Трикомпонентний зонд радіоізотопного каротажу для комплексного дослідження ґрунтів

Реферат: Трикомпонентний зонд радіоізотопного каротажу для комплексного дослідження ґрунтів містить зонд нейтрон-нейтронного каротажу, зонд гамма-гамма каротажу(ГГК) і зонд гамма-каротажу. 3 Зонд нейтрон-нейтронного каротажу оснащений Не-детектором нейтронів. При цьому кристал детектора ГГК поміщений на такій відстані, що на показання зонда ГГК не впливають гаммакванти радіаційного захвату нейтронів. Кристал детектора ГК розміщений на такій відстані, що на його показання не впливають гамма-кванти комптонівського розсіяння. UA 68901 U (12) UA 68901 U UA 68901 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області геофізичних свердловинних досліджень приповерхневих гірських порід (ґрунтів) методами радіоізотопного каротажу (РК), що включає нейтрон-нейтронний каротаж (ННК), гамма-гамма каротаж (ГГК), гамма-каротаж (ГК) і призначена для визначення інженерно-геологічних параметрів природних і техногенних порід в приповерхневій зоні (до глибини 50 м). Відомі прилади складаються з каротажного (свердловинного) зонда та наземного блоку керування і реєстрації, які з'єднані між собою каротажним кабелем [1]. Основними елементами каротажного зонда є датчик та електронний блок. Для ННК датчиком служать джерело швидких нейтронів разом з детектором повільних нейтронів, відстань між центрами яких називають довжиною зонда ННК. Для ГГК датчиком служать джерело гамма-квантів і детектор гаммаквантів, який складається з кристалосцинтилятора та фотоелектронного помножувача (ФЕП); під довжиною зонда тут мають на увазі відстань між центрами джерела та кристала. Датчиком ГК є детектор гамма-квантів (кристал і ФЕП). Для комплексного дослідження ґрунтів широко використовують комплект приладів РК нейтрон-нейтронний 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 Pu-Ве джерелом нейтронів потужністю до 510 нейтр./с і Не-детектором СНМ-17. 137 Датчик приладу ППГР-1 (довжина зонда ГГК 30 см) складається з джерела гамма-квантів Cs 7 потужністю до 1,210 Бк з початковою енергією Е0 = 0,66 МеВ, кристала Nal(TI) + ФЕП. Прилад ППГР-1 без джерела використовують також для проведення ГК; одночасно дані ГК (при відповідній настройці детекторів ГГК і ГК) служать для врахування вкладу природного гаммавипромінювання як фону в показаннях детектора ГГК. Технологія вимірювань з приладами типу ВПГР - 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 і ППГР-1 при проведенні свердловинних вимірювань є необхідність тричі виконувати спуско-підіймальні операції (дискретна реєстрація ННК, ГГК, ГК), що при глибині свердловин більше 12-15 м сильно знижує продуктивність праці та оперативність проведення досліджень. Для того, щоб усунути цей недолік, використовують комбіновані прилади РК густиновологоміри [4], 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 вплив гамма-квантів радіаційного захвату нейтронів на показання детектора ГГК. Як найближчий аналог даної корисної моделі вибрана багатоканальна апаратура МАК-5П [5], яка використовується при пенетраційному каротажі. Особливістю конструкції каротажного зонда РК є розміщення в ньому трьох датчиків: ННК, ГГК і ГК. При цьому Pu-Ве джерело 137 нейтронів і Cs джерело гамма-квантів поміщені в одну камеру. ННК виконується за схемою «нульового» зонда з використанням сцинтиляційного лічильника ЛДНМ-2, а ГГК - при довжині зонда 40 см з детектором на основі кристала Nal(TI). Для виключення впливу джерел випромінювання на показання ГК датчик ГК розміщений на відстані 1 м від камери джерел. Вибраний найближчий аналог має наступні недоліки: 1) джерело нейтронів, за посередництва гамма-квантів радіаційного захвату нейтронів, дає значний вплив на показання детектора ГГК, оскільки розміщене на відстані всього 40 см від останнього; це призводить до неконтрольованих систематичних похибок при визначенні густини порід за ГГК, а саме до її істотного заниження; 2) датчик ГК розташований занадто далеко (1 м) від джерел нейтронів і гамма-квантів заданої потужності, що призводить дозбільшення загальної довжини зонда РК. Висновки 1) - 2) основані на проведених нами експериментальних дослідженнях. Вимірювання були виконані в фізичній моделі гірської породи, представленої водонасиченим піском; розмір циліндричної моделі: діаметр 90 см, висота 85 см; свердловину імітує стальна закрита знизу труба діаметром 51 мм з товщиною стінок 5 мм, потужність Рu-Ве джерела . 4 137 6 нейтронів становить 4,1 10 нейтр./с, потужність Cs джерела гамма-квантів - 6,610 Бк. Це відповідає умовам вимірювань приладами ВПГР-1 і ППГР-1. Результати вимірювань приведені на додатку, 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). 1 UA 68901 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Із даних Дод. випливає, що на відстані 30 см між джерелом нейтронів і детектором гаммаквантів вклад гамма-квантів радіаційного захвату становить до 80 % від показань детектора ГГК при розміщенні джерела гамма-квантів на тій же відстані (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 досліджуваної породи (до 3 0,4 г/см ). Для того, щоб для ГГК при довжині зонда 30 см джерело нейтронів не впливало на показання детектора ГГК, відстань між ними, згідно з Дод., повинна перевищувати 65 см, а з урахуванням загальних умов вимірювань - складати не менше 80 см. Дод. також показує, що для того, щоб джерело гамма-квантів не впливало на показання детектора ГК, відстань між ними повинна становити щонайменше 80 см. Загалом, така ж умова накладається на відстань між джерелом нейтронів і детектором ГК. Обмеження, накладені на відстань між джерелами випромінювання і детекторами в комплексному приладі РК, пов'язані з двома причинами: 1) трикомпонентний зонд РК фактично складається з трьох зондів (ННК, ГГК і ГК), які не повинні впливати один на іншого; 2) ці три компоненти мають бути просторово розміщеними так, щоб загальна довжина приладу РК була щонайменшою. В даному конкретному втіленні вона становить 150 см. Остання вимога пов'язана з використанням приладу РК у неглибоких свердловинах і необхідністю отримання каротажних даних в максимально можливій для вимірювань частині розрізу. Задачею з корисної моделі є комплексний трикомпонентний зонд РК щонайменшої загальної довжини при умові відсутності взаємного впливу компонентів приладу - зондів ННК, ГГК і ГК, який призначено для визначення сукупності параметрів ґрунтів за одне спускання-піднімання, що значно підвищує продуктивність, оперативність і інформативність каротажу. В основу корисної моделі поставлено задачу створення єдиного трикомпонентного зонда РК для комплексного дослідження ґрунтів, що містить зонд ННК, зонд ГГК і зонд ГК. Ці три компоненти у робочому вертикальному положенні каротажного зонда РК розташовані в наступному порядку знизу вгору: 1) зонд ННК «нульової» довжини, датчиком якого є джерело нейтронів і детектор нейтронів; 2) зонд ГГК, датчиком якого є джерело гамма-квантів і детектор гамма-квантів, розташований на відстані 30-40 см від джерела; 3) зонд ГК, основним елементом якого є детектор гамма-квантів. 3 На відміну від найближчого аналога зонд ННК оснащено Не-детектором нейтронів, на середині якого впритул розміщене джерело нейтронів («нульова» довжина зонда ННК), кристал детектора ГГК поміщений на такій відстані вище від джерела нейтронів, щоб на показання зонда ГГК не впливали гамма-кванти радіаційного захвату нейтронів (при зазвичай використовуваній потужності джерел ця відстань становить 80 см), а кристал детектора ГК розміщений у верхньому торці приладу на такій відстані вище від джерела гамма-квантів, що на його показання не впливають гамма-кванти комптонівського розсіяння (при використовуваній потужності джерел вказана відстань становить щонайменше 80 см). Запропонований каротажний зонд РК дозволяє за одну спуско-підіймальну операцію отримати шукану сукупність інженерно-геологічних параметрів ґрунту (густину, густину сухого ґрунту, вологість, глинистість та ін.), що значно підвищує продуктивність праці та оперативність проведення свердловинних вимірювань. На кресленні представлена схема запропонованого трикомпонентного зонда РК у його конкретному втіленні. На схемі позначено: 1 - зонд ННК; 1.1- джерело швидких нейтронів; 1.2 - детектор повільних нейтронів; 1.3 - електронний блок зонда ННК; 2 - зонд ГГК; 2.1 - джерело гамма-квантів; 2.2 - екран; 2.3 - електронний блок зонда ГГК; 2.4 - кристал детектора ГГК; 2.5 - фотоелектронний помножувач детектора ГГК; LГГК - довжина зонда ГГК, вибрана рівною 30 см; 3 - зонд ГК; 3.1 - електронний блок зонда ГК; 3.2 - фотоелектронний помножувач детектора ГК; 3.3 - кристал детектора ГК; 2 UA 68901 U 5 10 15 20 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 каротажного зонда РК; 4 - каротажний кабель; 5 - наземний блок керування і реєстрації. Електричні сигнали від зондів ННК, ГГК і ГК (1, 2, і 3 на фіг. 2) по каротажному кабелю 4 передаються в наземний блок керування і реєстрації. 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 (чи) таблиць. Технічним результатом корисної моделі є значне підвищення продуктивності праці, оперативності каротажних вимірювань та відповідне здешевлення проведення 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. - 318 с. 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. ГОСТ 23061-90. Грунты: методы радиоизотопных измерений плотности и влажности. Госстрой СССР, М.,1990. 5. Ферронский В.И., Грязное Т.А. Пенетрационный каротаж. М.: Недра, 1979. - 335 с. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 Трикомпонентний зонд радіоізотопного каротажу для комплексного дослідження ґрунтів, що містить зонд нейтрон-нейтронного каротажу (ННК), зонд гамма-гамма каротажу (ГГК) і зонд гамма-каротажу (ГК), які у робочому вертикальному положенні розташовані в наступному порядку знизу вгору: 1) зонд ННК "нульової" довжини, датчиком якого є джерело нейтронів і детектор нейтронів; 2) зонд ГГК, датчиком якого є джерело гамма-квантів і детектор гаммаквантів, кристал якого розташований на відстані 30-40 см від джерела; 3) зонд ГК, датчиком 3 якого є детектор гамма-квантів, який відрізняється тим, що зонд ННК оснащений Недетектором нейтронів, на середині якого впритул розміщене джерело нейтронів; кристал детектора ГГК поміщений на такій відстані вище від джерела нейтронів, що на показання зонда ГГК не впливають гамма-кванти радіаційного захвату нейтронів, а кристал детектора ГК розміщений на такій відстані вище від джерела гамма-квантів, що на його показання не впливають гамма-кванти комптонівського розсіяння. 3 UA 68901 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко 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 4