Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов и аппаратных средств измерения среднего времени жизни тепловых нейтронов при каротаже газонефтяных скважин
1.1 Характеристика параметра среднего времени жизни тепловых нейтронов как объекта измерения 12
1.2 Требования, предъявляемые к аппаратным средствам измерения среднего времени жизни тепловых нейтронов 23
1.3 Аналитический обзор технических возможностей аппаратуры использующих управляемый источник быстрых нейтронов для каротажа газонефтяных скважин 31
1.4 Обзор существующих моделей излучателей нейтронов 43
1.5 Вакуумные ускорительные трубки 52
Результаты и выводы по главе 1. Постановка задачи исследования 59
Глава 2. Создание математической модели, поиск и исследование оптимального режима работы устройства импульсного излучения быстрых нейтронов
2.1 Структурная схема устройства управления зарядом накопительной емкости 61
2.2 Математическая модель работы зарядного устройства при неизменной и переменной скважности заполнения ШИМ 69
2.3 Математическая модель оптимального процесса зарядки емкостного накопителя 77
2.4 Задача расчета силового трансформатора 86
2.5 Управляемые разрядные устройства 89
2.6 Датчик импульсного тока 96
Результаты и выводы по главе 2 103
Глава 3. Система регистрации ионизирующего излучения
3.1 Вопросы линейности тракта регистрации ионизирующего излучения 104
3.2 Блок схема алгоритма работы микроЭВМ 115
3.3 Вспомогательные системы регистрации 119
3.3.1 Схема питания фотоэлектронного умножителя 119
3.3.2 Высокостабильный источник питания фотоэлектронных умножителей 122
3.4 Экспериментальные характеристики регистрирующей системы 128
Результаты и выводы по главе 3 135
Глава 4. Математическое и метрологическое обеспечение измерительной системы регистрирующее нестационарное поле гамма-квантов
4.1 Классическая физическая модель импульсно нейтронного гамма - каротажа 136
4.2 Пространственно-временное распределение гамма-квантов радиационного захвата в однородной среде 137
4.3 Алгоритм определения среднего времени жизни тепловых нейтронов
в горной породе исходя из временного спектра нестационарного поля гамма - квантов 139
4.4 Устройство по поверке функции преобразования генератора нейтронов 143
4.5 Оценка погрешности генератора нейтронов 148
Результаты и выводы по главе 4 155
Основные результаты и выводы диссертации 156
Список использованной литературы 158
- Требования, предъявляемые к аппаратным средствам измерения среднего времени жизни тепловых нейтронов
- Математическая модель работы зарядного устройства при неизменной и переменной скважности заполнения ШИМ
- Блок схема алгоритма работы микроЭВМ
- Пространственно-временное распределение гамма-квантов радиационного захвата в однородной среде
Введение к работе
Задача создания геофизической аппаратуры, способной решать задачи по доразведки запасов углеводородов при выработке газонефтяных месторождений, является в нашей стране весьма важной. Из всего спектра выпускавшейся и разрабатываемой в настоящее время аппаратуры наиболее выделяется группа для исследования газонефтяных скважин с помощью нейтронных методов, используя при этом управляемый источник быстрых нейтронов. Наиболее ценным представляется импульсно нейтронный - гамма каротаж (ИНГК), реализация которого в виде аппаратно — программного комплекса, позволяет реализовать по сути четыре метода:
импульсно нейтронный - гамма каротаж (ИНГК);
гамма — каротаж естественной активности горных пород (ГК); -кислорода наведенной активности метод (КНАМ);
метод прямого деления урана.
С внедрением на месторождениях интенсивных методов разработки с искусственным поддержанием пластового давления за счет законтурного и внутриконтурного заводнения первостепенное значение приобретают вопросы контроля и регулирования процессов разработки.
Из многочисленных задач контроля за разработкой можно выделить два основных вопроса:
- Контроль за участием в разработке продуктивных пластов нефтегазовых
месторождений (контроль за выработкой);
- Контроль за обводнением залежей.
Решение этих вопросов осуществляется на основе комплекса промыслово-геофизических и геолого-промысловых исследований и наблюдений. Методы ИНГК, КНАМ, ГК в комплексе позволяют выделять обводненные пласты, а в отдельных случаях интервалы обводнения в продуктивных пластах, наблюдать за подъемом водо-нефтяного контакта, определять коэффициент остаточной нефтенасыщенности, успешно применяются при обнаружении заколонных перетоков. Отличительной
особенностью проектируемой аппаратуры ИГН1-36М является малый диаметр (36 мм), что позволяет работать в насосно - компрессорных трубах (НКТ) и межтрубном пространстве. Работа аппаратуры осуществляется с одножильным каротажным кабелем, что позволяет работать на газонефтяных скважинах с давлением на устье через лубрикатор.
Выделим проблемы, возникшие при создании предыдущего поколения данного типа аппаратуры, и не нашедшие разрешения на стадии проектирования:
высокие рабочие температуры и отсутствие жидких диэлектриков с высоким пробивным напряжением не давали возможность создавать разработчикам надежные, бара-температуро стойкие, обладающие большой временной стабильностью системы управления нейтронной трубкой;
построение зарядного устройства, работающего на нелинейную нагрузку (конденсатор) в момент его разрядки, приводило к низкому КПД и большой потребляемой пиковой мощности, делая невозможным создание аппаратуры, работающей на одножильный каротажный кабель;
отсутствие микропроцессорного устройства для регистрации импульсов и нестабильное "мертвое время" тракта регистрации приводило к существенным погрешностям вычисляемых параметров (в частности среднего времени жизни тепловых нейтронов в горной породе - т, коэффициента нефтенасыщенности - К„, коэффициента пористости Кп и т.д.) сводя на нет достоинства метода;
плохой машинный анализ и отсутствие «интеллектуальных» алгоритмов расчета перечисленных выше параметров не позволяло связать в единое целое подземную аппаратуру (подземный снаряд), наземное оборудование и программное обеспечение, что крайне негативно сказывалось на процессе каротажа в целом.
На современном этапе развития технологии производства жидких и твердых диэлектриков, новой элементной базы стало возможным создание геофизической аппаратуры для контроля за разработкой газонефтяных месторождений с использованием управляемого источника быстрых нейтронов нового поколения.
При этом надежность системы управления нейтронной трубкой будет достигаться не только за счет использования новейших диэлектрических материалов, но и структурными методами. При этом необходимо найти оптимальные режимы зарядки конденсатора (нелинейной нагрузки) с тем условием, чтобы потребляемая мощность от каротажного кабеля была постоянна. Это необходимое условие для передачи информации по одножильному каротажному кабелю без ошибок при воздействии импульсной помехи.
Необходимо провести исследования регистрирующих систем гамма-квантов с фиксированным "мертвым временем" с тем, чтобы вводить соответствующие поправки в алгоритмы расчета приведенных выше параметров. Созданные автоматизированные комплексы для геофизических исследований газонефтяных скважин ведут обработку информации в реальном времени. Поэтому алгоритмы обработки и вычисления среднего времени жизни тепловых нейтронов в горной породе - т, коэффициента нефтенасыщенности — Кн, коэффициента пористости Кп должны обладать устойчивостью к ошибочным данным, иметь «интеллектуальные» свойства по выбору поправки в зависимости от поступающих данных с подземной аппаратуры.
Особенно актуально стоит проблема калибровки, поверки и проверки аппаратуры и программного обеспечения без использования радиоактивных источников. При этом «виртуальный» измеряемый параметр может варьироваться во всем динамическом диапазоне (20..700 мкс), что практически невозможно с использованием стандартных моделей пластов. Окончательную поверку аппаратуры проводят в контрольных точках с помощью моделей пласта, что является мировой практикой.
При решение перечисленных выше проблем следует, прежде всего опираться на математические модели известных зарядных устройств, необходимо отыскать пути реализации условий оптимальных условий заряда накопителя энергии (конденсатора). Необходимо найти схемотехнические решения, которые позволяют
фиксировать "мертвое время" тракта регистрации, расширение научной базы относительно развития высокостабильных устройств питания фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) с возможностью корректировки чувствительности ФЭУ в зависимости от влияния от температуры. Создание «интеллектуального» алгоритма с возможностью введения поправки в момент расчета параметров и приведенные выше решения автора позволят создать платформу для развития, проектирования и внедрения аппаратуры нового поколения на уровне лучших мировых образцов.
Целью данной работы является развитие теории управляемых излучателей быстрых нейтронов, которые предназначены для использования в новом поколении малогабаритной одножильной аппаратуры (ИГН1-36М), пригодной для проведения ИНГК в газонефтяных скважинах; усовершенствование и повышение эффективности технических решений и узлов, которые позволяют повысит эффективность данной аппаратуры, а также развитие научно обоснованных методов их анализа и расчета. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести сравнительный анализ существующих излучателей быстрых нейтронов, сформулировать основные требования, предъявляемые к данным системам, а также к аппаратуре нового поколения ИНГК, которая работает на их основе, определить направление исследований, обосновать целесообразность в разработке функциональных узлов, которые войдут в состав данной аппаратуры.
Предложить и исследовать систему защиты силовых и высоковольтных цепей блока излучателя быстрых нейтронов.
Обосновать целесообразность создания высокоэффективной системы питания датчика гамма-квантов, которая имеет лучшие динамические характеристики и повышенный КПД, по сравнению с аналогичными системами предыдущего поколения, позволяет обеспечить автоматическую коррекцию изменения чувствительности датчика.
Обосновать и разработать способы и пути, позволяющие уменьшить "мертвое время" регистрации гамма-квантов (до 1.5 мкс).
5. Предложить новый адаптивный алгоритм с элементами интеллекта, который
позволит производить расчет среднего времени жизни тепловых нейтронов на двух
зондах с возможностью минимизации погрешности измерения.
6. Разработать структуры и схемы устройств для экспериментальных
исследований регистрирующего тракта аппаратуры ИГН1-36М, принципиально не
использующих источник импульсного радиоактивного излучения.
Экспериментально оценить технические параметры разработанных систем с целью использования их в составе аппаратуры нового поколения (ИГН1-36М), представить возможности и пути технической реализации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы математического моделирования, методы теории дифференциального и интегрального исчисления, теории вероятностей и математической статистики, теории магнитного поля, теории анализа переходных процессов в линейных электрических цепях, методы аппроксимации экспериментальных зависимостей, моделирование на ПЭВМ с использованием пакета символьной математики Mathlab, среды программирования Turbo Pascal.
На защиту выносятся:
Предложенные пути и методы защиты и управления нейтронной трубкой.
Уточненная математическая модель для моделирования и расчета инвертора, потребляющего постоянную мощность от каротажного кабеля при работе на емкостную нагрузку.
Адаптивный алгоритм вычисления средней времени жизни тепловых нейтронов в горной породе на двух зондах, позволяющий автоматически минимизировать погрешность вычисляемого параметра.
Предложенная методика экспериментального исследования регистрирующего тракта аппаратуры ИГН1-36М, при реализации которой не используется источник радиоактивного излучения.
Научной новизной обладают:
Предложена новая система управления нейтронной трубкой, предназначенная для использования в аппаратуре ИНГК (патент РФ на изобретение, №2229751). Отличительной особенностью предложенной системы от известных систем управления является ограничение зарядного напряжения на накопительной емкости вне зависимости от работы искрового разрядника.
Представлена уточненная математическая модель для моделирования и расчета системы заряда емкости при постоянной потребляемой мощности от каротажного кабеля, отличающаяся тем, что в ней учтены временные параметры затухания плазмы в газоразрядном разряднике.
Предложен и научно обоснован адаптивный алгоритм вычисления средней времени жизни тепловых нейтронов на двух зондах, позволяющий автоматически минимизировать погрешность вычисления данного параметра. Установлены область и границы применения данного алгоритма. Разработана методика приближенного анализа результатов работы алгоритма.
Научно обоснован метод экспериментального исследования регистрирующего тракта аппаратуры ИГН1-36М, принципиально не использующий источник импульсного радиоактивного излучения.
Практическую ценность работы составляют:
разработанная конструкция генератора нейтронов нового поколения;
разработанная система защиты излучателя нейтронов от перенапряжения и оптимального заряда накопительной емкости;
устройство экспериментального исследования регистрирующего тракта аппаратуры ИГН1-36М, в котором отсутствует источник радиоактивного излучения.
Практическая ценность результатов работы подтверждается актами внедрения [87].
Требования, предъявляемые к аппаратным средствам измерения среднего времени жизни тепловых нейтронов
Основными техническими параметрами, которые зависят от условий эксплуатации, являются максимальная рабочая температура, наибольшее гидростатическое давление и диаметр скважинного прибора [68].
Для определения этих параметров были проанализированы геолого-промысловые условия, а так же состояние и перспективы развития эксплуатационного фонда скважин в основных нефтяных районах нашей страны: Башкирии, Татарии и Западной Сибири [56]. При этом предполагалось, что задачи доразведки будут решаться путем проведения исследований импульсно -нейтронными методами в слабоизученных горизонтах разреза в эксплуатационном фонде скважин. Результаты анализа приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что пластовое давление не превышает 30 МПа, а максимальная температура на забое скважин 100 С. Согласно ГОСТ 26116-84 при таких забойных условиях разрабатываемый генератора нейтронов должен быть отнесен к подгруппе КС4-3.
Основным способом эксплуатации нефтяных месторождений Башкирии и Татарии в настоящее время является глубинно-насосный, причем, примерно 80 % эксплуатационных скважин оборудовано штанговыми глубинными насосами (ШГН), и только (15-17)% электропогружными насосами (ЭПН). Объем фонтанирующих скважин от общего эксплуатационного фонда составляет не более 3 % [56]. В связи с этим, первостепенной задачей для этих районов является разработка такого генератора нейтронов, габариты которого позволят проводить спуско-подъемные операции через межтрубное пространство.
Как показала практика, при правильной реконструкции приема штангового насоса и планшайбы, спуско-подъемные операции скважинного прибора можно проводить без осложнений, если зазор между обсадной колонной и муфтой насосно - компрессорных (НК) труб превышает номинальный диаметр глубинного прибора на 10 мм [56].
Применение на нефтяных месторождениях Башкирии и Татарии при оборудовании скважин не однотипных по диаметру НК труб и обсадных колонн привело к относительно большому количеству их сочетаний. В связи с этим создание универсального скважинного прибора, пригодного для исследования всего фонда глубиннонасосных скважин практически невозможно. Для выбора оптимального диаметра генератора нейтронов был проведен анализ конструкций примерно по 2000 случайно выбранным скважинам, результаты которого приведены в таблице 2 [56].
Режим работы детекторов следующие. Работа первых двух детекторов идентична, т.е. в течение пяти - шести мс после нейтронной вспышки регистрируется поток гамма-квантов с энергией 3 МэВ (режим КНАМ). При выключенном излучателе оба детектора находятся в режиме ГК, порог регистрации естественного гамма-излучения 50 кэВ. Третий детектор в течение всего времени, независимо от того включен или не включен излучатель, регистрирует гамма-излучение с энергией 50 кэВ. Такой режим выбран из следующих соображений. Поскольку длина зонда относительно большая (2000 мм), влияние гамма-квантов радиационного захвата на третий детектор практически будет нулевое, а регистрация интенсивности гамма-квантов наведенной активности при низком пороге регистрации будет проходить с меньшей статистической ошибкой. Гамма-кванты естественного гамма-излучения при измерении по точке являются постоянной составляюшей ошибки измерений и легко учитываются. - Относительная приведенная погрешность измерения параметра т не более 2 %. - Скорость записи кривых ИНГК не выше 120 м/ч . - Величина выхода нейтронов не менее 3 10 н/с (согласно паспорту предприятия изготовителя нейтронной трубки ТНТ1415). Данные параметры обусловлены опытом использования предыдущих поколений данной аппаратуры и являются компромиссными с точки зрения точности и скорости ведения каротажа. - Аппаратура должена эксплуатироваться с каротажным подъемником, оснащенным одножильным бронированным геофизическим кабелем длиной до 4000 метров в комплексе с каротажной станцией, укомплектованной каротажным регистратором типа «Гектор» или «Вулкан» фирмы «Эликом». Аппаратура предназначена для: - генерирования нейтронов в импульсном режиме; - регистрации изменения интенсивности гамма-излучения; - регистрации гамма - квантов радиационного захвата на двух зондах по показаниям каналов импульсного нейтронного гамма-каротажа; - активации ядер кислорода, входящего в состав горных пород; - регистрации активности кислорода на трех зондах по показаниям каналов кислородного нейтронного активационного метода; - регистрации изменения интенсивности естественного гамма-излучения горных пород по показаниям трех каналов гамма - каротажа. Геолого-технические задачи, решаемые с помощью данной аппаратуры: - оценка характера насыщения коллекторов; - литологическое расчленение разреза скважины; - определение интервалов поглощения и поступления воды; - оценка коллекторских свойств горных пород; - привязка к разрезу скважины.
Математическая модель работы зарядного устройства при неизменной и переменной скважности заполнения ШИМ
Пример управляющего сигнала при постоянном коэффициенте заполнения y=const и значении коэффициента как функция напряжения на накопителе у =F(Uc) Для случая работы зарядного устройства с неизменной скважностью параметр у равен: где to— время, в течение которого ключ активен; tm — "мертвое время" работы ключа (введено с целью не прохождения сквозных токов через оба ключа); Т- период работы ключа. G(p) - функция заполнения ШИМ, в данном случае G(t)=const (G(p)=C/p); С - константа выбранная исходя нормирования постоянной составляющей заполнения ШИМ модуляции.
Однако этот путь зарядки накопителя не является оптимальным. На начальном этапе зарядки преобразователь испытывает значительные перегрузки, так как разряженная емкость представляет собой большую нагрузку (практически короткое замыкание). В конце заряда мощность, обеспечиваемая преобразователем, тратится впустую, так как заряд в емкости практически накоплен. Наиболее интересен случай, когда скважность работы преобразователя меняется по определенному закону.
При осуществлении оптимальных по некоторому критерию зарядных режимов необходимо изменять зарядный ток по некоторому закону, отличающемуся от закона стабилизации зарядного тока. При этом необходимый режим реализуется за счет изменения коэффициента заполнения импульсного цикла ТФУ. Необходимую зависимость изменения коэффициента заполнения можно при этом реализовать как функцию напряжения.
Рассмотрим процессы в ТФУ для случая, когда коэффициент заполнения изменяется так чтобы мощность, потребляемая инвертором от каротажного кабеля в течение цикла, была постоянна. Однако при таком подходе существует ограничения, которые задают границы, в которых такой инвертор может быть физически реализован. В данном случае ограничения следующие: Индукция в сердечнике не должна превышать 0.5 Тл. (В 0.5 Тл. Иначе сердечник войдет в насыщение.) Напряжение питания инвертора равно 200 В. Габаритные размеры сердечника (они ограничены конечными размерами аппаратуры (в нашем случае это цилиндр диаметром 27 мм.)). Напряжение на выходе инвертора должно быть 4000 В при среднем токе заряда 8 мА.
Характер изменения потребляемой мощности инвертором напряжения при емкостной нагрузке Коэффициент заполнения у должен изменятся по закону обратному, представленному выражению (2.14). Таким образом, зададим коэффициент заполнения у равным:
Уравнению (2.16) соответствует схема, приведенная на рис. 2.8: Моделью для управления коэффициентом заполнения ШИМ служит конденсатор, напряжение на котором изменяется, так же как и функция 2.17 (рис. 2.8 - 4). У = Гмакс. ЄХР(- « 2 )+ Гмш,.» (2.17) где уМакс - максимальное значение скважности управляющего сигнала; умин -минимально необходимое значение скважности сигнала для выполнения условия непрерывности тока в зарядном контуре; а — коэффициент, учитывающий степень "крутизны" колоколо образного сигнала.
На рис. 2.8 а) показаны изменения тока и напряжения зарядки накопительного конденсатора при "неконтролируемом" процессе зарядки. В данном случае ток ограничивается только комплексным сопротивлением контура зарядки конденсатора. При управлении длительностью перезарядки каждого периода дозирующего конденсатора, согласно закону (2.17), как показано на рис. 2.8 б), ситуация изменяется. При этом ток зарядки постоянен, напряжение на накопителе непрерывно линейно возрастает, рис. 2.8 в).
Схема работает следующим образом. Сигнал пилообразной формы, который вырабатывается генератором, входящим в состав ШИМ контроллера, сравнивается с напряжением на конденсаторе С1. По мере зарядки данного конденсатора (рис.2.9) изменяется коэффициент заполнения у, который и определяет время открытия силовых транзисторов, следовательно, и ток в нагрузке. Путем подбора сопротивления R1,R2 скважность регулируется таким образом, чтобы нагрузка во время заряда потребляла постоянную мощность. В конце заряда емкости С скважность необходимо вновь снижать, так как мощность которая развивается в данный момент не нужна - емкость заряжена. В данный момент начинает работать блок коррекции заряда. Когда емкость полностью заряжена, силовые транзисторы выключаются, поступает импульс запуска разрядника. В этот момент происходит разряд емкости через датчик разряда емкости и излучатель нейтронов. С датчика разряда емкости поступает сигнал управления на базу транзистора VT1, который разряжает конденсатор и далее процесс зарядки повторяется.
Одним из действенных способов увеличения КПД заряда накопительной емкости является регулирование выходного напряжения в течении зарядного цикла. Найдем условия, при которых может быть осуществлен наивыгоднейший режим заряда для простейшей зарядной цепи RC, изображенной на рис. 2.6 при фиксированном времени заряда t3. Задача сводится к отысканию оптимальной формы кривой изменения входного напряжения, при котором потери в омическом сопротивлении зарядной цепи оказываются минимальными, и является вариационной задачей о минимуме функционала [96].
Блок схема алгоритма работы микроЭВМ
Рассмотрим блок схему алгоритму микроЭВМ, согласно которой микроЭВМ организует работу блока сбора, обработки и вывода информации. Данная схема представлена на рис. 3.9 Начало Настройка таймер - счетчиков и регистров специального назначения микроЭВМ нет Подано напряжение на излучатель юйтронов Задать количество временных окон 30 переключить мультиплексор в режим ИНГК Настройка таймера-счетчика в режим счета внешних событий, разрешить внешнее прерывание. Проверка условия режима излучения Режим ИНГК. Программная задержка U =100 мкс Опросить 1, 2, 3 таймер-счетчик Занести информацию в оперативную память микроЭВМ Программная задержка на время t3 =100 мкс. Микропроцессор опрашивает 1, 2, 3 таймер — счетчик. Занести значение 1,2,3 таймера-счетчика в соответствующую ячейку микроЭВМ. 116 Уменьшить количество временных окон на единицу нет Количество временных окон равнее нулю Уменьшить количество временных окон на единицу. Условие при котором оканчивается режим измерения ИНГК. Да Программная задержка t3 =2.5 мс Опросить 1,2,3 таймер-счетчик Занести информацию в оперативную память микроЭВМ Программная задержка на время t3 =2.5 мс необходимая для счета фона наведенной активности и естественного фона гамма — квантов горной породы Переключить мультиплексор в режим излучения КНАМ шифрование и вывод информации из операционной памяти микроЭВМ
Данное время используется также для счета жесткого гамма-излучения КНАМ — 1, 2 таймер - счетчик, гамма — квантов естественного фона горных пород третий таймер — счетчик. В случае отсутствия напряжения на излучателе нейтронов идет регистрация естественного гамма — фона горных пород, с 1,2,3 таймера — счетчика.
Выполнять пустой цикл до «сброса», конец основной программы. Для увеличения надежности работы регистрирующей системы генератора нейтронов необходимо, чтобы информация, которая была получена в цикле измерения, полностью выводилась в наземную аппаратуру. Данное обстоятельство связано с возникновением мощной помехи по информационным и питающим цепям во время запуска излучателя нейтронов, поэтому в новом цикле измерения, до запуска излучателя нейтронов, блок мультивибраторов вырабатывает специальный сигнал прерывания по которому микроЭВМ входит в прерывание и выводит оставшуюся информацию.
Конец Рис. 3.10 Блок - схема алгоритма обработки прерывания микроЭВМ Программное шифрование информации происходит в помехоустойчивом коде «Манчестер -II». Ввиду наличия свободного машинного времени процессор микроЭВМ формирует противофазный код программным методом. Применявшаяся ранее для данных целей микросхема КР588ВГ6 обладала следующими недостатками и поэтому была исключена: - большая потребляемая мощность; повышенная универсальность (многие функции микросхемы просто не использовались); - сложность схематического обеспечения; - большие габариты.
Рабочее напряжение на диноды умножителя, как правило, подается от высокоомного делителя. Рассмотрим работу такого делителя. При стационарной работе, когда фотокатод слабо освещен, так что катодный ток постоянен: IK=const (рис.3.11). При интенсивности света 1К==0 и весь ток 1п течет по цепи делителя.
Это значительно понижает разность потенциалов А-Дп, Дп-Дп-і, особенно в верхней части делителя. Полное напряжение Un остается постоянным, поэтому напряжение между динодами в нижней части схемы увеличиваться. Возрастание усиления при этом покрывает потери усиления в верхних секциях.
Величина анодного сопротивления Ra не критична, так как разность потенциалов А-Д„ несущественно влияет на усиление. Однако должно выполняться соотношения RaIa RnIn. Большое значение Ra может отрицательно влиять на линейность характеристики фотоумножителя.
В импульсном режиме соотношение 1п»1а и RaIa«RnIn сохраняются, причем 1а - средний анодный ток. Для того что бы распределение напряжений, а следовательно, и усиление не изменилось при прохождении импульсов тока с большой амплитудой, последние динодные секции блокируются емкостями Сп, Сп-1 и так далее.
Источник питания ФЭУ применявшийся в аппаратуре ИГН-3-36-120/40 предназначен для питания двух ФЭУ напряжением от 1800 до 2200 вольт в зависимости от точки плато ФЭУ. Потребляемый суммарный ток ФЭУ составлял примерно 1.6 мА. Напряжение корректировалось с помощью обратной связи. Напряжение сравнивалось с источником опорного напряжения, разность напряжений усиливалась и после токовой развязки, в качестве которой выступает буферный каскад, поступала на высоковольтный трансформатор. Генератор управляет силовыми ключами и превращает управляющее постоянное напряжение в переменное, которое, трансформируясь в высоковольтном трансформаторе, выпрямлялось, фильтровалось и поступало на вход делителя ФЭУ. Система настроена таким образом, что постоянно «следит» за выходным напряжением, постоянно держа баланс. Принципиальная электрическая схема системы изображена на рис. 3.13. Кроме того, в данной системе есть корректировка усиления ФЭУ в зависимости от окружающей температуры. При повышении температуры коэффициент усиления ФЭУ падает. В систему введена цепочка, состоящая из диодов VD1,VD2, и резисторов R4, R5, которые ограничивают ток диодов. При комнатной температуре падение напряжения на диодах небольшое, но по мере увеличения внешней температуры падение напряжения на кремниевых диодах возрастает, что приводит к увеличению питания ФЭУ таким образом, что коэффициент усиления ФЭУ остается примерно одинаковым вне зависимости от температуры. Наряду с простотой система обладала следующими недостатками: - колебательный переходной процесс; - большую постоянную времени регулирования тр (определялась в основном xp=(Rl...R8)Cl, рис.3.13 и равнялась 6 секундам.).
С целью уменьшения времени регулирования Тр и создания апериодического переходного процесса автоматической системы регулирования блока питания ФЭУ, был предложен другой вариант схемного решения. Структурная схема предложенного варианта изображена на рис. 3.14. Идея метода состоит в том, что усилительный элемент (в качестве него выступает операционный усилитель) включен в схему инвертирующего усилителя. Коэффициент преобразователя напряжение - ток (в качестве него выступает высокоомный резистор) можно сделать довольно большим, а так как паразитная емкость дифференциального каскада операционного усилителя сравнительно небольшая (15 пФ) [102], то постоянная времени RC резко уменьшается.
Пространственно-временное распределение гамма-квантов радиационного захвата в однородной среде
Если считать, что излучение гамма-квантов радиационного захвата изотропно, то интенсивность гамма - излучения Nr(r,t) в точке однородной бесконечной среды, удаленной на расстояние г от импульсного источника быстрых нейтронов, находящегося в начале координат, через время t после импульса описывается выражением [1]: Ny(r,t) = -\dV \dE\dElNn(r,t)q{r ,r,El,Er)i{Er), (4.1) где q(r ,r,E,Ey) - вероятность того, что гамма-квант, возникший в элементарном объеме dV , определяемом координатой г , и имевший энергию Е достигнет точки г , имея энергию Е ; Nn(r,t) пространственно-временное распределение медленных нейтронов в момент их взаимодействия с ядрами среды, приводящего к испусканию гамма-квантов; i(E) - энергетический спектр гамма-излучения, возникающего при захвате нейтронов всеми ядрами среды; т - среднее время жизни тепловых нейтронов в среде.
Задача определения параметра тпласта исходя из данных временного спада нестационарного поля гамма-квантов является некорректной [85]. Очевидно, что предложенное выше точное математическое решение задачи не дает практических результатов, так как на результат влияют сразу несколько независимых факторов (геометрия эксперимента, состояние колонны и цементного кольца, сложность состава горных пород). Поэтому, для определения параметра тплаСта с приемлемой точностью необходимо применять различные подходы. Далее будет представлен алгоритм определения параметра тПЛаста по реальным временным спадам нестационарного поля гамма квантов.
Процесс измерения средней времени жизни тепловых нейтронов при импульсно нейтронном - гамма каротаже Опишем алгоритм определения параметра тпласта исходя из временных спектров нестационарного поля гамма-квантов. При данном измерении, начиная с момента времени t=0 (рис.4.2), микропроцессор фиксирует поступающие импульсы счетчиком внешних событий во временных окнах К;, где і - число дифференциальных окон (в нашем случае 30), также измеряет текущий естественный радиоактивный фон горной породы в окне Кф. Каждое дифференциальное окно имеет длительность 100 мкс, временное окно естественного фона 2500 мкс.
Для уменьшения шума в дифференциальных измерительных окнах было использовано то обстоятельство, что при дифференцировании или интегрировании экспоненциальной функции аргумент функции не меняется. Поэтому был применен следующий способ: значение отдельных окон складывались по следующему алгоритму: - необходимо найти номер окна, в котором количество импульсов превышает фон, то есть j є(/ = 1...30) при котором KjK 0, причем из-за флуктуации необходимо проверить условие, при котором при уменьшении j KjK должно непрерывно возрастать.
Сложность аппаратурного комплекса и неоднозначность определения среднего времени жизни тепловых нейтронов в горной породе вызывают к необходимости нормирования функции преобразования тракта аппаратурного комплекса и алгоритмов обработки программного обеспечения. Имеется несколько подходов к решению данной проблемы. Отметим два: - Изготовление моделей пластов с точно известными нейтронными параметрами и моделирование ситуации в дальнейшем широко известным методом Монте-Карло [1,2]; - Эмулирование реального сигнала, поступающего с фотоэлектронного умножителя с точно известными параметрами.
Оба методы имеют свои достоинства и недостатки. Изготовление моделей пластов с точно известными нейтронными свойствами связано с большими экономическими затратами, ограниченностью применения, большими затратами машинного времени, которым страдает метод Монте-Карло [1, 2]. Охватить полный диапазон измерения генератора нейтронов 100 дс (глины)...650 JIC (известняки) не представляется возможным. Здесь же возникают проблемы с влиянием на показания прибора скважины и скважинной жидкости, осолонёности цементного кольца.
Однако данный подход предполагает точное решение для конкретной рассматриваемой ситуации. Развитие данного направления позволит однозначно определять и нормировать передаточную функцию генератора нейтронов.
Второй вариант позволит в лабораторных условиях с достаточной точностью (±10%) нормировать и анализировать функцию преобразования аппаратуры при воздействии различных факторов (температуры в первую очередь). Однако существенным недостатком данного метода является исключение первичного преобразователя из схемы эксперимента. Оценку влияния воздействующих факторов на функцию преобразования датчика (как правило, оптическая система сцинтилляционного кристалла и фотоэлектронного умножителя) производят непосредственно на полигоне с аттестационными образцами и с излучением быстрых нейтронов.
Таким образом, с созданием данного устройства значительно расширяются возможности по настройке, нормированию передаточной функции генератора нейтронов, опробования элементов тракта регистрации при воздействии различных факторов. Изменяя характеристики как основного сигнала, так и скважинной компоненты, позволят реализовать более гибкие алгоритмы обработки и настроить программное обеспечение к конкретному образцу аппаратуры.
Устройство по поверке и нормированию функции преобразования генератора нейтронов Таким образом, экспоненциальный разряд конденсатора эмулирует нестационарное поле гамма-квантов в скважине с постоянной разряда равной Ti=RiCi и в пласте с постоянной разряда равной X2=R2C2- Аналоговые сигналы соответствующего каскада поступают на сумматор, где происходит их суммирование, диаграмма 5. Так как регистрирующая система у генератора нейтронов предназначена для подсчета импульсов, необходимо преобразовать аналоговый сигнал в эквивалентную ему частоту. Эту функцию выполняет преобразователь напряжение — частота.
