СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01V5/10 

Изобретение относится к ядерной геофизике, а более конкретно к области ядерно-физических определений массовых содержаний элементов, слагающих горную породу методом спектрометрического импульсного нейтронного гамма-каротажа. В частности, изобретение может быть использовано при выполнении углеродно-кислородного каротажа для определения текущей нефтенасыщенности пластов-коллекторов, пересеченных скважиной.

Известен способ [1] импульсного нейтронного каротажа, заключающийся в облучении горной породы импульсными потоками быстрых нейтронов с последующей регистрацией в результате взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами элементов горной породы, окружающей скважинный прибор, гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) и гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ). При неупругом рассеянии и радиационном захвате возникающее гамма-излучение является характерным для каждого элемента, слагающего горную породу. Анализ зарегистрированных спектров ГИНР и ГИРЗ позволяет получить информацию о тех элементах, характерные линии которых представлены в зарегистрированных спектрах. В частности, ГИНР от ядер углерода и кислорода позволяет определять массовые содержания углерода и кислорода и через этот параметр выходить на нефтенасыщенность пластов-коллекторов. Реакции ГИНР происходят при энергии нейтронов до величины первых Мэв. Импульсный генератор нейтронов излучает нейтроны с энергией 14 Мэв. В “типичном” разрезе (абсолютное большинство потенциальных месторождений углеводородов) время замедления быстрых нейтронов до нижних порогов энергий, при которых еще возможна реакция ГИНР, составляет 0.1-1 мксек, что накладывает возможность регистрации спектров ГИНР только во время нейтронного импульса генератора. Так как время жизни тепловых нейтронов в "типичном" разрезе составляет порядка сотен микросекунд, то при частоте генерации нейтронных импульсов на уровне первых кГц в момент излучения генератора в породе еще будут существовать тепловые нейтроны от предыдущих импульсов, и, следовательно, будет существовать фоновое ГИРЗ. Фоновое ГИРЗ возникнет так же и в случае термализации быстрых нейтронов генератора, индуцированных непосредственно в данном нейтронном импульсе. Таким образом, регистрация во время работы нейтронного генератора спектров ГИНР происходит на фоне ГИРЗ. Чистые спектры ГИРЗ можно зарегистрировать спустя несколько микросекунд после окончания нейтронного импульса. Получение "чистого" спектра ГИНР, в спектре которого имеется информация от ряда интересующих элементов горной породы, происходит путем вычитания из спектров ГИНР+ГИРЗ, измеренных во время нейтронного импульса, спектров ГИРЗ, измеренных после нейтронного импульса. В данном способе генерация нейтронов происходит с частотой 20 кГц. Длительность окна, в котором регистрируются спектры ГИНР+ГИРЗ, составляет 15 мксек. Длительность окна измерения спектра ГИРЗ составляет 35 мксек. Спектры накапливаются внутри скважинного прибора и затем передаются на поверхность. Временной анализатор на 250 каналов, включенный в регистрирующий тракт скважинного прибора, позволяет отслеживать положение нейтронного импульса и корректировать положение временных окон регистрации спектров ГИНР и ГИРЗ. Очевидно, что процесс регистрации спектров ГИНР для их последующего анализа является оптимизационным. Во-первых: непрерывное излучение нейтронов генератора при фиксированном выходе нейтронов позволяет набрать максимальную статистику спектров ГИНР+ГИНР при относительно минимальной загрузке измерительного тракта. Однако отсутствие возможности измерения спектра ГИРЗ не позволяет вычислить “чистый” спектр ГИНР. Увеличение отношения периода следования нейтронных импульсов к их длительности (скважность нейтронных импульсов) при фиксированном выходе нейтронов повышает загрузку регистрирующего тракта в момент регистрации спектров ГИНР+ГИРЗ и приводит, в конечном итоге, к просчетам и потере информации. Наиболее простой с точки зрения регистрируемых спектров вариант заключается в генерировании короткой (1-2 мксек) нейтронной вспышки мощностью, обеспечивающей рабочую загрузку спектрометрического тракта скважинного прибора и регистрацию во временном окне, совпадающем со временем нейтронного импульса, гамма-кванта. Наиболее вероятно, что это будет гамма квант ГИНР. Далее спустя несколько мксек измеряется спектр ГИРЗ и новый нейтронный импульс производится спустя время, когда все нейтроны прошедшей вспышки поглотятся горной породой. Однако такой вариант требует колоссальных временных затрат для набора статистики регистрируемых спектров ГИНР. Недостатком указанного способа является невозможность оптимизации проведения измерений в зависимости от конкретных геолого-технических условий проведения скважинных измерений. Корректировки положения границ временного окна регистрации спектров ГИНР+ГИРЗ недостаточно для проведения оптимизации измерений.

Известен способ [3], в котором для оптимизации режимов измерения изменяют длительность нейтронного импульса. Для измерения времени жизни нейтронов в околоскважинном пространстве и конструкции скважины вначале генерируют относительно слабый нейтронный импульс, позволяющий проводить измерения на временах, максимально приближенных к нейтронному импульсу. Его относительно небольшая мощность позволяет данные измерения проводить без перегрузки измерительного тракта. Затем следует более мощный и продолжительный нейтронный импульс, предназначенный для обеспечения измерения на временах, представляющих горную породу. В силу того, что данная оптимизация проводится для измерения времени жизни тепловых нейтронов в горной породе и жестко задается при изготовлении скважинного прибора, к недостаткам данного способа следует отнести невозможность изменять, например, при заданной частоте работы нейтронного генератора, скважность нейтронных импульсов с целью оптимизации режимов измерения.

Известно устройство [2] для проведения импульсного нейтронного каротажа. Устройство содержит размещенные в охранном кожухе импульсный генератор нейтронов, защиту от прямого излучения, детектор гамма-квантов и фотоэлектронный умножитель, усилитель, амплитудный анализатор импульсов, блок программирования, датчик температуры, буферную память и блок телеметрии. Генератор излучает импульсы быстрых нейтронов. Индуцированное этими нейтронами гамма-излучение регистрирует детектор гамма-квантов, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, сигнал с которого после усилителя поступает на амплитудный анализатор импульсов, где происходит его преобразование в цифровой вид. Блок программирования задает требуемые режимы работы, в т.ч. Определяет временные границы накопления спектров. Зарегистрированные спектры хранятся в буферной памяти, связь с наземным компьютером осуществляется посредством телеметрии.

Недостатком указанного устройства является невозможность управления режимом работы импульсного нейтронного генератора в плане изменения скважности нейтронных импульсов путем изменения его длительности. Это не позволяет при заданных частоте и нейтронном выходе импульсного нейтронного генератора проводить измерения спектров ГИНР с наименьшими статистическими погрешностями.

Известно устройство [1], содержащее внутри охранного кожуха импульсный источник нейтронов, защиту детектора от прямого излучения, сцинтилляционный детектор, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, многопараметровый анализатор, выполняющий функции как энергетического, так и временного анализатора, контроллер скорости счета детектора, блок процессора, память, блок ввода-вывода информации.

Недостатком указанного устройства является необратимость установки временных границ для регистрации спектров ГИНР и ГИРЗ, невозможность изменения временных режимов работы нейтронного генератора - при сохранении частоты генерации нейтронных импульсов нет возможности изменять их длительность.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ импульсного нейтронного каротажа [4], заключающийся в периодическом облучении горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию ГИНР нейтронов и ГИРЗ тепловых нейтронов детектором гамма-излучения в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования по глубине. Накопление в пределах заданного временного цикла полных амплитудно-временных спектров ГИНР и ГИРЗ тепловых нейтронов на всем диапазоне энергий осуществляют в i фиксированных временных интервалах (i принадлежит интервалу от 2 до бесконечности и положение i фиксированных временных окон устанавливают до начала скважинных исследований). Обычно на практике применяют 20-30 временных интервалов длительностью 2-6 мксек. По окончании накопления полных амплитудно-временных спектров по запросу на скважинный прибор осуществляют передачу накопленной информации на поверхность, где производят вычисление положения нейтронного импульса и путем суммирования предварительно зарегистрированных исходных спектров получают спектры ГИНР+ГИРЗ во время нейтронного импульса и фоновый спектр ГИРЗ. Данный способ позволяет задавать временные границы суммирования спектров уже после регистрации, что, несомненно, является преимуществом. Например, возможна обработка ранее зарегистрированной информации по каким-либо новым алгоритмам.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности оптимизации режимов накопления спектров ГИНР и ГИРЗ в зависимости от статистики измерений. Жестко заданный режим работы нейтронного генератора не позволяет варьировать набор статистики в спектры ГИНР или ГИРЗ путем изменения скважности нейтронных импульсов. Как показывает практика, промышленные генераторы настраиваются на определенную частоту работы, приближенную к оптимальной. Однако разброс ширины нейтронного импульса в 2-4 раза при фиксированном выходе зачастую обеспечивает избыточной статистикой суммарные спектры ГИНР+ГИРЗ и не обеспечивает статистикой фоновый спектр ГИРЗ и наоборот. Таким образом, оптимальный режим работы нейтронного генератора не может быть предсказан заранее и его желательно корректировать в зависимости от конкретных геолого-технических условий.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для импульсного нейтронного каротажа [4], содержащее размещенные внутри охранного кожуха импульсный генератор быстрых нейтронов, экран для защиты от прямого излучения, сцинтилляционный детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем. Экран для защиты от прямого излучения расположен между импульсным генератором быстрых нейтронов и сцинтилляционным детектором. Устройство так же содержит блок преобразования “аналог-код”, блок центрального процессора, блок приемопередатчика, первый и второй блоки памяти, программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, источник вторичных напряжений, верхний и нижний разъемы.

Недостатком данного устройства является отсутствие блоков и связей для управления временными режимами работы импульсного нейтронного генератора, что не позволяет настраивать его длительность нейтронного импульса для оптимизации измерения спектров ГИНР.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности при проведении импульсного нейтронного каротажа путем изменения длительности генерации нейтронных импульсов, что позволяет минимизировать статистическую погрешность измерения спектров ГИНР при заданных частоте и нейтронном выходе импульсного нейтронного генератора.

Для решения поставленной задачи способ импульсного нейтронного гамма-каротажа, включающий периодическое облучение горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ) тепловых нейтронов детектором гамма-излучения в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования по глубине, накопление в пределах заданного временного цикла полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов на всем диапазоне энергий в I фиксированных временных окнах, где i принадлежит интервалу от 2 до бесконечности, и положение i фиксированных временных окон устанавливают до начала скважинных исследований, по окончании накопления полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов по запросу на скважинный прибор осуществляют передачу на поверхность информации, по переданным на поверхность через блок приемопередатчика амплитудно-временным спектрам вычисляют временной спектр изменения интегральных скоростей счета, который обрабатывается в блоке преобразователя аналог-код, по результатам обработки в реальном режиме времени устанавливают границы временных интервалов и положение их относительно импульса генератора быстрых нейтронов, накопление в одном из блоков памяти полных амплитудных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов осуществляют в рамках установленных временных интервалов путем суммирования накопленных и переданных на поверхность данных, дополнительно предусматривает определение оптимальной длительности импульса, для чего скважинный прибор после проведения настройки регистрирующего спектрометрического тракта и прогрева, включают в режим генерации нейтронов с максимальной скважностью нейтронных импульсов, обеспечиваемый применяемым типом импульсного нейтронного генератора, производят набор спектров ГИНР и ГИРЗ за время, соответствующее кванту глубины при его прохождении на заданной скорости скважинного прибора, рассчитывают статистическую погрешность в заданных энергетических областях получаемых спектров ГИНР, увеличивают длительность нейтронного импульса на величину ΔТ, где значение ΔТ соответствует первым микросекундам, снова производят набор спектров ГИНР и ГИРЗ за заданное время и рассчитывают новую статистическую погрешность в заданных энергетических областях получаемых спектров ГИНР, повторяют подобную процедуру до минимально возможного значения скважности нейтронных импульсов, и, на основании постоянно проводимых расчетов статистических погрешностей, определяют оптимальную длительность нейтронного импульса.

Для решения поставленной задачи устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа, содержащее размещенные в охранном кожухе импульсный генератор быстрых нейтронов, сцинтилляционный детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, экран, расположенный между импульсным генератором быстрых нейтронов и сцинтилляционным детектором, блок преобразования “аналог-код”, блок центрального процессора, блок приемопередатчика, первый и второй блоки памяти, программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, источник вторичных напряжений, верхний разъем, нижний разъем, при этом выход фотоэлектронного умножителя связан с первым входом блока преобразования “аналог-код”, второй вход блока преобразования “аналог-код” связан с первым выходом блока центрального процессора, шина данных блока преобразования "аналог-код" по выходу связана с соответствующими входами шин данных первого и второго блоков памяти, двунаправленные входы-выходы первого и второго блоков памяти связаны с соответствующими первым и вторым двунаправленными входами-выходами блока центрального процессора, второй выход блока центрального процессора соединен с первым входом программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, выход которого соединен с входом фотоэлектронного умножителя, третий двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен с третьим двунаправленным выходом блока приемопередатчика, четвертый двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен с двунаправленным входом-выходом импульсного генератора нейтронов, выход блока приемопередатчика соединен со входом источника вторичных напряжений, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с соответствующими входами блока преобразования “аналог-код”, первого блока памяти, второго блока памяти, блока центрального процессора, программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, блока приемопередатчика, первый и второй двунаправленные входы-выходы блока приемопередатчика подключены, соответственно, к первому и второму контактам верхнего и нижнего разъемов, третий контакт верхнего разъема подключен к входу импульсного генератора нейтронов, дополнительно содержит блок управления временным режимом импульсного нейтронного генератора, связанный по первому и второму входам с третьим выходом блока центрального процессора и седьмым выходом источника вторичных напряжений, а своим выходом блок управления временным режимом импульсного нейтронного генератора соединен с входом управления импульсного нейтронного генератора.

За счет этого появляется возможность изменять длительность нейтронного импульса импульсного нейтронного генератора и, тем самым, оптимизировать режим измерения спектров ГИНР.

В результате решения поставленной задачи повышается статистическая точность получения спектров ГИНР.

Техническая сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

на Фиг.1 представлено устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа;

на Фиг.2 приведена схема формирования временного спектра изменения интегральных скоростей счета;

на Фиг.3 приведен временной спектр аппаратуры импульсного нейтронного гамма-каротажа с максимально возможной скважностью нейтронного импульса для данного типа аппаратуры;

на Фиг.4 приведен временной спектр аппаратуры импульсного нейтронного гамма-каротажа со скважностью нейтронного импульса, обеспечивающей минимальную статистическую погрешность получения спектра ГИНР.

на Фиг.5 приведен временной спектр аппаратуры импульсного нейтронного гамма-каротажа с максимально возможной скважностью нейтронного импульса для данного типа аппаратуры;

на Фиг.6 приведены скважинные диаграммы, полученные при настройке временного режима работы импульсного нейтронного генератора - статистические погрешности вычисляемых отношений по спектрам ГИНР.

На Фиг.7 приведены фрагменты скважинных исследований, демонстрирующие существенное снижение статистической погрешности результатов каротажа при предлагаемом способе настройки и “стандартном” режиме работы импульсного нейтронного генератора.

Устройство для проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа включает размещенные в охранном кожухе 1 импульсный генератор быстрых нейтронов 2, сцинтилляционный детектор гамма-излучения 4, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем 5, экран 3, расположенный между импульсным генератором быстрых нейтронов и сцинтилляционным детектором, блок преобразования “аналог-код” 6, блок центрального процессора 7, блок приемопередатчика 8, первый 9 и второй 10 блоки памяти, программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11, источник вторичных напряжений 12, верхний разъем 13, нижний разъем 14, при этом выход фотоэлектронного умножителя 5 связан с первым входом блока преобразования “аналог-код” 6, второй вход блока преобразования “аналог-код” 6 связан с первым выходом блока центрального процессора 7, шина данных блока преобразования “аналог-код” 6 по выходу связана с соответствующими входами шин данных первого 9 и второго 10 блоков памяти, двунаправленные входы-выходы первого 9 и второго 10 блоков памяти связаны с соответствующими первым и вторым двунаправленными входами-выходами блока центрального процессора 7, второй выход блока центрального процессора 7 соединен с первым входом программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11, выход которого соединен с входом фотоэлектронного умножителя 5, третий двунаправленный вход-выход блока центрального процессора 7 соединен с третьим двунаправленным выходом блока приемопередатчика 8, четвертый двунаправленный вход-выход блока центрального процессора 7 соединен с двунаправленным входом-выходом импульсного генератора нейтронов 2, выход блока приемопередатчика 8 соединен со входом источника вторичных напряжений 12, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с соответствующими входами блока преобразования “аналог-код” 6, первого блока памяти 9, второго блока памяти 10, блока центрального процессора 7, программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11, блока приемопередатчика 8, первый и второй двунаправленные входы-выходы блока приемопередатчика 8 подключены, соответственно, к первому и второму контактам верхнего 13 и нижнего 14 разъемов, третий контакт верхнего разъема 13 подключен к входу импульсного генератора нейтронов 2.

Устройство дополнительно содержит блок управления 15 временным режимом импульсного нейтронного генератора 2, связанным по первому и второму входам с третьим выходом блока центрального процессора 7 и седьмым выходом источника вторичных напряжений 12, своим выходом блок управления временным 15 режимом импульсного нейтронного генератора 2 соединен с входом управления импульсного нейтронного генератора 2.

Осуществляется изобретение следующим образом.

В охранном кожухе 1, имеющем верхний 13 и нижний 14 разъемы, расположены электронные блоки устройства. При подаче на верхний разъем 13 напряжения питания начинает работать источник вторичных напряжений 12. В результате его работы появляются необходимые напряжения для питания блока преобразования “аналог-код” 6, блока центрального процессора 7, блока приемопередатчика 8, первого 9 и второго 10 блоков памяти, программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11, блока управления 15 временным режимом импульсного нейтронного генератора. Импульсный генератор нейтронов 2 питается отдельно по третьей жиле геофизического кабеля, подсоединенного к верхнему разъему 13. При появлении питания блок центрального процессора 7 начинает работать по программе, находящейся в его постоянном запоминающем устройстве. В результате этого происходит очистка первого 9 и второго 10 блоков памяти, программирование необходимых параметров блока преобразования "аналог-код" 6, например, коэффициентов усиления и уровня дискриминации, настройка программно-управляемого блока высокого напряжения 11 питания фотоэлектронного умножителя. При этом один из двух блоков накопления амплитудно-временных спектров включается в режим накопления спектров с блока преобразования “аналог-код” 6, другой - в режим работы с блоком центрального процессора 7. После этого устройство готово к приему управляющих команд с поверхности. Команда принимается блоком приемопередатчика 8 и передается для дешифрации и исполнения в блок центрального процессора 7. Выполняя команду, блок центрального процессора 7 выставляет на блоке преобразования “аналог-код” 6 переданные коэффициент усиления, уровень режектора наложений и нижний уровень дискриминации аналогового тракта. Один из двух блоков памяти 9 или 10 включается в режим накопления спектров, другой, соответственно, через блок центрального процессора 7 и блок приемо-передатчика 8 может передавать в это время по запросам с поверхности информацию на бортовой компьютер.

Подготовка к рабочему режиму каротажа начинается по командам с бортового компьютера к включению импульсного нейтронного генератора 2. По этим командам бортовой компьютер через блок приемо-передатчика 8 и блок центрального процессора 7 по двунаправленной линии связи с импульсным нейтронным генератором 2 инициализирует процессы его подготовки к работе, которые, в зависимости от применяемой модификации нейтронного генератора 2, могут занимать от 2 до 10 минут. После окончания подготовки импульсного нейтронного генератора 2 последний по двунаправленной линии связи с блоком центрального процессора 7 через блок приемо-передатчика 8 информирует бортовой компьютер о готовности.

Собственно импульсный нейтронный каротаж начинается по команде включения генератора 2 в работу. При этом на блок центрального процессора 7 с наземного компьютера передаются требуемые частота и длительность нейтронных импульсов. Полученные значения блок центрального процессора 7 передает в блок управления 15 временным режимом импульсного нейтронного генератора, который, в свою очередь, формирует последовательность импульсов на управляющем входе импульсного нейтронного генератора 2. При этом частота и длительность сформированных на управляющем входе импульсного нейтронного генератора 2 импульсов должна соответствовать требуемым частоте и длительности нейтронных импульсов - происходит внешняя синхронизация работы импульсного нейтронного генератора 2, который начинает излучать импульсы нейтронов. Экран 3 служит для защиты сцинтилляционного детектора от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов 2. Гамма-излучение, индуцированное нейтронами, регистрируется сцинтилляционным детектором 4. В результате взаимодействия гамма-квантов с люминофором сцинтилляционного детектора 4 последний преобразует энергию гамм-излучения в световые вспышки - сцинтилляции. При этом суммарное количество испускаемых фотонов пропорционально энергии, оставленной гамма-квантом в детекторе 4. Далее фотоэлектронный умножитель 5 конвертирует световой импульс в импульс электрический. Заряд, собираемый с выхода фотоэлектронного умножителя 5, при прочих равных условиях, пропорционален количеству сцинтилляций люминофора детектора 4, и, следовательно, энергии, оставленной гамма-квантом в детекторе 4. В традиционных схемах включения фотоэлектронный умножитель 5 является источником тока, на выход которого подключен преобразователь “аналог-код” 6. В результате работы преобразователя “аналог-код” 6 на выходе последнего появляется цифровой код, пропорциональный энергии гамма-кванта, оставленной в сцинтилляционном детекторе 4.

С выхода блока преобразования “аналог-код” 6 данные поступают на вход блоков памяти 9 и 10. При этом один из блоков памяти включен в режим накопления спектров, другой в этот момент может по последовательному интерфейсу передавать накопленные спектры в блок центрального процессора 7. Таким образом происходит процесс накопления амплитудно-временных спектров.

Функционально верхний 13 и нижний 14 разъемы, источник вторичных напряжений 12, блок преобразования “аналог-код” 6, блок центрального процессора 7, блок приемопередатчика 8, первый 9 и второй 10 блоки памяти, программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя 11 могут быть выполнены как в прототипе. В блоке центрального процессора следует предусмотреть дополнительно стандартную линию последовательного интерфейса для передачи режимов работы на блок управления 15 временным режимом импульсного нейтронного генератора, который представляет из себя программируемый генератор последовательности импульсов. В качестве импульсного нейтронного генератора 2 может быть использован МФНГ-701 [5], предусматривающий изменение временных режимов работы в широком диапазоне по импульсам внешней синхронизации.

На Фиг.2 показан один из возможных вариантов формирования амплитудно-временного спектра.

В предлагаемом способе решается задача повышения точности при проведении импульсного нейтронного каротажа путем обеспечения режима регистрации, наиболее полно учитывающего реальные геолого-технические условия проведения измерений и конкретные особенности импульсного нейтронного генератора. Так как процесс оптимизации возможен лишь в определенных рамках, ограниченных техническими возможностями применяемой импульсной нейтронной трубкой и системой ее управления, то целесообразно при фиксированных нейтронном выходе и частоте работы нейтронного генератора проводить оптимизацию по такому параметру, как длительность нейтронного импульса.

Скважинный прибор располагают в интервале записи. Генератор нейтронов 2 излучает импульсы нейтронов с некоторой частотой, например с фиксированной частотой 10 кГц. В начале каждого цикла излучения блок управления 15 временным режимом импульсного нейтронного генератора выдает импульс синхронизации, по которому нейтронная трубка начинает «разжигаться». Спустя несколько микросекунд, необходимых для включения нейтронной трубки, последняя начинает излучать нейтроны с энергией 14 Мэв. Нейтронный импульс в начальный момент работы задается синхронизирующей последовательностью с блока управления 15 временным режимом импульсного нейтронного генератора минимальной длительностью. Например, 5 мксек. На Фиг.3 приведен временной спектр аппаратуры импульсного нейтронного гамма-каротажа с практически максимально возможной скважностью нейтронного импульса для аппаратуры типа АИМС-Э и МФНГ-701.

Зарегистрированные спектры ГИНР и ГИРЗ передаются на поверхность для вычисления статистической погрешности получаемой величины отношения скоростей счета в спектре ГИНР. В данном случае [6] речь идет о параметре С/О (углеродно / кислородный каротаж), позволяющем оценить текущую нефтенасыщенность пластов-коллекторов. Расчеты можно провести в соответствии с [6]. После набора статистики по команде с бортового компьютера через приемо-передатчик 8 и центральный процессор 7 происходит перепрограммирование блока управления 15 временным режимом импульсного нейтронного генератора на увеличение длительности синхронизирующего импульса. Это приводит к соответствующему увеличению длительности нейтронного импульса генератора. На Фиг.4 приведен временной спектр аппаратуры импульсного нейтронного гамма-каротажа со средним по длительности нейтронным импульсом для аппаратуры типа АИМС-Э и МФНГ-701.

Одновременно с увеличением длительности нейтронного импульса производят снижение ускоряющего напряжения на нейтронной трубке импульсного нейтронного генератора для сохранения постоянства нейтронного выхода, приведенного к единому интервалу времени (например, к секунде).

При новом выставленном значении длительности нейтронного импульса снова производят набор спектров ГИНР и ГИРЗ, их передачу на бортовой компьютер и вычисление статистической погрешности получаемой величины отношения скоростей счета в спектре ГИНР. Затем снова изменяют длительность нейтронного импульса. Процедуру повторяют до значения скважности нейтронного импульса порядка 2 -дальнейшее уменьшение скважности нерационально. На Фиг.5 приведен временной спектр аппаратуры импульсного нейтронного гамма-каротажа с практически минимально целесообразной скважностью нейтронного импульса для аппаратуры типа АИМС-Э и МФНГ-701.

Строят зависимость величины статистической погрешности от временного режима работы импульсного нейтронного генератора. На Фиг.6 приведены результаты практической настройки на оптимальный режим работы импульсного нейтронного генератора МФНГ-701 в составе аппаратуры АИМС-Э. Каждую секунду со скважинного прибора на поверхность передаются спектры ГИНР и ГИРЗ, рассчитывается отношение скоростей счета в окнах углерода и кислорода, но вычисляется среднее значение отношение и его средняя квадратическая погрешность. Хорошо видно, что режим работы импульсного нейтронного генератора, реализованный на 200-350 секундах измерения, является наиболее удачным с точки зрения минимизации статистической погрешности проводимых измерений. Собственно скважинные исследования проводятся именно на данном режиме работы импульсного нейтронного генератора. На Фиг.7 приведены фрагменты скважинных исследований, демонстрирующие существенное снижение статистической погрешности результатов каротажа при предлагаемом способе настройки (крайний справа трек) и “стандартном” режиме работы (второй справа трек) импульсного нейтронного генератора.

Описанные выше способ и устройство импульсного нейтронного каротажа реализованы в аппаратуре АИМС-Э, работающей совместно с импульсным высокочастотным нейтронным генератором МФНГ-701.

Источники информации

1. “The multiparameter spectroscopy instrument continuous carbon / oxygen log - MSI C/O”, D.M.Chace, M.G.Schmidt, Dresser Atlas, Dresser Industries, Inc., Houston, Texas, M.P.Ducheck, Dresser Atlas, Dresser Industries, Inc., Calgary, Alberta, Presented at the Canadian Well Logging Society 10^th Formation Evaluation Symposium, Calgary, Alberta, September 29 - October 2, 1985.

2. “Methods and apparatus for borehole-corrected spectral analysis of earth formations”. US patent №4661701, Schlumberger Technology Corporation, Inventor: James A.Gran, Danbury, Conn., Jul. 17, 1985.

3. Патент USA. US 7,365,307, Apr.29,2008, Christian Stoller, Princeton Junction, NJ (US); Peter Wraight, Skillman, NJ (US); Robert A.Adolph, Pennington, NJ (US). Schlumberger Technology Corporation.

4. Патент РФ №2262124, “Способ импульсного нейтронного гамма-каротажа и устройство для его осуществления”, Бортасевич B.C., Хаматдинов Р.Т., Черменский В.Г., Велижанин В.А., Саранцев С.Н., 26.05.2004 г.

5. Агалакова М.И., Бутолин С.Л., Черменский В.Г., “Импульсные нейтронные генераторы нового поколения разработки ООО “НПП Энергия” в скважинной геофизике”, Сборник докладов международной научно-технической конференции “Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе”, 22-26 октября 2012 г., ВНИИА, Москва.

6. Инструкция по проведению импульсного спектрометрического нейтронного гамма-каротажа аппаратурой серии АИМС и обработке результатов измерений при оценке текущей нефтенасыщенности пород, МИ41-17-1399-04 / В.А.Велижанин, B.C.Бортасевич, Д.Р.Лобода, В.Г.Черменский и др., Тверь: Изд. ГЕРС. 2004.

Использование: для определения текущей нефтенасыщенности пластов-коллекторов, пересеченных скважиной. Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу выполняют периодическое облучение горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ) тепловых нейтронов детектором гамма-излучения в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования по глубине характеризуется тем, что перед процессом измерений дополнительно определяют оптимальную длительность импульса. Заявлено также устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа, содержащее размещенные в охранном кожухе импульсный генератор быстрых нейтронов, сцинтилляционный детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, экран, расположенный между импульсным генератором быстрых нейтронов и сцинтилляционным детектором, блок преобразования “аналог-код”, блок центрального процессора, блок приемопередатчика, первый и второй блоки памяти, программно-управляемый блок высокого напряжения, характеризующееся тем, что дополнительно содержит блок управления временным режимом импульсного нейтронного генератора. Технический результат: повышение точности при проведении импульсного нейтронного каротажа. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ импульсного нейтронного гамма-каротажа, включающий периодическое облучение горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ) тепловых нейтронов детектором гамма-излучения в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования по глубине, накопление в пределах заданного временного цикла полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов на всем диапазоне энергий в i фиксированных временных окнах, где i принадлежит интервалу от 2 до бесконечности, и положение i фиксированных временных окон устанавливают до начала скважинных исследований, по окончании накопления полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов по запросу на скважинный прибор осуществляют передачу на поверхность информации, по переданным на поверхность через блок приемопередатчика амплитудно-временным спектрам вычисляют временной спектр изменения интегральных скоростей счета, который обрабатывается в блоке преобразователя аналог-код, по результатам обработки в реальном режиме времени устанавливают границы временных интервалов и положение их относительно импульса генератора быстрых нейтронов, накопление в одном из блоков памяти полных амплитудных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов осуществляют в рамках установленных временных интервалов путем суммирования накопленных и переданных на поверхность данных, отличающийся тем, что перед процессом измерений дополнительно определяют оптимальную длительность импульса, для чего скважинный прибор после проведения настройки регистрирующего спектрометрического тракта и прогрева, включают в режим генерации нейтронов с максимальной скважностью нейтронных импульсов, обеспечиваемой применяемым типом импульсного нейтронного генератора, производят набор спектров ГИНР и ГИРЗ за время, соответствующее кванту глубины при его прохождении на заданной скорости скважинного прибора, рассчитывают статистическую погрешность в заданных энергетических областях получаемых спектров ГИНР, увеличивают длительность нейтронного импульса на величину ΔТ, где значение ΔТ соответствует первым микросекундам, снова производят набор спектров ГИНР и ГИРЗ за заданное время и рассчитывают новую статистическую погрешность в заданных энергетических областях получаемых спектров ГИНР, повторяют подобную процедуру до минимально возможного значения скважности нейтронных импульсов, и, на основании постоянно проводимых расчетов статистических погрешностей, определяют оптимальную длительность нейтронного импульса и с этой длительностью импульса осуществляют периодическое облучение горных пород.

2. Устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа, содержащее размещенные в охранном кожухе импульсный генератор быстрых нейтронов, сцинтилляционный детектор гамма-излучения, оптически соединенный с фотоэлектронным умножителем, экран, расположенный между импульсным генератором быстрых нейтронов и сцинтилляционным детектором, блок преобразования "аналог-код", блок центрального процессора, блок приемопередатчика, первый и второй блоки памяти, программно-управляемый блок высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, источник вторичных напряжений, верхний разъем, нижний разъем, при этом выход фотоэлектронного умножителя связан с первым входом блока преобразования "аналог-код", второй вход блока преобразования "аналог-код" связан с первым выходом блока центрального процессора, шина данных блока преобразования "аналог-код" по выходу связана с соответствующими входами шин данных первого и второго блоков памяти, двунаправленные входы-выходы первого и второго блоков памяти связаны с соответствующими первым и вторым двунаправленными входами-выходами блока центрального процессора, второй выход блока центрального процессора соединен с первым входом программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, выход которого соединен с входом фотоэлектронного умножителя, третий двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен с третьим двунаправленным выходом блока приемопередатчика, четвертый двунаправленный вход-выход блока центрального процессора соединен с двунаправленным входом-выходом импульсного генератора нейтронов, выход блока приемопередатчика соединен со входом источника вторичных напряжений, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы которого соединены с соответствующими входами блока преобразования "аналог-код", первого блока памяти, второго блока памяти, блока центрального процессора, программно-управляемого блока высокого напряжения питания фотоэлектронного умножителя, блока приемопередатчика, первый и второй двунаправленные входы-выходы блока приемопередатчика подключены, соответственно, к первому и второму контактам верхнего и нижнего разъемов, третий контакт верхнего разъема подключен к входу импульсного генератора нейтронов, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок управления временным режимом импульсного нейтронного генератора, который связан по первому и второму входам с третьим выходом блока центрального процессора и седьмым выходом источника вторичных напряжений, а своим выходом соединен с входом управления импульсного нейтронного генератора.