способ нейтронно-активационного каротажа

Формула изобретения

Способ нейтронно-активационного каротажа, основанный на облучении горных пород потоком нейтронов в процессе движения скважинного прибора и регистрации наведенного гамма-излучения детектором гамма-квантов, располагающимся за защитным экраном на расстоянии h 10 100 см и последующем определении концентрации элементов по интенсивности спектральных потоков наведенного гамма-излучения, отличающийся тем, что источник нейтронов, защитный экран и детектор гамма-излучения перемещают сверху вниз синхронно со скоростью подъема скважинного прибора v на расстояние h 100 250 см, а затем возвращают в крайнее верхнее положение за время t меньшее h/v, а начало нового цикла синхронного перемещения системы осуществляют строго по истечении времени t=h/v, где h = l-h, l расстояние между источником нейтронов и детектором гамма-квантов, равное h + (10 100) см.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к прикладной ядерной геофизике и может быть использовано для дистанционных исследований труднодоступных объектов радиоактивными и ядерно-геофизическими методами в геологии, горной промышленности, химическом производстве и других областях народного хозяйства.

Известен способ определения элементного состава или физических свойств горных пород, основанный на дискретном облучении проб потоком нейтронов или гамма-квантов и последующем измерении вторичного излучения, например наведенной активности от изотопов-индикаторов [1] Для реализации способа используется активационная установка, содержащая анализирующую аппаратуру и пневмопочту. Способ позволяет определять содержание нескольких изотопов, но совершенно не применим в условиях скважины, где исследуемой средой является массив окружающих горных пород.

Известен также способ радиоактивного каротажа, заключающийся в облучении горных пород потоком нейтронов и измерении наведенного эффекта от изотопов-индикаторов в процессе непрерывного перемещения скважинного прибора по скважине с оптимальной скоростью [2] Результаты измерений в виде скорости счета наведенного эффекта в функции глубины скважины фиксируются на диаграммную ленту, протягивающуюся синхронно со скоростью подъема скважинного прибора. Наличие определяемого элемента отмечается в виде аномалий, по интенсивности которых судят о границах залегания определенного вида полезного ископаемого и о содержании в горных породах анализируемых элементов. Основным недостатком способа является его невысокая чувствительность к анализируемым элементам, что обусловлено непрерывным режимом облучения и измерения. Фактически способ позволяет определять только макросодержания элементов, изотопы которых имеют небольшой период полураспада (менее 5 мин) и высокое сечение активации.

Наиболее близким по технической сущности является способ нейтронно-активационного каротажа для определения концентраций элементов (фтора) в рудах по скважинам, основанный на непрерывном облучении породы потоком нейтронов с энергиями до 10 мэВ и непрерывной синхронной регистрации гамма-активности, наведенной в породе в процессе подъема прибора по скважине [3]

Указанный способ нацелен только лишь на повышение точности определения концентрации фтора в рудах и не обеспечивает необходимой чувствительности для определения других элементов.

Изобретение решает задачу расширения аналитических возможностей способа и повышение эффективности поисков и разведки месторождений за счет повышения точности определения содержания элементов индикатора.

Для этого в способе нейтронно-активационного каротажа, основанном на облучении горных пород потоком быстрых нейтронов в процессе движения скважинного прибора и регистрации наведенного гамма-излучения детектором гамма-квантов, располагающемся за защитным экраном на расстоянии h, равном 10-100 см, и последующем определении концентрации элементов по интенсивности спектральных потоков наведенного гамма-излучения, источник нейтронов, защитный экран и детектор гамма-излучения перемещают сверху вниз синхронно со скоростью подъема скважинного прибора V на расстояние h, равное 100-250 см, а затем возвращают в крайнее верхнее положение за время t, равное или меньшее h/v, а начало нового цикла синхронного перемещения системы осуществляют строго по истечении времени t=h/v, где h=l-h,, l расстояние между источником нейтронов и детектором гамма-квантов, равное h + (10-100) см.

Сущность способа нейтронно-активационного каротажа заключается в том, что дискретно-циклический режим облучения горных пород и измерение наведенного эффекта со стабилизацией положения источника нейтронов в точке облучения, а детектора гамма-квантов в максимуме зоны активации предыдущей точки создают условия для регистрации наведенного эффекта 1-го изотопа с максимальной чувствительностью за счет оптимизации временных режимов измерения: времени облучения, паузы и времени измерения. Это в сочетании с энергетической селекцией и расположением детектора в эпицентре облученной точки позволяет в несколько раз повысить статическую точность измерений наведенного эффекта для изотопов с разными периодами полураспада и повысить точность определения их содержаний.

Рассмотрим возможности способа применительно к определению, например, фтора и алюминия по реакциям F¹⁹(n,)N¹⁶ и Al²⁷(n,)Al²³. Первый изотоп имеет период полураспада (Т) 7,4 с, второй 2,3 мин. Для регистрации наведенного эффекта оптимальное время активации, паузы и измерения должны составлять соответственно (2-3)Т или 15-20 с, t_п 0-5 сек, t_и 30 с, второго изотопа t_a 2-5 мин, t_п 0,5-1,0 мин, время измерения 2-5 мин. Для одновременного определения содержаний обоих элементов возможен один режим активации при t_a 2-5 мин. В этом случае величина наведенного эффекта от ядер фтора достигает 100% Раздельная регистрация парциальных эффектов возможна как за счет энергетической, так и временной селекции наведенного гамма-излучения в области более 3,0 мэВ для изотопа N¹⁶ и 1,6-1,9 мэВ для изотопа Al²⁸. Причем для ослабления влияния вклада от ядер N¹⁶ на поток Al²⁸ время паузы для второго изотопа может быть установлено 0,5-1 мин. За это время все радиоактивные ядра изотопа N¹⁶ распадаются практически полностью и наведенный эффект обусловлен только изотопом Al²⁸. Таким образом, при одновременном определении изотопов, в несколько раз отличающихся периодами полураспада, необходимы длительная активация (облучение), минимальная пауза между концом облучения и началом измерений и оптимальные времена измерений.

Пусть база свободного перемещения системы источник нейтронов защитный экран-детектор гамма-квантов (И-З-Д) составляет h 200 см. Тогда при скорости подъема скважинного прибора V 60, 120 и 360 м/ч время активации составит соответственно 2 мин, 1 мин и 20 с. Время паузы определяется расстоянием h, равным разности l h, что гарантирует установку детектора в облученную точку через время t_п=h/v. При h=50 см, V 60, 120 т 360 м/ч значения t_п составляет 30, 15 и 5 с. Это же время соответствует моменту начала облучения новой точки разреза. Естественно, что перемещение системы И-З-Д может быть осуществлено за меньшее время, т.е. t_п<h/v. Однако и в этом случае начало измерений на предыдущей точке и облучение новой возможны только по истечении времени t_п=h/v. В противном случае детектор будет располагаться либо ниже предыдущей облученной точки, а, следовательно, цель не будет достигнута. По окончании t_п=h/v система точно перемещается на расстояние h+h,, при этом детектор устанавливается в облученной точке и цикл повторяется. Суммарная длительность измерений на точке точно равна времени облучения. Повышение чувствительности достигается за счет двух факторов: увеличения времени измерения наведенного эффекта и положения детектора гамма-квантов в максимуме облученной точки.

Соотношение между наведенными эффектами (), регистрируемыми предлагаемым способом и по прототипу, можно найти из следующего выражения:



где t^c_и и t^п_и время измерения наведенного эффекта по заявленному способу и прототипу соответственно;

постоянная распада активности изотопа-индикатора;

K 2 коэффициент, учитывающий соотношение наведенных эффектов, регистрируемых в максимуме активируемой точки к его среднему значению в пределах ширины зоны активации D=20 см (N¹⁶) и 40 см (Al²⁸).

Полагая t^c_и=h/ , t^п_и=v,, V 360 м/ч и h 200 см для изотопа N¹⁶ получим 10. Аналогично для изотопа Al²⁸ при V 129 м/ч h=8,5.

Как видно из расчетов, реализуемые в предложенном способе режимы измерений позволяют повысить абсолютную скорость счета от изотопов-индикаторов практически на порядок. Соответственно во столько же раз повышается чувствительность способа к анализируемым элементам. Заметим, что при этом производительность измерений остается той же.

Для одновременного определения двух и более элементов по изотопам с разными периодами полураспада необходимо обеспечить минимальное время паузы, что достигается прежде всего за счет уменьшения расстояния h до 10-20 см или выбора скорости каротажа V. В общем случае выбор параметров h, V и h должен осуществляться в каждом конкретном случае на основе прямых расчетов ошибок измерений наведенных эффектов для заданных скважинных условий, параметров аппаратуры, детектора, источника нейтронов и др. факторов.

Предложенный способ нейтронно-активационного каротажа может быть реализован с устройством, функциональные схемы которого представлены на фиг. 1 и фиг. 2.

Скважинный прибор содержит детектор гамма-квантов 1, источник нейтронов 2, защитный экран 3, размещенные в подвижной системе 4, регистрирующе-передающую электронную схему 5, реверсивный электродвигатель 6, редуктор 7 с микролебедкой 8, блок управления электродвигателем 9, импульсивный датчик глубины 10, концевой выключатель 11, гибкую линию связи 12, транспортировочный тросик 13.

Подвижная система нейтронный источник защитный экран 4 детектор гамма-квантов (И-З-Д) перемещается на роликах. Наземный пульт П содержит n-разрядный счетчик импульсов 14, импульсный датчик глубины 15, блок экспозиции 16, каротажный регистратор 17, анализатор импульсов 18, блок питания генератора нейтронов 19. Наземный пульт связан со скважинным прибором посредством геофизического кабеля 29. В состав блока управления электродвигателем 9 вводят n-разрядные счетчики импульсов 21 и 22, n-разрядный цифровой компаратор 23, n переключателей 0-1 24, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 25 и 26, схему сравнения 27 и усилитель нуль-органа 28.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии подвижная система 4 с размещенными в ней детекторами гамма-квантов, источником нейтронов 2 и защитным экраном 3 находятся в крайнем правом положении. При движении вверх (вправо по чертежу) импульсный датчик глубины 15 вырабатывает импульсы, например, по одному на каждый миллиметр перемещения скважинного прибора. Эти импульсы по второй жиле кабеля поступают на блок управления 9 электродвигателя, конкретно на вход его n-разрядного счетчика импульсов 21, на выходе которого количество импульсов отображается в двоичном коде. По n-разрядной шине этот код подается на соответствующие входы ЦАП 25 и n-разрядного цифрового компаратора 23. С выхода ЦАП 25 сигнал в аналоговой форме подается на схему сравнения 27. На второй ее вход поступает сигнал, равный нулю, с ЦАП 26, так как в начальный момент он находился в обнуленном состоянии. Следовательно, на выходе схемы сравнения 27 появляется сигнал разбаланса, который, усиливаясь усилителем нуль-органа 28, попадает на вход управления реверсивным электродвигателем 6 в виде напряжения положительной полярности. Электродвигатель начинает вращаться до тех пор, пока не сработает датчик глубины скважинного прибора 10. Этот импульс с выхода n-разрядного счетчика 22 также в двоичном коде подается по ЦАП 26, что приводит к устранению сигнала разбаланса и остановке двигателя 6. Импульсы с датчика глубины 10 также поступают через 1 мм перемещения скважинного прибора, что достигается за счет использования редуктора с соответствующим передаточным числом. По мере перемещения прибора и появления с датчика глубины 15 новых импульсов снова появляется сигнал разбаланса, который аналогичным образом компенсируется электродвигателем 6 посредством усилителя нуль-органа 27. В этом режиме устройство работает до тех пор, пока система И-З-Д не переместится на расстояние h tV. Предположим, что h 2 м, тогда в момент поступления на счетчик импульсов 21 2000 импульсов на выходе n-разрядного цифрового компаратора 23 появляется сигнал. Перед началом работы на второй вход цифрового компаратора необходимо подать с n-переключателей 0-1 24 двоичный код числа 2000. Сигнал с выхода n-рарядного цифрового компаратора сбрасывает n-разрядный счетчик 2 и ЦАП 25 в исходное нулевое состояние, что приводит к снижению на первом входе схемы сравнения 27 напряжения до нуля. В то же время на втором ее входе напряжение остается максимальным. Соответственно сигнал разбаланса наибольший и, что самое важное, имеет обратную полярность. Вследствие этого на выходе усилителя нуль-органа 28 также вырабатывается сигнал, но уже отрицательной полярности. Электродвигатель меняет вращение на обратное и быстро перемещает систему в начальное положение. Момент прихода системы источник нейтронов защитный экран детектор гамма-квантов в "исходное состояние" отмечается концевым выключателем 11, сигнал которого используется для обнуления n-разрядного счетчика 22 и ЦАП 26 блока управления 9. N-разрядный счетчик импульсов 14 служит для запуска блока экспозиции в момент установления детектора в обнуленную предыдущую точку и точного определения временной паузы. С этой целью с выхода счетчика отбирается каждый 2000-й импульс (конец облучения и измерения) и каждый 2500-й импульс (начало нового цикла облучения и измерения) при h=50 см. Соответственно при h=30 см, отбирается каждый 2300-й импульс и т.д. Время паузы вычисляется по таймеру времени блока экспозиции, запуск которого осуществляется каждым 2000-ым импульсом, а остановка 2500-ым. Этими же импульсами осуществляется сброс счетчика импульсов 14 в исходное нулевое состояние и блокировка датчика глубины 15 по второму выходу в интервале импульсов от 2000 до 2500. Благодаря этому блокируется передача импульсов от датчика глубины 15 и в блок управления скважинного прибора до начала нового цикла облучения и измерения. Блок экспозиции 16, кроме того, формирует на выходе серию сигналов, разрешающих работу анализатора с оптимальными паузами в заранее установленных временных режимах измерения.

Анализатор импульсов 18 может работать как в режиме регистрации полных спектров, так и в режиме измерения спектральных потоков при заданных временных измерениях. На вход АИ информация поступает по первой жиле географического кабеля от регистрирующе-передающей схемы 5 скважинного прибора. С выхода анализатора импульсов информация поступает на вход каротажного регистратора 17, где регистрируется в форме полных спектров или спектральных интенсивностей в функции глубины скважины. Блок 19 на схеме показан для случая использования в качестве источника генератора нейтронов и служит для его питания напряжением 200-250 В. В качестве детектора гамма-квантов могут быть использованы сцинтилляционные монокристаллы типа NaI(Tl), CsI(Tl) или др. Для облегчения транспортировки подвижной системы 4 она снабжена подшипниками скольжения. Электрическая связь блока детектирования 1 и источника нейтронов (генератора нейтронов) с регистрирующе-передающей схемой 5 и кабелем осуществляется посредством специального провода (типа телефонного) 12. Для использования электродвигателя относительно небольшой мощности его выход подсоединен к редуктору 7, снабженному микролебедкой 8 для укладки транспортировочного тросика 13. Возможности способа исследованы экспериментально непосредственно в условиях реальных скважин. Для физического моделирования всего технологического процесса использовалась серийная аппаратура ПКС-1 и скважинный прибор СГСЛ. Для облучения использовался Ро-Ве источник нейтронов с выходом 10⁷ н/с, в качестве детектора служил монокристалл NaI(Tl) размером 30х70 мм в паре с ФЭУ-74.

По результатам физического моделирования порог обнаружения фтора по изотопу N¹⁶ составил 0,03% алюминия по изотопу Al²⁸ 0,2% Среднеквадратичная относительная ошибка определения кларковых содержаний элементов составила 6-8% Благодаря возможности одновременного определения элементов по изотопам, отличающихся периодами полураспада, и более высокой точности их количественного определения предлагаемый способ позволяет примерно в 1,5-2 раза повысить производительность исследований.