Результат интеллектуальной деятельности: СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ГАММА-ГАММА КАРОТАЖА

Изобретение относится к области геофизических исследований параметров пластов и технического состояния скважин методом гамма-гамма каротажа и может быть использовано в каротажных устройствах, предназначенных для контроля толщины стенок обсадной колонны скважины, а также измерения плотности цементного камня вокруг нее.

Известно «Устройство для определения плотности и эффективного атомного номера горных пород» [Инструкция по проведению литолого-плотностного гамма-гамма каротажа аппаратурой СГПЛ и обработке результатов измерений, МИ 41-17-1402-04, Тверь, 2004 г. http://www.karotazh.ru/sites/default/files/files/instr_sgpl.pdf Аналог.

Данное устройство состоит из охранного корпуса, в котором расположен источник гамма-квантов Cs-137 активностью 1⋅10¹⁰ Бк, три последовательно расположенных детектора и система телеметрии для передачи данных на поверхность.

В корпусе напротив источника и детекторов выполнены коллимационные отверстия, оставшееся пространство между источником, детекторами и корпусом прибора заполнено свинцовым экраном. Прибор снабжен прижимным устройством, обеспечивающим прижим прибора со стороны коллимационных окон к стенке скважины. Ближний и дальний зонды обеспечивают регистрацию жесткой части спектра гамма-излучения, средний зонд регистрирует полный спектр. На поверхности информационные сигналы регистрируются и обрабатываются по известным алгоритмам, позволяющим определить плотность и эффективный атомный номер горных пород.

Недостатком аналога является то, что он предназначен для работы только в необсаженных скважинах и не предназначен для контроля толщины стенок обсадной колонны скважины, а также плотности цементного камня вокруг нее.

Известно «Устройство для измерения плотности горной породы в скважине с набором детекторов для компенсации неровностей поверхности скважины и наклона устройства», которое содержит гамма-источник, первый близко расположенный гамма-детектор, второй близко расположенный гамма-детектор, по крайней мере, один гамма-детектор, расположенный на большем расстоянии по оси устройства от источника гамма-квантов. Патент США №5530243, МПК: G01V 5/12. 1996 г. Аналог.

Недостатком аналога является то, что он предназначен для работы только в необсаженных скважинах и не предназначен для контроля толщины стенок обсадной колонны скважины, а также плотности цементного камня вокруг нее.

В процессе эксплуатации месторождений очень важна информация о состоянии обсадной колонны и качества ее цементирования. Наиболее близким техническим средством для решения этой задачи является скважинная аппаратура гамма-гамма каротажа СГДТ-НВ (скважинный гамма-дефектомер-толщиномер - новая версия), определяющая толщину стенки обсадной колонны и плотность цементного камня [http://www.topneftegaz.ru/catalogue/product/view/1180978, каталог (продукция), классификатор, «Гамма-плотномер-толщиномер скважинный (цифровой вариант) СГДТ-НВ»; http://www.text.tr200.biz/referat_geologija/?referat=540064, Реферат: «Геофизические методы исследования скважин и скважинная аппаратура»] Прототип.

Устройство прототипа поясняется на Фиг. 1. Устройство содержит охранный корпус 1, в котором расположены источник гамма-квантов 2, малый зонд 3, выполненный из одного сцинтилляционного детектора, расположенного по оси прибора, большой зонд 4, выполненный из шести сцинтилляционных детекторов, расположенных в поперечном сечении прибора равномерно по окружности, детектор канала естественной гамма-активности (на фигуре 1 не показан), датчик угла пространственной ориентации прибора (на фигуре не показан), систему телеметрии для обработки и передачи данных на поверхность (на фиг. 1 не показана).

Свинцовый экран 5 обеспечивает направленность потока гамма-квантов, излучаемых источником гамма-квантов 2, а также рассеянного излучения, поступающего на малый 3 и большой 4 зонды с помощью коллимирующих отверстий 9.

Во время работы устройство перемещается вдоль оси скважины, находящейся в горной породе 8. Скважина обсажена стальной обсадной колонной 6. Пространство между обсадной колонной 6 и горной породой 8 зацементировано (заполнено цементным камнем 7).

Устройство на Фиг. 1 работает следующим образом.

Устройство, находящееся в охранном корпусе 1, помещают внутрь обсадной колонны 6 и перемещают вдоль ее оси. Гамма-излучение, выходящее из источника гамма-квантов 2, проходит через коллимационное отверстие 9 в свинцовом экране 5 и попадает в окружающую среду: стенку обсадной колонны 6, цементный камень 7 и горную породу 8, где рассеивается и поглощается. Возникающие при этом рассеянные гамма-кванты частично проходят через коллимирующие отверстия 9 в свинцовом экране 5, находящиеся перед детекторами малого 3 и большого 4 зондов, попадают на детекторы зондов, где регистрируются ими.

Интенсивность рассеянного гамма-излучения, регистрируемая малым зондом 3, в основном определяется толщиной стенки Н_к обсадной колонны 6. Интенсивность рассеянного гамма-излучения, регистрируемая детекторами большого зонда 4, определяется толщиной стенки Н_к обсадной колонны 6, плотностью R_цк цементного камня 7 и плотностью окружающей горной породы 8.

При интерпретации результатов измерений используется система из двух линейных уравнений (1):

где:

Н_к - толщина стенки обсадной колонны 6;

R_цк - плотность цементного камня 7;

А₁, А₂, В₁, В₂, С₁, С₂ - постоянные коэффициенты, определяемые по результатам калибровки аппаратуры;

J_мз, J_бз - интенсивности рассеянного гамма-излучения, регистрируемые детекторами малого 3 и большого 4 зондов соответственно.

Система уравнений (1) позволяет учитывать влияние толщины Н_к стенки обсадной колонны 6 на показания большого зонда 4. При этом сигнал, регистрируемый большим зондом J_бз, формируется также гамма-квантами, рассеянными в цементном камне 7 и породе 8. Разделить влияние плотности породы 8 и плотности цементного камня 7 на J_бз практически невозможно. Поэтому результатом решения системы уравнений (1) является толщина стенки колонны Н_к и «кажущаяся» плотность цементного камня R_цк.

Таким образом, недостатком прототипа является низкая точность измерения плотности цементного камня в обсаженных скважинах.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения плотности цементного камня в обсаженных скважинах.

Технический результат достигается тем, что скважинное устройство гамма-гамма каротажа, содержащее цилиндрический охранный корпус, цилиндрический экран, соосный с охранным корпусом и содержащий коллимирующие отверстия, находящиеся напротив источника гамма-квантов и гамма-детекторов, источник гамма-квантов, гамма-детекторы малого и большого зондов расположены внутри цилиндрического экрана последовательно вдоль оси охранного корпуса, причем малый зонд включает в себя один гамма-детектор, соосный с охранным корпусом и расположенный на расстоянии L₁≈20 см от источника гамма-квантов, а большой зонд включает в себя шесть гамма-детекторов, подобных детектору малого зонда и расположенных по ту же сторону от источника гамма-квантов, что и детектор малого зонда, равномерно в поперечном сечении охранного корпуса, на расстоянии L₂=2⋅L₁ по оси охранного корпуса от источника гамма-квантов, устройство содержит дополнительный зонд, включающий в себя шесть или более гамма-детекторов, подобных детектору малого зонда и расположенных в экране на расстоянии L₃≥3⋅L₁ по оси охранного корпуса от источника гамма-квантов по ту же сторону от источника гамма-квантов, что и детекторы большого зонда, равномерно в поперечном сечении охранного корпуса.

Сущность изобретения поясняется на Фиг. 2 и Диаграмме, где:

1 - охранный корпус;

2 - источник гамма-квантов;

3, 4 - малый и большой зонды рассеянного гамма-излучения;

5 - экран;

6 - обсадная колонна;

7 - цементный камень;

8 - горная порода;

9 - коллимирующие отверстия;

10 - дополнительный зонд рассеянного гамма-излучения;

L₁ - расстояние между источником гамма-квантов 2 и гамма-детектором малого зонда 3;

L₂ - расстояние между источником гамма-квантов 2 и гамма-детекторами большого зонда 4;

L₃ - расстояние между источником гамма-квантов 2 и гамма-детекторами дополнительного зонда 9;

11 - график изменения плотности ρ породы 8;

12 - границы допустимой погрешности измерения плотности цементного

камня 7;

13 - границы допустимой погрешности измерения толщины стенки обсадной колонны 6;

14, 15 - графики погрешности измерения ΔR_цк плотности цементного камня 7 и погрешности измерения ΔН_к толщины стенки обсадной колонны 6 аппаратурой гамма-гамма каротажа типа СГДТ-НВ с использованием стандартного двух зондового скважинного устройства;

16, 17 - графики погрешности измерения ΔR_цк плотности цементного камня 7 и погрешности измерения ΔН_к толщины стенки обсадной колонны 6 аппаратурой гамма-гамма каротажа типа СГДТ-НВ с использованием модифицированного трехзондового скважинного устройства.

На Фиг. 2 показаны основные элементы скважинного устройства.

Штриховыми линиями на Фиг. 2 условно показаны траектории гамма-квантов, выходящих из источника 2, и гамма-квантов, рассеянных в породе и попадающих на детекторы малого 3, большого 4 и дополнительного 10 зондов через коллимирующие отверстия 9.

На Фиг. 2 не показаны детектор канала естественной гамма-активности, датчик угла пространственной ориентации, система телеметрии и другие элементы устройства, общие для прототипа и скважинного прибора, составляющего предмет изобретения.

Устройство содержит: цилиндрический охранный корпус 1, источник гамма-квантов 2, малый 3 и большой 4 зонды рассеянного гамма-излучения, экран 5 цилиндрической формы с коллимирующими отверстиями 9, дополнительный зонд 10, а также детектор канала естественной гамма-активности, датчик угла пространственной ориентации, систему телеметрии и другие элементы устройства, общие для прототипа и скважинного прибора, составляющего предмет изобретения.

Охранный корпус 1 выполняется из стали толщиной около 8 мм и служит в качестве прочного корпуса устройства.

Источником гамма-квантов 2 может быть, например, изотопный источник Cs-137 активностью около 1⋅10¹⁰ Бк.

Малый зонд 3 включает в себя, например, сцинтилляционный гамма-детектор с сцинтилляционным кристаллом размером ∅16×40 мм, например, на основе сцинтиллятора NaI(Tl), расположенный на оси охранного корпуса 1 внутри экрана 5 на расстоянии L₁ от источника гамма-квантов 2.

Большой зонд 4 включает в себя шесть гамма-детекторов, подобных детектору малого зонда 3 и расположенных равномерно в поперечном сечении охранного корпуса 1 внутри экрана 5 на расстоянии L₂=2⋅L₁, измеряемого по оси охранного корпуса 1, от источника гамма-квантов 2 по ту же сторону от источника гамма-квантов 2, что и детектор малого зонда 3.

Дополнительный зонд 10, включает в себя шесть или более гамма-детекторов, подобных детектору малого зонда 3 и расположенных равномерно в поперечном сечении охранного корпуса 1 внутри экрана 5 на расстоянии L₃≥3⋅L₁, измеряемого по оси охранного корпуса 1, по ту же сторону от источника гамма-квантов 2, что и детекторы большого зонда 4.

Экран 5 служит для формирования углового распределения излучаемых и регистрируемых гамма-квантов. Для этого в экране 5 предусмотрены коллимирующие отверстия 9. Экран 5 изготавливается из металла с большим зарядом электронной оболочки атома, например, свинца или вольфрама, обладающих большим сечением ослабления потока гамма-квантов. Ось экрана 5 совпадает с осью охранного корпуса 1.

Стенка стальной обсадной колонны 6 и цементный камень 7 обеспечивают прочность конструкции скважины, окруженной горной породой 8. Толщина стенки Н_к обсадной колонны 6 составляет около 8 мм. Толщина цементного камня 7 вокруг обсадной колонны 6 составляет примерно 35 мм.

На Диаграмме показаны погрешности измерения плотности цементного камня 7 ΔR_цк и толщины стенки обсадной колонны 6 ΔН_к, полученные экспериментально при различных значениях плотности ρ породы 8 с использованием двух зондового скважинного устройства (ломаные линии 14, 15) и модифицированного трехзондового скважинного устройства (ломаные линии 16, 17) в составе аппаратуры гамма-гамма каротажа типа СГДТ-НВ при расстоянии между источником гамма-квантов 2 и детекторами дополнительного зонда 10, обеспечивающем минимальные значения ΔR_цк в диапазоне ρ=(1000÷2410) кг/м3.

Ломаной линией 11 на Диаграмме показаны значения плотности ρ породы 8, окружающей цементный камень 7, при которых производились измерения плотности цементного камня R_цк и толщины стенки Н_к обсадной колонны 6. Прямыми линиями 12 и 13 обозначены границы допустимой погрешности измерения плотности цементного камня ΔR_цк и границы допустимой погрешности измерения толщины стенки обсадной колонны ΔН_к соответственно.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство, находящееся в охранном корпусе 1, помещают внутрь обсадной колонны 6 и перемещают вдоль ее оси. Гамма-излучение выходит из источника гамма-квантов 2, проходит через соответствующее коллимирующее отверстие 9 в экране 5, попадает в окружающую среду: стенку обсадной колонны 6, цементный камень 7 и горную породу 8, где рассеивается и поглощается. Возникающие при этом рассеянные гамма-кванты частично проходят через коллимирующие отверстия в экране 5, находящиеся напротив гамма-детекторов малого 3, большого 4 и дополнительного 9 зондов, попадают на сцинтилляционные кристаллы гамма-детекторов этих зондов, где частично регистрируются.

Интенсивность рассеянного гамма-излучения J_мз, регистрируемая гамма-детектором малого зонда 3, в основном определяется толщиной Н_к стенки обсадной колонны 6.

Интенсивность рассеянного гамма-излучения J_бз, регистрируемая гамма-детекторами большого зонда 4 определяется толщиной Н_к стенки обсадной колонны 6, плотностью R_цк цементного камня 7 и плотностью ρ окружающей горной породы 8.

Интенсивность рассеянного гамма-излучения J_дз, регистрируемая гамма-детекторами дополнительного зонда 10, в значительно большей степени, чем для большого зонда 4, определяется плотностью ρ окружающей породы 8.

Интерпретация результатов измерений производится с использованием следующей системы уравнений:

где:

Н_к - толщина стенки обсадной колонны;

R_цк - плотность цементного камня;

А₁, А₂, В₁, В₂, С₁, С₂, D₁, D₂ - постоянные коэффициенты, определяемые по результатам калибровки аппаратуры;

J_мз, J_бз и J_дз - интенсивности рассеянного гамма-излучения, регистрируемые гамма-детекторами малого, большого и дополнительного зондов соответственно.

Система уравнений (2) позволяет учитывать влияние на показания большого зонда 4, как толщины Н_к стенки обсадной колонны 6, так и плотности ρ горной породы 8. Что повышает точность измерения плотности цементного камня R_цк.

Выбор расстояния L₃ (между гамма-источником 2 и детекторами дополнительного зонда 10) выполняется с учетом того, что при увеличении расстояния L₃, с одной стороны, уменьшается вклад в сигнал J_дз гамма-излучения, рассеянного в цементном камне 7, а, с другой, снижается интенсивность излучения, поступающего на дополнительный зонд 10, и, как следствие, ухудшается статистическая точность измерения J_дз. Очевидно, что существует такое расстояние L₃, при котором ошибка определения плотности цементного камня принимает минимальное значение.

При выборе расстояния L₃ следует учитывать, что на статистическую точность измерения J_дз влияют также размеры и количество детекторов дополнительного зонда 10 и активность источника гамма-квантов 2.

Экспериментальное моделирование работы трехзондового скважинного устройства было проведено для конкретной аппаратуры типа СГДТ-НВ. Малый зонд 3 устройства содержит один сцинтилляционный гамма-детектор на основе NaI(Tl) размером ∅16×40 мм, а большой зонд 4 и дополнительный зонд 10 скважинного устройства содержит шесть таких детекторов. Размеры большого 4 и малого 3 зондов составляли: L₁=20 см, L₂=40 см.

Целью моделирования было определение такого расстояния L₃ между источником гамма-квантов 2 и детекторами дополнительного зонда 10, при котором погрешность измерения плотности цементного камня ΔR_цк не выходит за пределы допустимых значений (прямые линии 12 Диаграммы) при значениях плотности ρ окружающей горной породы 8 в пределах (1000÷2410) кг/м³ (ломаная линия 11 Диаграммы). Такое расстояние обычно называется оптимальным.

Результаты экспериментов показали, что для модифицированного трехзондового устройства аппаратуры типа СГДТ с указанными выше размерами малого 3 и большого 4 зондов оптимальный размер дополнительного зонда 10 составляет: L₃^опт≈3⋅L₁≈60 см.

Оптимальный размер дополнительного зонда L₃^опт может быть больше 60 см в случае обеспечения большей эффективности регистрации рассеянных гамма-квантов дополнительным зондом 10 за счет, например, увеличения числа сцинтилляционных кристаллов дополнительного зонда, использования более эффективного сцинтиллятора или применения более мощного источника гамма-квантов.

Результаты измерений характеристик модифицированного трехзондового скважинного устройства аппаратуры типа СГДТ-НВ с малым 3, большим 4 и дополнительным 10 зондами размером: 20 см, 40 см и 60 см соответственно представлены на Диаграмме.

Из Диаграммы видно, что с изменением плотности ρ горной породы 8 (ломаная линия 11) погрешность определения плотности цементного камня ΔR_цк стандартным двухзондовым скважинным устройством СГДТ-НВ (ломаная линия 14) превышает допустимую погрешность ±150 кг/м³ (прямые линии 12) и может достигать 1500 кг/м³ при плотности породы ρ=1000 кг/м³; при этом погрешность определения толщины стенки ΔН_к (ломаная линия 15) также превышает допустимую погрешность, равную ±0,5 мм (прямые линии 13), и достигает 1,5 мм при плотности породы ρ=1000 кг/м³.

При использовании модифицированного трехзондового скважинного устройства погрешность определения плотности цементного камня ΔR_цк (ломаная линия 16) и погрешность определения толщины стенки колонны ΔН_к (ломаная линия 17) находятся в коридорах допустимых для них погрешностей, границы которых определяются прямыми линиями 12 и 13 соответственно.