высоковольтный генератор рентгеновского излучения, устройство и способ для исследования пласта нефтяной скважины с его помощью

Формула изобретения

1. Компактный генератор рентгеновского излучения, содержащий эмиттер электронов, мишень и источник высокого напряжения, причем упомянутый генератор рентгеновского излучения обеспечивает излучение с энергией, равной или большей 250 кэВ, и упомянутый генератор рентгеновского излучения работает при температурах, равных или больших 125°С.

2. Компактный генератор рентгеновского излучения по п.1, в котором упомянутый источник высокого напряжения содержит первый источник высокого напряжения, выполненный с возможностью прилагать первое напряжение к упомянутому эмиттеру электронов, и второй источник высокого напряжения, выполненный с возможностью прилагать второе напряжение к упомянутой мишени.

3. Компактный генератор рентгеновского излучения по п.2, в котором упомянутое первое высокое напряжение является отрицательным напряжением, и упомянутое второе высокое напряжение является положительным напряжением.

4. Компактный генератор рентгеновского излучения по п.2, в котором, по меньшей мере, один из упомянутых первого источника высокого напряжения и второго источника высокого напряжения представляет собой генератор напряжения типа генератора Кокрофта-Уолтона.

5. Компактный генератор рентгеновского излучения по п.3, в котором разница между упомянутым первым высоким напряжением и упомянутым вторым высоким напряжением равна или больше 250 кВ.

6. Компактный генератор рентгеновского излучения по п.4, в котором, по меньшей мере, один из упомянутых первого источника высокого напряжения и второго источника высокого напряжения выполнен с возможностью складывания, чтобы уменьшить размер генератора рентгеновского излучения.

7. Компактный генератор рентгеновского излучения по п.1, дополнительно содержащий разделительный трансформатор, содержащий одну первичную обмотку и по меньшей мере две вторичные обмотки, обеспечивающие напряжение на упомянутом эмиттере электронов и сетке.

8. Прибор для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, содержащий: генератор рентгеновского излучения, содержащий эмиттер электронов и мишень, упомянутый генератор рентгеновского излучения выполнен с возможностью генерировать спектр входного излучения, которое подается в упомянутый пласт; первый источник высокого напряжения, выполненный с возможностью прилагать первое напряжение к упомянутому эмиттеру электронов; второй источник высокого напряжения, выполненный с возможностью прилагать второе напряжение к упомянутой мишени; первый детектор излучения, расположенный на первом расстоянии от упомянутой мишени и выполненный с возможностью детектировать излучение, отраженное упомянутым пластом, и производить первый выходной сигнал; второй детектор излучения, расположенный на втором расстоянии от упомянутой мишени и выполненный с возможностью детектировать излучение, отраженное упомянутым пластом, и производить второй выходной сигнал; узел анализа, выполненный с возможностью определять, по меньшей мере, одну характеристику упомянутого пласта, используя упомянутые первый выходной сигнал и второй выходной сигнал.

9. Прибор по п.8 для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, в котором упомянутая характеристика представляет собой плотность упомянутого пласта.

10. Прибор по п.8 для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, в котором упомянутая характеристика представляет собой фотоэлектрический параметр упомянутого пласта.

11. Прибор по п.8 для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, дополнительно содержащий опорный детектор излучения, фильтр, размещенный между упомянутой мишенью и упомянутым опорным детектором излучения, причем упомянутый фильтр выполнен с возможностью изменять спектр входного излучения; при этом упомянутый опорный детектор выполнен с возможностью производить выходной опорный сигнал в ответ на падающее излучение; при этом упомянутый узел анализа выполнен с дополнительной возможностью управлять, по меньшей мере, одним из следующих параметров: ускоряющим напряжением и током пучка упомянутого генератора рентгеновского излучения, на основании упомянутого выходного опорного сигнала.

12. Прибор по п.8 для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, в котором упомянутый прибор размещен на салазках, и упомянутые салазки выполнены с возможностью их спуска вниз в скважину и крепления к боковой стенке упомянутой скважины.

13. Прибор по п.8 для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, в котором эмиттер электронов содержит катод и сетку.

14. Прибор по п.13 для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, дополнительно содержащий разделительный трансформатор, обеспечивающий напряжение на упомянутом эмиттере электронов и упомянутой сетке.

15. Прибор по п.8 для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, в котором упомянутое первое напряжение является отрицательным напряжением, упомянутое второе напряжение является положительным напряжением.

16. Прибор по п.15 для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, в котором разница между упомянутым первым напряжением и упомянутым вторым напряжением находится в диапазоне от 250 до 500 кВ.

17. Прибор по п.8 для определения, по меньшей мере, одной характеристики пласта, окружающего скважину, в котором упомянутый первый источник высокого напряжения и упомянутый второй источник высокого напряжения представляют собой каскадные схемы формирования напряжения типа Кокрофта-Уолтона.

18. Способ определения плотности пласта, окружающего скважину, в условиях высокой температуры, содержащий этапы, на которых:

обеспечивают входное излучение посредством генератора рентгеновского излучения, причем упомянутое входное излучение имеет энергию равную или выше 250 кэВ;

детектируют излучение, прошедшее через упомянутый пласт, на первом детекторе излучения;

детектируют излучение, прошедшее через упомянутый пласт, на втором детекторе излучения;

анализируют выходные сигналы упомянутых первого детектора излучения и упомянутого второго детектора излучения для определения плотности упомянутого пласта.

19. Способ по п.18 определения плотности пласта, окружающего скважину, в условиях высокой температуры, дополнительно содержащий этапы, на которых:

фильтруют упомянутое входное излучение для создания опорного излучения;

измеряют упомянутое опорное излучение на опорном детекторе излучения;

управляют, по меньшей мере, одним из следующих параметров: током пучка и ускоряющим напряжением упомянутого генератора рентгеновского излучения, на основании выходного сигнала упомянутого опорного детектора излучения.

20. Способ по п.18 определения плотности пласта, окружающего скважину, в условиях высокой температуры, дополнительно содержащий этапы, на которых:

обеспечивают высокое отрицательное напряжение на эмиттере электронов упомянутого генератора рентгеновского излучения;

обеспечивают высокое положительное напряжение на мишени упомянутого генератора рентгеновского излучения;

при этом разница между упомянутым высоким отрицательным напряжением и упомянутым высоким положительным напряжением равна или больше 250 кВ.

21. Способ стабилизации выходного сигнала генератора рентгеновского излучения, включающий в себя этапы, на которых:

фильтруют излучение, созданное упомянутым генератором рентгеновского излучения, для создания двухпикового спектра с участком высокой энергии и участком низкой энергии;

принимают упомянутое отфильтрованное излучение на опорном детекторе;

используют выходной сигнал упомянутого опорного детектора для изменения, по меньшей мере, одного из следующих параметров: тока и напряжения электрической энергии, прилагаемых к упомянутому генератору рентгеновского излучения, тем самым стабилизируя упомянутый выход упомянутого генератора рентгеновского излучения.

Описание изобретения к патенту

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для оценки пласта, окружающего скважину, используя генератор рентгеновского излучения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системе, использующей рентгеновские лучи для определения плотности пласта. Измерения проводятся при помощи скважинного прибора, содержащего генератор рентгеновского излучения и ряд детекторов излучения. Генератор рентгеновского излучения способен испускать излучение, имеющее достаточно высокую энергию, чтобы пройти в пласт, и дать возможность выполнить анализ отраженного излучения, принятого рядом детекторов излучения. В одном варианте осуществления используется нормирующий детектор излучения, чтобы управлять ускоряющим напряжением и током пучка генератора рентгеновского излучения.

Известны скважинные приборы, использующие источники и детекторы гамма-излучения для получения данных о плотности и фотоэлектрическом эффекте (Ре) пласта, окружающего скважину. Типичное устройство содержит корпус большого зонда, в котором размещены радиоизотопный источник гамма-излучения и, по меньшей мере, один детектор гамма-излучения, разнесенные друг от друга на заданное расстояние. Зонд должен быть настолько коротким, насколько возможно, чтобы избежать искажений при измерении, вызываемых неровностями стенки скважины, из-за которых более длинный зонд может оказаться расположенным в стороне от фактической поверхности пласта. Искажения также вызываются глинистой коркой, часто остающейся на стенке скважины, через которую должно пройти любое излучение. Эти проблемы должны быть адресованы к любой системе, предназначенной для определения плотности пласта.

Источники радиоизотопов, использовавшиеся в прошлом, включают в себя, среди прочих, цезий (¹³⁷ Ce), барий (¹³³Ba) и кобальт (⁵⁷Co). Основной измеряемый параметр - это отклик, видимый на детекторе излучения, когда излучение прошло от источника радиоизотопов в пласт. Часть излучения будет потеряна, но часть его будет рассеяна и отражена обратно по направлению к детекторам, данное отраженное излучение пригодно для определения характеристик пласта.

В то время как система типа с источником радиоизотопов может обеспечить точный результат, имеются проблемы в использовании химического источника, такого как цезий ¹³⁷Cs, при проведении измерений в полевых условиях. Любые источники радиоактивного излучения налагают очень ответственные и строгие эксплуатационные требования. Данные эксплуатационные проблемы с химическими источниками привели к желанию использовать более безопасный источник излучения. В то же время, хотя химические источники действительно привносят определенные трудности, они также имеют некоторые существенные преимущества. В частности, ослабление их выходного излучения со временем является постоянным, что позволяет им обеспечивать в высокой степени прогнозируемый сигнал излучения. Генератор электромагнитного излучения устранил бы некоторые из этих проблем, но большая часть генераторов электромагнитного излучения (таких, как генераторы рентгеновского излучения) подвержены проблемам, таким как колебания напряжения и тока пучка. Если бы этими колебаниями можно было управлять, был бы получен очень хороший источник излучения.

В системах согласно предшествующему уровню техники пытались использовать для определения плотности пласта рентгеновское излучение низкой энергии. Частицы электромагнитного излучения с энергией меньше чем 220 кэВ, вряд ли будут отражаться назад и приниматься детекторами излучения. Если используется трубка, работающая при напряжении ниже 250 кВ, требуемый ток пучка электронов будет типично слишком большим, чтобы обеспечить измерения плотности с приемлемой эффективностью. Кроме того, при уровне энергии 300 кэВ и более, взаимодействие с пластом подчиняется эффекту Комптона. Данный тип взаимодействия желателен в вычислениях, требуемых для определения объемной плотности пласта на основании измерения ослабленного излучения.

Соответственно, имеется потребность в приборе, который может быть использован для определения плотности пласта в скважине. Используемый генератор электромагнитного излучения должен быть стабильным во времени по своим параметрам, точно управляемым так, чтобы гарантировать точные измерения независимо от изменяющихся условий. Генератор электромагнитного излучения должен быть способен обеспечить постоянное существенное количество излучения с энергией 250 кэВ или выше.

Сущность изобретения

На основании анализа уровня техники, рассмотренного выше, и других факторов, которые известны в данной области техники, заявителями была выявлена потребность в устройстве и способе для определения свойств пласта, окружающего скважину, при обслуживании скважины. Заявителями было обнаружено, что высоковольтный генератор рентгеновского излучения с точно управляемыми ускоряющим напряжением и током пучка мог бы использоваться вместе с одним или более детекторами излучения, чтобы обеспечить надежное измерение характеристик пласта, окружающего скважину.

Один вариант осуществления включает в себя компактный генератор рентгеновского излучения, содержащий эмиттер электронов, мишень и источник энергии. Генератор рентгеновского излучения обеспечивает излучение с энергией, равной и большей 250 кэВ. Генератор рентгеновского излучения работает при температурах, равных или больших 125°C.

Один вариант осуществления включает в себя генератор рентгеновского излучения, обеспечивающий входное излучение, которое в некоторой степени отражается материалом пласта. Результирующее излучение измеряется двумя детекторами излучения, разнесенными от точки, в которой излучение входит в пласт, на два различных расстояния. Используя выходные сигналы данных детекторов, определяется плотность пласта. Используя эту информацию, также возможно определить фотоэлектрический эффект Ре пласта.

В другом варианте осуществления, излучение, выдаваемое генератором рентгеновского излучения, фильтруется, чтобы получить спектр излучения с областью высокой энергии и областью низкой энергии, данный спектр вводится в опорный детектор излучения. Выходной сигнал данного детектора излучения используется, чтобы управлять ускоряющим напряжением и током пучка генератора рентгеновского излучения.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и являются частью описания. Вместе с последующим описанием чертежи демонстрируют и поясняют принципы настоящего изобретения.

Фиг.1 - схематическое изображение эксплуатационной ситуации, в которой настоящее устройство и способ могут быть применены с пользой;

Фиг.2 - структурная схема генератора рентгеновского излучения, который может быть использован в настоящем изобретении;

Фиг.3 - подробное схематическое изображение одного варианта осуществления генератора рентгеновского излучения, который может быть использован в настоящем изобретении;

Фиг.4 - схематическое изображение рентгеновской трубки, которая используется в одном варианте осуществления настоящего изобретения;

Фиг.5 - схематическое изображение разделительного трансформатора, который используется в одном варианте осуществления настоящего изобретения;

Фиг.6 - подробное схематическое изображение внешней поверхности в одном варианте осуществления настоящего изобретения, использующем каскадную схему формирования напряжения.

Фиг.7 - схематическое изображение структуры источника/детектора в одном варианте осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 - подробное схематическое изображение одного варианта настоящего изобретения, использующего нормирующий детектор.

Фиг.9 - схематическое изображение одного варианта осуществления прибора при использовании в скважине;

Фиг.10 - схематическое изображение внешнего корпуса по одному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.11 - схематическое изображение крышки внешнего корпуса по одному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг.12 - графическое изображение спектра энергии электромагнитного излучения, который может быть создан генератором рентгеновского излучения в настоящем изобретении;

Фиг.13 - графическое изображение отфильтрованного спектра, созданного в одном варианте осуществления настоящего изобретения;

Фиг.14 - графическое изображение примера спектра, измеренного детекторами, выделенными для анализа;

Фиг.15А - графическое изображение отклика, измеренного на детекторе, с первым составом глинистой корки;

Фиг.15В - графическое изображение отклика, измеренного на детекторе, со вторым составом глинистой корки;

Фиг.16 - графическое изображение откликов дальнего и ближнего детекторов при различной плотности.

Подробное описание

На чертежах подобные номера позиций обозначают подобные элементы. На фиг.1 представлена схематическая иллюстрация эксплуатационной ситуации по настоящему изобретению. Данный чертеж показывает один пример применения настоящего изобретения для определения плотности и других характеристик пласта, окружающего скважину 102. Как описано выше, прибор 114 помещен в скважину, чтобы определить характеристики пласта 100 при помощи входного излучения, которое затем детектируется.

В варианте осуществления, представленном на фиг.1, прибор 114 содержит корпус 116 зонда, в котором размещены все компоненты, и который опускается в скважину 102. Генератор 112 рентгеновского излучения вводит излучение в пласт 100. Данное излучение в определенной степени отражается от различных глубин в пласте 100, и сигнал результирующего излучения детектируется на ближнем детекторе 110 и дальнем детекторе 106.

Во время процесса бурения скважина может быть заполнена буровым шламом. Жидкая часть бурового шлама втекает в пласт, оставляя позади себя осажденный слой твердых материалов бурового шлама на внутренней стенке скважины в форме глинистой корки 118. По причинам, описанным ниже, важно разместить генератор 112 и детекторы 106 и 110 так близко к стенке скважины, насколько это возможно, для проведения измерений. Неровности стенки скважины будут создавать больше проблем, чем длиннее корпус зонда, поэтому желательно иметь прибор в целом настолько короткий, насколько возможно. Корпус 116 зонда опускается в требуемую позицию и затем крепится к стенке скважины при помощи кронштейна 108 и крепежной платформы 124. Прибор 114, в одном варианте осуществления, опускается в скважину 102 с помощью каротажного кабеля 120. Данные передаются назад к узлу 122 анализа для определения характеристик пласта. Данный тип прибора применяется в скважине при каротаже, каротаже во время бурения, измерениях во время бурения, каротаже в эксплуатационных скважинах и постоянном мониторинге пластов.

Физика рентгеновского излучения

В рентгеновской трубке рентгеновское излучение создается путем разгона электронов в мишень за счет высокой положительной разности напряжений между мишенью и источником электронов. Мишень является достаточно толстой, чтобы остановить все налетающие электроны. В представляющем интерес диапазоне энергий имеются два механизма, которые участвуют в производстве рентгеновских фотонов в процессе остановки электронов - это рентгеновское флуоресцентное и тормозное излучения.

Рентгеновское флуоресцентное излучение является характеристическим рентгеновским спектром, создаваемым после выбивания электрона из атома. Налетающие электроны с кинетическими энергиями большими, чем энергия связи электронов в атоме мишени, могут передать часть (эффект Комптона) или всю (фотоэлектрический эффект) свою кинетическую энергию одному или более связанных электронов в атомах мишени, тем самым извлекая электрон из атома.

Если электрон выбивается из наиболее глубокой электронной оболочки атома (К-оболочка), то создается характеристическое рентгеновское излучение K-, L-, M- и других серий. Рентгеновское излучение К-серии испускается, когда электрон вводится из оболочки более высокого уровня в К-оболочку, и атомом испускается флуоресцентное излучение наиболее высокой энергии. Если электрон выбивается из внешней оболочки (L-, M-оболочка и т.д.), то генерируется соответствующий тип рентгеновского излучения. В большинстве случаев, рентгеновское излучение L- и M-серий имеет настолько низкую энергию, что оно не может пройти сквозь окно рентгеновской трубки. В случае мишени из золота (Au), чтобы преодолеть энергию связи электронов, чтобы выбить их из K-оболочки, требуется входное напряжение более чем 80 кВ.

Другой тип излучения - это тормозное излучение. Оно создается во время замедления электрона в сильном электрическом поле. Электрон высокой энергии, входя в твердую мишень, встречает сильные электрические поля из-за других электронов, имеющихся в мишени. Налетающий электрон замедляется до тех пор, пока он не потеряет всю свою кинетическую энергию. Непрерывный спектр энергии рентгеновского фотона создается, когда суммируется по многим замедленным электронам. Максимальная энергия фотона равна общей кинетической энергии электрона высокой энергии. Минимальная энергия фотона в наблюдаемом спектре тормозного излучения - энергия фотонов, способных пройти сквозь материал окна рентгеновской трубки.

Эффективность преобразования кинетической энергии ускоренных электронов в создание рентгеновских фотонов является функцией ускоряющего напряжения. Средняя энергия рентгеновского фотона увеличивается при увеличении ускоряющего электрон напряжения.

Спектр тормозного излучения может быть видоизменен при помощи фильтра и путем изменения (1) состава фильтра, (2) толщины фильтра, и (3) рабочего напряжения рентгеновской трубки. В варианте осуществления, описываемом здесь, используется один фильтр, чтобы создать пики низкой и высокой энергии из одного спектра тормозного излучения. В частности, фильтр используется, чтобы обеспечить один спектр с пиком низкой энергии и пиком высокой энергии.

Высоковольтный генератор рентгеновского излучения

Чтобы заменить радиохимические источники по предшествующему уровню техники, требуется высоковольтный генератор рентгеновского излучения, как описано выше. Одна из проблем, рассматриваемых в настоящем изобретении, состоит в размере генератора рентгеновского излучения. Другой проблемой является требование того, что генератор должен работать при температурах, равных и больших 125°C. Генератор должен быть достаточно небольшим, чтобы его можно было поместить в скважинный прибор, и при этом обеспечивать минимальное влияние кривизны стенки скважины.

В то время как было показано, что высоковольтный генератор рентгеновского излучения может создавать излучение достаточно высокой энергии, чтобы его можно было использовать при определении плотности пласта, данный генератор рентгеновского излучения должен быть компактным по размеру, чтобы его можно было использовать в скважине. На фиг.2 представлена структурная схема рентгеновской трубки, которая используется в данной системе. Рентгеновская трубка 202 получает питание от генераторов 204 и 206 высокого напряжения. В одном варианте осуществления желательно получить разность напряжений между эмиттером электронов (нагреваемый катод) 207 и мишенью 208, по меньшей мере, в 250 кВ. В одном варианте осуществления мишень 208 изготовлена из золота (Au). Генератор 204 напряжения прикладывает отрицательное напряжение к эмиттеру электронов, в то время как генератор 206 напряжения прикладывает положительное напряжение к мишени. Величины этих напряжений выбраны таким образом, чтобы получить общий перепад напряжений, равный или больше 250 кВ. Как будет показано ниже, применение данной конфигурации позволяет уменьшить общую длину генератора напряжения, делая его более пригодным для использования в скважине.

В одном варианте осуществления используются генераторы высокого напряжения типа Кокрофта-Уолтона. Как будет показано ниже, данные генераторы могут быть сложены в такую конструкцию, чтобы значительно уменьшить длину прибора. Генератор напряжения Кокрофта-Уолтона представляет собой каскадную схему формирования напряжения, которая преобразует поступающее переменное напряжение или импульсное постоянное напряжение низкого уровня в постоянное напряжение более высокого уровня. Он, в общем, строится из набора емкостей и диодов, которые генерируют необходимое напряжение. Данная структура позволяет генератору напряжения обеспечить высокое напряжение без увеличения его размера, связанного с трансформаторами.

На фиг.3 представлено подробное изображение рентгеновской трубки, которая используется в одном варианте осуществления настоящего изобретения. Это - генератор рентгеновского излучения с рабочим напряжением 400 кВ, в котором используются описанные выше генераторы напряжения Кокрофта-Уолтона для получения излучения максимальной энергии в достаточно малом пространстве, чтобы сделать возможным максимальный контакт со стенкой пласта. Генератор 302 высокого напряжения сложен так, что одна часть каскадной схемы идет вдоль внешней стороны тефлонового корпуса 305 и другая часть схемы идет внутри корпуса. Генератор 302 создает высокое напряжение, и вывод отрицательной полярности соединен с эмиттером 314 электронов, а вывод положительной полярности заземлен. Генератор 304 высокого напряжения также сложен, чтобы минимизировать длину трубки в целом. Количество звеньев каскадной схемы для генераторов 302 и 304, которые размещены снаружи тефлонового корпуса 305 и внутри тефлонового корпуса, будет различным, в зависимости от ограничений по размеру. Вывод положительной полярности генератора 304 напряжения соединен с мишенью 307. В одном варианте осуществления, как упомянуто выше, данная мишень изготовлена из золота (Au). Высоковольтный трансформатор 308 обеспечивает входное напряжение на каждом из генераторов 302 и 304 высокого напряжения. Разделительный трансформатор 306 содержит два вспомогательных выхода, которые обеспечивают входное напряжение, требуемое для генерирования и направления электронов вниз вдоль рентгеновской трубки. Данный разделительный трансформатор обеспечивает подачу низкого напряжения на нагреваемый катод 314 и на сетку (не показана), чтобы облегчить ускорение электронов вниз вдоль отрезка 312 рентгеновской трубки. Когда электроны сталкиваются с мишенью 307, создается излучение 316, которое испускается из отверстия в экранирующей оболочке генератора.

Рентгеновская трубка, используемая в одном варианте осуществления, представляет собой рентгеновскую трубку типа с нагреваемым катодом. Катод 314 способен испускать электроны при тепловом воздействии на него. Генератор высокого напряжения прилагает высокое отрицательное напряжение к катоду 314. Подача тока (~2 А) и напряжения (~2 В) нагревает катод 314 и заставляет его испускать электроны. Более высокое напряжение (~200 В) прилагается к сетке 313, которая функционирует, чтобы перемещать электроны, выпущенные катодом 314, по направлению к секции 312 ускорения электронов. В одном варианте осуществления, данная сетка 313 изготовлена из никеля (Ni). Секция 312 ускорения разгоняет электроны по направлению к мишени 307. При их столкновении с мишенью 307, испускается излучение 316.

На фиг.4 представлено более подробное изображение рентгеновской трубки 400 типа с нагреваемым катодом, которая используется в одном варианте осуществления. Катод 402 нагревается и испускает электроны, которые направляются сеткой 404. Секция 406 ускорения разгоняет электроны по направлению к мишени 408, в результате чего создается излучение, которое будет подано в пласт.

На фиг.5 представлено подробное схематическое изображение разделительного трансформатора, упомянутого выше. Первичная обмотка 504 отделена от ферритового сердечника 502 и вторичных обмоток тефлоновым кожухом 510. Данный кожух 510 может содержать ряд трубчатых тефлоновых элементов. Высокое отрицательное напряжение подводится от генератора высокого напряжения, описанного выше, в точке 506, и подается на ферритовый сердечник 502 и одну из вторичных обмоток 508 и 512. Вторичная обмотка 508 обеспечивает подачу напряжения приблизительно 2В при токе приблизительно 2А на катод 514. Вторичная обмотка 512 обеспечивает подачу постоянного напряжения приблизительно 200В при токе приблизительно 1-2 мА на сетку 516. Это будет вызывать перемещение электронов от катода 514 вниз по рентгеновской трубке 518.

На фиг.6 наглядно представлен прибор 600 перед тем, как он будет вставлен в наружный корпус. Внутренний корпус 602 содержит рентгеновскую трубку и часть каскадной схемы 604 формирования высокого напряжения. Здесь показана часть каскадной схемы 604 формирования напряжения, которая размещается вне внутреннего корпуса. Посредством размещения данной части на внешней стороне корпуса и остальной части каскадной схемы внутри корпуса, общая длина прибора существенно уменьшается. На противоположном конце внутреннего корпуса расположена каскадная схема 606 формирования напряжения, размещенная аналогичным образом, т.е. так, что ее часть находится снаружи внутреннего корпуса, и остальная часть - внутри него.

Заметим, что на фиг.6 показан прибор до того, как он будет помещен в эксплуатационную ситуацию. В одном варианте осуществления, прибор, изображенный на фиг.6, перед тем, как разместить его в скважине, вставляется в тефлоновый корпус, который затем помещается в стальной корпус, который в свою очередь закрывается титановым корпусом. Сигнал от генератора рентгеновского излучения будет ослаблен в некоторой степени данными разными корпусами, но уровень излучения выбирается таким, что это ослабление не является вредным для определения плотности пласта.

Материалы, используемые для изготовления генератора рентгеновского излучения, выбираются и формируются таким образом, чтобы сделать возможной функционирование генератора при высоких температурах. Это важно, учитывая внешние условия в скважине. Один вариант осуществления настоящего изобретения работает при температурах, равных или больших 125°C. Выбранные изоляторы, емкости и материалы трансформатора - все способны работать при этих высоких температурах. Далее, тефлоновый корпус выбран потому, что он обеспечивает наименьшую подверженность действию высоких температур, встречающихся в скважине.

Определение плотности пласта

Плотность материала может быть определена путем анализа ослабления рентгеновского излучения, проходящего через материал и отраженного от него. Первичный показатель, находимый при измерении, это не плотность , которая будет получена путем вычисления, а индекс _e плотности электронов материала. Индекс плотности электронов связан с плотностью соотношением

Ослабление пучка рентгеновских лучей с энергией Е, интенсивностью I₀(E), проходящего через материал толщиной «d» с индексом плотности электронов « _e», может быть записано в виде

где любое взаимодействие фотонов, пересекающих материал, ослабляет пучок. Здесь µ_m(E) - это массовый коэффициент ослабления материала. Важно отметить, что данный массовый коэффициент ослабления различен в зависимости от типа имеющейся среды. I(E) в приведенном уравнении не включает в себя детектирование фотонов, созданных после фотоэлектрического поглощения, или множества рассеянных фотонов.

В самых ранних системах для определения плотности пласта использовался один детектор излучения. Из-за искажений, создаваемых глинистой коркой, более современные устройства используют два детектора в корпусе, который защищает (экранирует) их от прямого излучения от источника. Отклики этих двух детекторов используются для компенсации искажений от глинистой корки при работе, что будет описано подробно ниже. Как показано на фиг.1, данные детекторы отделены друг от друга, один является ближним детектором, другой дальним детектором. Ближний детектор имеет более низкую чувствительность, чем дальний детектор, потому что для данного изменения плотности, скорость счета ближнего детектора будет иметь более малое относительное изменение, чем скорость счета дальнего детектора. При отсутствии глинистой корки индекс плотности электронов пласта мог бы быть найден по отклику любого из двух детекторов в отдельности. Однако в большинстве случаев, глинистая корка присутствует, и индексы кажущейся плотности электронов у обоих детекторов будут различны, и могут быть использованы, чтобы установить один точный индекс плотности электронов пласта, как будет описано ниже.

Фактическое воздействие глинистой корки на отклик детекторов может привести к тому, что определяемый каждым детектором индекс кажущейся плотности электронов будет или выше или ниже, чем индекс плотности электронов пласта. Если индекс e_b плотности электронов пласта зафиксирован, индекс плотности электронов глинистой корки, меньший, чем величина e_b, приведет к тому, что будет получено в целом низкое значение индекса объемной плотности электронов, вследствие более высоких скоростей счета на каждом детекторе. И наоборот, если индекс плотности электронов глинистой корки больше, чем индекс плотности электронов пласта, скорости счета каждого детектора будут уменьшены, и индекс кажущейся плотности электронов будет выше. Вследствие всего этого, при вычислении индекса плотности электронов пласта требуется коррекция, что будет описано подробно ниже.

Глубина проникновения излучения является важным фактором при определении плотности пласта. Когда радиохимический источник типа цезия заменяется на генератор рентгеновского излучения, дальний детектор должен остаться, по меньшей мере, на той же глубине исследования, чтобы гарантировать такое же точное измерение. Для заданного месторасположения детектора, глубина исследования будет зависеть от энергии источника генератора рентгеновского излучения и от угла падения потока, входящего в пласт.

Как было выявлено при предварительном тестировании, необходимо обеспечить высоковольтный генератор рентгеновского излучения, который выдает энергию выше 250 кэВ. Это генератор рентгеновского излучения, который был описан выше. Данный уровень энергии будет делать возможным определение индекса плотности электронов пласта, когда выходной сигнал генератора используется в способе анализа, описанном ниже. Фиг.7 иллюстрирует один вариант осуществления общей структуры прибора, который будет размещен в скважине. Мишень 706 является исходной точкой для излучения 708, которое передается в пласт. Ближний детектор 704 размещен на расстоянии 710 от точки, в которой излучение 708 входит в пласт. Дальний детектор 702 размещен на расстоянии 712 от точки, в которой излучение 708 входит в пласт. В одном варианте осуществления, расстояние 710 равно приблизительно 3,5 дюйма, и расстояние 712 равно приблизительно 9,5 дюймов. Однако важно отметить, что данные расстояния могут изменяться, чтобы оптимизировать отклик и глубину исследования. Экран 714 гарантирует, что не будет потерь излучения, и что излучение не будет попадать непосредственно от генератора рентгеновского излучения на детекторы излучения. В качестве такого экрана может быть использована вольфрамовая крышка. Детекторы, используемые в данном варианте осуществления, могут быть типа, описанного в заявке на патент США номер 11/312,841, «Method and Apparatus for Radiation Detection in a High Temperature Environment». Данная заявка принадлежит компании Schlumberger Technology Corporation и тем самым включена в данное описание путем ссылки, как если бы была изложена здесь полностью. На данном чертеже также показано, что на выходе рентгеновского излучения имеется окно, чтобы сделать возможным выход излучения по направлению к пласту, и оба детектора 704 и 702 имеют окна, чтобы сделать возможным вход отраженного излучения. Данные окна расположены под углом, чтобы обеспечить максимальную глубину проникновения и глубину чувствительности.

Фиг.8 представляет собой схематическое изображение общей структуры одного варианта осуществления настоящего изобретения. На данном чертеже рентгеновская трубка, описанная выше, показана не полностью. Мишень 802 испускает излучение, как описано выше. Напряжение прилагается генератором 804 высокого напряжения, как описано выше. Часть данного излучения направляется по направлению к пласту. Излучение, которое отражается, измеряется ближним детектором 808 и дальним детектором 810. Дополнительно к этим детекторам, в одном варианте осуществления используется опорный детектор 812. Излучение, напрямую выходящее из генератора рентгеновского излучения, проходит через фильтр 806, чтобы создать двухпиковый спектр с участком высокой энергии и участком низкой энергии. В одном варианте осуществления, фильтр изготовлен из свинца (Pb), и одновременно уменьшает общую энергию излучения и создает двухпиковый спектр. Выходной сигнал опорного детектора используется, чтобы управлять ускоряющим напряжением и током пучка генератора рентгеновского излучения, как описано ниже.

Излучение проходит через окна, которые расположены под углом, чтобы гарантировать оптимальный угол падения, а также, чтобы сделать возможным детектирование детекторами 808 и 810 максимального количества излучения. В одном варианте осуществления, расстояние 820 до ближнего детектора равно приблизительно 3,5 дюйма и расстояние 824 до дальнего детектора равно приблизительно 9,5 дюймов.

На фиг.9 представлен один вариант осуществления настоящего изобретения в эксплуатационном контексте, чтобы показать общую ориентацию и расположение элементов. Гидравлический мотор 902 служит для прижима кронштейна 916 к стенке скважины, чтобы расположить прибор настолько близко к противоположной стороне скважины 906, насколько возможно. Линия 904 показывает внешний контур прибора до того, как он был выдвинут к стенке скважины. Вольфрамовая крышка и износостойкая накладка 908 защищают переднюю поверхность прибора от повреждения при многократном контакте со стенкой скважины. Данные накладки также обеспечивают защиту для излучения, как будет описано ниже. В титановом корпусе 912 высокого давления размещены прибор и рентгеновская трубка 914. Излучение испускается из мишени 910, как описано выше. Детектор имеет конфигурацию, показанную на фиг.8.

На фиг.10 представлено подробное схематическое изображение внешней поверхности прибора, который будет включен в состав зонда и размещен в скважине. Секция 1002 представляет ту часть прибора, где будет размещен генератор рентгеновского излучения, и которая будет полностью помещена в корпус. Секция 1004 представляет ту часть прибора, где излучение испускается в пласт и затем принимается обратно ближним и дальним детекторами излучения. Излучение испускается через окно 1006 в пласт. Дальний детектор получает результирующее излучение через окно 1010. Отметим, что окна 1006, 1008 и 1010 расположены под углом, чтобы сделать возможными максимальные чувствительность и количество детектируемого излучения. Кроме того, окно 1010 больше, чем окно 1008, чтобы способствовать более высокому качеству сигнала на дальнем детекторе, где ослабление сигнала будет большим.

Фиг.11 представляет собой изображение крупным планом накладки, которая покрывает прибор и которая включает в себя окна, описанные при рассмотрении фиг.10. Накладка 1100 покрывает прибор, содержащий генератор рентгеновского излучения, путем помещения данной части прибора в полость 1108. Излучение испускается через окно 1102 и принимается ближним и дальним детекторами через окна 1104 и 1106, соответственно. Здесь мы опять видим, что отверстия имеют различные углы наклона и диаметры. В одном варианте осуществления, величина угла наклона окна 1102 находится между 45° и 60°, и величина угла наклона окна 1104 находится между 30° и 45°. Каждое из окон 1102, 1104 и 1106 заполнено веществом, таким как эпоксидная смола, которое мало препятствует прохождению излучения. В одном варианте осуществления, данная накладка или полностью изготовлена из вольфрама или покрыта слоем вольфрама. Данный материал является очень плотным и предотвращает выход излучения из устройства или его попадание в устройство из любого другого места, кроме как через окна. Это важно для надежности измерения и общего уровня безопасности прибора.

Как было кратко описано выше, данный прибор используется для определения плотности и фотоэлектрического эффекта пласта, окружающего скважину. Спектр излучения, выдаваемого генератором рентгеновского излучения и вводимого в пласт, показан на фиг.12. По оси 1202 абсцисс отображается энергия излучения, измеряемая в кэВ. По оси 1204 ординат отображается скорость счета или число фотонов в секунду на кэВ, детектируемое детектором излучения, следящим за выходом генератора рентгеновского излучения. Кривая 1206 представляет собой спектр излучения, направляемого в пласт, окружающий скважину. Отметим, что здесь имеется значительный участок энергии, равной или больше 250 кВ, который является желаемым диапазоном. Энергия на нижнем конце данного спектра была уменьшена. Это выполнено в одном варианте осуществления путем пропускания излучения через различные материалы до его выхода из прибора и входа в пласт. В частности, мишень из золота (Au) может быть сделана несколько толще, чем требуется для создания излучения, тем самым ослабляя сигнал. Данный сигнал излучения может быть также пропущен через медную (Cu) пластину, которая выполняет роль фильтра высоких частот. Наконец, излучение должно пройти через окно из титана или нержавеющей стали. Все эти элементы предназначены, чтобы отсеять излучение низкой энергии, которое является нежелательным.

Как было упомянуто выше, выходной сигнал опорного детектора может быть использован для управления ускоряющим напряжением и током пучка генератора рентгеновского излучения, чтобы обеспечить желаемую стабильность. Чтобы обеспечить управление, опорный детектор должен отслеживать излучение от генератора рентгеновского излучения, которое не прошло через пласт. Излучение, измеренное опорным детектором, должно быть отфильтровано или иным образом видоизменено для получения двухпикового спектра, чтобы обеспечить необходимую информацию для управления ускоряющим напряжением и током пучка. В одном варианте осуществления, излучение от генератора рентгеновского излучения, показанное на фиг.12, пропускается через свинцовый (Pb) фильтр, чтобы получить спектр, показанный на фиг.13. Хотя в данном случае используется свинцовый фильтр, может быть применен любой материал с большим атомным номером, который одновременно создает двухпиковый спектр и уменьшает общий поток излучения, чтобы сделать его пригодным для измерения опорным детектором.

На фиг.13 по оси 1302 абсцисс отображена энергия излучения и по оси 1304 ординат отображена скорость счета или количество фотонов в секунду на кэВ. Два диапазона энергии отслеживаются, и общие количества фотонов при счете в каждом диапазоне табулируются. Участок 1306 - это диапазон низкой энергии, и участок 1308 - это диапазон высокой энергии. Опорный детектор излучения разбивает излучение на эти два диапазона. Скорость счета высокой энергии обозначается как , а скорость счета низкой энергии как .

Как упомянуто выше, в одном варианте осуществления скорости счета на опорном детекторе излучения используются для управления ускоряющим напряжением и током пучка генератора рентгеновского излучения. Это необходимо потому, что любой генератор рентгеновского излучения подвергается воздействию флуктуаций электрических параметров, что может вызвать ошибку в вычислении плотности. Параметры и оба пропорциональны количеству электронов, ударяющих по мишени, в любой данный момент времени. Дополнительно, соотношение пропорционально ускоряющему напряжению генератора рентгеновского излучения. Обращаясь к фиг.13, если напряжение генератора рентгеновского излучения уменьшится со временем, спектр будет смещаться влево на некоторую величину. Это приведет к тому, что в диапазон высокой энергии будет попадать при счете меньшее количество фотонов, и, следовательно, соотношение будет уменьшаться. В данном варианте осуществления эта проблема решается путем отслеживания упомянутого соотношения, по возможности в скважине, узлом анализа, включенным в состав прибора, и изменения ускоряющего напряжения генератора рентгеновского излучения, чтобы поддержать соотношение постоянным.

Кроме того, важно точно управлять током пучка, выдаваемого генератором рентгеновского излучения. Им также можно управлять при помощи опорного детектора. Опорный детектор считает количество падающих фотонов на участке высокой энергии и на участке низкой энергии. Выходной сигнал опорного детектора может использоваться или для отслеживания данных скоростей счета или для суммирования двух скоростей счета. Выходной сигнал опорного детектора используется для управления генератором рентгеновского излучения и обеспечения постоянного тока пучка.

На фиг.14 представлено графическое изображение излучения, отслеживаемого на ближнем и дальнем детекторах излучения для набора контрольных материалов, алюминия (Al) и магния (Mg). Данные материалы выбраны в качестве контрольных потому, что их плотности очень различаются, и они могут быть использованы для калибровки прибора. По оси 1402 абсцисс отображена энергия в кэВ, по оси 1404 ординат отображена скорость счета (количество фотонов/секунда/кэВ). Кривая 1403 отображает отклик дальнего детектора на алюминий, кривая 1407 - отклик ближнего детектора на алюминий, кривая 1405 - отклик дальнего детектора на магний и кривая 1409 - отклик ближнего детектора на магний. Три диапазона энергии, обозначенные 1406, 1408 и 1410, будут рассмотрены ниже при описании анализа для учета глинистой корки.

На фиг.15А и фиг.15В показан выходной сигнал дальнего детектора, измеряющего отклик от контрольного пласта, имеющего известный индекс плотности электронов, при различных толщинах и составах глинистой корки. По оси 1502 абсцисс снова отображена энергия в кэВ и по оси 1504 ординат скорость счета или количество фотонов в секунду на кэВ. На фиг.15А показан отклик, когда излучение подается в контрольный пласт, содержащий глинистую корку различной толщины, и глинистая корка не содержит бария. Кривая 1508 отображает отклик в случае, когда глинистая корка отсутствует, кривая 1506 отображает отклик, когда имеется глинистая корка толщиной 1/2 дюйма. Другие две кривые отображают отклик при глинистой корке толщиной в 1/8 и 1/4 дюйма. На фиг.15В показан отклик, когда излучение подается в контрольный пласт, содержащий глинистую корку различной толщины, и глинистая корка содержит некоторое количество бария. В то время как два графика выглядят подобными, кривая 1506, соответствующая толщине глинистой корки в 1/2 дюйма, здесь обеспечивает самый низкий отклик, в то время как кривая 1508, где глинистая корка отсутствует, обеспечивает самый высокий отклик.

На фиг.16 показан отклик дальнего и ближнего детекторов при различных индексах плотности электронов. По оси 1602 отображен индекс кажущейся плотности электронов, измеренный в г/см³, по оси 1604 ординат натуральный логарифм (ln) скорости счета в данном канале энергии (один из диапазонов, выделенных на фиг.12). Кривая 1606 отображает отклик ближнего детектора, кривая 1608 - отклик дальнего детектора. Для того чтобы определить фактический индекс объемной плотности электронов ( e_b), должны быть использованы выходные сигналы обоих детекторов, ближнего и дальнего.

Первый этап вычисления индекса объемной плотности электронов из подсчитанного количества фотонов, детектированных на ближнем и дальнем детекторах излучения, представляет собой коррекцию по Z-эффекту. Данный индекс кажущейся плотности электронов ( _eapp) для каждого из детекторов, скорректированный по Z-эффекту, может быть затем использован для определения индекса объемной плотности электронов пласта, учитывающего воздействие глинистой корки. Данный Z-эффект имеет место вследствие фотоэлектрического эффекта в ослаблении излучения и встречается потому, что энергия используемого рентгеновского излучения является относительно низкой. Поскольку имеется пропорционально больший Z-эффект при излучении низкой энергии, чем при измерении излучения высокой энергии, оценка ошибки из-за Z-эффекта при измерении излучения высокой энергии может быть получена из разницы между двумя измерениями ослабления в двух различных диапазонах.

На фиг.14 были выделены три участка энергии. В данном варианте осуществления, диапазон 1406 составляет приблизительно 40-80 кэВ, диапазон 1408 приблизительно 81-159 кэВ, диапазон 1410 приблизительно 160-310 кэВ. Z-эффект в диапазоне 1408 больше, чем в диапазоне 1410, и эта разница может быть использована для коррекции Z-эффекта. Следующее уравнение используется для вычисления индекса кажущейся плотности электронов

где S₁= .

На практике, один и тот же способ используется и для ближнего, и для дальнего детекторов. Этапы данного способа могут быть выполнены в любом порядке, при условии, что при этом следуют общей формуле. Сначала скорость счета для диапазона 1408 табулируется и нормализуется относительно скорости счета, определенной при отсутствии глинистой корки. Используя приведенное уравнение, вычисляется индекс кажущейся плотности электронов ( _{eapp, low}) данного диапазона. Затем скорость счета для диапазона 1410 табулируется и нормализуется относительно скорости счета, определенной при отсутствии глинистой корки. Используя приведенное уравнение, вычисляется индекс кажущейся плотности электронов ( _{eapp, high}) данного диапазона.

Затем задается функция, чтобы использовать данные две величины для определения скорректированного индекса плотности электронов для диапазона 1410. Любые преобразования, которые обеспечивают точный результат (определенные при помощи калибровочных материалов), могут быть использованы, чтобы определить величину скорректированного индекса плотности электронов. В одном варианте осуществления, для обоих детекторов, дальнего и ближнего, используется следующее уравнение

После определения данных величин для дальнего и короткого детекторов, вычисляется разница между ними, которая обозначается как поправка на индекс кажущейся плотности электронов, или _ecorr.avail. Т.е.

Используя различные материалы с известной плотностью, создается график, который отображает множество величин поправок, соответствующих величине

где _eb - это индекс плотности электронов известного материала.

Данный график представляет всю информацию, которая необходима для вычисления индекса плотности электронов неизвестного материала, такого как пласт, окружающий скважину, из скорректированных индексов кажущейся плотности электронов, определенных дальним и ближним детекторами. Когда значение _ecorr.avail. определено, оно сравнивается с рассмотренным выше графиком, откуда получают величину , и из данного уравнения получают индекс плотности электронов исследуемого пласта. Данный анализ может происходить в скважине, в узле анализа в приборе, или на поверхности, если выходные сигналы всех детекторов излучения передаются вверх по каротажному кабелю к наземному узлу анализа.

Перевод индекса плотности электронов пласта, определенного выше, в массовую плотность пласта требует уравнения преобразования. Типично уравнение, которое используется для перевода индекса плотности электронов пласта, _eb, в массовую плотность, , следующее

Массовая плотность пласта является количественным параметром, представляющим обычно интерес при скважинных измерениях.

Предшествующее описание было представлено только для того, чтобы проиллюстрировать и описать изобретение и некоторые примеры его осуществления. Оно не предназначено быть исчерпывающим или ограничить изобретение любой точной раскрытой формой. Многие модификации и варианты возможны и могли бы быть обнаружены специалистом в данной области техники из вышеприведенных описания и чертежей.

Различные аспекты были выбраны и описаны с целью лучшего пояснения принципов изобретения и его практического применения. Предыдущее описание предназначено, чтобы дать возможность специалистам в данной области техники использовать изобретение наилучшим образом в различных вариантах осуществления и аспектах и с различными модификациями, которые подходят для конкретного использования. Подразумевается, что объем изобретения ограничен формулой изобретения; однако не подразумевается, что любой порядок предполагается последовательностью этапов, изложенной в пунктах формулы изобретения, относящихся к способу, если конкретный порядок не изложен непосредственно.