СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ДАННЫХ РАДИОАКТИВНОГО КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01V5/12 

Группа изобретений относится к спектрометрическим измерениям гамма-излучения, используемым для количественного определения содержания радиоактивных элементов горных пород во время каротажа нефтегазовых скважин.

Известны способ спектрометрического гамма-каротажа и устройство для его проведения (патент РФ №2191413, приор. 19.06.2001 г.).

Способ заключается в измерении интенсивностей гамма-излучения, отфильтрованного экраном, выполненным из металла с малым атомным номером, например не больше, чем у титана, регистрации гамма-излучения сцинтилляционным детектором, оцифровке зарегистрированных сигналов, их накоплении в виде амплитудно-временных спектров, передаче на поверхность. Гамма-излучение дополнительно пропускают через экран, выполненный из металла с большим атомным номером, например не меньше, чем у свинца, регистрируют спектр, имеющий характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, запоминают его как опорный, проводят измерения в скважине и каждый полученный спектр приводят в соответствие со спектром, имеющим характерную форму в области 0,02-0,3 мэВ, например, по методу наименьших квадратов (принят в качестве прототипа к заявляемому способу).

Известное устройство содержит охранный кожух, изготовленный из титана, в котором размещены детектор гамма-излучения, соединенный с фотоэлектронным умножителем, обеспечиваемым питанием от блока питания высокого напряжения и имеющим выход на вход блока преобразования аналог - код, второй вход которого соединен с выходом блока преобразования вторичных напряжений, а выходы соединены с блоком центрального процессора: один непосредственно, другой через блок накопления амплитудно-временных спектров. Выход блока центрального процессора соединен с блоком питания высокого напряжения, вход которого соединен с выходом блока преобразования вторичных напряжений, выход которого соединен с блоком накопления амплитудно-временных спектров, вход которого соединен с выходом блока коммутации, соединенным с разъемом головки скважинного прибора и проходным разъемом, выход которого соединен с входом блока центрального процессора. Детектор помещен в экран, выполненный из свинца.

Использование способа и устройства позволяет стабилизировать энергетическую шкалу спектрометра.

Недостаток известного технического решения заключается в следующем.

Стабилизация энергетической шкалы спектрометрического тракта происходит без коррекции постоянной составляющей на выходе входного усилителя, что приводит к ошибке при определении энергии импульсов гамма-квантов. Особенно значительная ошибка получается при определении энергии низкоэнергетических импульсов. Из-за влияния внешних условий (температура, время) происходит изменение величины анодного тока ФЭУ, вследствие чего происходит смещение постоянной составляющей на выходе входного усилителя.

В известном способе стабилизация энергетической шкалы происходит по вычисленной линейной зависимости номера канала спектрометрического тракта от энергии гамма-квантов. В качестве опорных точек используется энергия характеристического излучения свинца и нулевой линии.

Известно устройство спектрометрического гамма-каротажа, содержащее блок преобразования и усиления, имеющий датчик регистрации гамма-квантов, соединенный с преобразователем сигнала, выход которого подключен к входу усилителя-формирователя, к выходу которого подключен управляемый усилитель, к выходу которого подключен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), к выходу которого подключен микроконтроллер квантования и накопления спектра, к выходу которого подключен периферийный микроконтроллер, к выходу которого подключены буферы интерфейса и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) спектра. Устройство содержит цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и светодиод, выход из периферийного микроконтроллера подключен к входу в ЦАП, а выход ЦАП подключен к светодиоду. К периферийному микроконтроллеру подключено оперативно запоминающее устройство и ОЗУ набора спектра, а также буфер интерфейса (патент РФ на полезную модель №31659, приор. 17.04.2003 г., опубл. 20.08.2003 г.). (Принят в качестве прототипа к заявляемому устройству.)

Недостаток известного устройства заключается в отсутствии возможности коррекции смещения нуля выходного сигнала при воздействии внешних условий на детектор гамма-квантов, что снижает точность измерений.

Задача заявленной группы изобретений состоит в разработке способа и устройства, позволяющих повысить точность определения энергии гамма-квантов путем привязки номера канала спектрометрического тракта к энергии гамма-квантов во всем диапазоне.

Указанная задача решается тем, что в способе регистрации данных радиоактивного каротажа, включающем облучение исследуемой среды в скважине источником радиоактивного излучения, регистрацию интенсивностей гамма-излучения, усиление и оцифровку зарегистрированных сигналов, их периодическое накопление в виде амплитудных спектров и передачу на поверхность, в отличие от известного способа, производят восстановление нулевого уровня усиленного выходного сигнала в циклическом режиме, в начале каждого периода накопления амплитудных спектров.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для регистрации данных радиоактивного каротажа, включающем детектор интенсивностей гамма-излучения, соединенный с высоковольтным преобразователем питания (источник питания) и с входным усилителем, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), к выходам которого подключены микроконтроллер квантования и накопления спектра, и оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), а также содержащем цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), в отличие от известного, один выход микроконтроллера квантования и накопления спектра соединен с ЦАП, выход которого соединен с входом входного усилителя, выход которого соединен с дискриминатором, выход которого соединен с блоком временных интервалов, который подключен к входу АЦП, а другой выход микроконтроллера квантования и накопления спектра соединен с другим ЦАП, выход которого соединен с источником питания.

На чертеже представлено устройство для реализации способа.

Устройство содержит: источник питания 1, соединенный с детектором интенсивностей гамма-излучения 2, соединенным с входным усилителем 3, выходы которого соединены с АЦП 4 и с дискриминатором 5, к выходу которого подключен блок временных интервалов 6. Выход дискриминатора 5 соединен с входом АЦП 4, выходы которого соединены с ОЗУ 7 и с микроконтроллером 8. К другому выходу микроконтроллера 8 подключен ЦАП 9, выход которого соединен с входом входного усилителя 3. Третий выход микроконтроллера 8 соединен с другим ЦАП 11 и с источником питания 1, а четвертый выход - с кодеком 10, к которому подсоединен каротажный кабель 12, передающий сигналы на наземный регистратор компьютера (не показан).

Суть способа целесообразно раскрыть в процессе работы устройства.

Функционирование устройства определяется тремя режимами: режим накопления спектра, режим восстановления нулевого уровня на выходе входного усилителя и режим информационного обмена с наземным компьютером каротажного регистратора.

В режиме накопления спектра импульсы с детектора интенсивностей гамма-излучения 2 (детектор) усиливаются входным усилителем 3, выполненным в виде преобразователя ток-напряжение, и подаются на дискриминатор 5 и на вход АЦП 4. С выхода дискриминатора 5 импульсы подаются на блок временных интервалов 6. Блок временных интервалов 6 формирует сигнал CONV запуска АЦП 4 на вершине импульса с выхода входного усилителя 3. После преобразования АЦП 4 выдает сигнал BUSY готовности данных и выставляет на шине A_i данные, пропорциональные энергии зарегистрированного кванта. Микроконтроллер 8 сигналом CS инкрементирует ячейку ОЗУ 7, адресом которой являются данные АЦП 4. В результате многократного повторения описанных выше операций в ОЗУ 7 накапливается информация, отражающая статистику регистрации квантов по 2ⁱ⁺¹ уровням их энергий, т.е. амплитудно-временной спектр.

Источник питания 1 детектора 2 является стабилизированным источником с программируемым значением выходного напряжения. Программируя его на различные напряжения, имеется возможность менять коэффициент преобразования детектора, т.е. задавать и корректировать энергетическую шкалу спектрометрического тракта. Для настройки и управления выходным напряжением указанный источник содержит резисторы задания максимального и минимального значений напряжений и ЦАП 11, с помощью которого выходное напряжение можно программировать от минимального до максимального значения с шагом 1/256.

В режиме информационного обмена инициатором является компьютер каротажного регистратора, который для получения данных от скважинного устройства посылает к нему "Запрос", включающий в себя адрес скважинного устройства и данные для управления энергетической шкалой.

При приеме командного слова, кодек 10 проверяет его на соответствие признаку команды, совпадения адреса и бита паритета, после чего прерывает режим накопления на весь период информационного обмена. Микроконтроллер 8 считывает с кодека 10 данные для управления энергетической шкалой и отправляет их в программируемый источник питания 1 детектора 2, сопровождая сигналом WR_H. После этого микроконтроллер 8 последовательно считывает и передает через телеметрические узлы и каротажный кабель 12 в наземный регистратор слова данных D_i из всех ячеек ОЗУ 7. Каждый раз после чтения очередной ячейки ОЗУ 7 эта ячейка обнуляется. После чтения последнего слова микроконтроллер 8 заканчивает обмен с наземным регистратором.

В режиме восстановления нулевого уровня на выходе входного усилителя микроконтроллер 8 запускает АЦП 4 в циклическом режиме через 10 мкс и в течение нескольких миллисекунд производит запись постоянной составляющей на выходе входного усилителя 3. После фильтрации данных микроконтроллер 8 программирует ЦАП 9, сопровождая сигналом WRN_N, который задает дополнительный ток на вход входного усилителя 3.

При этом с помощью АЦП4 оцифровывают сигнал с выхода усилителя 3, сравнивают его с эталонным кодом, пропорциональным нулевому сигналу, и в зависимости от его изменения производят подачу сигнала WR_N на ЦАП 9. Нулевой сигнал постоянно корректируют с помощью подачи дополнительного тока с ЦАП 9 на вход усилителя 3.

Таким образом производят в автоматическом режиме восстановление нулевого уровня на выходе входного усилителя, изменившегося из-за внешних условий.

В результате при обработке спектров, полученных после стабилизации энергетической шкалы по опорному сигналу (что известно из аналогов) и корректированной нулевой линии (заявленное решение), получаем идеальное соответствие номера спектрометрического тракта от энергии гамма-квантов во всем диапазоне.

После этого устройство переходит в режим накопления амплитудно-временного спектра. Время накопления спектра задается периодичностью обращения к прибору компьютера каротажного регистратора.

Использование: для количественного определения содержания радиоактивных элементов горных пород. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют облучение исследуемой среды в скважине источником радиоактивного излучения, регистрацию интенсивностей гамма-излучения, усиление и оцифровку зарегистрированных сигналов, передачу их на поверхность и автоматическую стабилизацию энергетической шкалы, включающую восстановление нулевого уровня усиленного выходного сигнала, при этом осуществляют периодическое накопление зарегистрированных сигналов в виде амплитудных спектров, а восстановление нулевого уровня усиленного выходного сигнала производят в циклическом режиме, в начале каждого периода накопления амплитудных спектров. Технический результат: повышение точности определения энергии гамма-квантов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регистрации данных радиоактивного каротажа, содержащий облучение исследуемой среды в скважине источником радиоактивного излучения, регистрацию интенсивностей гамма-излучения, усиление и оцифровку зарегистрированных сигналов, передачу их на поверхность и автоматическую стабилизацию энергетической шкалы, включающую восстановление нулевого уровня усиленного выходного сигнала, отличающийся тем, что осуществляют периодическое накопление зарегистрированных сигналов в виде амплитудных спектров, а восстановление нулевого уровня усиленного выходного сигнала производят в циклическом режиме, в начале каждого периода накопления амплитудных спектров.

2. Устройство для регистрации данных радиоактивного каротажа, включающее детектор интенсивностей гамма-излучения, соединенный с высоковольтным преобразователем питания (источник питания) и с входным усилителем, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), к выходам которого подключены микроконтроллер квантования и накопления спектра (микроконтроллер), и оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), а также содержащее цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), отличающееся тем, что один выход микроконтроллера соединен с ЦАП, выход которого соединен с входом входного усилителя, выход которого соединен с дискриминатором, выход которого соединен с блоком временных интервалов, который подключен к входу АЦП, а другой выход микроконтроллера соединен с другим ЦАП, выход которого соединен с источником питания.