СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕИЗОТОПНОЙ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СКВАЖИНЕ Российский патент 2012 года по МПК G01N23/00 G01V5/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение касается способа для неизотопной генерации нейтронного 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 нейтронов и устройства, используемого для осуществления такого способа.

Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается способ, в котором нейтроны получают нерадиоактивным образом, путем воздействия на каплю обогащенной нейтронами текучей среды импульсным лазерным излучением с двух направлений. Капля, поданная из резервуара посредством устройства тонкого дозирования в ограниченный объем трубки компрессионной камеры, попадает внутрь вакуумной камеры. Импульсное лазерное излучение направляется к обоим концам трубки компрессионной камеры, где пучки излучения фокусируются в капле. Одновременное воздействие импульсного излучения на каплю порождает в капле ударную волну, что приводит к сжатию и нагреванию капли. Некоторые из атомных ядер в капле испускают нейтроны, используемые для облучения атомов вещества, окружающего, в частности, буровую скважину. Облученные нейтронами атомы испускают гамма-лучи, которые могут быть зарегистрированы детектором, экранированным от прямого нейтронного излучения от облученной капли.

Создание нейтронного излучения в соответствии со способом по изобретению может быть осуществлено с высокой интенсивностью и по мере необходимости. Следовательно, выходная мощность, получаемая при формировании нейтронного излучения, таким образом, во много раз выше, чем при использовании радиоактивных изотопов, что приводит к значительному сокращению времени, затрачиваемого 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 нейтронного излучения высокой интенсивности в буровой скважине по мере необходимости без использования радиоактивных материалов представляет значительную ценность для нефтяной и газовой промышленности, например, при проведении геофизической разведки подземных формаций.

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

- формируют лазерное излучение;

- направляют лазерное излучение в многоступенчатый усилитель;

- 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;

- направляют первичный пучок импульсного лазерного излучения через делитель (17а) пучка лазерного излучения для формирования двух вторичных пучков (14b, 14с), имеющих по существу одинаковую частоту, содержание энергии и фазу;

- формируют каплю обогащенной нейтронами текучей среды в объеме внутри вакуумной камеры;

- фокусируют вторичные пучки импульсного лазерного излучения, направленные на каплю с по существу диаметрально противоположных направлений, в точке в капле, в результате чего происходит сжатие и нагревание капли, вызывая испускание нейтронного излучения обогащенной нейтронами текучей средой в капле в окружающую формацию, формируя тем самым в окружающей формации отраженное излучение высокой энергии по меньшей мере в частотном диапазоне гамма-излучения.

Импульсное лазерное излучение предпочтительно имеет частоту в фемтосекундном диапазоне.

Каплю обогащенной нейтронами текучей среды предпочтительно формируют путем дозированной подачи текучей среды в компрессионную трубку.

Предпочтительно, обогащенная нейтронами текучая среда выбирается из группы, состоящей из тяжелой воды (²H₂О), сжатых и газообразных соединений ⁶Hе или ⁸Не и гелиевых компонент естественного происхождения, например, ⁷Li или ¹¹Li.

Во втором аспекте изобретение предлагает устройство для генерации в скважине нерадиоактивного нейтронного излучения, обеспечивающего генерацию отраженного излучения, в частности 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;

- делитель пучка лазерного излучения, выполненный с возможностью разделения первичного пучка импульсного лазерного излучения на два вторичных пучка импульсного лазерного излучения, имеющих по существу одинаковую частоту, содержание энергии и фазу;

- вакуумную камеру, содержащую одно или несколько средств, выполненных с возможностью формирования капли обогащенной нейтронами текучей среды;

- средство, выполненное с возможностью направления лазерного излучения из источника лазерного излучения к капле через усилитель и делитель пучка лазерного излучения;

- средство, выполненное с возможностью ограничения движения капли при воздействии на нее вторичных пучков импульсного лазерного излучения;

- средство, выполненное с возможностью фокусирования вторичных пучков импульсного лазерного излучения с двух диаметрально противоположных направлений в точке в капле обогащенной нейтронами текучей среды; и

- средство, выполненное с возможностью испускания нейтронного излучения в окружающую устройство формацию, причем нейтронное излучение получают путем сжатия и нагревания капли, состоящей из обогащенной нейтронами текучей среды, посредством вторичных пучков импульсного лазерного излучения.

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 средство, выполненное с возможностью направления лазерного излучения, образовано волоконно-оптическими элементами.

Средство, выполненное с возможностью фокусирования вторичных пучков импульсного лазерного излучения в точке в капле обогащенной нейтронами текучей среды, предпочтительно представляет собой вогнутые зеркала. В альтернативном варианте средство, выполненное с возможностью фокусирования вторичных пучков импульсного лазерного излучения в точке в капле обогащенной нейтронами текучей среды, представляет собой систему линз.

Средство, выполненное с возможностью ограничения движения капли при воздействии на нее вторичных пучков импульсного лазерного излучения, предпочтительно представляет собой компрессионную трубку.

В оптимальном варианте в компрессионной трубке предусмотрены два концевых отверстия и отверстие подачи текучей среды, расположенное между двумя концевыми отверстиями.

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 резервуар текучей среды и трубку компрессионной камеры.

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 14а с частотой в фемтосекундном диапазоне на выходе 12а усилителя 12 лазерного излучения. В устройстве 1 дополнительно предусмотрена вакуумная камера 15, в которой, как более подробно описано ниже, предусмотрено средство, обеспечивающее возможность формирования капли 16а обогащенной нейтронами текучей среды 16 (см. фиг.2). Также предусмотрен делитель 17а пучка лазерного излучения, выполненный с возможностью разделения импульсного лазерного излучения 14а на два пучка 14b, 14с импульсного лазерного излучения. Несколько зеркал 17 установлены так, чтобы обеспечить направление лазерного излучения 14, 14а, 14с из источника 11 лазерного излучения в усилитель 12 лазерного излучения и из усилителя 12 лазерного излучения в делитель 17а пучка излучения, и далее в средство, выполненное с возможностью фокусировки двух пучков 14b, 14с импульсного лазерного излучения с диаметрально противоположных направлений в некоторой точке в капле 16а, например, при помощи представленных на чертеже вогнутых зеркал 17b, 17с.

Устройство 1 дополнительно содержит детектор 18, выполненный в соответствии с известными технологиями с возможностью детектирования ионизирующего излучения, в частности, гамма-излучения, окружающей среды и, в частности, подземной формации 5, составляющей предмет геофизических исследований. Детектор 18 защищен от воздействия прямого нейтронного излучения 28 (см. фиг.2) от источника излучения в устройстве 1, которым является подвергаемая воздействию импульсного излучения капля 16а обогащенной нейтронами текучей среды 16 (см. фиг.2), посредством экрана 19.

Устройство 1 также содержит средства обмена сигналами (не представлены) 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 более подробно представлена вакуумная камера 15. 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 также герметизированы. Вакуумная камера 15 содержит окна 25, проницаемые для излучения в виде импульсного лазерного излучения 14а и нейтронного излучения 28.

Резервуар 21 текучей среды соединен с вакуумной камерой 15 через устройство 22 дозирования (представлено схематически), выполненное с возможностью управляемой дозированной подачи ограниченного количества обогащенной нейтронами текучей среды 16 в виде капли 16а в компрессионную трубку 23. Капля 16а заключена между стенками 23а компрессионной трубки 23 и выпуском устройства 22 дозирования. Капля 16а имеет участки свободной поверхности, обращенные к двум концевым отверстиям 23b компрессионной трубки.

Устройство 22 дозирования соединено с устройством управления (не представлено), выполненным с возможностью целевого управления дозированной подачей текучей среды в компрессионную трубку 23. Устройство 22 дозирования текучей среды выполнено с возможностью герметичного перекрывания соединения между компрессионной трубкой 23 и резервуаром 21 текучей среды.

Когда капля 16а поступает в компрессионную трубку 23, она может быть сжата воздействием давления, оказываемого через два концевых отверстия 23b компрессионной трубки, за счет окружающих каплю стенок 23а компрессионной трубки и герметичного соединения между компрессионной трубкой 23 и резервуаром 21 текучей среды. В соответствии с известными принципами сжатие вызывает образование тепла в капле 16а. В соответствии с изобретением воздействие давления обеспечивается посредством двух пучков 14b, 14с импульсного лазерного излучения, которые синхронным образом сообщают капле 16а «энергию удара». Сообщенная энергия вызывает сжатие капли 16а, поскольку последняя не может сместиться из своего ограниченного положения внутри компрессионной трубки 23.

В качестве текучей среды 16, обогащенной нейтронами, предпочтительно используют тяжелую воду (²H₂О), однако также возможно использование сжатых и газообразных соединений ⁶Hе или ⁸Hе, широко известных в качестве носителей нейтронов. В качестве источника нейтронов также могут быть использованы гелиевые компоненты естественного происхождения, например, ⁷Li или ¹¹Li. Использование таких альтернативных источников нейтронов не является принципиальным для конструкции и режима работы устройства 1.

При одновременном облучении капли 16а, поданной в компрессионную трубку 23 при помощи устройства 22 дозирования, с двух сторон импульсами лазерного излучения 14b, 14c в капле 16а возникает ударная волна. Это приводит к быстрому сжатию и нагреванию, что, в свою очередь, вызывает испускание некоторого количества нейтронов из атомной структуры капли 16а. Таким образом образуется нейтронное излучение 28, которое направляют в окружающую среду, т.е. в подземную формацию 5, окружающую скважину 3, генерируя отраженное излучение в форме гамма-излучения, которое может быть детектировано детектором 18.

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

Для специалиста в данной области очевидно, что настоящий способ и устройство для создания нейтронного 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 нейтронного излучения в скважине. Сущность: заключается в том, что возбуждают лазерное излучение (14) в многоступенчатом усилителе (12) лазерного излучения при помощи источника (13) лазерного излучения типа лазера накачки с образованием импульсного лазерного излучения (14а), причем поступающая энергия лазерного излучения концентрируется в ограниченных импульсах лазерного излучения, количество энергии лазерного излучения которых превосходит количество энергии непрерывного потока лазерного излучения (14); формируют каплю (16а) обогащенной нейтронами текучей среды (16) в объеме (23) внутри вакуумной камеры (15); фокусируют вторичные пучки (14b, 14с) импульсного лазерного излучения, направленные на каплю (16а) с по существу диаметрально противоположных направлений, в точке в капле (16а), в результате чего происходит сжатие и нагревание капли (16а), вызывая испускание нейтронного излучения (28) в окружающую формацию (5) обогащенной нейтронами текучей средой в капле (16а), формируя тем самым в окружающей формации (5) отраженное излучение высокой энергии по меньшей мере в частотном диапазоне гамма-излучения. Технический результат: исключение радиационной опасности, связанной с применением радиоактивных изотопов. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ генерации в скважине нерадиоактивного нейтронного излучения (28), обеспечивающего генерацию отраженного излучения, в частности 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 (14) 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);
- направляют первичный пучок (14а) импульсного лазерного излучения через делитель (17а) пучка лазерного излучения для формирования двух вторичных пучков (14b, 14с) лазерного излучения, имеющих по существу одинаковую частоту, содержание энергии и фазу;
- формируют каплю (16а) обогащенной нейтронами текучей среды (16) в объеме (23) внутри вакуумной камеры (15);
- фокусируют вторичные пучки (14b, 14с) импульсного лазерного излучения, направленные на каплю (16а) с по существу диаметрально противоположных направлений, в точке в капле (16а), в результате чего происходит сжатие и нагревание капли (16а), вызывая испускание нейтронного излучения (28) обогащенной нейтронами текучей средой в капле (16а) в окружающую формацию (5), формируя тем самым в окружающей формации (5) отраженное излучение высокой энергии по меньшей мере в частотном диапазоне 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 каплю (16а) обогащенной нейтронами текучей среды (16) формируют путем дозированной подачи текучей среды (16) в компрессионную трубку (23).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обогащенная нейтронами текучая среда выбрана из группы, состоящей из тяжелой воды (²H₂O), сжатых и газообразных соединений ⁶He или ⁸He и гелиевых компонент естественного происхождения, например ⁷Li или ¹¹Li.

5. Устройство (1) для генерации в скважине нерадиоактивного нейтронного излучения (28), обеспечивающего генерацию отраженного излучения, в частности 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;
- делитель (17а) пучка лазерного излучения, выполненный с возможностью разделения первичного пучка (14а) импульсного лазерного излучения на два вторичных пучка (14b, 14с) импульсного лазерного излучения, имеющих по существу одинаковую частоту, содержание энергии и фазу;
- вакуумную камеру (15), содержащую одно или несколько средств (22), выполненных с возможностью формирования капли (16а) обогащенной нейтронами текучей среды (16);
- средство (17), выполненное с возможностью направления лазерного излучения (14, 14a, 14b, 14c) из источника (11) лазерного излучения к капле (16a) через усилитель (12) и делитель (17а) пучка лазерного излучения;
- средство (23), выполненное с возможностью ограничения движения капли (16a) при воздействии на нее вторичных пучков (14b, 14c) импульсного лазерного излучения;
- средство (17а, 17b), выполненное с возможностью фокусирования вторичных пучков (14b, 14c) импульсного лазерного излучения с двух диаметрально противоположных направлений в точке в капле (16а) обогащенной нейтронами текучей среды (16); и
- средство (25), выполненное с возможностью испускания нейтронного излучения (28) в окружающую устройство (1) формацию (5), причем нейтронное излучение (28) получают путем сжатия и нагревания капли (16а), состоящей из обогащенной нейтронами текучей среды (16), посредством вторичных пучков (14b, 14c) импульсного лазерного излучения.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что источник (13) импульсного лазерного излучения выполнен с возможностью формирования импульсного лазерного излучения с частотой, лежащей в фемтосекундном (10^-15 с) диапазоне.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство (17), выполненное с возможностью направления лазерного излучения (14, 14а, 14b, 14c), образовано набором зеркал.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство (17), выполненное с возможностью направления лазерного излучения (14, 14а, 14b, 14c), образовано волоконно-оптическими элементами.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство, выполненное с возможностью фокусирования вторичных пучков (14b, 14с) импульсного лазерного излучения в точке в капле (16а) обогащенной нейтронами текучей среды (16), представляет собой вогнутые зеркала (17b, 17c).

10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство, выполненное с возможностью фокусирования вторичных пучков (14b, 14c) импульсного лазерного излучения в точке в капле (16а) обогащенной нейтронами текучей среды (16), представляет собой систему линз.

11. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство, выполненное с возможностью ограничения движения капли (16а) при воздействии на нее вторичных пучков (14b, 14c) импульсного лазерного излучения, представляет собой компрессионную трубку (23).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в компрессионной трубке (23) предусмотрены два концевых отверстия (23а) и отверстие подачи текучей среды, расположенное между двумя концевыми отверстиями (23а) компрессионной трубки (23).