NO801771L - Styresystem ved noeytron generator for borehull logging - Google Patents

Abstract

Pulset nøytron borehull loggingssystem som benytter. et forseglet nøytron-generatorrr (27) anordnet sammen med et nøytron-utgangsstyresystem (23). Styresystemet overvåker treffplate-strålestrømmen og sammenligner en ' funksjon av denne strømmen med et referanse-spenningsnivå. for å utvikle et styresignal. Styresignalet blir benyttet i en rekke regulatorer for å styre supplementeringsstrømmen til nøytron-generatorrøret (27).

Description

j:

Foreliggende oppfinnelse angår pulset nøytron borehul1-1ogging og mer spesielt innretning for å styre

I

nøytron utgangen til et nøytron generatorrør benyttet i pulset nøytron-borehull-logging.

I den siste tiden har pulset nøytron borehull-logging blitt en kommersiell viktig borehull-logginsteknikk. Pulset nøytron teknikk har;blitt benyttet for å måle den termiske levetiden til nøytronen eller den termiske nøytron-desintegrasjonstiden til jordformasjonene i nærheten av et borehull, for å utføre aktiveringsanalyser av elementære be-standdeler av ,j ordforma s i onene i nærheten av borehullet, og for å utføre porøsitetsmålinger av ' jordformasjonen i nærheten av borehul1et,og for å utføre uelastiske nøytron spredningsmålinger for hurtige nøytroner. I hver av disse borehull-loggingsteknikker har den,pulsede nøytronkilden benyttet for å frembringe nøytronpulser for de fysikalske målingene vært et evakuert rør, deuterium-tritium akselera-torkilde. Slike forseglede eller evakuerte rørnøytronkilder innbefatter i allminnelighet en ytre omhylning av glass, metall eller annet vakuumomhyl1ende materiale, slik som keramikk, som inneholder elementene til nøy tron-generator<r røret. Rørdelene innbefatter vanligvis en treffplate som er elektrisk isolert ved et høyt spenningspotensial, en ionekilde,som kan bli akselert mot treffplaten ved dens høye spenningspo tensial og en tirykkregulator eller et supplerende element som kan bli benyttet for å stabilisere eller styre gasstrykket inne i den evakuerte ytre omhyllingen. Gass-trykk på omkring 10 mm Hg er vanlige for driften av disse rørene.

Supplerings- eller trykkregulatoren til nøytron, generatorrørene innbefatter i allminnelighet et varmeelement som er omgitt av en overflate som er i stand til å absorbere eller emitere gassmolekyler til gassen som er fylt i den evakuerte røromhylningen, som en funksjon av dens temperatur. Muligheten for en slik overflate til å emitere eller absorbere gassen i røromhylningen blir styrt av temperaturen til et varmeelement forbundet dermed. Når varmeelementets temperatur blir hevet, blir den omgivende ga s.simpr egner te over flaten bragt til å spre absorberte gasser ved termisk emi-sjon. Når varmeelementet blir avkjølt, blir dens omgivende overflate bragt til å absorbere gass fra atmosfæren inne i den evakuerte røromhylningen. Mengden av gass tilstede i røromhylningen styrer mengden av gass tilstede i ionekilden, og følgelig evnen til ionekilden å frembringe positive ladede gassioner for akselerasjon mot treffplatematerialet.

Ved en typisk 'nøytron generator-rør-drift kan gassen tilstede i den evakuerte omhylningen enten være deu-teriumgass eller en blanding av deuterium- og tritiumgass. Treffplatematerialet er impregnert med bx-itium. Når således deuterium-ionene blir dannet i ionekilden og akselert mot treffplaten ved hjelp av den høye spenningspotensial, blir den elektrostatiske Coulomb-repulsjonen mellom ionene som blir akselert og kjernene til tritium atomene overvunnet og kjernefusjonene finner sted. Dette frembringer ustabil isotop helium 5 som øyeblikkelig desintegreres ved emisjonen med en tilnærmet lh MEV monoenergetisk nøytron karakteri-stikk til desintegrasjonen.

Et problem som har oppstått ved bruk av slike nøytrongeneratorrør ved borelogging har vært at utgangen til nøytrongeneratoren faller ut som en funksjon av tiden da tritium i treffplate-materialet blir effektivt brukt opp ved kjernereaksjon og ved oppvarming av treffplaten. Også spenningsvariasjoner i høyspenningsforsyningen, ytterligere varmestrømsvariasjoner og ionekildeemisjonsevnen kan forårsake variasjoner i nøytronutgangen.

For de fleste lpggeoperasjoner er det spesielt ønskelig at i løpet av en gitt 1oggekjøring forblir nøytron-utgangen til røret konstant, og også høyt som mulig.. Høy utgang er ønskelig for å fremme den innbyrdes kjernevirk-ningen forsøkt å bli målt ved brønnloggeteknikken. Til-standen til nøytron-utgangen er vesentlig for å fremme må-lingstilstanden og for å unngå systematiske feil.

Nøytron-utgangen til et nøytron-generatorrør

er en funksjon av treffplatestrømmen til røret. Treffplate-strømmen på sin side er en funksjon av treffplate høyspenning-en, ionekildespenningen og suppleringsyarmestrømmen. Ved

foreliggende oppfinnelse er treffplate-høyspenningen på en fast verdi. Ionekilse spenningen blir pulset med en gitt repetisjonsverdi og en pulsbredde. Ved variering av suple-menteringsvarmestrømmen og^følgelig dens varmeelementstrøm, blir den gjennomsnittelige jnøytronutgangen til røret styrt. Ved en foretrukket utførelsesform ved foreliggende oppfinnelse blir treffplate-strålestrømmen overvåket, omformet til et spennings signal og sammenlignet med en referansespenning. En feil spenning utviklet av denne sammenligningen blir benyttet til å styre suplemeringsstrømmen på en slik måte at suplementeringsstrømmen blir automatisk justert for å opprettholde en konstant verdi for den gjennomsnittlige treffplaten strålestrømmen som korresponderer med referanse-spenningen.. En krets for å utføre dette er utført, og kan bli beskrevet som en rekke reguleringssuplementerings-strøm-styrekretser. En slik krets kan bli benyttet for å variere suplementeringsvarmestrømmen eller også slå av suplemen-teringsstrømmen fullstendig. Kretsutføre1 sesformene til foreliggende oppfinnelse gir fordeler lik ovenfor tidligere kjente styrekretser for å styre nøytron-generatorrør ved at forbedret regulering av suplementeringsstrømmen blir utført og at en relativ enkel krets som benytter få deler er nød-vendig for å utføre dette. Suplementeringsstrøm-regulerings-kretsen ifølge foreliggende oppfinnelse har også et mindre effektforbruk enn de tidligere kjente, og er i stand til å drevet ved temperaturer opptil 200°C. Et ytterligere trekk ved styrekretsen til foreliggende oppfinnelse er muligheten for på-og avslåing av suplementeringsvarmestrømmen ved hjelp av fjernstyring med relativt lav effekt COSMOS-logisk nivå-spenninger.

Ovenfornevnte såvel som andre trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse er beskrevet i kravene. Opp-finnelsen skal nærmere forklares ved hjelp av den følgende detaljerte beskrivelsen med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser skjematisk et boreloggingssystem ifølge foreliggende oppfinnelse, og hvor det blir anvendt en pulset nøytron generator, Fig. 2 viser skjenratisk.et kretsdiagram av et supplerings-strøm-styresystem ifølge foreliggende oppfinnelse, og Fig. 3 viser skjematisk et diagram av nøytron-utgangen til et nøytron generatorrør styrt ifølge foreliggende oppfinnelse, som en funksjon av tiden. Fig..1 viser et boreloggingssystem ifølge foreliggende oppfinnelse. Et brønnborehull 11 er foret med en stålomhylling 12 og fylt med et borehull-fluidum 15. Stålomhylningen 12 er sementert på plass ved hjelp av et sement-sjikt 13 og effektivt forseglet mot jordformasjonen lk fra å kommunisere med borehullet 11, unntatt på steder hvor stålomhylningen og sementsjiktet er perforert for oljeprod-uksjon. Et fluidumtett, hult element eller en sonde 16 er ført ned i borehullet 11 ved hjelp av en brønnloggekabel 17 av vanlig kjent armert kabel. Loggekabelen 17 tilfører elektrisk signaler til og fra sonden til overflatenutstyret.

Ved overflaten føres brønnloggekabeten 17 over en trinse 18 som er elektrisk eller mekanisk sammenkoblet, som antydet med en stiplet linje 20, med en boreloggopp-tegner 19-. Denne sammenkoblingen muliggjør det å opptegne boringer gjort nedfe i hullet av sonden 16, som en funksjon av borehulldybden ved hjelp av opptegner 19. Signalene fra boreloggkabelen 17 blir ført til overflate-behandlingskrets-ene 21, som behandler måledataene for å gi informasjon som blir tilført til opptegner 19 for å bli__opptegnet som en funksjon av borehulldybden. ^Effekttilfør selen ^j) plassert ved overflaten, tilfører effekt/^for driften av utstyret i hullet på kabellederne 17. /

Sondeutstyre^r*l6 nede ,i hullet er anordnet der for å utføre pulserteløytronmålinger. Skjønt ikke vist på den skjematis kremte gningen på fig. 1 er det klart at egnet krafttilførsel' til instrumentet nede i hullet omformes fra \kraftkilden 22 A idet kraften tilført fra overflaten omformes til nødvendig driftsspenninger for utstyret nede i hullet.

Styrekretsen 23, som skal bli beskrevet i nærmere detaljer

<i det påfølgende, utfører styrefunksjoner for et nøytron-generatorrør 27 og en høyspennings-krafttilførsel 28, forbundet dermed, og som er plassert nær den. nedre enden til

sonden. Nøytronskjermmaterialet 29 som kan bestå av veksl-ende lag av jern, parafin, Jkadmium og boreholdige folier e.l., er anbragt for å skjerme nøytrongeneratoren 27 fra resten av måleanordningen i sonden 16.

En gamma-stråledetektor i form av et scintilla-sjonskrystal1 2h av talium-aktivert natriumjodsalt eller lignende, blir optisk koplet til et fotomultiplikatorrør 25. Denne anordnet for detektering av gammastråling frembragt i jordformasjonen i nærheten av borehullet,og som resulterer fra nøytronbombarderirigen av nøytrongeneratoren 27- Som vel kjent frembringer innfallingen av gammastråler på detek-torkrystal1et 2h lysglimt der hvis:intensitet er proporsonal med gammastråle-energien som produserer scintilasjonen. Fotomultiplikatorrøret 25 er optisk koplet med detektor-krystallet 2h og forsterker lysglimtene frembragt av detek-torkrystallet 2k og omformer dem til elektriske spenningspulser, hvis amplitude er proporsonal med intensiteten til lysglimtene. Disse elektriske signalene blir ytterligere forsterket i en forsterker 26 og ført inn i styrekretselek-tronikkdelen 23 til instrumentet hvor de blir på egnet måte tilført til vanlig kabeldrivekretser (ikke vist) for å bli overført til databehandlingskretsen 21 plassert på overflaten.

Nøytronutgangen til et nøytrongeneratorrør 27

på fig. 1 er vist på fig. 3, som en funksjon av tiden. Diagrammet på fig. 3 viser en pulset nøytron-operasjons-modus til nøytron-generatorrøret. Høyspenningskrafttil-førselen er på hele tiden i systemet og rekker eller pulser av nøytroner blir produsert ved å: tilføre spenningspulser vist med 46 på fig. 2 til ionekilden. Nøytronene blir frembragt av nøytrongeneratornsret 27 som tidligere beskrevet. Spenningspulsene k6 av en forutbestemt amplitude og varighet blir tilført til ionekilden til nøytrongeneratorrøret hl.

På denne måten kari nøytronutgangen til røret bli bragt til å variere som vist på fig. 3. Det vil si at nøytronutgangen vil hurtig øke fra tilnærmet 0 til N , idet maksimumsver-max

dien til nøy.tronutgangen til generatorrøret er tilgjengelig når en gitt spenningspulsstørrel se blir tilført til ionekilden. I løpet av denne. tiden ..vil en.. g j-ennomsni 11 sverdi

N . bli utstrålt. På denne måten en svært hurtig oppbygg-ning eller pul sing av nøytronutgangen fra generatoren 2J

kan bli fullført som en funksjon av tiden. Fjerning av spen-ningspulsen fra ioningskilden returnerer nøytrongeneratoren

til hvileverdien til nøytronutgangen som tilnærmet er lik null .

For typisk boreloggingsdrift vil påtiden til nøytrongeneratoren i pulset modus i allminnelighet ikke overskride en ytel sessyklus på tilnærmet 5-10^ av dens opera-sjonssyklus. Det vil si at nøytroiigeneratoren vil i allminnelighet kun være på fra 5-10'$> av tiden og avperiodene på fig. 3 vil oppta tilnærmet 90^95^ av dens tid ved en vanlig bore-loggeoperasjon. Nøytronpulsvarighéten på tilnærmet 50 raikro-sekunders varighet og repi ti s ,j onsverdien på fra 1000-10 000 pulser pr. sek. er vanlig for pulset nøytronborelogge-tek-nikker.

Noytrongenerator-styre s<ys>ternet til foreliggende oppfinnelse drives for å opprettholde den gjennomsnittlige verdien N ^ til nøy tronutgangen ved. en konstant eller forutbestemt verdi for varigheten av boreloggkjøringen. Et slikt system kan ikke erstatte tritium i røret som blir brukt opp ved frembringelsen av nøytronutgangen. Langtids-ødeleggelse av. nøytronutgangen er uunngåelig i generatorrør som har kun .. deuterium i supplementeringen. Rør som har en deuterium og tritiumblanding kan unngå slike langtidanøytron-utgangs-ødeleggelser.

Behovet for korttidskontroll av nøytronutgangen oppstår av forholdet mellom suppl em eirteringss trømmen og nøytron-utgangen, som er en komplisert funksjon. Svært små forandring-er i sipp 1 ementeringsstrømmen kan forårsake svært store for-andringer i nøytromatgangen. Ved overvåking av treffplate-strømmen.(som står i forhold til nøytronutgangen) og ved korrigering av supplementeringsstrømmen for å holde treff-platestrømmen konstant, kan nøytronutgangen bli stablisert for kortere tidsvariasjoner slik som kunne forekomme i løpet av et boreloggarbeid.

Alternativt skal det bemerkes at nøytrongenera-toren 27 kan bli drevet kontinuerlig for....visse typer borelogger.

I-

I et slikt tilfelle ville verdiene N . og N ha samme

I<g>j. max

verdien. I dette tilfellet ville kontrollsystemet til foreliggende oppfinnelse opprettholde tilnærmet en konstant

i

nøytronutgang fra nøytrongeneratoren 27 i løpet av en bore-loggjobb.

Fig. 2 viser en del av styrekretsen 23 på fig. -1; som har å gjøre med kontrollen av nøytronutgangen fra en nøytron-generator, som er vist i nærmere detaljer, men frem-deles skjematisk. Punktet A på kretsen er forbundet med den nedre siden av treffplatehøyspennings-tilførselen (som kan være i allminnelighet negativ 125 kilovolt). Nøytron-generatorrøret hl sin treffplate-strålestrøm (som er samplet ved punktet A) strømmer til jord gjennom motstanden R som frembringer en spenning V ved punktet A som står i forhold til nøytronutgangen til generatorrøret. Den samplede spenningen ved punktet A blir benyttet for å regulere avløps-strømmen 1^til VMOS kraftfelt effékt-transistoren h^ > (be-tegnet FETl). Denne strømmen blir også supplementerings-strømmen til nøytrongenerator-røret hl, og blir samplet ved punktet hq

En variabel motstand VRI gir en referansespenning for styringen av den gjennomsnittlige nøytronutgangen til generatorrøet hl. Innstillingen av der variable motstanden VRI blir bestemt av overføringskarakteristikkene til VMOS kraft FET 4 5 og forholdet meil om supplementerings-strøm-men og nøytronutgangen til generatorøret. I allminnelighet vil overføringskarakteristikken variere med hver FET og gen-eratorrøret. Som et eksempel skal det bli antatt at den ønskede nøy tronutgang en blir oppnådd når den gjennomsnittlige treffplate-strålestrømmen er 100 mikroamper og supple-mentærstrømmen er 3 amper. Dette er typiske verdier som en møter på i operasjonen av nøytron generatorrør ved borelogging. I dette tilfellet blir den variable motstanden VRI justert inntil supplementeringsstrømmen er 3 amper og treff-platestrømmen er 100 mikroamper, som gir en referansespenning V ved punktet A på 3 volt. Denne spenningen gir gjennom-snittlig operasjonspunkt til nøytron-generatorrøret hl.

Operasjonsforsterkeren hh er koplet som en

I •

inverterende spenningsforsterkningskrets med forsterkningen bestemt av forholdet R3/R0J Utgangsspenningen V^ til opera-s jonsf orsterkeren kk blir iiilført porten til fel tef f ekt-transistoren k$. Denne portspenningen styrer avløpsstrømmen I f el tef f ekt transi s toren k- 5 som får sin strømforsyning fra en 5 amper strømforsyning k2 . Denne avløpsstrømmen blir samplet

ved punktet k^ og tilbakekoplet gjennom motstanden R3 for å etablere driftbetingel sene til operasjonsforsterkeren kk som tidligere beskrevet. Den ikke inverterende inngangen til operasjonsforsterkeren kk er forbundet med spenningsinn-stillingen utført ved hjelp av den variable motstanden VRI gjennom motstanden R^. Denne spenningen tilført den ikke inverterende inngangen til operasjonsforsterkeren kk pluss spenningen utviklet over R^bestemmer utgangs spenningen til operasjonsforsterkeren kk.

Dersom gjennomsnittsverdien til nøytron-utgangen N begynner å synke under operasjonsverdien som bestemt

S3 •

av innstillingen av VRI, vil treffplate-strålestrømmen avta. Dette vil føre til at spenningen V avtar.. Når ¥„ avtar

ID SD

forårsaker dette utgangsspenningen V til operasjonsforsterkeren kk å øke. Den økende spenningsutgangen V_, til operasjonsforsterkeren kk gjør at supplementeringsstrømmen I øker. Økningen i supplementeringsstrømmen I tenderer

til å øke treffplate-strålestrømmen som er samplet ved p unk t e t A.

Dersom nøytronutgangen til generatorrøret kl begynner å øke over den forutbestemte gjennomsnittlige drifts-verdien N vil treffplate-strålestrømmen øke. Dette bringer

SJ •

spenningen over motstanden R^ til å øke. Når V^ øker

får dette utgangsspenningen V til operasjonsforsterkeren kk å avta. Minskningen av V^v, portspenningen på felteffekt-transistoren k%, forårsaker supplementeringsstrømmen. I ,

som samplet ved punktet k^, til å bli redusert. Dette på

sin side reduserer utgangen til nøytrongeneratorrøret kl ved kjøling av supplementeringsvarme-elementet.

En fast kretsbryter integrert krets kj blir benyttet til å tilføre og fjerne en styrespeniringskilde (0-15 volt) (;il den variable motstanden VR^ . Når s tyre spennings- kilden blir fjernet fra den variable motstanden VR^ , blir spenningen tilført til den|ikke-inverterende inngangen til operasjonsforsterkeren hk null volt. Når null volt blir til-ført til den ikke-inverterende inngangen til operasjonsforsterkeren hk, blir spenningsutgan|en til operasjonsforsterkeren redusert tilstrekkelig for å sikre at felteffekt-transistoren k$ er ful1stendigiavslåtti Dette avbryter supple-menteringsstrømmen I fullstendig og reduserer effektivt utgangen til nøytrongeneratorrøret hi. til null.

Claims (10)

i

1. Styresystem for styring av utgangen til et forseglet generatorrør som har et treffplate-materiale, en ionekilde, en supplementeringstrykkregulator, karakterisert ved at den innbefatter•

innretning for overvåkning av den gjennomsnittlige treffplatestrømmen til røret og for å uvikle et representativt spennings signal,

innretning for sammenligning av en funksjon av det representative signalet til gjennomsnitts-treffplate-strømmen med et ref eranse spennings-: signal og for frembringelse av et styresignal representativt for sammenligningen <*> av signalene, og

styreinnretning for reagerer på styresignal-spenningen for å styre strømmen til supplementeringen av røret som en funksjon derav.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at styreinnretningen innbefatter et aktivt kretselement plassert i seriekrets-sammenstillingen med supplementerings-trykk-regulatoren til røret.

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved at det aktive kretselementet plassert i seriekrets-sammenstillingen er i stand til fullstendig, å slå av strømmen til supplementeringsanordningen.

k. System ifølge krav 3, karakterisert ved at styreinnretningen innbefatter en fe1teffekt-tran-sistor som har en kilde, en port og et avløp.

5. System ifølge krav 1, karakterisert ved at sammenligningsinnretningén innbefatter en opera-sjonsforsterker og innretning for summering av det representative signalet til treffplatestrømmens spenning og et spenningssignal representativt til supplementeringsstrømmen til røret for å danne et summasjonssignal og for å sammenligne summasjonssignalet og referansespenningssignalet i operasjonsforsterkeren for å frembringe et utgangsstyresignal.

6. Brønnloggingssystem for behandling av pulsede nøytronboreloggings-operasjoner, karakterisert ved at det innbefatter I

et fluidumtett hult legeme dimensjonert og til-passet for passering gjennom et brønnborehull og som Inneholder en strålingsdetektor for å detektere stråling utstrålt fra jordformasjonen i nærheten av brønnborehullet som.reaksjon på nøytronbestrålingen derav, og

et forseglet nøytron-generatorrør som har et treffplate-materiale, en ionekilde og en supplementerings-trykk-regulator og et kontrollsystem derfor, som innbefatter

innretning for å overvåke den gjennomsnittlige treffplate-strømmen til røret og for frembringelse av et spenningssignal representativt derfor, og

innretning for å sammenligne en funksjon av gjennomsnittstreffplate-strømmens representative signal med et referansespennings signal og for frembringelse av en kontroll signal-spenning representativ med sammenligningen av signalene, og

styreinnretning ■ som reagerer på styresignal-spenningen for å styre strømmen til supplementeringsinn-retningen til røret som en funksjon, derav.

7. System ifølge.krav 6, karakterisert ved at styreinnretningen innbefatter et aktivt kretselement plassert i serier i kre tssammensti.11ing med supplementerings-trykkregulatoren til røret.

8. System ifølge krav 7»karakterisert ved. at det aktive kretselementet plassert i seriesammen-stilling er istand til å slå av fullstendig strømmen til supplementeringsanordningen.

9. System ifølge krav 8, karakterisert ved at det aktive kretselementet innbefatter en felt-effekt-transistor som har en kilde, en port og et avløp.

10. System ifølge krav 6, karakterisert ved at sammenligningsinnretningen innbefatter en opera-. sjonsforsterker og innretning for summering av det representative signalet til treffplate-strømmens spenning og et spennings signal representativ til supplementeringsstrømmen til røret for å danne et summeringssignal og for å sammenligne' summerings signalet og referansespermingssignalet i operasjonsforsterkeren for ;å frembringe et utgangsstyresignal..