Изобретение относится к исследованию состава и свойств грунтов и может быть применено при радиологических исследованиях грунтов.
Известно устройство для определения состава грунтов при скваженных каротажных исследованиях, включающее герметический каротажный зонд с источником быстрых нейтронов и сцинтилляционный детектор гаммаизлучения, а так-же средства для обработки получаемой информации, включающее анализатор высоты импульсов 1.
Недостатком этого устройства является низкая разрешающая способность при анализе состава грунтов. Кроме того, увеличение числа анализируемых элементов достигается с увеличением числа каротажных зондов, присоединенных к одной электронной схеме, что ведет к конструктивному усложнению устройства.
Из известных устройств наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, включающее каротажный зонд в виде герметичного тела, источник быстрых нейтронов и детектор для обнаружения гамма-излучений, а также средство для разложения импульсов напряжения
функционально зависящих от энергии гаммаизлучений, в энергетический спектр с ана лизатором высоты импульсов, имеющи каналы высоты импульсов.
В этом устройстве в качестве сцинтилляционного детектора использованы криста: лы иодида натрия, а выбор энергетических каналов основывался в основном на энергетических пиках неупругого рассеяния гаммалучей: 4,44 МЭВ для углерода. 6.13 МЭВ для кислорода и 1,78 .VЭB для кремния 2.
К недостаткам этого устройства относится то. что часть гамма-лучей, воспринимаемых детектором, создается за счет захвата быстрых нейтронов самим материалом датчика и последующего возникновения гаммаизлучения в кристалле детектора.
5
Другим недостатком является относительно большая постоянная времени восстановления детекторов такого типа, что снижает скорость повторения импульсов.
Цель изобретения - повышение точносQ ти и надежности определения состава грунта.
Это достигается тем, что в устройстве для определения состава грунта, включающем каротажный зонд в виде герметичного тела, источник быстрых нейтронов и детектор для обнаружения гамма-излучений, расположенные в каротажном зонде, а также средство для разложения импульсов напряжения, функционально зависящих от энергии гамма-излучений, в энергетический спектр с анализатором высоты импульсов, имеющим каналы высоты импульсов, детектор содержит сцинтиллирующий материал,-помещенный в свободный от водорода жидкий органический растворитель, причем анализатор высоты импульсов содержит четыре канала высоты импульсов, соответствующиечетырем энергетическим каналам энергетического спектра, которые находятся в пределах 1,4 - 1,6 МЭВ для кремния, 2,25 3,5 МЭВ для кальция, 3,5 -4,5 МЭВ для углерода и 4,5 - 6,1 МЭВ для кислорода, при этом свободным от водорода жидким органическим растворителем является гексафторбензол. На фиг. 1 изображена общая блок-схема устройства и прибор для каротажа скважин; на фиг. 2 - временная диаграмма; на фиг. 3 - гр-афическое изображение спектра жестких гамма-лучей, возникающих при захвате нейтронов при использовании системы обнаружения согласно изобретению с размещением на спектре четырех энергетических окон. Устройство включает блок-схему 1, скважину 2, пробуренную в грунте 3, обсаженную стальными трубами 4 и заполненную буровой жидкостью 5. Обсадные трубы закреплены слоем цемента 6, который служит также для гидроизоляции смежных продуктивных формаций в грунте 3. Спускаемая часть системы для каротажа состоит в основном, из вытянутого герметичного полого тела или зонда 7, который в процессе проведения операции .каротажа пропускается внутри вдоль обсадной трубы и имеет для этого соответствующие размеры. Наземное оборудование предназначено для обработки и регистрации электрических измерений, осуществляемых зондом. Каротажный кабель 8, который проходит по блоку 9, удерживает зонд в скважине, а также образует электрическую цепь для сигналов, идущих от наземного оборудования к зонду и обратно. Кабель может представлять собой обычный каротажный кабель бронированного типа и содержать один или несколько электропроводников для передачи сигналов между зондом и наземными устройствами. В зонде размещен источник 10 нейтронов большой энергии. Предполагается, что источник нейтронов представляет собой импульсный источник нейтронов, работа которого основана на реакции, дейтерий-тритий. Однако могут быть использованы источники нейтронов другого типа. В зонде установлен детектор излучения, содержащий фотоэлектронный умножитель 11, жидкий сцинтилляционный детектор 12, оптически связанный с фотоумножителем для обнаружения гамма-излучения, возникающего в результате неупругого рассеяния нейтронов больщой энергии в формациях, окружающих скважину. Защитный экран 13 из железа, свинца, парафина или из сочетания этих веществ, или из другого подходящего материала, установлен между источником нейтронов и жидким сцинтилляционным детектором прибора. Жидкий сцинтилляционный детектор состоит из лишенного пузырьков металлического сосуда с гексафторбензолом (СгРв) в качестве растворителя. Этот растворитель почти не содержит водорода. Жидкий сцинтилляционный детектор такого типа обладает сравнительно высокой эффективностью по отношению к гамма-лучам и очень низкой эффективностью по отношению к нейтронам. Как видно из фиг. 1 вокруг жидкого сцинтилляционного детектора на части либо внутренней, либо наружной стенки зонда установлена экранирующая трубка 14 для защиты от тепловых нейтронов. Кроме того, между материалом радиационной защиты и кристаллом детектора установлен экранирующий диск 15 для защиты от тепловых нейтронов с целью уменьщения вероятности попадания тепловых нейтронов в детектор. Эти экранирующие детали могут быть выполнены из бора или другого материала, обладающего больщим сечение.м захвата тепловых нейтронов. Экранирование также снижает вероятность попадания тепловых нейтронов, которые движутся по извилистой траекториги и замедляются буровой жидкостью или же защитным материалом, в окружность детектора и возбуждения нейтронов в элементах, образующих корпус детектора. Это ослабляет гамма-излучение, вызываемое захватом тепловых нейтронов, в течение периода времени наблюдения жестких гамма-лучей. Сцинтилляционный детектор создает диск ретную вспышку света всякий раз, когда гамма-лучи проходят сквозь него и сообщают энергию флюорестирующему .материалу, образующему жидкий сцинтилляционный детектор. Фотоумножитель 11 вырабатывает импульс тока, пропорциональный по амплитуде интенсивности каждой сцинтилляции, происходящей в жидком сцинтилляционном датчике. Интенсивность сцинтилляций или световых вспышек связана функциональной зависимостью с энергией гаммалучей, их вызывающих. Таким образом, импульс напряжения, создаваемый за счет прохождения импульса тока через резистор (на чертеже не показан), имеет амплитуду, связанную функциональной зависимостью с энер гией соответствующих гамма-лучей. Эти импульсы напряжения, вырабатываемые фотоумножителем, образуют сигнал детектора, который подается на линейный усилитель 16 через дискриминатор 17. Дискриминатор 17 может использоваться, например, для отделения слабого фонового гамма-излучения, идущего от материалов, окружавщих стенки скважин. Таким образом, это отделение может быть использовано для подавления вредных импульсов , которые могут способствовать возникновению кумулятивного импульса, обусловленного временем переходного процесса в электронных элементах системы и полосой пропускания каротажного кабеля. Источник нейтронов приводится в действие, предпочтительно, импульсной схемой 18, которая имеет известную конструкцию. Импульсная схема 18 заставляет работать источник нейтронов в режиме коротких импульсов. Схема может работать от тактовых импульсов, поступающих С наземного хронирующего эталона 19 по проводникам кабеля. В случае необходимости хронирующий эталон 19 может быть размещен также в спускаемом зонде. Тактовые сигналы подаются также на генератор 20 импульсов зонда. Например, импульсная схема 18 может запускаться тактовым сигналом с хронирующего эталона 19 для излучения нейтронной вспыщки определенной длительности. При этом частота таких вспыщек может регулироваться изменением частоты хронирующего эталона 19. При измерении неупругого рассеяния нейтронов, предлагаемом в изобретении, желательно использовать импульсы нейтронов, имеющие длительность не менее 5 мкс и повторяющиеся приблизительно от 500 до 20000 раз в с. На фиг. 2 показана временная зависимость между выщеупомянутыми импульсами нейтронов, рабочим участком цикла детектирования гамма-излучения и плотностью нейтронов больщой энергии и теп/ioвых нейтронов. Цикл ускорения изображен сплошной кривой 21. Плотность жестких гамма-лучей вблизи жидкого сцинтилляционного детектора обозначена пунктирной кривой 22. Плотность гамма-лучей, вызываемых захватом тепловых нейтронов, вблизи жидкостного сцинтилляционного детектора изображена пунктирной- кривой 23. Рабочий цикл детектора изображен отдельной сплощной кривой 24. За время импульса нейтронов резко нарастает кривая 22 плотности жестких гаммалучей. Кривая 23 плотности гамма-лучей захвата тепловых нейтронов нарастает медленнее и достигает максимума только по окончании 5-микросекундного импульса нейтронов. Следует заметить, что расстояние между импульсами нейтронов во времени достаточно велико для того , чтобы кривая 23 плотности тепловых нейтронов cn;iA;i.i;i почти до нуля перед началом следующего импульса. Однако обычно при oo.iee высоких скоростях повторения импульсов неко торое число нейтронов остается вблизи жидкостного сцинтилляционного детектора в момент возникновения следующего импульса нейтронов. В этом случае экранирующая трубка 14 для защиты от тепловых нейтронов, выполненная из бора, и диск 15 y ieHi щают число паразитных подсчетов гаммалучей, создаваемых этим источником за счет быстрого поглощения тепловых нейтронов. При этом относительно низкая эффективность отсчета нейтронов детектора способствует снижению паразитного фона. В течение времени возбуждения источника 10 нейтронов выходные сигналы фотоумножителя 11 поступают через дискриминатор 17 и линейный усилитель Ш в задающую цепь с помощью кабеля 25, имеющую обычную конструкцию. Генератор 20 импу.и,сов также подает на вход дискриминатора 17 опорнь й сигнал, имеющий известную амплитуду. Этот опорный сигнал, вырабатываемый генератором 20, может использоваться в устройстве регулировки усиления пли стабилизаторе 26 спектра, размещенном иа поверхности, для регулировки коэффициента усиления системы. Это -может осуществляться в течение промежутка времени между импульсами нейтронов, так как сигна.пы генератора могут подаваться в стабилизатор 26 спектра непрерывно или в любой желаемой последовательности. Так как импульсная схема зонда и наземное селектирующее приспособление 27, которое осуществляет временную селекцию импульсов измерения, поступаюишх из зонда, работают ио тактовым импульсам от одного и того же хронирующего эталона 19, ясно, что между спускаемым и наземным оборудованием может быть достигнут синхронизм. Таким образом, сигналы измерения, поступая на поверхность, могут пропускаться так, чтобы выделять для обработки их части, сдвинутые по времени нужным образом относительно излучения нейтронов. Устройство работает следующим образом. Электроэнергия подается на зонд 7 от наземного источника (на черт, не показан) через каротажный кабель 8. Для питания спускаемой части оборудования в зонде 7 предусмотрены токоподводы (на черт, не по казаны). Выходные сигналы селектпрующ,его приспособления 27 образуют последовательность импульсов счета, полученных из гамма-лучей, зарегистрированных жидкостным сцинтилляционным детектором 12, с помощью фотоумножителя 11 в течение промежутка времени возбуждения источника нейтронов 10. Эти импульсы представляют собой информацию, полученную, главным образом, в результате возбуждения ядер вблизи жидкостного сиинтилляционного детектора 12 за счет неупругого рассеяния нейтронов, испускаемых источником 10. Жесткие гамма-лучи передаются в анализатор 28 амплитуды импульсов.
Анализатор 28 амплитуды импульсов может содержать, например, четыре или более энергетических канала или порога, соответствующих уровням разделения амплитуды входных импульсов. Анализатор 28 амплитуды импульсов селектирует и накапливает текущие суммарные числа входных импульсов в нескольких накопительных каналах, исходя из амплитуды входных импульсов. Эти энергетические каналы связаны непосредственно с энергией гамма-лучей, вызывающих импульс в жидкостном сцинтилляционном детекторе зонда. Выходной сигнал анализатора 28 амплитуды импульсов состоит в данном случае из некоторого числа счетных импульсов, попавщих в каждый из четырех заданных энергетических диапазонов или окон, выбранных так, чтобы они представляли следующие элементы: углерод, кислород, кремний и кальций,
На фиг. 3 схематично изображен типовой энергетический спектр гамма-лучей, получаемых при неупругом расстоянии быстрых нейтронов в грунтах формаций вблизи скважин и обнаруживаемых с помощью жидкого сцинтиллятора. Сильное компоновское рассеяние гамма-лучей в жидком сцинтилляторе приводит к общему искажению спектра, изображенного на фиг. 3. Пиковый характер спектра, связанный, как правило, с обычным детектором на кристалле из йодистого натрия или цезия с присадкой, почти полностью отсутствует. На спектре (см. фиг. 3) в увеличенном виде показаны «компоновские края у гамма-лучей, получаемых от кислорода, углерода, кальция и кремния. На фиг. 3 показаны также амплитуды импульсов (см. фиг. 1), выбранные так, чтобы они включали эти «края. Энергетическое окно кремния идет примерно от 1,4 до 1,6 МЭВ, кальция - от 2,25 до 3,5 МЭВ, углерода - 3,5 до 4,5 МЭВ и кислорода - от 4,5 до 6,1 МЭВ. Эти окна включают, соответственно, комптоновские края для кремния 1,57 МЭВ, для кальция 3,49 МЭВ, для углерода - 4,19 МЭВ и для кислорода - 5,89 МЭВ.
Таким образом, это расположение энергетических окон обеспечивает хорощую скорость счета по комптоновскому распределению, связанному с каждым из этих элементов в материале вблизи скважин.
Числа отсчетов в каждом из четырех энергетических окон: углерода, кислорода, кремния и кальция в течение промежутка
времени, когда сигналы детектора зонда подаются в анализатор 28 амплитуды импульсов через селектирующее приспособление 7, выводятся из анализатора 28 в виде четырех отдельных цифровых сигналов.
Эти сигналы подаются на регистрирующее приспособление 29, которое приводится в действие в функции глубины скважин элек трическим или механическим путем с помощью блока 9 (изображено пунктирной линией 30). Таким образом, эти четыре отдельных цифровых сигнала могут быть размещены на графике в функции глубины скважины. Кро.ме того, эти четыре сигнала могут быть поданы в цепь 31 получения другой информации для определения влагонасыщения, пористости или другой беличины. Помимо этого, выходные сигналы анализатора 28 а.мплитуды импульсов, которые попадают в энергетические окна угдерода и кислорода, подаются в вычислитель 32 отнощения углерод/кислород. Отнощение углерод/кислород с выхода вычислителя 32 записывается на одну из дорожек регистрирующего приспособления 29 в функции глубины скважины. Аналогично выходные сигналы анализатора, полученные из жестких гамма-лучей в энергетических окнах кремния и кальция, подаются на вычислитель 33 отношения кре.мний/кальций, который определяет это отнощение и записывает его на другую дорожку регистрирующего приспособления 29. Таким образом, отнощение кремний/кальций также оказывается
записанным в функции глубины скважин. В целом, в устройстве регистрирующее приспособление 29 имеет шесть дорожек для записи содержания углерода, кислорода, кремния, кальция, и отношений углерод/кислород и кремний/кальций в функции глубины скважины.
Эта информация может использоваться для выяснения наличия газосодержащих зон а также для вычисления других необходимых параметров, касающихся исследуемой скважины. Использование жидкостного сцинтилляционного детектора повыщает результаты статистических отчетов.
Формула изобретения
1. Устройство для определения состава грунта, включающее каротажный зонд в виде герметичного тела, источник быстрых нейт ронов и детектор для обнаружения гамма-излучений, расположенные в каротажном зонде, а также средство для разложения импульсов напряжения, функционально зависящих от энергии гамма-излучений, в энергетический спектр с анализатором высоты импульсов, имеющим каналы высоты импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности инадежности определения состава грунта, детектор содержит сцинтил6лирующий материал, помещенный ;. ( нобол ный от водорода жидкий органимо1. pif, ; Bopiriejib, причем анализатор BbicoTiji импульсов содержит четыре канала высоты имнульсов, соответствуюн1ие четырем энергетическим каналам энергетического спектра, которые находятся в пределах 1,4 - 1,6 МЭВ для кремния, 2,25-3,5 МЭВ для кальция, 3,5-4,5 МЭВ для углерода и 4,5-6,1 МЭВ для кислорода. 2. Усг)оГктво по п. 1, отличающееся тем, что с1К)бо;и1ым ОТ водорода жидким органическим растворителем является гексафтороен:и)Л. Источники информации, принятые во вни мание при экспертизе 1.Авгорское свидетельство СССР ,N1; 329830, кл. G 01 V 5/00, 1968. 2.Патент США № 3780301, кл. G 01 t 1/16, 1971.
Фиг1
г .г5
2
