СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕИЗОТОПНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СКВАЖИНЕ Российский патент 2011 года по МПК G01N23/00 G01V5/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение касается способа для неизотопной генерации ионизирующего излучения в скважине, в частности в скважинах для разведки и добычи нефти, газа и воды. Изобретение также касается устройства, используемого для осуществления такого способа.

Уровень техники

Как известно из уровня техники, радиоактивные изотопы широко используют в промысловых геофизических исследованиях, для сбора данных о материалах месторождений. В число недостатков данных технологий входит радиационная опасность, связанная с применением радиоактивных изотопов, и, как следствие, необходимость применения сложных и дорогостоящих процедур для работы с изотопами и радиоактивными отходами, как в местах бурения скважин, так и на соответствующих вспомогательных предприятиях снабжения и обслуживания.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в устранении или сокращении влияния по меньшей мере одного из недостатков известных решений.

Такая цель достигается за счет признаков, раскрытых в нижеследующем описании и прилагаемой формуле изобретения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в предложении способа неизотопной генерации ионизирующего излучения и устройства, используемого для осуществления такого способа.

Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается способ, в котором ионизирующее излучение получают нерадиоактивным образом, путем воздействия импульсным лазерным излучением на облако несвязанных электронов. Соответственно, выходная мощность, получаемая при формировании ионизирующего излучения подобным образом, во много раз выше, чем при использовании радиоактивных изотопов, что приводит к значительному сокращению времени, которое затрачивается на регистрацию определенного объема данных, что, в свою очередь, обеспечивает снижение стоимости работ. Способ по изобретению не требует использования радиоактивных изотопов, что избавляет от необходимости применения обширных проверок, мер безопасности и т.п., используемых при работе с радиоактивными изотопами и радиоактивными материалами отходов.

Устройство, используемое для осуществления способа по изобретению, сочетает в себе известные и новые технологии в областях электроники, оптоэлектроники и физики.

Возможность получения ионизирующего излучения высокой интенсивности в буровой скважине без использования радиоактивных материалов представляет значительную ценность для нефтяной и газовой промышленности, например при проведении геофизической разведки подземных формаций.

В первом аспекте изобретение предлагает способ генерации в скважине нерадиоактивного ионизирующего излучения, обеспечивающего генерацию отраженного излучения, в частности рентгеновского и/или гамма-излучения, в окружающей скважину формации, отличающийся тем, что включает в себя шаги, на которых:

- формируют лазерное излучение;

- направляют лазерное излучение в многоступенчатый усилитель лазерного излучения;

- возбуждают лазерное излучение при помощи источника лазерного излучения типа лазера накачки с образованием импульсного лазерного излучения, причем поступающую энергию лазерного излучения концентрируют в ограниченных импульсах лазерного излучения, количество энергии лазерного излучения которых превосходит количество энергии непрерывного потока лазерного излучения;

- формируют скопление несвязанных электронов в вакуумной камере;

- фокусируют импульсное лазерное излучение в точке в скоплении несвязанных электронов с образованием поля (кильватерного поля) подвергнутых импульсному воздействию электронов, которые при генерации тормозного излучения испускают ионизирующее излучение в окружающую формацию, формируя тем самым в окружающей формации отраженное излучение высокой энергии в частотном диапазоне рентгеновского и/или гамма-излучения.

Импульсное лазерное излучение предпочтительно имеет частоту в фемтосекундном диапазоне.

В оптимальном варианте скопление несвязанных электронов образует электронное облако между нагреваемым катодом и анодом. В альтернативном варианте скопление несвязанных электронов получают путем нагревания твердого вещества до образования плотной плазмы.

Твердое вещество предпочтительно нагревают путем фокусирования импульсного лазерного излучения в непосредственной близости от поверхности твердого вещества.

Во втором аспекте изобретение предлагает устройство для генерации в скважине нерадиоактивного ионизирующего излучения, обеспечивающего генерацию отраженного излучения, в частности рентгеновского и/или гамма-излучения, в окружающей скважину формации, отличающееся тем, что содержит:

- источник лазерного излучения;

- многоступенчатый усилитель;

- источник импульсного лазерного излучения, соединенный с усилителем и выполненный в комплексе с ним с возможностью формирования импульсного лазерного излучения, причем количество энергии лазерного излучения в ограниченных импульсах лазерного излучения превосходит количество энергии непрерывного потока лазерного излучения, формируемого источником лазерного излучения;

- вакуумную камеру, содержащую одно или несколько средств, выполненных с возможностью формирования скопления несвязанных электронов;

- средство, выполненное с возможностью направления лазерного излучения из источника лазерного излучения в вакуумную камеру через усилитель;

- средство, выполненное с возможностью фокусирования импульсного лазерного излучения в точке в скоплении несвязанных электронов; и

- средство, выполненное с возможностью испускания ионизирующего излучения в формацию, окружающую устройство, причем формирование ионизирующего излучения происходит при генерации тормозного излучения в скоплении несвязанных электронов.

Источник импульсного лазерного излучения предпочтительно выполнен с возможностью формирования импульсного лазерного излучения с частотой, лежащей в фемтосекундном (10^-15 с) диапазоне.

В оптимальном варианте средство, выполненное с возможностью направления лазерного излучения, образовано набором зеркал. В альтернативном варианте такое средство образовано волоконно-оптическими элементами.

В оптимальном варианте средство, выполненное с возможностью фокусирования импульсного лазерного излучения в точке в скоплении несвязанных электронов, представляет собой вогнутое зеркало. В альтернативном варианте такое средство представляет собой систему линз.

Краткое описание чертежей

Нижеследующее описание примера одного из предпочтительных вариантов осуществления изобретения приведено со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 изображает устройство по изобретению, помещенное внутрь скважины.

На фиг.2 представлена в увеличенном масштабе вакуумная камера, содержащая электронное облако, образованное между нагреваемым катодом и анодом, в соответствии с первым вариантом осуществления устройства по изобретению.

На фиг.3 представлена в увеличенном масштабе вакуумная камера, содержащая электронное облако, образованное перегретой плазмой из твердого вещества, в соответствии со вторым вариантом осуществления устройства по изобретению.

Осуществление изобретения

Нижеследующее описание приведено со ссылками на фиг.1, на которой представлено устройство по изобретению, обозначенное ссылочным номером 1, помещенное внутрь скважины 3 в подземной формации 5.

Устройство 1 снабжено внешним кожухом 8, соединенным с известным как таковое устройством (не представлено) для позиционирования устройства внутри скважины 3 и его перемещения в ней при помощи кабеля 9.

В устройстве 1 предусмотрены источник 11 лазерного излучения, выполненный с возможностью испускания светового пучка 14, многоступенчатый усилитель 12 лазерного излучения, источник 13 лазерного излучения типа лазера накачки, выполненный в комплексе с усилителем 12 лазерного излучения с возможностью усиления светового пучка 14 и образования импульсного лазерного излучения 14a с частотой в фемтосекундном диапазоне на выходе 12a усилителя 12 лазерного излучения. В устройстве 1 дополнительно предусмотрена вакуумная камера 15, выполненная с возможностью формирования скопления 16 несвязанных электронов, также называемого электронным облаком. Несколько зеркал 17 установлены так, чтобы обеспечивать направление лазерного излучения 14, 14a от источника 11 лазерного излучения в усилитель 12 лазерного излучения и из усилителя 12 лазерного излучения в средство 17a, например, такое как представленное на чертеже вогнутое зеркало, обеспечивающее фокусировку импульсного лазерного излучения 14a в некоторой точке электронного облака 16.

Устройство 1 дополнительно содержит детектор 18, выполненный в соответствии с известными технологиями с возможностью детектирования ионизирующего излучения окружающей среды и, в частности, подземной формации 5, составляющей предмет геофизических исследований. Детектор 18 защищен от воздействия прямого ионизирующего излучения от источника излучения в устройстве 1, которым является электронное облако 16, с помощью экрана 19.

Устройство 1 также содержит средства обмена сигналами (не представлено) для передачи сигналов между активными модулями 11, 12, 13, 15, 18 внутри устройства 1 или же между одним или несколькими из данных модулей и модулями управления и регистрации (не представлены), расположенными на поверхности. Такие средства могут быть образованы проводами, однако для специалиста в данной области очевидно, что также могут быть использованы беспроводные средства передачи сигналов.

Нижеследующее описание приведено со ссылками на фиг.2, на которой представлен первый вариант осуществления вакуумной камеры 15а. Нагреваемый катод 21 и анод 22 соединены с источником напряжения (не представлен) для обеспечения возможности создания и поддержки в соответствии с известными технологиями разности потенциалов между катодом 21 и анодом 22. Катод 21 оборудован нагревательным элементом 23, подключенным к источнику энергии (не представлен), например к источнику электропитания. В соответствии с известными технологиями вакуумная камера 15 выполнена с возможностью поддержания требуемого определенного отрицательного внутреннего давления, причем стенки 24 вакуумной камеры 15 соединены между собой герметичным образом и необходимые пропускающие текучую среду изолирующие втулки для катода 21, анода 22 и нагревательного элемента 23 также герметизированы. Вакуумная камера 15 содержит окна 25, проницаемые для излучения в виде импульсного лазерного излучения 14a и ионизирующего излучения 28.

При нагревании катода 21 и приложении разности потенциалов между катодом 21 и анодом 22 в вакуумной камере 15a происходит формирование электронного облака 16, поскольку нагреваемый катод 21 испускает электроны вследствие тепловой эмиссии из материала катода, а положительно заряженный анод 22 притягивает испущенные электроны.

Нижеследующее описание приведено со ссылками на фиг.3, на которой представлен второй вариант осуществления вакуумной камеры 15b. В данном варианте осуществления изобретения использованы такие же средства герметизации и окна, как и в вышеописанном варианте. Внутрь вакуумной камеры 15b помещено твердое вещество 31. Его перегрев при помощи сфокусированного лазерного излучения 14a позволяет сформировать плазму 32, содержащую несвязанные электроны, аналогичные вышеописанному электронному облаку 16.

Облучение электронного облака 16 лазерным излучением 14a приводит к расталкиванию электронов в стороны подобно тому, как судно, передвигающееся в воде, раздвигает воду. После прохождения лазерного импульса электроны смещаются в обратном направлении, при этом возникает так называемое «кильватерное поле». Известным образом такое устойчивое вынужденное движение электронов в области, окружающей пучок лазерного излучения 14a, порождает тормозное излучение, которое, в свою очередь, создает ионизирующее излучение 28. Это ионизирующее излучение 28 направлено вовне, т.е. в сторону подземной формации 5, окружающей скважину 3, формируя отраженное излучение в виде рентгеновского и/или гамма-излучения, которое может быть детектировано детектором 18.

При использовании второго проиллюстрированного варианта осуществления изобретения импульсное лазерное излучение 14a фокусируется на твердом веществе 31, причем подвергаемая воздействию излучения область сильно нагревается, образуя плотную плазму 32 несвязанных электронов. Импульсное лазерное излучение 14a порождает ионизирующее излучение 28 так же, как в вышеописанном случае электронного облака 16.

Таким образом, для проведения геофизической разведки подземной формации 5 и содержащихся в ней текучих сред детектируемое отраженное излучение регистрируют, сохраняют и анализируют обычным образом.

Для специалиста в данной области очевидно, что настоящий способ и устройство для создания ионизирующего излучения по изобретению не ограничены операциями геофизической разведки, но могут применяться и в других приложениях, связанных с работой в замкнутом пространстве с ограниченной подачей энергии.

Для специалиста в данной области также очевидно, что настоящее изобретение обеспечивает возможность получения требуемой интенсивности излучения быстрым и безопасным образом. Это позволяет провести необходимые исследования за более короткое время, нежели чем в случае применения известных способов, основанных на использовании изотопов. Это, помимо прочего, связано с тем, что интенсивность излучения может быть увеличена без какой-либо опасности для окружающей среды, поскольку необходимость работы с радиоактивными изотопами как до, так и после проведения изысканий вышеописанного типа отсутствует.

Использование: для неизотопной генерации ионизирующего излучения в скважине. Сущность: заключается в том, что при генерации в скважине нерадиоактивного ионизирующего излучения (28), обеспечивающего генерацию отраженного излучения, в частности рентгеновского и/или гамма-излучения, в окружающей скважину (3) формации (5), осуществляют следующие шаги: формируют лазерное излучение (14); направляют лазерное излучение в многоступенчатый усилитель (12) лазерного излучения; возбуждают лазерное излучение при помощи источника (13) лазерного излучения типа лазера накачки с образованием импульсного лазерного излучения (14а), причем поступающую энергию лазерного излучения концентрируют в ограниченных импульсах лазерного излучения, количество энергии лазерного излучения которых превосходит количество энергии непрерывного потока лазерного излучения (14); формируют скопление (16, 32) несвязанных электронов в вакуумной камере (15); фокусируют импульсное лазерное излучение (14а) в точке в скоплении (16, 32) несвязанных электронов с образованием поля (кильватерного поля) подвергнутых импульсному воздействию электронов, которые при генерации тормозного излучения испускают ионизирующее излучение (28) в окружающую формацию (5), формируя тем самым в окружающей формации (5) отраженное излучение высокой энергии в частотном диапазоне рентгеновского и/или гамма-излучения. Технический результат: исключение радиационной опасности, связанной с применением радиоактивных изотопов, как в местах бурения скважин, так и на соответствующих вспомогательных предприятиях снабжения и обслуживания. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ генерации в скважине нерадиоактивного ионизирующего излучения (28), обеспечивающего генерацию отраженного излучения, в частности рентгеновского и/или гамма-излучения, в окружающей скважину (3) формации (5), отличающийся тем, что включает в себя шаги, на которых
формируют лазерное излучение (14);
направляют лазерное излучение в многоступенчатый усилитель (12) лазерного излучения;
возбуждают лазерное излучение при помощи источника (13) лазерного излучения типа лазера накачки с образованием импульсного лазерного излучения (14а), причем поступающую энергию лазерного излучения концентрируют в ограниченных импульсах лазерного излучения, количество энергии лазерного излучения которых превосходит количество энергии непрерывного потока лазерного излучения (14);
формируют скопление (16, 32) несвязанных электронов в вакуумной камере (15);
фокусируют импульсное лазерное излучение (14а) в точке в скоплении (16, 32) несвязанных электронов с образованием поля (кильватерного поля) подвергнутых импульсному воздействию электронов, которые при генерации тормозного излучения испускают ионизирующее излучение (28) в окружающую формацию (5), формируя тем самым в окружающей формации (5) отраженное излучение высокой энергии в частотном диапазоне рентгеновского и/или гамма-излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсное лазерное излучение имеет частоту в фемтосекундном диапазоне.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скопление несвязанных электронов образует электронное облако (16) между нагреваемым катодом (21) и анодом (22).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скопление несвязанных электронов получают путем нагревания твердого вещества (31) до образования плотной плазмы (32).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что твердое вещество (31) нагревают путем фокусирования импульсного лазерного излучения (14а) в непосредственной близости от поверхности твердого вещества (31).

6. Устройство (1) для генерации в скважине нерадиоактивного ионизирующего излучения (28), обеспечивающего генерацию отраженного излучения, в частности рентгеновского и/или гамма-излучения, в окружающей скважину (3) формации (5), отличающееся тем, что содержит
источник (11) лазерного излучения;
многоступенчатый усилитель (12);
источник (13) импульсного лазерного излучения, соединенный с усилителем (12) и скомбинированный с ним с возможностью формирования импульсного лазерного излучения (14а), причем количество энергии лазерного излучения в ограниченных импульсах лазерного излучения превосходит количество энергии непрерывного потока лазерного излучения (14), формируемого источником (11) лазерного излучения;
вакуумную камеру (15), содержащую одно или несколько средств (21, 22, 31), выполненных с возможностью формирования скопления (16, 32) несвязанных электронов;
средство (17), выполненное с возможностью направления лазерного излучения (14) из источника (11) лазерного излучения в вакуумную камеру (15) через усилитель (12);
средство (17а), выполненное с возможностью фокусирования импульсного лазерного излучения (14а) в точке в скоплении (16, 32) несвязанных электронов; и
средство (25), выполненное с возможностью испускания ионизирующего излучения (28) в формацию (5), окружающую устройство (1), причем формирование ионизирующего излучения (28) происходит при генерации тормозного излучения в скоплении (16) несвязанных электронов.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что источник (13) импульсного лазерного излучения выполнен с возможностью формирования импульсного лазерного излучения с частотой, лежащей в фемтосекундном (10^-15 с) диапазоне.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство (17), выполненное с возможностью направления лазерного излучения (14, 14а), образовано набором зеркал.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство (17), выполненное с возможностью направления лазерного излучения (14, 14а), образовано волоконно-оптическими элементами.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство (17а), выполненное с возможностью фокусирования импульсного лазерного излучения (14а) в точке в скоплении (16) несвязанных электронов, представляет собой вогнутое зеркало.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство (17а), выполненное с возможностью фокусирования импульсного лазерного излучения (14а) в точке в скоплении (16, 32) несвязанных электронов, представляет собой систему линз.