Способ комплексного радиоактивного каротажа

 

Использование: поиск и разведка полезных ископаемых. Сущность: одновременно облучают горную породу потоками нейтронов и гамма - квантов. Регистрируют суммарное спектральное поле гамма - квантов, образованных в процессе гамма - гамма каротажа (ГГК) и нейтронного-гамма каротажа (НГК) и поле замедлившихся нейтронов, спектрально разделяют суммарный спектр на парциальные спектры от ГГК и НГК. Определяют параметры горных пород: плотность, пористость и литологию. Устройство содержит источники и детекторы нейтронов и гамма - излучения в едином экране переменной толщины с коллимационными окнами для детекторов и источника гамма - излучения. Источники нейтронов и гамма - излучения расположены либо по одну, либо по разные стороны от детекторов излучения. 5 ил.

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и может быть использовано для проведения радиоактивного каротажа.

Известен способ радиоактивного каротажа [1], включающий облучение горной породы с использованием ампульных источников нейтронов и гамма-квантов, расположенных на одном расстоянии от детектора, регистрирующего суммарное поле гамма-квантов, возникающих в процессе гамма-гамма каротажа (ГГК) и нейтронного-гамма каротажа (НГК). Зарегистрированные гамма-кванты разделяют по энергетическому признаку с последующей обработкой результатов НГК и ГГК.

Известно устройство [2] , позволяющее реализовать указанный способ, включающее неколлимированные источники нейтронов, гамма-квантов и детектор гамма-квантов. Источники излучения находятся на одинаковом расстоянии от детектора гамма-квантов. Прибор не прижимается к стенке скважины.

Основным недостатком известных способа и устройства является то, что они не позволяют учитывать влияние на показания ГГК рассеянного в горной породе гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ). Это влияние достаточно велико, чтобы исключить возможность количественного использования данных ГГК для определения плотности и эффективного атомного номера горных пород.

Цель изобретения - повышение точности определения параметров горных пород.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для реализации комплексного радиоактивного каротажа; на фиг. 2-5 - разрезы А, Б, В, Г на фиг. 1 соответственно.

Устройство для комплексного радиоактивного каротажа включает источник 1 нейтронов, источник 2 гамма-квантов и детекторы 3, 4 излучения. Источник 1 нейтронов размещен в стальном экране 5, а источник 2 гамма-квантов и детекторы 3, 4 излучения окружены коллимированным экраном 6 из свинца (вольфрама, кадмия, либо их комбинации). Коллимационный канал 7 для источника 2 гамма-квантов характеризуется углом коллимации β₁ и азимутальным углом излучения α ₁. Коллимационный канал 8 детектора 3 излучения и коллимационный канал 9 детектора излучения характеризуются вертикальными углами приема β₂ и β₃ соответственно, а также азимутальными углами приема α ₁ и α ₂ соответственно. Таким образом, в устройстве моделируется четыре зонда: два с источником 1 нейтронов (длины зондов L₃ и L₄) и два - с источником 2 гамма-квантов (длины зондов L₁ и L₂). Кроме этого, коллимированный экран 6 характеризуется своей толщиной по секторам I, II, III, IV (как показано в разрезах А, Б, В фиг. 2), которая может изменяться от сектора к сектору.

Зарегистрированные импульсы с обоих детекторов 3, 4 излучения поступают в наземный блок обработки (на чертеже не показан).

Способ реализуется следующим образом.

По стандартным методикам ГГК устанавливают параметры двухзондовой аппаратуры ГГК, т.е. определяют углы коллимации α ₁, α ₂, α ₃, β₁, β₂, β₃ и размеры зондов ГГК L₁ и L₂. Например, α ₁ = 10^о, α ₂ = 50^о, α ₃ = 80^о, β₁ = 45^о, β₂ = 50^о, β₃ = 80^о, L₁ = 220 мм, L₂ = 420 мм.

В качестве источника 2 гамма-квантов используют любой источник излучения, применяемый при ГГК, например цезий-137 активностью 0,28 Ки.

Добавляют к полученной установке ГГК камеру с нейтронным источником 1, который должен располагаться на расстоянии L₄ = 500-600 мм от детектора 4 излучения. В качестве источника 1 нейтронов используют любой источник излучения, применяемый при НГК, например полоний-бериллиевый, активностью 6 Ки.

Оптимизируют параметры устройства на основе модельных измерений. Для этого проводят измерения в моделях горных пород только с источником 2 гамма-квантов (измерение первое) и при наличии всего комплекта источников 1, 2 излучения (измерение второе), регистрируя энергетическое распределение вторичных гамма-квантов. Затем определяют дифференциацию по плотности, обрабатывая спектр в части ГГК, для каждого измерения. Если для второго измерения полученная дифференциация по плотности меньше, чем для первого измерения, настолько, что это не позволяет определять плотность с требуемой точностью, то необходимо снизить влияние мягкой компоненты рассеянного ГИРЗ на спектр ГГК.

С этой целью производят либо увеличение размеров зондов НГТ, т.е. L₃, L₄, и уменьшение размеров зондов ГГК, т.е. L₁, L₂, либо увеличение активности источника 2 гамма-квантов и уменьшение активности источника 1 нейтронов, либо изменение параметров коллимационных каналов 7-9 и экрана 6.

В первом случае устанавливают связь между изменением длины зонда ГГК с интенсивностью потока вторичных гамма-квантов. Например, при толщине свинцового экрана 6 со стороны скважины 8-10 мм в горных породах низкой пористости (около 3%) интенсивность потока вторичных гамма-квантов в энергетическом диапазоне 40-500 кэВ снижается на 50% при увеличении длины зонда на 10 см.

Во втором случае следует увеличить активность источника гамма-квантов 2 в 2-3 раза.

В третьем случае изменяют толщину экрана 6 и углы коллимации. Объединение системы НГК и ГГК в общей коллимированой и экранированной оболочке при толщине экрана со стороны скважины 8-10 мм снижает влияние рассеянного ГИРЗ на показания ГГК до 10-15%. Увеличение доли ГГК происходит при увеличении азимутального угла излучения α ₁ и азимутальных углов приема α ₂, α ₃. Аналогичный эффект достигается уменьшением вертикальных углов приема β₂ и β₃. Но при этом изменяется и дифференциация по плотности, однако не так значительно, как изменение регистрируемой интенсивности гамма-квантов.

Кроме того, изменение вертикальных углов приема не приводит к увеличению доли мягкой компоненты рассеянного ГИРЗ.

Корректируя толщину экрана 6 в секторах I-IV, можно менять регистрируемое число гамма-квантов, относящихся в различным участкам спектра по НГК. Увеличение толщины экрана 6 в секторах III-IV ослабляет гамма-кванты ГИРЗ с энергией 0,5-2,0 МэВ, оставляя сектора I-II проницаемыми для этих гамма-квантов.

После завершения процесса оптимизации параметров устройства учитывается влияние показаний НГК на показания ГГК. Для этого определяют величину выделяемой части из показаний НГК, умножая число гамма-квантов в интервале спектра от 500-600 кэВ и выше на коэффициент. Величина коэффициента определяется как соотношение числа гамма-квантов ГИРЗ в интервалах спектра 40-500 кэВ и более 500-600 кэВ.

При обработке результатов уменьшают показания ГГК на величину выделенной части показаний НГК.

Проводятся измерения в скважине с использованием описанного устройства, которое прижимается к стенке скважины. Источники 1, 2 излучения облучают исследуемые горные породы, в результате чего возникает поле вторичного гамма-излучения, которое является суперпозицией показаний НГК и ГГК.

В коллимационных каналах 8, 9 минимально ослабляются гамма-кванты с энергией в диапазоне до 0,4-0,5 МэВ. Экранами в секторах I-II существенно ослабляется поток гамма-квантов с энергией до 0,5 МэВ и практически не ослабляется поток гамма-квантов ГИРЗ с энергией свыше 1,0 МэВ. Экранами в секторах III-IV ослабляется поток гамма-квантов с энергией 2-3 МэВ.

Детекторы 3, 4 излучения регистрируют прошедшие гамма-кванты в выбранных энергетических окнах с последующей передачей информации в наземный блок обработки.

Блок обработки разделяет показания ГГК и НГК с учетом их взаимного наложения, исходя из зависимостей, установленных в процессе предварительного моделирования. Гамма-кванты, относящиеся к ГГК, выбирают в энергетическом диапазоне до 450 кэВ, гамма-кванты, относящиеся к НГК, выбираются в энергетическом диапазоне свыше 500 кэВ. При этом порог выборки показаний НГК устанавливается из условия максимальной чувствительности к объемному влагосодержанию, например свыше 1,2 МэВ.

По показаниям ГГК и НГК вычисляются параметры горных пород: плотность, пористость, литологические характеристики.

Одновременно с показаниями НГК могут регистрироваться показания ННК, для чего детектор 4 излучения следует экранировать боросодержащим материалом. При этом весь процесс реализации способа не изменяется, но в обработке полученных результатов учитываются данные ННК.

Формула изобретения

СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО РАДИОАКТИВНОГО КАРОТАЖА, включающий одновременное облучение горных пород потоками быстрых нейтронов и гамма-квантов, одновременную регистрацию суммарного спектрального поля гамма-квантов, образованных в процессе гамма-гамма-каротажа ГГК и нейтронного гамма-каротажа НГК одним детектором, определение параметров горных пород - плотности, пористости, литологии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения параметров горных пород, суммарное спектральное поле гамма-квантов регистрируют дополнительно вторым детектором гамма-квантов, причем источник гамма-квантов размещают на расстоянии от первого детектора, установленном по стандартной методике селективного ГГК, а источник нейтронов размещают на расстоянии от второго детектора 500-600 мм, при этом расстояние между первым и вторым детекторами устанавливают из условия обеспечения возможности снижения влияния мягкой части спектра НГК на спектр ГГК до заданного значения при проведении эталонных модельных исследований с варьированием активности источников излучения и длин зондов, причем детекторы и источники излучения дополнительно окружают свинцовыми экранами с коллимационными каналами приема и излучения соответственно, варьируют углы коллимации которых и азимутальные углы приема и излучения, при этом исходными параметрами коллимации устанавливают следующие: источником гамма-квантов облучают горные породы под углом коллимации в 45^o с азимутальным углом излучения 10^o, а первый и второй детекторы гамма-квантов открыто регистрируют гамма-кванты под углом коллимации в 50 и 80^o и азимутальным углом приема в 50 и 80^o соответственно, при этом гамма-излучение, не проходящее через указанные секторы, регистрируют детекторами только после прохождения свинцового экрана толщиной не менее 8 мм, число гамма-квантов, относящихся к ГГК, определяют по показаниям в энергетическом диапазоне до 450кэВ, а число гамма-квантов, относящихся к НГК, определяют по показаниям в энергетическом диапазоне свыше 500 кэВ, показания ГГК корректируют, исключая влияние спектра НГК на спектр ГГК, по зависимости N_γ(ГГК_исп ) = N_γ(ГГК) - КN_γ(НГК) , где N_γ(ГГК_исп ) - исправленные показания ГГК; N_γ(HГK) - число гамма-квантов в спектре НГК; N_γ(ГГК) - число гамма-квантов в спектре ГГК; K - коэффициент, равный соотношению числа гамма-квантов в интервалах спектра 40-500 и свыше 500 кэВ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5