RU2397513C1

RU2397513C1 - Procedure for neutron gamma logging and facility for its implementation

Info

Publication number: RU2397513C1
Application number: RU2009128842/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Альбертович Федорин (RU); Михаил Альбертович Федорин; Борис Григорьевич Титов (RU); Борис Григорьевич Титов
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2010-08-20

Abstract

FIELD: oil and gas production. ^ SUBSTANCE: borehole medium is radiated with neutrons generated by means of neutron generator with built-in alpha-particles detector. Alpha-particles resulted from reaction and escaped from the target in the direction counter to fast neutron escape are recorded. Also there is recorded gamma-radiation of inelastic scattering induced with neutrons. Notably, in the remote from the borehole zone dimensions and position of the alpha-particles detector in the neutron generator are chosen so, that controlled cone of neutron escape will have opening angle 30 and will be perpendicular to axis of the downhole instrument. A signal of gamma-quantum is recorded continuously in time by means of an analogue-digital converter with discreetness of 0.1Ç0.3 nano-seconds and is continuously recorded into memory of a micro-processor. At appearance of a pulse from an alpha-particle from the detector of alpha-particles built in the generator the micro-processor continues to record the signal of the gamma-quantum detector within a specified time interval. Upon completion of this interval there is established presence of the pulse from the gamma-quantum detector, its amplitude and time of arrival relative to the moment of neutron production in the pre-determined interval. There are selected pulses from gamma-quantum coinciding with power of not-scattered gamma-radiation of not-flexible scattering neutrons of elements Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti and S. Out of them there are formed time distributions, and there are calculated coordinates of boundaries of cylinder zones surrounding the well and concentration of elements Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti and S in them by selection of parameters of pre-determined model of borehole environment to the best coincidence with results of measured time distributions. ^ EFFECT: upgraded accuracy of logging and obtaining more complete data on borehole environment. ^ 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной геофизике и может быть использовано для каротажа нефтяных и газовых скважин.The invention relates to nuclear geophysics and can be used for logging oil and gas wells.

Известны способы и устройства для неразрушающего контроля с применением времяпролетной методики, в которой используются генераторы нейтронов со встроенными детекторами альфа-частиц. Такие генераторы называют генераторами меченых нейтронов (ГМН). Устройство таких генераторов подробно описано в [1, 2]. Генерация нейтронов происходит по ядерной реакции

, в которой продукты реакции - альфа-частица и нейтрон разлетаются в противоположные относительно друг друга стороны, угол разлета равен 180°. Если на пути альфа-частицы поставить детектор, то при регистрации альфа-частицы можно сказать, что в противоположном направлении летит нейтрон. Угол контролируемого конуса разлета нейтронов зависит от размеров детектора альфа-частиц и его расположения относительно точки рождения продуктов ядерной реакции (мишени нейтронного генератора) и постоянен для конкретной конструкции нейтронного генератора. Параметры альфа-частицы по законам движения связаны с направлением и моментом вылета самого нейтрона, что дает возможность отслеживать начальный этап траектории нейтрона в среде, в т.ч. и оценивать его удаление от источника посредством регистрации возникающего при взаимодействии со средой гамма-излучения.Known methods and devices for non-destructive testing using a time-of-flight technique that uses neutron generators with built-in alpha particle detectors. Such generators are called labeled neutron generators (GMN). The device of such generators is described in detail in [1, 2]. Neutron generation occurs by nuclear reaction.

, in which the reaction products - the alpha particle and the neutron fly apart in opposite directions, the expansion angle is 180 °. If a detector is placed in the path of an alpha particle, then when registering an alpha particle, we can say that a neutron flies in the opposite direction. The angle of the controlled cone of neutron expansion depends on the size of the alpha-particle detector and its location relative to the point of birth of the products of the nuclear reaction (target of the neutron generator) and is constant for the specific design of the neutron generator. According to the laws of motion, the alpha-particle parameters are related to the direction and moment of neutron emission, which makes it possible to track the initial stage of the neutron trajectory in the medium, including and evaluate its removal from the source by registering gamma radiation arising from the interaction with the medium.

Детектор гамма-квантов измеряет спектры гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов в заданных относительно момента регистрации альфа-частицы интервалах времени. По измеренным спектрам определяется элементный состав в зонах, разно удаленных от точки облучения.A gamma-ray detector measures the gamma-ray spectra of inelastic neutron scattering at time intervals specified relative to the moment of registration of an alpha particle. From the measured spectra, the elemental composition in zones differently removed from the irradiation point is determined.

Такой способ измерения получил название в русскоязычной литературе как Метод Меченых Нейтронов (ММН) [1], а в англоязычной литературе именуется как Associated Particle Imaging (API) или Associated-Particle, Sealed-Tube, Neutron Generator (APSTNG) [7].Such a measurement method was called in the Russian literature as the Tagged Neutron Method (MMN) [1], and in the English literature it is referred to as Associated Particle Imaging (API) or Associated Particle, Sealed-Tube, Neutron Generator (APSTNG) [7].

Известно, что устройства, реализующие такой способ, применяются для решения специальных задач безопасности, контроля багажа, обнаружения взрывчатых веществ [2], а также для исследования состава вещества, окружающего скважину [3, 4, 5].It is known that devices that implement this method are used to solve special security problems, control luggage, detect explosives [2], and also to study the composition of the substance surrounding a well [3, 4, 5].

Наиболее близким к заявляемому способу является изложенный в [6] способ ядерного каротажа, включающий облучение горных пород в скважине нейтронами, сгенерированными в скважинном приборе, регистрацию альфа-частиц, образовавшихся в результате реакции

и вылетевших с нейтронной мишени в заданном направлении, противоположном направлению вылета с мишени быстрого нейтрона, регистрацию амплитудных спектров индуцированного гамма-излучения детектором в заданном временном интервале после момента регистрации альфа-частицы. При этом скважинный прибор ориентируют относительно скважины так, что конус распространения быстрых нейтронов, направление вылета которых контролируется регистрируемыми альфа-частицами, направлен из скважины таким образом, что плоскость, проведенная через ось скважинного прибора, ось прижима к стенке скважины и ось конуса, перпендикулярна к касательной плоскости, проведенной через линию соприкосновения скважинного прибора и стенки скважины, при этом угол между осью конуса и осью скважинного прибора со стороны детектора лежит в пределах 10…60°. В данном способе регистрируют амплитудные спектры индуцированного гамма-излучения в n-временных окнах, рассчитывают координату места неупругого рассеяния быстрого нейтрона, на основании этого выделяют спектры гамма-излучения неупругого рассеяния от различных зон скважины.Closest to the claimed method is the nuclear logging method described in [6], which includes irradiating rocks in the well with neutrons generated in the downhole tool, detecting alpha particles formed as a result of the reaction

and emitted from a neutron target in a given direction, opposite to the direction of departure of a fast neutron from the target, registration of the amplitude spectra of the induced gamma radiation by the detector in a given time interval after the moment of registration of the alpha particle. In this case, the downhole tool is oriented relative to the well so that the cone of fast neutron propagation, the direction of departure of which is controlled by the detected alpha particles, is directed from the well in such a way that the plane drawn through the axis of the downhole tool, the axis of pressing against the wall of the well and the axis of the cone are perpendicular to the tangent plane drawn through the contact line of the downhole tool and the well wall, while the angle between the axis of the cone and the axis of the downhole tool from the detector side lies in ah 10 ... 60 °. In this method, the amplitude spectra of the induced gamma radiation are recorded in n-time windows, the coordinate of the site of inelastic scattering of the fast neutron is calculated, based on this, the gamma radiation spectra of inelastic scattering from various zones of the well are extracted.

Наиболее близким к заявляемому устройству является изложенное в [6] устройство для ядерного каротажа, включающее скважинный прибор, имеющий нейтронный генератор, центр мишени которого расположен на оси скважинного прибора, детектор альфа-частиц, центр которого установлен в непосредственной близости от мишени нейтронного генератора на некотором расстоянии от оси скважинного прибора и включенный последовательно с соответствующим усилителем-дискриминатором, детектор гамма-квантов, включенный последовательно с соответствующим усилителем, первый выход которого соединен с первым входом многоканального амплитудного анализатора, усилитель-дискриминатор канала гамма-квантов, временной анализатор совпадений, селектор, выходная шина данных которого подключена на второй вход многоканального амплитудного анализатора. Второй выход усилителя канала гамма-квантов устройства подключен на вход усилителя-дискриминатора канала гамма-квантов, выходы усилителя-дискриминатора канала альфа-частиц и усилителя-дискриминатора канала гамма-квантов подключены соответственно на первый и второй входы временного анализатора совпадений и параллельно на первый и второй входы селектора, временной анализатор совпадений соединен по выходу шиной данных с шинным входом селектора. При этом скважинный прибор имеет прижим к стенке скважины, расположенный в одной плоскости с осью скважинного прибора и осью, соединяющей центр мишени нейтронного генератора и центр детектора альфа-частиц, причем угол со стороны детектора гамма-излучения между осью, соединяющей центр мишени нейтронного генератора с центром детектора альфа-частиц и осью скважинного прибора, лежит в пределах 10…60°.Closest to the claimed device is described in [6] a device for nuclear logging, including a downhole tool having a neutron generator, the center of the target of which is located on the axis of the downhole tool, an alpha particle detector, the center of which is installed in the immediate vicinity of the neutron generator target at some the distance from the axis of the downhole tool and connected in series with the corresponding discriminating amplifier, a gamma-ray detector connected in series with the corresponding gain it, a first output coupled to a first input of a multichannel pulse-height analyzer, an amplifier-discriminator channel gamma-ray analyzer temporal coincidence, the selector, the output data bus which is connected to a second input multichannel pulse-height analyzer. The second output of the device’s gamma-channel channel amplifier is connected to the input of the gamma-quantum channel discriminating amplifier, the outputs of the alpha-particle channel discriminating amplifier and the gamma-channel channel discriminating amplifier are connected respectively to the first and second inputs of the temporal coincidence analyzer and parallel to the first and the second inputs of the selector, a temporary coincidence analyzer is connected at the output by the data bus to the bus input of the selector. In this case, the downhole tool has a clamp to the wall of the well located in the same plane with the axis of the downhole tool and the axis connecting the center of the target of the neutron generator and the center of the alpha particle detector, and the angle from the side of the gamma-ray detector between the axis connecting the center of the target of the neutron generator with the center of the alpha particle detector and the axis of the downhole tool lies within 10 ... 60 °.

Данный способ и реализующее его устройство позволяют по зарегистрированным спектрам гамма-излучения проводить томографию нефтяных и газовых скважин.This method and the device that implements it allow tomography of oil and gas wells to be carried out using the registered gamma radiation spectra.

К недостаткам данного способа и реализующего его устройства следует отнести наличие мертвой зоны, связанной с тем, что момент регистрации альфа-частицы запаздывает относительно момента вылета нейтрона на время пролета альфа-частицей расстояния от точки рождения до детектора альфа-частиц, вследствие чего гамма-излучение неупругого рассеяния от нейтронов, взаимодействующих вблизи источника, не регистрируется и информация о ближней зоне скважины отсутствует. При временном разрешении системы регистрации, приведенном в описании прототипа, равном 3 наносекундам, обеспечивается пространственное разрешение не более 15 см, что недостаточно для детального изучения радиального разреза околоскважинного пространства.The disadvantages of this method and the device that implements it include the presence of a dead zone, due to the fact that the moment of registration of the alpha particle is delayed relative to the moment of neutron departure by the time of the alpha particle’s passage from the point of birth to the alpha particle detector, resulting in gamma radiation inelastic scattering from neutrons interacting near the source is not recorded and information about the near zone of the well is missing. With a temporary resolution of the registration system given in the prototype description of 3 nanoseconds, a spatial resolution of not more than 15 cm is provided, which is not enough for a detailed study of the radial section of the near-wellbore space.

Предлагаемый способ и реализующее его устройство устраняют эти недостатки, позволяют повысить точность проводимых измерений и получить непосредственно информацию об элементном составе среды в скважине, качестве обсадки, толщине и составе глинистой корки, размере зоны проникновения скважинного флюида и происходящих в ней изменениях химического состава, а также о составе неизмененной породы в дальней зоне от скважины с пространственным разрешением около 0,5 см.The proposed method and the device that implements it eliminates these shortcomings, allows to increase the accuracy of the measurements and directly obtain information on the elemental composition of the medium in the well, casing quality, thickness and composition of the mud cake, the size of the zone of penetration of the well fluid and changes in the chemical composition occurring in it, as well as about the composition of unchanged rock in the far zone from the well with a spatial resolution of about 0.5 cm.

Технический результат достигается тем, что в способе контролируют вылет нейтронов в конус с углом 30° перпендикулярно оси прибора, непрерывно оцифровывают сигнал детектора гамма-квантов аналого-цифровым преобразователем с дискретностью 0,1 наносекунды, непрерывно записывают его значения в память микропроцессора, определяют наличие импульса от детектора гамма-квантов, его амплитуду и время прихода относительно момента рождения нейтрона в заранее заданном интервале, производят селекцию импульсов от гамма-квантов, совпадающих с энергиями нерассеянного гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S, формируют из них временные распределения, рассчитывают координаты границ цилиндрических зон, окружающих скважину, и концентрации в них элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S путем подбора параметров заранее заданной модели околоскважинного пространства до наилучшего совпадения с результатами измеренных временных распределений.The technical result is achieved in that the method controls the emission of neutrons into a cone with an angle of 30 ° perpendicular to the axis of the device, continuously digitizes the signal of the gamma-ray detector by an analog-to-digital converter with a resolution of 0.1 nanoseconds, continuously writes its values to the microprocessor memory, determines the presence of a pulse from the gamma-ray detector, its amplitude and arrival time relative to the moment of neutron production in a predetermined interval, the selection of pulses from gamma-quanta coinciding with the energies and non-scattered gamma radiation of inelastic neutron scattering of the elements Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti and S, form temporary distributions from them, calculate the coordinates of the boundaries of the cylindrical zones surrounding the well, and the concentrations of Ca, Si elements in them , C, O, Fe, Mg, Al, Ti, and S by selecting the parameters of a predetermined model of the near-wellbore space to the best fit with the results of the measured time distributions.

Технический результат достигается также тем, что устройство снабжено аналого-цифровым преобразователем с временем преобразования 0,1 наносекунды, оцифровывающим непрерывно сигнал детектора гамма-квантов, микропроцессором, который при появлении импульса от альфа-частицы со встроенного в нейтронный генератор детектора альфа-частиц определяет наличие импульса от детектора гамма-квантов, амплитуду и время его прихода относительно момента рождения нейтрона в заранее заданном интервале, селектирует импульсы от гамма-квантов, совпадающие с энергиями нерассеянного гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S, формирует из них временные распределения, рассчитывает координаты границ цилиндрических зон, окружающих скважину, и концентрацию в них элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S путем подбора параметров заранее заданной модели околоскважинного пространства до наилучшего совпадения с результатами измеренных временных распределений.The technical result is also achieved by the fact that the device is equipped with an analog-to-digital converter with a conversion time of 0.1 nanoseconds, which continuously digitizes the signal of the gamma-ray detector, by a microprocessor, which, when a pulse from an alpha particle appears from the alpha-particle detector integrated in the neutron generator, determines the presence pulse from the gamma-ray detector, the amplitude and time of its arrival relative to the moment of neutron production in a predetermined interval, selects pulses from gamma-quanta that match with the energies of unscattered gamma radiation of inelastic neutron scattering of the elements Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti, and S, forms time distributions from them, calculates the coordinates of the boundaries of the cylindrical zones surrounding the well, and the concentration of Ca elements in them, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti, and S by selecting the parameters of a predetermined model of the near-wellbore space to the best fit with the results of the measured time distributions.

Техническая сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен скважинный прибор, зондирующий околоскважинное пространство; на фиг.2 - блок-схема устройства; на фиг.3 - временная диаграмма процесса регистрации; на фиг.4 - структура модели околоскважинной среды, принятая в расчетах; на фиг.5 - результаты моделирования временных спектров нерассеянных потоков гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов от Ca, Si, C, O, Fe в модели околоскважинной среды при угле вылета нейтронов 30°; на фиг.6 - результаты моделирования временных спектров нерассеянных потоков гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов от Са, Si, С, О, Fe в модели околоскважинной среды при угле вылета нейтронов 90°.The technical essence of the invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a downhole tool probing near-wellbore space; figure 2 is a block diagram of a device; figure 3 is a timing chart of the registration process; figure 4 - structure model of the near-wellbore environment, adopted in the calculations; figure 5 - simulation results of the time spectra of unscattered gamma-ray fluxes of inelastic neutron scattering from Ca, Si, C, O, Fe in a model of a near-wellbore medium at a neutron emission angle of 30 °; figure 6 - simulation results of the time spectra of unscattered gamma-ray fluxes of inelastic neutron scattering from Ca, Si, C, O, Fe in a model of a near-wellbore medium with a neutron emission angle of 90 °.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В скважину помещают каротажный прибор 3, содержащий генератор нейтронов 2 со встроенным детектором альфа-частиц 8 и детектор гамма-квантов 1. Детектор альфа-частиц расположен в генераторе нейтронов так, что контролируемый конус вылета нейтронов 4 имеет угол разлета 30° и перпендикулярен к оси скважинного прибора.The proposed method is implemented as follows. A logging tool 3 is placed in the well containing a neutron generator 2 with a built-in alpha-particle detector 8 and a gamma-ray detector 1. The alpha-particle detector is located in the neutron generator so that the controlled neutron emission cone 4 has an angle of spread of 30 ° and is perpendicular to the axis downhole tool.

Генератор 2 испускает быстрые нейтроны, которые взаимодействуют с веществом в околоскважинном пространстве. Вещество рассматривается как последовательность различающихся по составу зон, находящихся на разном удалении от точки вылета нейтрона, например: скважинный флюид (I), обсадная колонна (II), цемент (III), измененная зона пласта (IV), неизмененная порода (V). Расположение зон показано на фиг.1.Generator 2 emits fast neutrons that interact with matter in the near-wellbore space. A substance is considered as a sequence of zones of different composition located at different distances from the neutron exit point, for example: well fluid (I), casing (II), cement (III), altered formation zone (IV), unchanged rock (V). The location of the zones shown in figure 1.

Испускаемые генератором 2 быстрые нейтроны с энергией 14,1 МэВ, попадая в среду, вступают в ядерные реакции с атомами среды, в результате которых ядра излучают гамма-кванты с характеристической для каждого элемента энергией. Часть этих квантов, не претерпев ни единого соударения с атомами среды, попадает в детектор гамма-квантов 1, расположенный в скважинном приборе 3.The fast neutrons emitted by the generator 2 with an energy of 14.1 MeV enter the medium and enter into nuclear reactions with the atoms of the medium, as a result of which the nuclei emit gamma rays with energy characteristic for each element. Some of these quanta, without undergoing a single collision with the atoms of the medium, fall into the gamma-ray detector 1, located in the downhole tool 3.

Гамма-квант, рожденный при взаимодействии нейтрона с атомом в околоскважинном пространстве, может прилететь в детектор 1 раньше, чем в генераторе нейтронов будет зарегистрирована альфа-частица, рожденная одновременно с этим нейтроном, поэтому сигнал детектора гамма-квантов регистрируют непрерывно во времени с помощью аналого-цифрового преобразователя 6 с дискретностью 0,1 наносекунды и непрерывно записывают в память микропроцессора 7.A gamma quantum generated by the interaction of a neutron with an atom in the near-wellbore space can fly into detector 1 before an alpha particle born simultaneously with this neutron is detected in the neutron generator, so the signal from the gamma-ray detector is recorded continuously in time using an analog -digital Converter 6 with a resolution of 0.1 nanoseconds and continuously recorded in the memory of the microprocessor 7.

При появлении импульса от альфа-частицы со встроенного в генератор 2 детектора 8 микропроцессор 7 определяет наличие импульса от детектора гамма-квантов 1, его амплитуду и время прихода относительно момента рождения нейтрона в заранее заданном интервале, селектирует импульсы от гамма-квантов, совпадающие с энергиями нерассеянного гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S, формирует временные распределения элементов, рассчитывает координаты границ цилиндрических зон, окружающих скважину, и концентрации в них элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S путем подбора параметров заранее заданной модели околоскважинного пространства до наилучшего совпадения с результатами измеренных временных распределений.When a pulse from an alpha particle appears from the detector 8 built into the generator 2, the microprocessor 7 determines the presence of a pulse from the gamma-ray detector 1, its amplitude and arrival time relative to the moment of neutron production in a predetermined interval, selects pulses from gamma-quanta that coincide with the energies non-scattered gamma radiation of inelastic neutron scattering of elements Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti and S, forms the temporal distribution of elements, calculates the coordinates of the boundaries of the cylindrical zones surrounding the well, and the concentration and in them the elements Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti and S by selecting the parameters of a predetermined model of the near-wellbore space to the best fit with the results of the measured time distributions.

Предложенное для реализации способа устройство работает следующим образом. Нейтронный генератор 2 со встроенным детектором альфа-частиц 8 испускает быстрые нейтроны. Индуцированное нейтронами гамма-излучение регистрируется детектором гамма-квантов 1. Сигнал с детектора гамма-квантов через усилитель 5 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Аналого-цифровой преобразователь непрерывно оцифровывает сигнал детектора 1 с дискретностью 0,1 наносекунды. Мгновенные значения сигнала детектора 1 записываются в память микропроцессора 7.The device proposed for implementing the method works as follows. Neutron generator 2 with a built-in alpha particle detector 8 emits fast neutrons. Neutron-induced gamma radiation is detected by the gamma-ray detector 1. The signal from the gamma-ray detector through the amplifier 5 is fed to the input of the analog-to-digital converter 6. The analog-to-digital converter continuously digitizes the signal of the detector 1 with a resolution of 0.1 nanoseconds. The instantaneous values of the signal of the detector 1 are recorded in the memory of the microprocessor 7.

Детектор альфа-частиц 8 расположен в генераторе нейтронов так, что контролируемый конус вылета нейтронов 4 имеет угол разлета 30° и перпендикулярен к оси скважинного прибора.The alpha particle detector 8 is located in the neutron generator so that the controlled neutron emission cone 4 has an angle of spread of 30 ° and is perpendicular to the axis of the downhole tool.

Сигнал от детектора альфа-частиц 8 усиливается усилителем-формирователем 9 и в виде прямоугольного импульса подается на вход микропроцессора 7.The signal from the alpha particle detector 8 is amplified by the amplifier-former 9 and in the form of a rectangular pulse is fed to the input of the microprocessor 7.

Сигнал от альфа-частицы всегда запаздывает относительно момента рождения нейтрона и альфа-частицы. Время запаздывания Т1 равно времени пролета альфа-частицей расстояния от точки рождения до детектора альфа-частиц, постоянно для конкретной конструкции нейтронного генератора и учитывается при обработке сигнала детектора гамма-квантов.The signal from the alpha particle is always delayed relative to the moment of birth of the neutron and alpha particle. The delay time T1 is equal to the time the alpha-particle travels from the point of birth to the alpha-particle detector, is constant for a particular neutron generator design and is taken into account when processing the signal of the gamma-ray detector.

При появлении импульса от альфа-частицы на входе микропроцессора микропроцессор продолжает запись значений сигнала в течение времени Т2. По окончании интервала микропроцессор по записанным мгновенным значениям сигнала детектора 1 определяет наличие импульса от гамма-квантов, его амплитуду и время прихода относительно момента рождения нейтрона в заранее заданном интервале Т3, селектирует импульсы от гамма-квантов, совпадающие с энергиями нерассеянного гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов на элементах Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S, формирует из них временные распределения, рассчитывает координаты границ цилиндрических зон, окружающих скважину, и концентрацию в них элементов Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti и S путем подбора параметров заранее заданной модели околоскважинного пространства до наилучшего совпадения с результатами измеренных временных распределений и передает на индикатор 10. На индикаторе отображаются результаты измерений.When a pulse from an alpha particle appears at the input of the microprocessor, the microprocessor continues to record the signal values over time T2. At the end of the interval, the microprocessor uses the recorded instantaneous values of the detector 1 signal to determine the presence of a pulse from gamma quanta, its amplitude and arrival time relative to the moment of neutron production in a predetermined interval T3, selects pulses from gamma quanta that coincide with the energies of unscattered gamma radiation of inelastic scattering neutrons on the elements Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti and S, forms time distributions from them, calculates the coordinates of the boundaries of the cylindrical zones surrounding the well, and the concentration of elem nts Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti and S by selecting the parameters of a predetermined model of the near-wellbore space to the best match with the results of the measured time distributions and transmits to indicator 10. The indicator displays the measurement results.

На фиг.3 показана временная диаграмма работы устройства. Подписи к диаграмме соответствуют:Figure 3 shows a timing diagram of the operation of the device. The captions for the diagram correspond to:

- Т1 - время пролета альфа-частицей расстояния от точки рождения до детектора альфа-частиц,- T1 - time of flight of an alpha particle distance from the point of birth to the alpha particle detector,

- Т2 - интервал времени после регистрации альфа-частицы,- T2 - time interval after registration of an alpha particle,

- Т3 - заданный интервал наблюдения,- T3 - a given observation interval,

- А - ситуация, когда импульс от детектора гамма-квантов находится вне заданного интервала наблюдения и игнорируется,- A - situation when the pulse from the gamma-ray detector is outside the specified observation interval and is ignored,

- В - ситуация, когда импульс от детектора гамма-квантов находится в заданном интервале наблюдения и обрабатывается,- In - the situation when the pulse from the gamma-ray detector is in a given observation interval and is processed,

- С - ситуация, когда импульс от детектора гамма-квантов находится в интервале времени пролета альфа-частицей расстояния от точки рождения до детектора альфа-частиц и обрабатывается,- C - a situation where the pulse from the gamma-ray detector is in the time interval of the alpha-particle passage of the distance from the point of birth to the alpha-particle detector and is processed,

- D - ситуация, когда импульс от детектора гамма-квантов в заданном интервале наблюдения отсутствует и измерение игнорируется.- D - a situation when the pulse from the gamma-ray detector in a given observation interval is absent and the measurement is ignored.

Для оценки возможностей предлагаемого способа и устройства на его основе проведены численные расчеты в моделях сред, наиболее близких к реальным скважинным и геологическим условиям. На фиг.4 показана модель среды, использованная в проведенных расчетах. Она состоит из пяти цилиндрических слоев, различающихся по химическому составу:To assess the capabilities of the proposed method and a device based on it, numerical calculations were carried out in models of media that are closest to real borehole and geological conditions. Figure 4 shows the model of the medium used in the calculations. It consists of five cylindrical layers, differing in chemical composition:

- скважина, заполненная жидкостью I, химический состав H₂O- well filled with fluid I, chemical composition H ₂ O

- железная колонна II, Fe- iron column II, Fe

- цемент III, CaCO₃ - cement III, CaCO ₃

- измененная зона пласта IV, SiO₂+H₂O- altered formation zone IV, SiO ₂ + H ₂ O

- неизмененная порода V, SiO₂+CH₂ - unchanged rock V, SiO ₂ + CH ₂

В качестве величин, используемых для определения положения границ пространственных неоднородностей и состава среды между этими границами, выбраны зависимости изменения нерассеянных спектральных компонент потоков гамма-излучения неупругого рассеяния во времени, для элементов Ca, Si, C, O, Fe. Рассчитанные временные распределения гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов для угла вылета нейтронов 30° показаны на фиг.5, для угла вылета нейтронов 90° показаны на фиг.6.As the values used to determine the position of the boundaries of spatial inhomogeneities and the composition of the medium between these boundaries, the time dependences of the unscattered spectral components of the inelastic scattering gamma radiation fluxes were selected for the elements Ca, Si, C, O, Fe. The calculated temporal distributions of gamma radiation of inelastic neutron scattering for a neutron emission angle of 30 ° are shown in Fig. 5, for a neutron emission angle of 90 ° are shown in Fig. 6.

Результаты моделирования указывают на высокую чувствительность измерений к радиальным границам и на достаточное пространственное разрешение (около 0,5 см) при временной дискретизации измерений на уровне 0,1 нс.The simulation results indicate a high sensitivity of measurements to radial boundaries and a sufficient spatial resolution (about 0.5 cm) with a temporary sampling of measurements at 0.1 ns.

Источники информацииInformation sources

1. В.М.Быстрицкий, Н.И.Замятин, В.Г.Кадышевский, А.П.Кобзев, В.А.Никитин, Ю.Н.Рогов, М.Г.Сапожников, А.Н.Сисакян, В.М.Слепнев, Н.В.Власов. Изучение ядерно-физических методов идентификации скрытых веществ в ОИЯИ. Сборник материалов международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», ФА по атомной энергии РФ, ВНИИА, М., 2004, с.306-319.1. V.M. Bystritsky, N.I. Zamyatin, V.G. Kadyshevsky, A.P. Kobzev, V.A. Nikitin, Yu.N. Rogov, M.G. Sapozhnikov, A.N. Sisakyan, V.M.Slepnev, N.V. Vlasov. Studying nuclear-physical methods for identifying hidden substances at JINR. The collection of materials of the international scientific and technical conference "Portable neutron generators and technologies based on them", Federal Agency for Atomic Energy of the Russian Federation, VNIIA, Moscow, 2004, p.306-319.

2. Е.П.Боголюбов, С.А.Коротков, С.А.Краснов, Ю.К.Пресняков, Т.О.Хасаев. Нейтронные технологии на базе портативных генераторов нейтронов для инспекции опасных объектов. Сборник материалов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», ФА по атомной энергии РФ, ВНИИА, М., 2004, с.326-333.2. E.P. Bogolyubov, S.A. Korotkov, S.A. Krasnov, Yu.K. Presnyakov, T.O. Khasaev. Neutron technology based on portable neutron generators for inspection of hazardous objects. Collection of materials of the International scientific and technical conference "Portable neutron generators and technologies based on them", Federal Agency for Atomic Energy of the Russian Federation, VNIIA, Moscow, 2004, p. 323-333.

3. Qu Xiancai, Ding Xijin, Li Huazhang, Wu Liping, Jiang Shilian. Новый каротажный прибор для спектрометрии сопутствующих а-частиц при углерод/кислородном каротаже и его применение для оценки маломощных пластов. II Китайско-Российский научный симпозиум по геофизическим исследованиям скважин, Шанхай, 3-5 ноября 2002 г. Материалы Симпозиума, Уфа, 2003, с.11-17.3. Qu Xiancai, Ding Xijin, Li Huazhang, Wu Liping, Jiang Shilian. A new logging tool for spectrometry of concomitant a-particles in carbon / oxygen logging and its application for evaluating low-power formations. II Sino-Russian Scientific Symposium on Geophysical Well Research, Shanghai, November 3-5, 2002. Materials of the Symposium, Ufa, 2003, pp. 11-17.

4. Qu Xiancai, Ding Xijin, Li Huazhang, Wu Liping, Jiang Shilian. Каротажный прибор для спектрометрии сопутствующих а-частиц углерода/кислорода и его применение для оценки маломощных пластов, НТВ «КАРОТАЖНИК», Выпуск 12-13 (125-126), Тверь, 2004, с.257-265.4. Qu Xiancai, Ding Xijin, Li Huazhang, Wu Liping, Jiang Shilian. A logging tool for spectrometry of concomitant a-particles of carbon / oxygen and its use for evaluating low-power formations, NTV KAROTAZHNIK, Issue 12-13 (125-126), Tver, 2004, pp. 257-265.

5. Патент Китая №1047237, МПК E21B 47/00, по заявке №93109244, 1995.5. Chinese patent No. 1047237, IPC E21B 47/00, according to the application No. 93109244, 1995.

6. Патент РФ №2256200, МПК G01V 5/10.6. RF patent №2256200, IPC G01V 5/10.

7. Е.Rhodes, С.Е.Dickerman, A.DeVolpi, C.W.Peters. APSTNG: Radiation Interrogation for Verification of Chemical and Nuclear Weapons, IEEE Trans. Nucl. Science. 1992, vol.39, pp.1041-1045.7. E. Rhodes, C. E. Dickerman, A. DeVolpi, C.W. Peters. APSTNG: Radiation Interrogation for Verification of Chemical and Nuclear Weapons, IEEE Trans. Nucl. Science. 1992, vol. 39, pp. 1041-1045.

Claims

1. The method of neutron gamma-ray logging, including irradiation of the borehole medium with neutrons generated by a neutron generator with a built-in alpha particle detector, registration of alpha particles formed as a result of the reaction

and flying out of the target in the opposite direction to the fast neutron emission direction, registration of inelastic scattering gamma radiation induced by neutrons, characterized in that, in order to obtain information about the composition of the medium in the well, the quality of the casing, the thickness and composition of the clay cake, the size of the penetration zone of the borehole fluid and changes in the chemical composition occurring in it, as well as on the composition of unchanged rock in the far zone from the well, the size and location of the alpha particle detector in a neutron generator shouting in such a way that the controlled neutron emission cone had an expansion angle of 30 ° and was perpendicular to the axis of the downhole tool, the signal of the gamma-ray detector is recorded continuously in time using an analog-to-digital converter with a resolution of 0.1 ... 0.3 nanoseconds and continuously recorded in the microprocessor memory, which, when a pulse from an alpha particle appears from the alpha particle detector integrated in the generator, continues to record the signal of the gamma-ray detector for a predetermined time interval, at the end of which it determines It selects the presence of a pulse from a gamma-ray detector, its amplitude and arrival time relative to the moment of neutron production in a predetermined interval, selects pulses from gamma-quanta that coincide with the energies of unscattered gamma radiation of inelastic neutron scattering of elements Ca, Si, C, O, Fe Mg, Al, Ti, and S, forms time distributions from them, calculates the coordinates of the boundaries of the cylindrical zones surrounding the well, and the concentration of Ca, Si, C, O, Fe, Mg, Al, Ti, and S elements in them by selecting parameters in advance predetermined near-wellbore model transtva to best match with the results of the measured time distributions.

2. A device for neutron gamma-ray logging, including a downhole tool having a neutron generator with a built-in alpha-particle detector connected in series with the corresponding amplifier, a gamma-ray detector connected in series with the corresponding amplifier, characterized in that the device contains an analog-to-digital converter connected to an amplifier of a gamma-quantum detector with an input, a microprocessor, a first input connected to an analog-to-digital converter output, a second input connected to an output m amplifier alpha-particle detector, and an outlet connected to an indicator and an integrated neutron generator alpha particle detector is so controlled that the neutron emission cone has a divergence angle of 30 ° and perpendicular to the downhole tool axis.