УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОЗОНДОВОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА Советский патент 1995 года по МПК G01V5/10 

Изобретение относится к устройствам для регистрации и исследования полей ионизирующих излучений, в частности к устройствам нейтронного каротажа с ампульными или импульсными источниками нейтронов, предназначенным для исследования разрезов нефтяных и газовых скважин.

Известно устройство для каротажа скважин, содержащее источник нейтронов, многодетекторную измерительную схему, схему предварительной обработки сигналов каждого детектора и телеметрическую схему, обеспечивающую передачу показаний каждого детектора на поверхность.

В качестве источника нейтронов возможно использование стационарного ампульного источника или импульсного источника (генератора нейтронов).

Использование нескольких детекторов, расположенных на различных фиксированных расстояниях от источника, позволяет получить частичную информацию о пространственном распределении поля нейтронов по оси скважины и по этим данным определить ядерно-физические, а затем и коллекторские характеристики пород, пересекаемых скважиной. Это устройство позволяет в значительной мере исключить влияние скважины и изменений прискважинной зоны. Существенным недостатком многодетекторных систем является сложность конструкции и настройки, поскольку используются несколько независимых детекторов, электронных схем передачи и обработки сигнала. Параметры детекторов должны быть идентичны или строго согласованы между собой. Однако при работе в скважине в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов (температуры, вибраций, ударов), а также при изменении напряжения питания и параметров электронных схем это требование практически не выполняется. Некоррелированные изменения скорости счета из-за нестабильностей отдельных детекторов значительно снижают точность и достоверность измерений и часто делают невозможной реализацию методов многозондового нейтронного каротажа. Поэтому на практике применяются измерительные системы не более, чем с двумя детекторами.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для многозондового нейтронного каротажа (МНК), содержащее распложенные в герметичном кожухе источник быстрых нейтронов, детектор нейтронов, разделительный защитный экран между ними и блок регистрации. В этом устройстве два детектора нейтронов различной длины расположены на фиксированных расстояниях от источника, при этом длина детектора малого зонда выбирается меньше длины релаксации нейтронов, а длина детектора большого зонда больше четырех длин релаксации нейтронов на фиксированных расстояниях от источника. Однако в таком устройстве отсутствует возможность выбрать оптимальное расстояние между источником и началом зондов, величина которого определяется свойствами изучаемого разреза. Наличие промежутка между детекторами приводит к потерям счета, а следовательно, и к снижению статистической точности. Некорректированные изменения характеристик детекторов под воздействием дестабилизирующих факторов также приводят к дополнительным погрешностям. Кроме того, устройство с двумя детекторами не позволяет изучать пространственные распределения, отличные от экспоненциальных. Такое устройство требует периодической калибровки и эталонировки на поверхности и в процессе измерений в скважине, а также повторных измерений, что снижает точность и производительность измерений и удорожает их стоимость.

Цель изобретения повышение точности определения пространственных характеристик поля нейтронов и производительности устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для многозондового нейтронного каротажа, содержащем расположенные в герметичном кожухе источник быстрых нейтронов, детектор нейтронов, разделительный защитный экран между ними и блок регистрации, детектор нейтронов выполнен четырехсекционным с общим анодом, секции расположены вдоль оси детектора, при этом начало первой, ближней к источнику быстрых нейтронов, секции находится на расстоянии 0,25-0,3 м от источника быстрых нейтронов, длины секций, начиная с первой секции, находятся в соотношении долей 1:(1,2 ± 0,2):(3 ± 0,5):(8 ± 1), причем длина третьей секции равна максимальной длине релаксации поля нейтронов в разрезе, а каждая секция снабжена независимым катодом, подключенным к одному из четырех информационных входов блока регистрации.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Источник 1 нейтронов, отделенный экранами 2 от детектора 3, создает в пластах, пересекаемых скважиной, поле тепловых нейтронов. Детектор 3, наполненный гелием-3, состоит из четырех секций 4-7, разделенных перегородками 8 с отверстиями. Перегородки выполнены из диэлектрического материала. Детектор 3 имеет общий анод 9, а его металлические катоды 10-13 изолированы один от другого перегородками 8, имеющими отверстия, что обеспечивает однородность состава газовой смеси во всех секциях детектора. Кроме того, перегородки служат для промежуточного крепления анодной нити, что уменьшает ее провисание, повышает механическую устойчивость и снижает вероятность возникновения резонансных явлений в рабочем диапазоне частот (1-80 Гц).

Катоды 10-13 детектора 3 подключены к соответствующим входам блока 14 регистрации. Поскольку сигналы от каждой секции снимаются с независимых катодов, то исключается возможность просчетов при одновременной регистрации нейтронов в различных секциях.

Геометрические характеристики зондовой части устройства многозондового нейтронного каротажа расстояние между источником и детектором l_i, длины секций Δ l_i и их количество выбираются так, чтобы обеспечить минимум полной погрешности определения пористости σ К_nполн по измеренному значению декремента α в широком диапазоне геолого-технических условий.

Эта погрешность складывается из двух составляющих статистической σ К_nст и погрешности σ К_nскв, связанной с мешающим влиянием скважинных условий измерений (отклонение прибора от стенки скважины из-за глинистой корки или кавернозности ствола, эксцентриситет колонны и т.д.).

Использование в измерительном устройстве одного детектора с единым газовым объемом полностью исключает погрешность, обусловленную возможным некоррелированным изменением характеристик отдельных детекторов в процессе измерений. Изменение чувствительности детектора за время между эталонированием, выполненным на поверхности в одних температурных условиях и измерениями в скважине при другой температуре также не может повлиять на результаты, т. к. в качестве интерпретационного параметра используется относительная величина пространственный декремент, не зависящая от абсолютной чувствительности детектора.

С ростом l_i статистическая составляющая полной погрешности при прочных равных условиях растет, т.к. скорость счета при этом уменьшается, а составляющая σ K_nскв убывает, поскольку увеличивается глубинность метода и, следовательно, растет относительный вклад более глубоких слоев исследуемой среды (породы) в показания метода.

В то же время увеличение пористости породы приводит к росту статистической погрешности и уменьшению компоненты погрешности σ К _nскв, т.к. при этом вырав- ниваются свойства скважинной среды (буровой раствор, цемент) и породы (пористая среда).

Оптимальное (обеспечивающее минимум полной погрешности σ К_n) расстояние между источником и ближним зондом зависит от свойств исследуемой среды, в частности, от пористости породы. Анализ результатов расчета полей нейтронов в системе скважина-пласт для различных условий и данных экспериментов на моделях пористых пластов показывает, что при активности источников нейтронов, допустимой санитарными нормами, реальном уровне помех от скважины при изменении пористости от 1 35% оптимальное значение l_i меняется от 0,3 0,42 м, при регистрации тепловых нейтронов и от 0,25 0,4 м при регистрации надтепловых нейтронов. Таким образом, расположив начало детектора на расстоянии l_i= 0,25-0,3 м от источника и разбив интервал расстояний 0,3-0,42 м на достаточно мелкие секции, можно зарегистрировать полный сигнал МНК, а на этапе обработки для каждого участка разреза выбрать оптимальное начальное расстояние l_н. Ввиду того, что минимумы на зависимости σ К_nполн от начального расстояния l_н пологие, весь интервал 0,3-0,42 м достаточно разбить на две примерно равные секции, протяженностью 0,05-0,06 м. В этом случае возможное отклонение l_н от оптимального не превосходит 0,02-0,03 м, что приведет к дополнительному увеличению погрешности не более чем в 1,1-1,15 раза, при этом значения, зарегистрированные секциями, расположенными ближе, чем l_н, используются для учета влияния ближней зоны на измеренное значение α, например так, как это делается в методе ГГК-П с двухзондовой аппаратурой.

Длина третьей и четвертой секций выбирается так, чтобы статистическая погрешность определения декремента α была минимальной при каждом из возможных начальных значений l_н и при заданной статистике счета. Известно, что для экспоненциального распределения минимальная (предельная) погрешность определения декремента α достигается при достаточно коротких и равных секциях (Δl_i< α_max максимальная величина декремента α) и при количестве таких секций n>4/Δl_iα_min, где α_min минимальная величина декремента α. Относительная статистическая погрешность декремента при этом составляет
δα_{ст.пред}= 100% / где N_Σ полное количество импульсов, сосчитанное во всех секциях против данного пласта. Поэтому при малом количестве секций n= 2-4, оптимальным следует считать такое разбиение на секции, которое при заданном n дает значение статистической погрешности, близкое к предельному. Расчеты показывают, что при малом n длина последней секции должна быть максимально большой (не менее двух-трех длин релаксации нейтронов L=), а сумма длин первых секций (1-2)L. Таким образом, приняв длину третьей секции, равной максимальной длине релаксации, и учитывая принятые длины первых двух секций, это условие всегда выполняется.

Исследование зависимостей предельной относительной статистической погрешности σα_стпред и относительной статистической погрешности σα_стот величины декремента α для различных случаев, когда начальное расстояние l_н принято равным 0,3 м, 0,35 м и 0,4 м, а длины третьей и четвертой секций равны соответственно 0,15 м и 0,35 м, и расчетные данные при N_Σ45000 имп. α7 м^-1, l_н= 0,3 м показали, что использование принятых размеров секций Δ l_i является оптимальным и приводит к увеличению статистической погрешности не более чем в 1,3-1,4 раза по сравнению с предельно возможной при заданной статистике.

Предлагаемое устройство может быть эффективно использовано вместо известных многозондовых приборов и приборов с переменной длиной зонда. Устройство обеспечивает запись полного сигнала нейтронного каротажа, в нем исключены некорректированные нестабильности отдельных детекторов, размеры отдельных секций выбраны так, что обеспечивается минимальная статистическая погрешность, значительно уменьшено влияние "мертвых" зон между отдельными секциями. Независимый сбор информации с каждой секции детектора улучшает временное разрешение по сравнению с несекционированным детектором. Все это повышает точность исследований при нейтронном каротаже. Устройство позволяет исключить операцию калибровочных измерений в скважине, а также повысить скорость каротажа, что сокращает время исследований и повышает их производительность.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОЗОНДОВОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА, содержащее расположенные в герметичном кожухе источник быстрых нейтронов, детектор нейтронов, разделительный защитный экран между ними и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения пространственных характеристик поля нейтронов и производительности устройства, детектор нейтронов выполнен четырехсекционным с общим анодом, секции распожены вдоль оси детектора, при этом начало первой, ближней к источнику быстрых нейтронов, секции находятся на расстоянии 0,25 0,3 м от источника быстрых нейтронов, длины секций, начиная с первой секции, находятся в соотношении долей 1 (1,2 ± 0,2) (3 ± 0,5) ( 8 ± 1), причем длина третьей секции равна максимальной длине релаксации поля нейтронов в разрезе, а каждая секция снабжена независимым катодом, подключенным к одному из четырех информационных входов блока регистрации.