации) и характеризующихся нелинейностью энергетической шкалы не более 2%, включающем в себя регистрацию естественного или индуцированного гамма-излучения, определение интенсивностей спектральных потоков, осуществляют коррекцию аппаратурного нуля спектрометра, при этом за первый канал принимают канал, в котором впервые зарегистрированы ненулевые интенсивности спектра, производят операцию сравнения текущего спектра со спектром комптоновского рассеяния гамма-излучения и осуществляют трансформацию наблюдаемого спектра путем его нормировки на аналитически аппроксимируемый спектр комптоновского излучения по формуле:

где

SpTr(i) - трансформированный спектр, относительная единица (о.е.)

Sp(i) - исходный спектр после коррекции нуля, импульс/с

i - номера каналов после коррекции «нуля» спектрометра,

a_j (j=0, 1, 2, 3), - коэффициенты, определяемые по методу наименьших квадратов (н.к.),

далее в трансформированном спектре определяют номера каналов i значимых пиков по критерию:

где

SpTr(i) - трансформированный спектр,

i - номера каналов,

затем среди значимых пиков выделяют пик максимальной амплитуды i_a и пик с наибольшим номером i_n, производят отождествление одного из этих пиков с реперной линией известной энергии Е₀, присутствующей в регистрируемом излучении, и вычисляют энергию Е регистрируемого излучения по формуле:

где

k=E₀/i_n (или k=E₀/i_a)

Е - энергия излучения, МэВ,

i - номера каналов.

На фиг.1 приведен пример калибровки аппаратуры СГК,

где 1-А - исходный спектр, 1-В - трансформируемый спектр, 1-С - спектр после калибровки.

На фиг.2 приведен пример калибровки аппаратуры СНГК,

где 2-А - исходный спектр, 2-В - трансформируемый спектр, 2-С - спектр после калибровки.

Способ осуществляют следующим образом.

При исследовании скважин спектрометрами, регистрирующими естественную гамма-активность (СГК), или нейтронное гамма-излучение, вызываемое ампульным или импульсным источниками нейтронов (СНГК), определяют интенсивности регистрируемых спектральных потоков, для повышения точности измерения осуществляют коррекцию аппаратурного нуля спектрометра, при этом за первый канал принимают канал, в котором впервые зарегистрированы ненулевые интенсивности спектра, производят операцию сравнения текущего спектра со спектром комптоновского рассеяния излучения и осуществляют трансформацию наблюдаемого спектра путем его нормировки на аналитически аппроксимируемый спектр комптоновского излучения по формуле (1).

За счет данной трансформации существенно возрастает контрастность спектра и его информативность в области высоких энергий.

После указанной операции в трансформированном спектре выделяют значимые пики энергий, используя которые и опираясь на наличие в зарегистрированном спектре реперных пиков известных энергий, производят энергетическую калибровку спектрометра. Алгоритм автоматической энергетической калибровки аппаратуры заложен в программу управляющего компьютера.

Примеры практического применения.

На фиг.1 приведен пример автоматической энергетической калибровки аппаратуры СГК.

При исследовании скважин спектрометрами регистрируют естественную гамма-активность (СГК).

Вначале осуществляется коррекция аппаратурного нуля спектрометра (1-А).

Далее производится трансформация измеренного спектра по формуле (1). В трансформированном спектре выделяются пики i_n и i_a (1-B). Пику i_n отвечает энергия 2.62 МэВ (Т1-208) (Справочные данные стр.470 [5]). Отсюда начальное значение коэффициента k₀ равно k₀=2.62/i_n. Пик i_a может обладать одной из трех энергий: 0.93 (E₁ - Ac-228), 1.46 (Е₂ - К-40), 1.76 (Е₃ - Вi-214).

Вычисляем E₄=k₀·i_a. Abs(E₄-E₁)<0.1; поэтому принимаем E₄=E₁, k₁=E₁/i_a, E=k₁·i. Полученная энергетическая калибровка спектра СГК показана на 1-С (фиг.1).

На фиг.2 показан пример автоматической калибровки аппаратуры СНГК.

При исследовании скважин спектрометрами регистрируют нейтронное гамма-излучение, вызываемое ампульным или импульсным источниками нейтронов (СНГК).

Коррекция 0 в данном случае не потребовалась.

После трансформации спектра выделяют пик i_n (2-B). Этому пику отвечает энергия 7.6 МэВ - гамма-излучение радиационного захвата (ГИРЗ) железа (Табличные данные. Приложение 4, стр.520 [5]). Начальное значение коэффициента k₀ равно 7.6/i_n. Исходя из полученного значения k₀, находим спектральный интервал (i_н1, i_н2) (2,2.4) МэВ, в котором находится пик ГИРЗ водорода (2.2 МэВ). В этом интервале находим пик i_a. Уточненное значение коэффициента k₁ будет равно 2.2/i_a. Полученная в результате описанного алгоритма энергетическая калибровка спектра СНГК показана на 2-С (фиг.2).

Предлагаемый способ предназначен для автоматической энергетической калибровки на этапе обработки материалов каротажа многоканальных (с числом каналов не менее 128) спектрометров, предназначенных для исследования скважин любым из методов - СГК, СНГК, нелинейность энергетической шкалы которых не превышает ±2%; предполагается, что в процессе каротажа отсутствовали «шумы» спектрометра.

Источники информации

1. Методические указания по применению спектрометрического нейтронного гамма-каротажа на месторождениях твердых полезных ископаемых. - М., 1986.

2. Урманов Э.Г. Спектрометрический гамма-каротаж нефтегазовых скважин. - М.: ВНИИОЭНГ, 1994.

3. Патент РФ №2159451, G01V 5/04, «Способ гамма-каротажа», публ. 20.11.2000.

4. Инструкция по проведению импульсного спектрометрического нейтронного гамма-каротажа и обработке результатов измерений при оценке текущей нефтенасыщенности пород (терригенные отложения). - Тверь, 2008.

5. Филиппов Е.М. Ядерная разведка полезных ископаемых. Справочник. - К.: «Наукова думка», 1978.

Использование: для калибровки скважинных спектрометров. Сущность заключается в том, что выполняют регистрацию естественного или индуцированного гамма-излучения, определение интенсивностей спектральных потоков, осуществляют коррекцию аппаратурного нуля спектрометра, при этом за первый канал принимают канал, в котором впервые зарегистрированы ненулевые интенсивности спектра, производят операцию сравнения текущего спектра со спектром комптоновского рассеяния гамма-излучения и производят трансформацию наблюдаемого спектра путем его нормировки на аналитически аппроксимируемый спектр комптоновского излучения по определенной формуле, затем среди значимых пиков выделяют пик максимальной амплитуды i_a и пик с наибольшим номером i_n, производят отождествление одного из этих пиков с реперной линией известной энергии Е₀, присутствующей в регистрируемом излучении, и вычисляют энергию Е регистрируемого излучения по формуле E=k·i, где k=E₀/i_n, (или k=E₀/i_a), Е - энергия излучения, МэВ, i - номера каналов. Технический результат: повышение точности измерений, упрощение калибровки скважинной аппаратуры и снижение времени, затрачиваемого на реализацию способа. 2 ил.

Способ калибровки скважинных спектрометров, содержащий регистрацию естественного или индуцированного гамма-излучения, определение интенсивностей спектральных потоков, отличающийся тем, что осуществляют коррекцию аппаратурного нуля спектрометра, при этом за первый канал принимают канал, в котором впервые зарегистрированы ненулевые интенсивности спектра, производят операцию сравнения текущего спектра со спектром комптоновского рассеяния гамма-излучения и производят трансформацию наблюдаемого спектра путем его нормировки на аналитически аппроксимируемый спектр комптоновского излучения по формуле:

где SpTr(i) - трансформированный спектр, относительная единица (о.е.);
Sp(i) - исходный спектр, импульс/с;
i - номера каналов после коррекции «нуля» спектрометра;
a_j(j=0, 1, 2, 3) - коэффициенты, определяемые по методу наименьших квадратов (н.к.), безразмерные далее в трансформированном спектре определяют номера каналов I значимых пиков по критерию:

где SpTr(i) - трансформированный спектр;
i - номера каналов,
затем среди значимых пиков выделяют пик максимальной амплитуды i_a и пик с наибольшим номером i_n, производят отождествление одного из этих пиков с реперной линией известной энергии Е₀, присутствующей в регистрируемом излучении, и вычисляют энергию Е регистрируемого излучения по формуле:

где k=E₀/i_n, (или k=E₀/i_a);
Е - энергия излучения, МэВ;
i - номера каналов.