Способ и устройство для проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа (варианты)

Способ и устройство для проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Группа изобретений относится к ядерной геофизике и предназначена для выполнения исследований скважин с целью определения текущей нефтенасыщенности и уточнения литологических и емкостных характеристик пластов-коллекторов, пересеченных скважиной.

В известных устройствах импульсного спектрометрического нейтронного каротажа с одним зондом (Способ импульсного нейтронного каротажа и устройство для его осуществления. Пат. РФ №2262124, G01V 5/40, приоритет 26.05.2004, опубликовано 10.10.2005) используется частота работы генератора 10-20 кГц при ширине импульса генератора 15-25 мкс, что вызывает наложение ГИНР (гамма-излучение неупругого рассеяния) и ГИРЗ (гамма-излучение радиационного захвата) от предыдущих импульсов генератора на регистрируемое ГИНР и необходимость последующей очистки спектра от наложенного излучения.

Также в известном устройстве регистрируется временное распределение гамма-квантов ГИРЗ с целью определения среднего времени жизни тепловых нейтронов. Измерения распределений гамма-квантов во времени реализуется в паузах между сериями импульсов генератора. Длина такой паузы составляет величину 2000 мкс и соизмерима с временем существования тепловых нейтронов в исследуемой среде, при этом имеют место наложения откликов от серий импульсов в измерения в паузе, что существенно искажает характер временного распределения гамма-квантов, что сказывается на результатах каротажа.

К недостаткам известного метода можно отнести недоучет скважинной составляющей измеряемых характеристик разреза, так как измерения с одним зондом включают в себя как пластовую, так и скважинную составляющие.

Известны устройства импульсного спектрометрического нейтронного каротажа, выполняющие регистрацию на двух расстояниях от генератора нейтронов (двух зондах), один из которых характеризует скважинную компоненту разреза (ближний), а второй - пластовую и скважинную компоненты (дальний) (Аппаратура импульсного нейтронного гамма-спектрометрического каротажа АИНК-73С-2. www.vniia.ru/ng/apkarotazh.html).

В этих устройствах также используется частота работы генератора 10-20 кГц при ширине импульса генератора 15-25 мкс, а регистрация временных распределений гамма-квантов также выполняется в паузах между сериями (цугами) импульсов. Из-за высокой частоты генератора эти приборы также несвободны от наложения энергетических спектров друг на друга, а способ регистрации временных распределений не позволяет в полной мере разделить скважинную и пластовую компоненты исследуемого разреза даже при использовании измерений на двух различных зондах. Это связано с тем, что измерения на ближнем зонде дают характеристику скважинной составляющей, а измерения на дальнем зонде более глубинны, но несвободны от вклада скважинной составляющей, в результате при измерениях накапливается погрешность, что снижает точность определения исследуемых характеристик пластов-коллекторов, пересеченных скважиной.

В качестве прототипа к заявленному устройству принята аппаратура импульсного нейтронного гамма-спектрометрического каротажа АИНК-73С-2. www.vniia.ru/ng/apkarotazh.html.

Известная аппаратура выполнена двухзондовой и содержит импульсный генератор быстрых нейтронов, два сцинтилляционных детектора гамма-квантов, оптически соединенных с фотоэлектронным умножителем, экран защиты сцинтилляционного детектора от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов, блок питания, формирующий вторичные напряжения питания, кабельный ввод, блок приемопередатчика, соединенного двунаправленной шиной с автоматом приемопередатчика, реализованного в виде модуля программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), блоки высокого напряжения, обеспечивающие питание соответствующих блоков детектирования, блок цифроаналогового преобразователя, формирующий управляющие сигналы для блоков высокого напряжения, два блока аналого-цифрового преобразования, соединенные с блоками обработки данных, реализованными в виде модуля ПЛИС и блоков обработки данных.

Известная аппаратура обеспечивает проведение импульсного нейтронного гамма-каротажа, который включает периодическое облучение скважинного пространства и горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) быстрых нейтронов, гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ) тепловых нейтронов и временных распределений ГИРЗ в паузах между импульсами генератора в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования, накопление в пределах заданного шага полных амплитудно-временных спектров ГИНР быстрых нейтронов и ГИРЗ тепловых нейтронов во всем диапазоне энергий двумя детекторами гамма-излучения, расположенными в скважинном приборе на таких расстояниях, что один из них (ближний) регистрирует амплитудно-временные спектры гамма-излучения от скважинной составляющей разреза скважины, а второй - амплитудно-временные спектры гамма-излучения от пластовой составляющей разреза.

В известной аппаратуре, как указывалось ранее, имеют место искажения как энергетических, так и временных спектров, несмотря на использование двух зондов, что обеспечивает первичное разделение скважинной и пластовой компонент исследуемого разреза, но при этом возникает погрешность измерения из-за наложения на измерения дальнего зонда (пластовая компонента) измерений скважинной составляющей.

Задача, которую решает заявленная группа изобретений, заключается в снижении погрешности измерений за счет повышенной точности разделения скважинной и пластовой компонент исследуемого разреза.

Задача решается использованием частоты генератора нейтронов, при которой наложение спектров минимально для данных конкретных условий измерений, связанных с характеристиками разреза скважины, длиной зонда и др. Эта частота находится в диапазоне 1000-400 Гц, которая выбрана экспериментальным путем.

Указанная задача в части способа решается тем, что в заявленном способе для проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа, включающем периодическое облучение скважинного пространства и горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения (гамма-квантов) неупругого рассеяния (ГИНР) быстрых нейтронов, гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ) тепловых нейтронов и временных распределений гамма-излучения радиационного захвата в паузах между импульсами генератора в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования, накопление и регистрацию в пределах заданного временного цикла полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов во всем диапазоне энергий, в отличие от известного периодическое облучение скважинного пространства и горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов производят на рабочей частоте генератора, выбираемой из диапазона 1000-400 Гц, а регистрацию временных распределений гамма-квантов осуществляют в паузах между импульсами, устанавливаемых в диапазоне 2500-1000 мкс.

Указанная задача в части устройства по первому варианту решается тем, что в заявленном устройстве для проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа, содержащем импульсный генератор быстрых нейтронов, два блока детектирования в виде сцинтилляционных детекторов гамма-квантов, оптически соединенных с фотоэлектронным умножителем, экран защиты одного из указанных детекторов от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов, блок питания, формирующий вторичные напряжения питания, кабельный ввод, блок приемопередатчика, соединенного двунаправленной шиной с автоматом приемопередатчика, реализованного в виде модуля программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), блоки высокого напряжения, обеспечивающие питание соответствующих блоков детектирования, блок цифроаналогового преобразователя, формирующий управляющие сигналы для блоков высокого напряжения, два блока аналого-цифрового преобразования, соединенные с блоками обработки данных, реализованными в виде модуля ПЛИС, в отличие от известного в состав программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) введен блок синхронизации, обеспечивающий управляющие импульсы для импульсного генератора быстрых нейтронов и блоков обработки данных, при этом блоки аналого-цифровых преобразований содержат преобразователи «аналог-код», работающие на высокой тактовой частоте синхронно с блоками обработки данных. Кроме того, в схему устройства введен блок хранения информации, представляющий энергонезависимую память.

Указанная задача в части устройства по второму варианту решается тем, что в заявленном устройстве для проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа, содержащем импульсный генератор быстрых нейтронов, блок детектирования в виде сцинтилляционного детектора гамма-квантов, оптически соединенного с фотоэлектронным умножителем, экран защиты детектора от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов, блок питания, формирующий вторичные напряжения питания, кабельный ввод, блок приемопередатчика, соединенного двунаправленной шиной с автоматом приемопередатчика, реализованного в виде модуля программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), блок высокого напряжения, обеспечивающий питание блока детектирования, блок цифроаналогового преобразователя, формирующий управляющие сигналы для блока высокого напряжения, блок аналого-цифрового преобразования, соединенный с блоком обработки данных, реализованных в виде модуля ПЛИС, в отличие от известного в состав программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) введен блок синхронизации, обеспечивающий управляющие импульсы для импульсного генератора быстрых нейтронов и блока обработки данных, при этом блок аналого-цифрового преобразования содержит преобразователь «аналог-код», работающий на высокой тактовой частоте синхронно с блоком обработки данных. Кроме того, в схему устройства введен блок хранения информации, представляющий энергонезависимую память.

На фиг. 1 представлено устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа по первому варианту.

На фиг. 2 представлено устройство импульсного нейтронного гамма-каротажа по второму варианту.

На фиг. 3 приведен пример сигнала, оцифрованного блоком АЦП.

На фиг. 4 приведен пример временного распределения сигнала.

Устройство по первому варианту содержит управляемый генератор быстрых нейтронов 1, два блока детектирования 2 и 3, находящихся на различном удалении от генератора быстрых нейтронов и состоящих из сцинтиляционных детекторов гамма-квантов, оптически соединенных с фотоэлектронным умножителем, экран (на фиг. не показаны), расположенный между генератором быстрых нейтронов 1 и ближним к нему блоком детектирования 2, блок питания 4, формирующий вторичные напряжения питания, соединенный кабельным вводом 5 с блоком приемопередатчика 6, который соединен двунаправленной шиной 7 с автоматом приемопередатчика 8, реализованного в виде модуля программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) 9, два блока высокого напряжения 10 и 11, выходы которых соединены с входами соответствующих блоков детектирования 2 и 3, блок цифроаналогового преобразователя 12, формирующий управляющие сигналы для блоков высокого напряжения 10 и 11, два блока аналого-цифрового преобразования 13 и 14, соединенные с соответствующими блоками обработки данных 15 и 16, реализованных в виде модуля ПЛИС, причем входы блоков аналого-цифрового преобразования 13 и 14 соединены с соответствующими блоками детектирования 2 и 3, а также входящий в состав ПЛИС блок синхронизации 17, обеспечивающий управляющие импульсы для генератора быстрых нейтронов 1 и блоков обработки данных 15 и 16, и входящий в состав ПЛИС микропроцессор 18, осуществляющий общее управление генератором быстрых нейтронов 1 и блоками 15 и 16, 17, 8, соединенными с ним двунаправленными щинами 19, 20, 21, 22, 23 через соединение 25, блок хранения информации 24, соединенный с микропроцессором 18, при этом блоки аналого-цифровых преобразователей 13 и 14 содержат преобразователи «аналог-код», работающие на высокой тактовой частоте синхронно с блоками обработки данных 15 и 16. Стандартные шины - позиции: LVDS - параллельная дифференциальная шина, АМВ АХ14 - общая шина ПЛИС, SDIO - шина между микропроцессором 18 и блоком хранения информации 24, SPI - шина соединения между блоком цифроаналогового преобразователя 12 и микропроцессором 18 (фиг. 1).

Устройство по второму варианту содержит управляемый генератор быстрых нейтронов 1, блок детектирования 2, состоящий из сцинтиляционного детектора гамма-квантов, оптически соединенного с фотоэлектронным умножителем, экран (на фиг. не показан), расположенный между генератором быстрых нейтронов 1 и блоком детектирования 2, блок питания 4, формирующий вторичные напряжения питания, соединенный кабельным вводом 5 с блоком приемопередатчика 6, который соединен двунаправленной шиной 7 с автоматом приемопередатчика 8, реализованного в виде модуля программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) 9, блок высокого напряжения 10, выход которого соединен с входом блока детектирования 2, блок цифроаналогового преобразователя 12, формирующий управляющие сигналы для блока высокого напряжения 10, блок аналого-цифрового преобразования 13, соединенный с блоком обработки данных 15, реализованном в виде модуля ПЛИС, причем вход блока аналого-цифрового преобразования 13 соединен с блоком детектирования 2, а также входящий в состав ПЛИС блок синхронизации 17, обеспечивающий управляющие импульсы для генератора быстрых нейтронов 1 и блока обработки данных 15, и входящий в состав ПЛИС микропроцессор 18, осуществляющий общее управление генератором быстрых нейтронов 1 и блоками 15, 17, 8, соединенными с ним двунаправленными щинами 19, 20, 22, 23, блок хранения информации 24, соединенный с микропроцессором 18, при этом блок аналого-цифрового преобразования 13 содержит преобразователи «аналог-код», работающие на высокой тактовой частоте синхронно с блоком обработки данных 15 (фиг. 2).

В заявленном изобретении реализовано измерение необходимых для стандартного комплекса ядерно-физических методов (ЯФМ) параметров в двухзондовой модификации («Методические рекомендации по применению ядерно-физических методов ГИС (геофизических исследований скважин), включающих углерод-кислородный каротаж, для оценки нефте- и газонасыщенности пород-коллекторов в обсаженных скважинах» / Под ред. В.И. Петерсилье, Г.Г. Яценко. - Москва-Тверь: ВНИГНИ, НПЦ «Тверьгеофизика», 2006).

Для облучения горных пород нейтронами используется управляемый генератор быстрых нейтронов, работающий в импульсном режиме. Генератор нейтронов излучает нейтроны с энергией 14 МэВ. Устройство регистрирует вторичное гамма-излучение, образующееся при реакциях неупругого рассеяния (ГИНР) и радиационного захвата (ГИРЗ) с разделением его по энергиям и времени. Неупругое рассеяние представляет собой пороговую реакцию с характерным пороговым значением энергии нейтрона и характерной энергией генерируемого гамма-кванта для каждой вероятной реакции. ГИНР возникает в короткий интервал времени после вылета нейтрона из мишени генератора, что определяется временем замедления нейтрона до пороговых значений реакций. В большинстве разрезов, сложенных осадочными породами, это время не превышает единиц микросекунд, таким образом, ГИНР локализован по времени в интервале излучения генератора. При замедлении быстрых нейтронов до тепловых энергий основной реакцией становится радиационный захват, генерирующий линии гамма-излучения, характерные для каждого элемента. Процесс распространения тепловых нейтронов в среде носит диффузионный характер, длительность этого процесса зависит от состава и плотности вещества и характеризуется средним временем жизни тепловых нейтронов, который для осадочных пород изменяется в интервале от сотен до тысячи и более микросекунд. Таким образом возможно разделить по времени интервалы с максимальными вкладами ГИНР и ГИРЗ. Анализ зарегистрированных энергетических распределений (спектров) ГИНР и ГИРЗ позволяет оценить содержание элементов, характерные линии которых представлены в этих спектрах и в конечном итоге нефтенасыщенность пластов коллекторов. Распределение гамма-квантов по времени содержит информацию о среднем времени жизни тепловых нейтронов, что является обобщающей характеристикой среды в целом и широко используется при интерпретации данных ЯФМ для определение газонасыщенности пластов-коллекторов.

В предлагаемом устройстве, имеющем два зонда (фиг. 1) или один зонд (фиг. 2), реализуются измерения при частоте генератора в диапазоне 1000-400 Гц и измерения временных распределений выполняются в паузах между импульсами порядка 1000-2500 мкс, которые вполне соизмеримы с временем существования тепловых нейтронов в исследуемой среде и эти измерения свободны от вклада откликов от импульсов нейтронов. При этом практически отсутствует наложение энергетических спектров. В связи с этим в данном устройстве реализуется надежное разделение скважинной и пластовой составляющих исследуемого разреза скважины. Для реализации таких измерений используются непрерывная оцифровка аналогового сигнала на высокой скорости и специальный алгоритм обработки сигнала, позволяющий обеспечить высокую пропускную способность спектрометрического тракта. Измерения выполняются с малым числом просчетов и низкой статистической погрешностью при высоких загрузках.

С целью более полного раскрытия осуществления способа представлена работа устройства с двумя зондами (фиг. 1).

При подаче на кабельный ввод 5 напряжения питания начинает работать блок питания 4 и формирует необходимые для электронных схем уровни вторичных напряжений. Управляемый генератор быстрых нейтронов 1 питается непосредственно от кабельного ввода 5. При появлении напряжения питания начинает выполняться программа, находящаяся в постоянном запоминающем устройстве микропроцессора 18. В результате работы программы происходит установление необходимых настроек блока приемопередатчика 6, блока цифроаналогового преобразователя 12 и блоков аналого-цифровых преобразователей 13 и 14. Блок цифроаналогового преобразователя 12 после первоначальной инициализации осуществляет установление управляющих уровней на входах блоков высокого напряжения 10 и 11, которые затем подают питание высокого напряжения на блоки детектирования 2 и 3. Также в начале выполнения программой микропроцессора 18 устанавливаются необходимые параметры блока приемопередатчика 6, автомата приемопередатчика 8, блоков обработки данных 15 и 16 и блока синхронизации 17.

Дальнейшая работа устройства определяется управляющими командами с поверхности. Команды, закодированные в коде «манчестер-2», через кабельный ввод 5 поступают на вход блока приемопередатчика 6, преобразуются в цифровой код и затем поступают на вход автомата приемопередатчика 8, декодируются и передаются в микропроцессор 18. Микропроцессор 18 анализирует команду и, при необходимости, устанавливает параметры высокого напряжения на блоке цифроаналогового преобразователя 12, параметры блоков обработки данных 15 и 16.

При подаче питания начинается подготовка генератора нейтронов 1 к работе в режиме излучения, для этого блок синронизации 17 генерирует управляющие импульсы, а микропроцессор 18 через шину 23 получает от генератора нейтронов 1 информацию о его состоянии. Режим излучения нейтронного генератора также включается по команде с поверхности. Частота и длительность нейтронных импульсов задается блоком синхронизации 17 и контролируется микропроцессором 18. При этом рабочая частота генератора нейтронов 1 задается из диапазона 1000-400 Гц, а измерение временных распределений гамма-квантов осуществляется в паузах между импульсами, устанавливаемых в диапазоне 2500-1000 мкс.

Гамма-кванты регистрируются блоками детектирования 2 и 3, в сцинтилляторах которых происходит световая вспышка, количество фотонов которой пропорционально энергии гамма-кванта, потерянной в детекторе и которая далее преобразуется в электрический импульс в фотоэлектронном умножителе. Электрический импульс, соответствующий зарегистрированной частице, подается на вход соответствующего блока аналого-цифрового преобразователя 13 и 14 и после оцифровки с помощью параллельной дифференциальной шины стандарта LVDS - на вход блоков обработки данных 15 и 16. Блоки обработки данных выполняют измерение амплитуды импульса с учетом ошибок дискретизации по времени, а также выбраковывают наложенные импульсы и формируют амплитудные и временные спектры. Блоки аналого-цифровых преобразователей 13 и 14 содержат преобразователи «аналог-код», работающие на высокой тактовой частоте синхронно с блоками обработки данных 15 и 16, что обеспечивает непрерывную оцифровку без пропусков быстрых выходных импульсов и передачу их в блоки обработки 15 и 16. Таким образом, генератор быстрых нейтронов 1 управляется блоком синхронизации 17, а блоки аналого-цифровых преобразователей 13 и 14 обеспечивают непрерывную высокоскоростную оцифровку входного сигнала с последующей синхронной обработкой в блоках обработки данных 15 и 16, соединенных с блоком синхронизации 17, что позволяет снизить ширину регистрирующих импульсов, вероятность их наложения. В результате снижается статистическая погрешность при измерении.

Работа устройства с одним зондом осуществляется аналогично работе устройства с двумя зондами, но используется схема, содержащая один блок обработки данных 15, один блок аналого-цифрового преобразователя 13, один блок детектирования 1, один блок высокого напряжения 10 (фиг. 2).

На фиг. 3 приведен вид оцифрованных сигналов.

Из приведенной фиг. 3 видно, что ширина регистрируемого сигнала составляет менее 200 нс, что позволяет значительно снизить просчеты.

На фиг. 4 приведено временное распределение сигнала, полученное одновременно на двух блоках детектирования на различном удалении от генератора при частоте работы 400 Гц в модели пористого пласта.

Видно, что счет спектрометрического тракта быстро спадает на интервале времени до 1 мс и при этом ГИРЗ от предыдущей вспышки не вносит вклад в текущее измерение.

1. Способ проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа, включающий периодическое облучение скважинного пространства и горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов, регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов, гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов и временных распределений гамма-излучения радиационного захвата в паузах между импульсами генератора в реальном режиме времени при непрерывном перемещении скважинного прибора и заданном шаге квантования, накопление и регистрацию в пределах заданного временного цикла полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов во всем диапазоне энергий, отличающийся тем, что периодическое облучение скважинного пространства и горных пород импульсами генератора быстрых нейтронов производят на рабочей частоте генератора, выбираемой из диапазона 1000-400 Гц, а регистрацию полных амплитудно-временных спектров гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов осуществляют в паузах между импульсами, устанавливаемых в диапазоне 2500-1000 мкс.

2. Устройство для проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа по первому варианту, содержащее импульсный генератор быстрых нейтронов, два блока детектирования в виде сцинтилляционных детекторов гамма-квантов, оптически соединенных с фотоэлектронным умножителем, экран защиты одного из указанных детекторов от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов, блок питания, формирующий вторичные напряжения питания, кабельный ввод, блок приемопередатчика, соединенного двунаправленной шиной с автоматом приемопередатчика, реализованного в виде модуля программируемой логической интегральной схемы - ПЛИС, блоки высокого напряжения, обеспечивающие питание соответствующих блоков детектирования, блок цифроаналогового преобразователя, формирующий управляющие сигналы для блоков высокого напряжения, два блока аналого-цифрового преобразования, соединенные с блоками обработки данных, реализованными в виде модуля программируемой логической интегральной схемы - ПЛИС, отличающееся тем, что в состав ПЛИС введен блок синхронизации, обеспечивающий управляющие импульсы для импульсного генератора быстрых нейтронов и блоков обработки данных, при этом блоки аналого-цифровых преобразований содержат характеризующиеся высокой тактовой частотой преобразователи «аналог-код», выходы которых соединены с входами блоков обработки данных.

3. Устройство для проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа по второму варианту, содержащее импульсный генератор быстрых нейтронов, блок детектирования в виде сцинтилляционного детектора гамма-квантов, оптически соединенного с фотоэлектронным умножителем, экран защиты детектора от прямого излучения импульсного генератора быстрых нейтронов, блок питания, формирующий вторичные напряжения питания, кабельный ввод, блок приемопередатчика, соединенного двунаправленной шиной с автоматом приемопередатчика, реализованного в виде модуля программируемой логической интегральной схемы - ПЛИС, блок высокого напряжения, обеспечивающий питание блока детектирования, блок цифроаналогового преобразователя, формирующий управляющие сигналы для блока высокого напряжения, блок аналого-цифрового преобразования, соединенный с блоком обработки данных, реализованным в виде модуля ПЛИС, отличающееся тем, что в состав ПЛИС введен блок синхронизации, обеспечивающий управляющие импульсы для импульсного генератора быстрых нейтронов и блока обработки данных, при этом блок аналого-цифрового преобразования содержит характеризующийся высокой тактовой частотой преобразователь «аналог-код», выход которого соединен с входом блока обработки данных.

4. Устройство для проведения импульсного нейтронного гамма-каротажа по п. 2 и 3, отличающееся тем, что в схему устройства введен блок хранения информации, представляющий энергонезависимую память.