Багатозондовий прилад радіоізотопного каротажу для дослідження природних і техногенних гірських порід

Реферат: Винахід належить до приладів для геофізичних свердловинних досліджень методами радіоізотопного каротажу, що включає нейтрон-нейтронний каротаж (ННК), гамма-гамма каротаж (ГГК), гамма-каротаж (ГК). Багатозондовий прилад радіоізотопного каротажу (РК) містить два зонди ННК, зонд ГГК, один або два зонди ГК, які розміщені вздовж приладу так, щоб зонди не мали взаємного впливу і при цьому довжина приладу при заданій потужності джерел нейтронів і гамма-квантів була щонайменшою. Технічний результат: отримання за одну спуско-підіймальну операцію розширеної сукупності петрофізичних і інженерно-геологічних параметрів порід, підвищення точності визначень параметрів природних і техногенних гірських порід, значне підвищення інформативності каротажу, а також продуктивності, оперативності, економічності каротажних робіт. UA 102619 C2 (12) UA 102619 C2 UA 102619 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області геофізичних свердловинних досліджень гірських порід методами радіоізотопного каротажу (РК), що включає нейтрон-нейтронний каротаж (ННК), гамма-гамма каротаж (ГГК), гамма-каротаж (ГК), і призначений для визначення петрофізичних параметрів природних і техногенних порід. Винахід може бути використаний для інженерно-геологічних досліджень приповерхневих гірських порід (до глибини ~ 70 м), при визначенні параметрів порід і корисних компонентів в рудних свердловинах, при отриманні параметрів техногенних колекторів метану вугільних розрізів (в цих випадках глибина свердловин при відносно невеликому діаметрі може досягати ~ 1000 м і більше), а також при дослідженні вертикальних і горизонтальних свердловин, пробурених на сланцевий газ. Відома апаратура радіоізотопного каротажу складається з свердловинного приладу (каротажного зонда) та наземного блока керування і реєстрації, які з'єднані між собою каротажним кабелем [1]. Основними елементами каротажного зонда є датчики та електронний блок. Для зонда ННК датчиком служать джерело швидких нейтронів разом з детектором повільних нейтронів, відстань між центрами яких називають довжиною зонда ННК. Для зонда ГГК датчиком служать джерело гамма-квантів і детектор гамма-квантів, в якості якого використовують кристал-сцинтилятор (разом з фотоелектронним помножувачем - ФЕП), здебільшого натрій-йод (NaI), активований талієм (ТІ); під довжиною зонда тут мають на увазі відстань між центрами джерела та кристала. Датчиком зонда ГК є детектор гамма-квантів, а саме кристал-сцинтилятор NaI(TI) + ФЕП. Конкретне втілення винаходу стосується каротажу приповерхневих природних і техногенних гірських порід (ґрунтів), що знайшло відображення в створених дослідних зразках приладу РК і його компонентів. Для дослідження ґрунтів широко використовують комплект приладів РК - нейтроннейтронний вологомір ВПГР-1 [2] та гамма-гамма густиномір ППГР-1 [3], кожен з яких має діаметр 35 мм і довжину 80 см. Датчик приладу ВПГР-1 з "нульовою" довжиною зонда ННК 4 3 споряджено плутоній-берилієвим (Pu-Ве) джерелом нейтронів потужністю до 5·10 нейтр/с і Недетектором СНМ-17 довжиною 21 см і діаметром 18 мм. Датчик приладу ППГР-1 з довжиною 137 7 зонда ГГК 30 см складається з джерела гамма-квантів Cs, потужністю до 1,2·10 Бк з початковою енергією Е0=0,66 МеВ, і кристала NaI(TI) разом з ФЕП. Прилад ППГР-1 без джерела використовують також для проведення ГК; одночасно дані ГК служать для врахування вкладу природного гамма-випромінювання як фону в показаннях детектора ГГК. Технологія вимірювань з приладами типу ВПГР і ППГР передбачає наявність обсадженої "сухої" свердловини глибиною до 30 м, яку створюють ударно-вібраційним способом із стальних труб з зовнішнім діаметром 2"51 мм і товщиною стінок 5,5 мм. Свердловинні вимірювання проводять дискретно при підйомі приладів РК, здебільшого через кожні 0,5 м, з експозицією 10 с, 2-3 реєстрації в кожній точці. Основним недоліком комплекту приладів ВПГР-1 - ППГР-1 при проведенні свердловинних вимірювань є необхідність тричі виконувати спуско-підіймальні операції (дискретна реєстрація ННК, ГГК, ГК), що при глибині свердловин більше 10-15 м сильно знижує продуктивність праці та оперативність проведення досліджень. Окремим недоліком приладу ВПГР-1, як і інших однозондових приладів ННК, є неконтрольований вплив на показання детектора ННК елементів - аномальних та сильних поглиначів теплових нейтронів (Li, В, СІ, Ті, Mn, K, Fe, рідкісноземельні та ін. елементи), які можуть бути присутніми в досліджуваному розрізі, особливо в техногенних і рудних породах. Використання двох зондів ННК [4] дозволяє усунути систематичну похибку однозондових приладів при визначенні вологості в присутності аномальних поглиначів, а за показаннями одного із зондів, при відповідному градуюванні, визначати концентрацію таких елементівпоглиначів. Відомі також комбіновані прилади РК - густиновологоміри [5], датчики яких містять як джерело нейтронів, так і джерело гамма-квантів та відповідні детектори ННК і ГГК. Недоліком цих приладів є відсутність датчика ГК, а також значний вплив гамма-квантів радіаційного захвату нейтронів на показання детектора ГГК. В якості прототипу даного винаходу вибрана багатокомпонентна апаратура МАК-5П [6], яка використовується при пенетраційному каротажі. Особливістю конструкції каротажного зонда РК є розміщення в ньому трьох зондів: ННК, ГГК і ГК. При цьому плутоній-берилієве (Рu-Ве) 137 джерело нейтронів і цезій-137 ( Cs) джерело гамма-квантів поміщені в одну камеру. Зонд ННК з використанням сцинтиляційного лічильника ЛДНМ має "нульову" довжину, а зонд ГГК споряджений детектором гамма-квантів на основі кристала NaI(TI) і має довжину зонда 40 см. 1 UA 102619 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Для виключення впливу на показання ГК джерел випромінювання нейтронів і гамма-квантів детектор ГК розміщений на відстані 1 м від камери джерел. Вибраний прототип має наступні недоліки: 1) джерело нейтронів, за посередництва гамма-квантів радіаційного захвату нейтронів, істотно підвищує показання детектора ГГК, оскільки розміщене на відстані 40 см від останнього, що недостатньо, бо це призводить до значних неконтрольованих систематичних похибок при визначенні густини порід за ГГК; 2) датчик ГК розташований занадто далеко (1 м) від джерел нейтронів і гамма-квантів заданої потужності, що призводить до збільшення загальної довжини зонда РК. 3) використання однозондового ННК при визначенні вологості призводить до систематичної неконтрольованої похибки за наявності в розрізі аномальних поглиначів теплових нейтронів; Висновки 1) - 2) основані на проведених нами експериментальних дослідженнях, які відповідають умовам каротажу приладами ВПГР-1 і ППГР-1. Вимірювання були виконані в фізичній моделі гірської породи, представленої водонасиченим піском; розміри циліндричної моделі - діаметр 90 см, висота 85 см; свердловину імітує стальна закрита знизу труба 137 діаметром 51 мм з товщиною стінок 5 мм, потужність Cs джерела гамма-квантів становить 6 4 6,6·10 Бк, потужність Pu-Ве джерела нейтронів - 4,1·10 нейтр/с, . Джерело гамма-квантів (потім нейтронів) розміщували в свердловині біля дна моделі, детектор гамма-квантів переміщували вздовж свердловини. Результати вимірювань приведені на фіг. 1, де позначено: 1 - залежність показань детектора гамма-квантів від відстані до джерела гамма-квантів (тобто залежність від довжини зонда ГГК); 2 - залежність показань детектора гамма-квантів від відстані до джерела нейтронів; 3 - фоновий рівень гамма-випромінювання (без ізотопних джерел). Із даних фіг. 1 слідує, що на відстані l=33 см між джерелом нейтронів і детектором ГГК вклад гамма-квантів радіаційного захвату в показання детектора становить до 80 % від показань детектора при розміщенні джерела гамма-квантів на тій же відстані, а при l>40 см ці вклади практично однакові (криві 1 і 2). Це означає, що при просторово близькому розміщенні джерел нейтронів і гамма-квантів показання детектора ГГК будуть значно завищені, внаслідок чого істотно занижується густина 3 досліджуваної породи (до 0,4 г/см ). Для того, щоб для зонда ГГК при довжині зонда 30 см джерело нейтронів не впливало на показання детектора ГГК, відстань між ними, згідно фіг. 1, повинна перевищувати 65 см, а з урахуванням загальних умов вимірювань - складати не менше 80-85 см. Відмітимо, що джерело гамма-квантів і природне гамма-випромінювання не впливають на 3 показання Не-детекторів нейтронів. Результати, приведені на фіг. 1, дозволяють також зробити висновок відносно розміщення детектора ГК: для того, щоб джерела гамма-квантів і нейтронів (при даній їх потужності) не впливали на показання детектора ГК, відстань між відповідним джерелом і детектором ГК повинна становити, в загальному випадку, не менше 80-85 см. Загальні висновки, пов'язані з розміщенням джерел нейтронів і гамма-квантів та детекторів ННК, ГГК і ГК в багатозондовому приладі РК, та оптимальні умови вимірювань полягають в наступному: 1) компонування всіх зондів (ННК, ГГК і ГК) комплексного приладу РК повинно виключати їх взаємний вплив; 2) всі три зонди просторово мають бути розміщеними так, щоб загальна довжина приладу РК була щонайменшою. При каротажі свердловин, особливо неглибоких, остання вимога пов'язана з необхідністю отримання даних в максимально можливій для вимірювань частині розрізу. Метою винаходу є комплексний багатозондовий прилад РК, що включає зонди ННК, ГГК і ГК, який призначено для визначення розширеної сукупності параметрів природних і техногенних гірських порід за одне спуско-підіймання приладу в свердловину, що значно підвищує інформативність, точність, продуктивність та оперативність каротажу. В основу винаходу поставлено задачу створення єдиного багатозондового приладу РК для комплексного дослідження гірських порід, що містить зонди ННК, ГГК і ГК при тому, що: 3 зонд ННК є двозондовим, обидва зонди споряджені Не-детекторами повільних нейтронів, детектор меншого зонда (МЗ) розміщений на мінімальній відстані від джерела, а детектор більшого зонда (БЗ) розміщений на певній відстані від джерела нейтронів торцем до нього; зонд ГГК поміщений на такій відстані від джерела нейтронів, щоб на показання детектора ГГК не впливали гамма-кванти радіаційного захвату нейтронів; 2 UA 102619 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зонд ГК поміщений на такій відстані від джерел нейтронів та гамма-квантів, щоб на його показання не впливали гамма-кванти радіаційного захвату нейтронів та гамма-кванти комптонівського розсіяння від джерела гамма-квантів; рівень дискримінації детектора ГК вибраний таким, що одночасно детектор ГК служить вимірювачем природного фону гамма-випромінювання для детектора ГГК; порядок розміщення зондів і їх складових вздовж приладу РК такий, що загальна довжина приладу при заданій потужності джерел нейтронів і гамма-квантів є мінімальною. Здійснення такого багатозондового приладу РК може бути виконано у чотирьох варіантах; при цьому конкретні числові значення стосуються приладу РК при його втіленні для приповерхневих досліджень. Варіант 1. Зонди каротажного приладу РК у робочому вертикальному положенні приладу розташовані у наступному порядку знизу вгору: зонд ННК з джерелом нейтронів і детектором МЗ поміщений в нижній торець приладу, а детектор БЗ розміщений вище детектора МЗ так, що відстань між серединою детектора БЗ і джерелом нейтронів становить 20-25 см; зонд ГГК, детектор якого розміщений на відстані 80-85 см від джерела нейтронів, а нижче детектора ГГК на відстані 30-35 см поміщене джерело гамма-квантів; зонд ГК поміщено у верхню частині приладу так, що його детектор розташований на відстані 80-85 см від джерела гамма-квантів. На фіг. 2 представлена схема запропонованого багатозондового приладу РК у його першому варіанті виконання. На схемі позначено: 1 - зонд ННК; 1.1-Pu-Вe джерело швидких нейтронів; 3 1.2- Не-детектор повільних нейтронів МЗ типу СНМ-17; 3 1.3- Не-детектор повільних нейтронів БЗ типу СНМ-17; 1.4 - електронний блок зонда ННК; LБЗ - довжина більшого зонда ННК, вибрана рівною 20 см; 2 - зонд ГГК; 137 2.1 - джерело гамма-квантів Cs; 2.2 -детектор ГГК- кристал NaI(TI); 2.3 - фотоелектронний помножувач (ФЕП) детектора ГГК; 2.4 - свинцевий екран; 2.5 - електронний блок зонда ГГК; LГГК - довжина зонда ГГК, вибрана рівною 30 см; 3 - зонд ГК; 3.1 - детектор ГК - кристал NaI(TI) того ж типу, що і в ГГК; 3.2 - ФЕП детектора ГК; 3.3 - електронний блок зонда ГК; Z1 - відстань між джерелом нейтронів і кристалом детектора ГГК, вибрана рівною 80 см; Z2 - відстань між джерелом гамма-квантів і кристалом детектора ГК, вибрана рівною 80 см; Z3 - загальна довжина багатозондового приладу РК, яка в даному конкретному втіленні становить 150 см; 4 - каротажний кабель; 5 - наземний блок керування і реєстрації. Варіант 2. Кількість імпульсів, що накопичена детектором ГК при даній експозиції, може бути недостатньою, що призводить до збільшення статистичної похибки. У тих випадках, коли потрібна підвищена точність ГК, зонд ГК можна виконати у двозондовому варіанті. При цьому: зонд ГК у верхній частині приладу складається з двох детекторів гамма-квантів, розміщених впритул один над одним; рівень дискримінації одного з детекторів ГК вибрано таким, що одночасно цей детектор ГК служить вимірювачем природного фону гамма-випромінювання для детектора ГГК; другий детектор настроєно на реєстрацію всього енергетичного спектра природного гаммавипромінювання. На фіг. 3 представлено другий варіант конкретного втілення винаходу, що є розширенням варіанту 1. Позначення ті ж, що і на фіг. 2, окрім того, додатково: 3.4 - другий детектор ГК - кристал NaI(TI); 3.5 - ФЕП другого детектора ГК. Загальна довжина багатозондового приладу РК при цьому збільшується на 15 см і в даному конкретному втіленні становить 165 см. 3 UA 102619 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Варіант 3. У випадку, колив забої свердловини необхідно мати параметри породи за ГК і за ГГК, багатозондовий прилад РК можна виконати в іншому варіанті при тій же умові мінімальної довжини: зонд ГК з детектором гамма-квантів в нижньому торці приладу РК; зонд ГГК, джерело якого поміщене на відстані 80-85 см від детектора ГК, а нижче джерела на відстані 30-35 см від нього розміщений детектор ГГК; зонд ННК з джерелом нейтронів і детектором МЗ у верхньому торці приладу РК; відстань між джерелом нейтронів і детектором ГГК становить 80-85 см; детектор БЗ розміщений нижче детектора МЗ; відстань між серединою детектора БЗ і джерелом нейтронів становить 20-25 см. На фіг. 4 подано схему такого приладу. Позначення ті ж самі, що й на фіг. 2. Варіант 4 відповідає випадку двозондового ГК (аналогічно варіанту 2): зонд ГК у нижній частині приладу складається з двох детекторів гамма-квантів, розміщених впритул один над одним; рівень дискримінації одного з детекторів ГК вибрано таким, що одночасно цей детектор служить вимірювачем природного фону гамма-випромінювання для детектора ГГК; другий детектор настроєно на реєстрацію всього енергетичного спектра природного гаммавипромінювання. На фіг. 5 представлено варіант 4 багатозондового приладу РК. Позначення відповідають показаним на фіг. 3. Електричні сигнали від зондів ННК, ГГК і ГК (фіг. 2-5) по каротажному кабелю 4 передаються в наземний блок керування і реєстрації 5. Отримана каротажна інформація обробляється, записується і передається на комп'ютер, на якому виконується попередня інтерпретація даних і на дисплей видаються отримані значення інженерно-геологічних та інших параметрів у вигляді поточкових діаграм і таблиць. Технічним результатом винаходу є: - отримання за одну спуско-підіймальну операцію розширеної сукупності петрофізичних, інженерно-геологічних та інших параметрів порід (густина ґрунту, густина сухого ґрунту і твердої фази, вологість, коефіцієнт глинистості, вміст хімічно зв'язаної води, пористість, коефіцієнт водонасиченості, концентрація аномальних поглиначів та ін.); - усунення систематичних похибок вимірювань, підвищення точності визначень параметрів природних і техногенних гірських порід; - значне підвищення інформативності каротажу, а також продуктивності, оперативності, економічності каротажних робіт. Джерела інформації: 1. Скважинная ядерная геофизика. Справочник геофизика. Под ред. О.Л. Кузнецова и А.Л. Поляченко.-2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990.- C.123. 2. Влагомер поверхностно-глубинный радиоизотопный ВПГР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации / Изд. "Полтава", 1982.-43 с. 3. Плотномер поверхностно-глубинный радиоизотопный ППГР-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации / Изд. "Полтава", 1986.-60 с. 4. Патент України на корисну модель № 40463. Прилад нейтронного каротажу для визначення вологості та нейтронопоглинальних параметрів геологічних середовищ / Кетов А.Ю., Звольський С.Т., Кулик В.В. Опубл. 10.04.2009, Бюл. № 7. 5. ГОСТ 23061-90. Грунты: методы радиоизотопных измерений плотности и влажности. Госстрой СССР, М.,1990. 6. Ферронский В.И., Грязное Т.А. Пенетрационный каротаж. М. Недра, 1979. - C.38-39. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 1. Багатозондовий прилад радіоізотопного каротажу (РК) для дослідження природних і техногенних гірських порід, що включає: зонд нейтрон-нейтронного каротажу (ННК), датчик якого складається з джерела швидких нейтронів та детектора повільних нейтронів, розташованих на мінімальній відстані одне від одного; зонд гамма-гамма каротажу (ГГК), датчик якого складається з джерела гамма-квантів і детектора гамма-квантів, який являє собою кристал-сцинтилятор, що розташований на певній відстані від джерела гамма-квантів; зонд гамма-каротажу (ГК), детектором якого є кристал-сцинтилятор; 4 UA 102619 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 наземний блок керування і реєстрації для прийому електричних сигналів від усіх детекторів приладу РК, який відрізняється тим, що 3 зонд ННК є двозондовим, обидва зонди споряджені Не-детекторами повільних нейтронів, детектор меншого зонда (МЗ) розміщений на мінімальній відстані від джерела, а детектор більшого зонда (БЗ) розміщений на певній відстані від джерела нейтронів торцем до нього; зонд ГГК поміщений на такій відстані від джерела нейтронів, щоб на показання детектора ГГК не впливали гамма-кванти радіаційного захвату нейтронів; зонд ГК поміщений на такій відстані від джерел нейтронів та гамма-квантів, щоб на його показання не впливали гамма-кванти радіаційного захвату нейтронів та гамма-кванти комптонівського розсіяння від джерела гамма-квантів; рівень дискримінації детектора ГК вибраний таким, що одночасно детектор ГК служить вимірювачем природного фону гамма-випромінювання для детектора ГГК; порядок розміщення зондів і їх складових вздовж приладу РК такий, що загальна довжина приладу при заданій потужності джерел нейтронів і гамма-квантів є мінімальною. 2. Багатозондовий прилад РК за п. 1, який відрізняється тим, що зонди приладу у робочому вертикальному положенні розташовані в наступному порядку знизу вгору: зонд ННК в нижньому торці приладу, джерело нейтронів поміщене на середині детектора МЗ впритул до нього, а детектор БЗ розміщений вище детектора МЗ так, що відстань між серединою детектора БЗ і джерелом нейтронів становить 20-25 см; зонд ГГК, детектор якого розміщений на відстані 80-85 см від джерела нейтронів, а нижче детектора ГГК на відстані 30-35 см поміщене джерело гамма-квантів; зонд ГК поміщено у верхню частині приладу так, що його детектор розташований на відстані 8085 см від джерела гамма-квантів. 3. Багатозондовий прилад РК за п. 2, який відрізняється тим, що зонд ГК у верхній частині приладу складається з двох детекторів гамма-квантів, розміщених впритул один над одним; рівень дискримінації одного з детекторів ГК вибрано таким, що одночасно цей детектор служить вимірювачем природного фону гамма-випромінювання для детектора ГГК; другий детектор ГК настроєно на реєстрацію всього енергетичного спектра природного гаммавипромінювання. 4. Багатозондовий прилад РК за п. 1, який відрізняється тим, що зонди приладу у робочому вертикальному положенні розташовані в наступному порядку знизу вгору: зонд ГК з детектором гамма-квантів у нижньому торці приладу РК; зонд ГГК, джерело якого поміщене на відстані 80-85 см від детектора ГК, а нижче джерела на відстані 30-35 см від нього розміщений детектор ГГК; зонд ННК з МЗ у верхньому торці приладу РК; відстань між джерелом нейтронів і детектором ГГК становить 80-85 см; джерело нейтронів поміщене на середині детектора МЗ впритул до нього, детектор БЗ розміщений нижче детектора МЗ; відстань між серединою детектора БЗ і джерелом нейтронів становить 20-25 см. 5. Багатозондовий прилад РК за п. 4, який відрізняється тим, що зонд ГК у нижній частині приладу складається з двох детекторів гамма-квантів, розміщених впритул один над одним; рівень дискримінації одного з детекторів ГК вибрано таким, що одночасно цей детектор служить вимірювачем природного фону гамма-випромінювання для детектора ГГК; другий детектор ГК настроєно на реєстрацію всього енергетичного спектра природного гаммавипромінювання. 5 UA 102619 C2 6 UA 102619 C2 7 UA 102619 C2 8 UA 102619 C2 9 UA 102619 C2 Комп’ютерна верстка І. Сквоцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10