УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КОЛЬЦА ЗА ОБСАДНОЙ КОЛОННОЙ В СКВАЖИНАХ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК G01V5/12 

Изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано для контроля качества цементирования обсадных колонн методом рассеянного гамма-излучения.

Изобретение может быть применено для целенаправленного вскрытия заколонного пространства с целью ликвидации дефектов цементирования обсадных колонн и заколонных газогидроперетоков.

Известны и широко применяются в геофизике приборы плотностного гамма-гамма-каротажа, такие как ЦМ(8-10), СГДТ-НВ, ЦМ(8-12), в которых в герметичный корпус установлены неподвижный относительно корпуса прибора свинцовый экран с коллимационными окнами для источника и детекторов гамма-излучения, детекторы гамма-излучения, расположенные равномерно по периметру прибора с одной стороны от источника гамма-излучения, на двух уровнях дальности, соответствующих малому и большому зондам, и взаимоэкранированные, а для записи информации ведется последовательный круговой опрос детекторов гамма-излучения в процессе исследования скважин.

Недостатками этих приборов являются:

- ограниченность количества устанавливаемых детекторов соотношением диаметральных размеров детекторов и прибора;

- прерывистость информационного массива в связи с формированием массива, проводимым попеременным круговым опросом детекторов;

- отсутствие привязки информационного массива к поперечному сечению скважины.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах, выбранное за прототип. Устройство содержит корпус, выполненный в виде цилиндрического свинцового экрана, в котором коллимационные отверстия для источника и детектора расположены на одной образующей, систему, обеспечивающую его равномерное вращение с необходимой угловой скоростью, устанавливаемой с поверхности; тороидальную полость, в которой помещен шарик, а вне полости - установлена катушка индуктивности, предназначенная для отметки момента прохождения зондом апсидального направления в стволе скважины (А.С. № 203799, E 21 B 47/00, 1967 г., А.С. № 548819, G 01 V 5/12, 1975 г.).

Недостатками известного устройства являются:

- формирование информационного массива по ленточной спирали, что снижает степень сканирования скважины за счет ограниченных габаритов коллимационных окон детекторов, ограниченных скоростей вращения и движения прибора по стволу скважины;

- необходимость поддержания синхронной скорости вращения цилиндрического свинцового экрана, обеспечиваемого либо работой синхронного двигателя, либо введением дополнительного канала, по которому идет сигнал, пропорциональный мгновенной скорости вращающегося экрана;

- зависимость измерений от изменений условий окружающей среды, выраженной в нестабильности сигналов индуктивной катушки, а также влияния аномальных магнитных полей на результаты измерений;

- принципиальной невозможностью использования в геофизических приборах, где для вращения устройства применены наклонные ролики, установленные в центраторах.

Задачей изобретения является увеличение степени сканирования объема заколонного пространства и увеличение объема получаемой информации.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве, содержащем герметичный корпус и неподвижный относительно корпуса экран с коллимационными окнами для источника и детекторов гамма-излучения; детекторы гамма-излучения, расположенные равномерно по периметру корпуса устройства на двух уровнях дальности относительно источника, соответствующих двум измерительным зондам - малому и большому, и взаимоэкранированные; электронную схему и датчик углового положения; детекторы гамма-излучения расположены по обе стороны от источника гамма-излучения и смещены в поперечном сечении относительно парных детекторов, расположенных с другой стороны источника гамма-излучения на угол, равный 360/N, где

N - общее число парных детекторов гамма-излучения;

датчик углового положения жестко ориентирован в плоскости, проходящей через ось устройства и продольную ось одного из детекторов гамма-излучения; электронная схема снабжена телесистемой.

Новыми признаками устройства являются:

- установка детекторов гамма-излучения по обе стороны от источника гамма-излучения попарно с равномерным размещением по поперечному сечению прибора, что позволяет вдвое увеличить интервал сканирования по глубине скважины и длине колонны, увеличить объем сканированного пространства по периметру скважины и проводить каротаж скважины как при подъеме устройства, так и при спуске;

- установка датчика углового положения, жестко ориентированного в плоскости, проходящей через ось прибора и продольную ось одного из детекторов, позволяет определить соответствие каротажной информации от данного детектора месту записи в поперечном сечении скважины, а следовательно, определить соответствие каротажной информации от всех детекторов;

- введение телесистемы, что позволяет увеличить степень сканирования заколонного пространства и, следовательно, увеличить объем получаемой информации за счет одновременной записи всех измерительных каналов.

При анализе патентной и научно-технической литературы заявителем не обнаружено аналогичных решений, более того, традиционно детекторы гамма-излучения располагаются с одной стороны от источника гамма-излучения и формируемые сигналы от детекторов гамма-излучения передаются на наземный регистратор дискретно.

Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Устройство может эксплуатироваться в 4 вариантах исполнения.

Устройство (фиг.1) содержит герметичный корпус 1, внутри которого размещены на шасси 2 источник гамма-излучения 3, по обе стороны от источника закреплены свинцовые экраны 4, 5 с коллимационными окнами, в которых установлены детекторы малых зондов 6, 7 и детекторы больших зондов 8, 9, равномерно расположенные по окружности свинцовых экранов, при этом парные детекторы малых и больших зондов 6, 8, установленные в одной плоскости, проходящей через продольную ось прибора и продольную ось одного из детекторов гамма-излучения, например детектора А, смещены в поперечном сечении относительно парных детекторов 7, 9 малых и больших зондов, расположенных с другой стороны от источника гамма-излучения на угол, равный 360/N, где N - общее число парных детекторов, датчик углового положения 10, при этом корпус датчика жестко ориентирован в плоскости, проходящей через ось прибора и продольную ось одного из детекторов гамма-излучения, например детекторов А, электронную схему 11, снабженную телесистемой 14, состоящей из контроллера 15 и согласующего устройства 16.

Блок-схема устройства представлена на фиг.2 и показывает взаимодействие всех узлов устройства.

Блок-схема содержит блоки детекторов малых зондов 6, 7, блоки детекторов больших зондов 8, 9, блок формирователей импульсов 12, блок регистров 13, телесистему 14 с контроллером 15 и согласующим устройством 16, блок питания 17 и выходной блок 18.

Устройство работает следующим образом.

Устройство опускают в скважину на глубину исследуемого интервала и при последующем подъеме выше исследуемого интервала производят запись каротажных диаграмм наземным регистратором. Детекторы гамма-излучения 6, 7, 8, 9, расположенные равномерно по окружности устройства, регистрируют интенсивность рассеянного гамма-излучения и выдают N-ное число селективных диаграмм, соответствующих количеству установленных детекторов, по N числу каналов телесистемы одновременно. Датчик углового положения 10 регистрирует изменение угла между ориентированной плоскостью, проходящей через ось устройства и ось одной пары детекторов, условно принятых за отсчетные - нулевые, например детекторов А, и апсидальной плоскостью скважины. Сигналы с детекторов гамма-излучения 6, 7, 8, 9 и датчика углового положения 10 формируются в блоке формирователей импульсов 12, преобразуются в блоках регистров 13, упаковываются в контроллере 15 телесистемы 14 и через согласующее устройство 16 и выходной блок 17 передаются на наземный регистратор. Электронная схема 11 и детекторы 6, 7, 8, 9 запитываются через блок питания 18.

На наземном регистраторе записываются диаграммы (массив данных) от всех детекторов гамма-излучения и углограмма от датчика углового положения.

Каждая диаграмма от детекторов отражает интенсивность рассеянного гамма-излучения от объема, соответствующего исследуемому сектору заколонного пространства. Углограмма отражает угловое положение диаграмм, полученных от пары детекторов, принятых за отсчетные, относительно апсидальной плоскости скважины. Угловое положение остальных парных диаграмм относительно апсидальной плоскости скважины определяется простым пересчетом, соответствующим положению любой пары детекторов в поперечном сечении устройства относительно пары детекторов, условно принятых за отсчетные.

Регистрируемые диаграммы с помощью углограммы разворачиваются по периметру и глубине скважины в информационный массив относительно апсидальной плоскости скважины, условно проходящей по линии 0-360 угловых градусов.

Сообразуясь экономической необходимостью, возможно сокращение числа детекторов гамма-излучения, установленных в малых зондах, в сравнении с числом детекторов гамма-излучения, установленных в больших зондах, в таком случае предлагается устройство, в котором число детекторов малого зонда установлено в два раза меньше числа детекторов большого зонда, причем детекторы малого зонда смещены в поперечном сечении относительно детекторов большого зонда, расположенных с той же стороны от источника, на угол, равный 360/n, где n - суммарное число детекторов малых и больших зондов.

Устройство работает аналогично работе предлагаемого выше устройства, однако число селективных диаграмм малых зондов сокращается в два раза, что уменьшает степень сканирования скважины. Чтобы это свести к минимуму, необходимо изменить в сторону увеличения поперечное раскрытие коллимационных окон в малых зондах.

Указанная выше задача может быть достигнута и тем, что в предлагаемом устройстве детекторы большого зонда расположены по обе стороны от источника излучения, а детекторы малого зонда - с одной стороны от источника, причем детекторы одного большого зонда смещены в поперечном сечении относительно детекторов другого большого зонда на угол, равный 360/m, где

m - суммарное число детекторов больших зондов, а детекторы малого зонда смещены в поперечном сечении относительно парных детекторов двух зондов на угол, равный 360/М, где

М - суммарное число детекторов малых и больших зондов.

Устройство работает аналогично работе предлагаемого выше устройства, однако число селективных диаграмм малых зондов сокращается в два раза, что не уменьшает степени сканирования скважины, поскольку все детекторы и малого, и больших зондов равномерно распределены в поперечном сечении по образующей устройства.

Указанная выше задача может быть достигнута и тем, что в предлагаемом устройстве детектор малого зонда установлен по оси прибора, а детекторы больших зондов смещены в поперечном сечении относительно друг друга на угол, равный 360/m, где m - суммарное число детекторов больших зондов.

Устройство работает аналогично работе предлагаемого выше устройства, однако селективные диаграммы регистрируются только от детекторов больших зондов, от детектора малого зонда регистрируется только интегральная диаграмма, что не уменьшает степени сканирования скважины по результатам диаграмм от больших зондов и позволяет использовать усредненные результаты от детектора малого зонда.

Указанная выше задача может быть достигнута и тем, что предлагаемое устройство снабжено мост-камерой, состоящей из двух взаимоперпендикулярных герметичных полостей, в одну из которых установлен источник гамма-излучения, а в другую симметрично относительно источника закреплены два свинцовых коллимированных экрана, причем к мост-камере с двух сторон от источника гамма-излучения присоединены два измерительных блока, состоящие из кожухов, закрепленных на опорах, причем внутри кожухов установлены свинцовые коллимированные экраны, электронные блоки и наконечники, а на опорах одного измерительного блока установлены по четыре детектора, равномерно распределенных по периметру коллимированного свинцового экрана, малого и большого зондов гамма-гамма-каротажа, причем детектры малого зонда смещены в поперечном сечении относительно детекторов большого зонда на угол, равный 25,5 угловым градусам, электронная схема с телесистемой и датчик углового положения, жестко ориентированный в плоскости, проходящей через ось прибора и ось одного из детекторов, принятого за отсчетный, а на опорах другого измерительного зонда закреплены четыре равномерно распределенных по периметру коллимированного свинцового экрана детектора большого зонда и электронная схема, причем детекторы больших зондов обоих измерительных блоков смещены в поперечном сечении относительно друг друга на угол, равный 45 угловым градусам, а оба измерительных блока помещены в герметичные корпуса, закрепленные на мост-камере.

Новыми признаками устройства в дополнение к описанным выше являются:

- введение в качестве основной корпусной части устройства мост-камеры с двумя взаимоперпендикулярными герметичными полостями;

- присоединение к мост-камере с двух сторон измерительных блоков и корпусов;

- исполнение первого измерительного блока автономным, включающим два зонда гамма-гамма-каротажа, электронную схему с телесистемой и датчик углового положения, а второго - дополнительным, включающим большой зонд гамма-гамма-каротажа и электронную схему.

Устройство представлено на фиг.3 и содержит:

мост-камеру 19, снабженную двумя взаимоперпендикулярными герметичными полостями, в одну из которых установлен источник гамма-излучения 3, а в другую симметрично относительно источника закреплены два свинцовых коллимированных экрана 4, 5;

к мост-камере с двух сторон от источника гамма-излучения 3 присоединены два измерительных блока 20, 21; измерительные блоки состоят из кожухов 22, 23, закрепленных на опорах 24, 25, 26, 27, 28; внутри кожухов 22, 23 установлены свинцовые коллимированные экраны 29, 30, 31, электронные схемы 32, 33 и опорные наконечники 34, 35;

в измерительном блоке 20 на опорах 24, 25 закреплены детекторы малого 6 и большого 8 зондов, на опоре 25 установлен также и датчик углового положения 10, жестко ориентированный по оси одного из детекторов малого зонда, например детектора А; на опоре 26 и наконечнике 34 установлена электронная схема 35, включающая блок формирователей импульсов 12, блок регистров 13, телесистему 14 с контроллером 15 и согласующим устройством 16, блок питания 17 и выходной блок 18;

в измерительном блоке 21 закреплены на опоре 27 детекторы большого 9 зонда, которые равномерно расположены по периметру в коллимированном свинцовом экране 32 и электронная схема 36, состоящая из блоков формирователей импульсов 37; оба измерительных блока 20, 21 помещены в герметичные корпуса 38, 39, закрепленные на мост-камере 19;

в герметичных корпусах 38, 39 установлены наконечники 40, 41 с центраторами 42, 43.

Блок-схема устройства представлена на фиг.4 и показывает взаимодействие всех узлов устройства.

Блок-схема состоит из детекторов малого зонда 6, детекторов больших зондов 8, 9, датчика углового положения 10, электронной схемы 35 с формирователем импульсов 12, блоком регистров 13, телесистемой 14 с контроллером 15 и согласующим устройством 16, блоком питания 17 и выходным блоком 18, и электронной схемой 36, включающей блок формирователей импульсов 37.

Устройство работает следующим образом.

Устройство опускают в скважину на глубину исследуемого интервала и при последующем подъеме выше исследуемого интервала, производят запись каротажных диаграмм наземным регистратором. Детекторы гамма излучения 6, 7, 9, расположенные равномерно по окружности устройства, регистрируют интенсивность рассеянного гамма излучения и выдают 12 селективных диаграмм, соответствующих количеству установленных детекторов, по 12 каналам телесистемы одновременно.

Датчик углового положения 10 регистрирует изменение угла между ориентированной плоскостью, проходящей через ось устройства и ось детектора малого зонда, условно принятого за отсчетный - нулевой, например детектора А, и апсидальной плоскостью скважины.

Сигналы с детекторов гамма излучения 6, 7, 9 измерительных блоков 20, 21 формируются в блоках формирователей импульсов 12, 37, преобразуются в блоке регистров 13, упаковываются в контроллере 15 телесистемы 24 и через согласующее устройство 16 и выходной блок 18 передаются на наземный регистратор.

Наземный регистратор записывает диаграммы (массив данных) от всех детекторов рассеянного гамма излучения и углограмму от датчика углового положения.

Каждая диаграмма от детекторов гамма излучения отражает интенсивность рассеянного гамма излучения от объема, соответствующего исследуемому сектору заколонного пространства. Углограмма отражает положение диаграммы от детектора малого зонда А, принятого за отсчетный, относительно апсидальной плоскости скважины. Угловые положения диаграмм от остальных 11 детекторов малых и больших зондов вычисляются простым пересчетом, в соответствии с положением детекторов в поперечном сечении устройства относительно детектора малого зонда, принятого за отсчетный.

Регистрируемые диаграммы с помощью углограммы разворачиваются по периметру и глубине скважины в информационный массив относительно апсидальной плоскости скважины, условно проходящей по линии 0-360 угловых градусов.

Поскольку в устройстве, принятом за прототип, измерения датчика углового положения зависят от изменений условий окружающей среды, выраженной в нестабильности сигналов индуктивной катушки и влиянии аномальных магнитных полей, то для повышения надежности работы датчика углового положения датчик может быть выполнен в виде гравитационного датчика маятникового типа с кодовым диском на оси и узла считывания кода фотоэлектрического типа, жестко закрепленного на корпусе датчика углового положения.

Датчик углового положения 10 представлен на фиг.5 и состоит из гравитационного датчика маятникового типа 44 с кодовым диском 45 на оси 46 и узла считывания кода фотоэлектрического типа 47, жестко закрепленного на корпусе датчика 48.

Датчик углового положения работает следующим образом.

При прохождении геофизического устройства по стволу скважины детекторы гамма излучения 6, 8, 9 измерительных блоков 20, 21, регистрирующие интенсивность рассеянного гамма излучения, расположены равномерно по окружности устройства и выдают 12 селективных диаграмм, соответствующих количеству установленных детекторов, по 12 каналам телесистемы одновременно.

Датчик углового положения 10 регистрирует изменение угла между ориентированной плоскостью, проходящей через ось устройства и продольную ось одной пары детекторов, условно принятой за отсчетную или нулевую, и апсидальной плоскостью скважины.

При этом гравитационный датчик маятникового типа 46 устанавливается в плоскость наклона, разворачивая ось 46 с кодовым диском 45, закрепленным на оси, по линии «ось-груз» - в апсидальной плоскости, одновременно с поворотом корпуса всего устройства поворачивается корпус 48 датчика углового положения 10, жестко закрепленного в корпусе устройства и ориентированного в плоскости, проходящей через ось устройства и ось одной пары детекторов, например парой А, условно принятой за отсчетную или нулевую, и апсидальной плоскостью скважины, поворачивая узел считывания кода 47, закрепленного в корпусе датчика 48. Узел считывания кода 47 отрабатывает вращение всего устройства при перемещении по стволу скважины в процессе сканирования скважины, передавая код в электронную схему 35, где он преобразуется в частотный сигнал и передается на наземный регистратор по одному из каналов телесистемы.

Данное изобретение позволяет повысить информативность метода за счет увеличения объема и непрерывности информационного массива; повысить надежность разворачивания информационного массива в поперечном сечении и привязки информационных данных к апсидальной плоскости скважины, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в целенаправленном выявлении дефектов цементирования и возможности газогидроперетоков за обсадной колонной, что в конечном итоге ведет к повышению экологической безопасности разработки нефтегазовых месторождений и эффективности проведения мероприятий по охране недр и пресноводных горизонтов.

Предлагаемое устройство реализовано при разработке модуля сканирующего гамма-гамма-дефектомера-толщиномера СГДТ-100, опробовано при проведении геофизических исследований в скважинах Западной Сибири и Башкирии и получило одобрение геофизических трестов, что показало его промышленную применимость.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для контроля качества цементирования обсадных колонн. Согласно заявленному изобретению детекторы гамма-гамма-излучения устанавливают по обе стороны от источника гамма-излучения со смещением в поперечном сечении. Используют датчик углового положения, жестко ориентированный в плоскости, проходящей через ось устройства и продольную ось одного из детекторов гамма-излучения. Применяют телеметрический канал связи. Технический результат: увеличение информативности. 5 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважине, содержащее корпус и неподвижный относительно корпуса экран с коллимационными окнами для источника и детекторов гамма-излучения; детекторы гамма-излучения, расположенные равномерно по периметру корпуса устройства на двух уровнях дальности относительно источника, соответствующих двум измерительным зондам - малому и большому и взаимоэкранированных, электронную схему, датчик углового положения, отличающееся тем, что парные детекторы гамма-излучения малого и большого зондов расположены по обе стороны от источника гамма-излучения, причем парные детекторы гамма-излучения малого и большого зондов, расположенные с одной стороны источника гамма-излучения, смещены в поперечном сечении относительно парных детекторов гамма-излучения малого и большого зондов, расположенных с другой стороны источника гамма-излучения, на угол, равный 360/N, где N - общее число парных детекторов малого и большого зондов; датчик углового положения жестко ориентирован в плоскости, проходящей через ось устройства и продольную ось одного из парных детекторов гамма-излучения малого и большого зондов, электронная схема снабжена телесистемой.2. Устройство для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважине, содержащее корпус и неподвижный относительно корпуса экран с коллимационными окнами для источника и детекторов гамма-излучения; детекторы гамма-излучения, расположенные равномерно по периметру корпуса устройства на двух уровнях дальности относительно источника, соответствующих двум измерительным зондам - малому и большому и взаимоэкранированных, электронную схему, датчик углового положения, отличающееся тем, что число детекторов малого зонда в два раза меньше числа детекторов большого зонда; детекторы малого зонда смещены в поперечном сечении относительно расположенных с той же стороны от источника детекторов большого зонда на угол, равный 360/n, где n - суммарное число детекторов малого и большого зондов.3. Устройство для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважине, содержащее корпус и неподвижный относительно корпуса экран с коллимационными окнами для источника и детекторов гамма-излучения, детекторы гамма-излучения, расположенные равномерно по периметру корпуса устройства, на двух уровнях дальности относительно источника, соответствующих двум измерительным зондам - малому и большому и взаимоэкранированных, электронную схему, датчик углового положения, отличающееся тем, что детекторы большого зонда расположены по обе стороны от источника излучения, а детекторы малого зонда - с одной стороны от источника, причем детекторы одного большого зонда смещены в поперечном сечении относительно детекторов другого большого зонда на угол, равный 360/m, где m - суммарное число детекторов больших зондов, а детекторы малого зонда смещены в поперечном сечении относительно суммарных детекторов двух больших зондов на угол, равный 360/М, где М - суммарное число детекторов малого и больших зондов.4. Устройство для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважине, содержащее корпус и неподвижный относительно корпуса экран с коллимационными окнами для источника и детекторов гамма-излучения; детекторы гамма-излучения, расположенные равномерно по периметру корпуса устройства, на двух уровнях дальности относительно источника, соответствующих двум измерительным зондам - малому и большому и взаимоэкранированных, электронную схему, датчик углового положения, отличающееся тем, что детектор малого зонда расположен по оси прибора, а детекторы больших зондов смещены в поперечном сечении относительно друг друга на угол, равный 360/m, где m - суммарное число детекторов больших зондов.5. Устройство для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважине, содержащее корпус и неподвижный относительно корпуса экран с коллимационными окнами для источника и детекторов гамма-излучения; детекторы гамма-излучения, расположенные равномерно по периметру корпуса устройства на двух уровнях дальности относительно источника, соответствующих двум измерительным зондам - малому и большому и взаимоэкранированных, электронную схему, датчик углового положения, отличающееся тем, что содержит мост-камеру, снабженную двумя взаимоперпендикулярными герметичными полостями, в одну из которых установлен источник гамма-излучения, а в другую симметрично относительно источника закреплены два свинцовых коллимированных экрана; к мост-камере с двух сторон от источника гамма-излучения присоединены два измерительных блока, состоящие из кожухов, закрепленных на опорах; внутри кожухов установлены свинцовые коллимированные экраны, электронные схемы и наконечники; на опорах одного измерительного блока установлены по четыре детектора, равномерно распределенные по периметру коллимированного свинцового экрана, причем детекторы малого зонда смещены в поперечном сечении относительно детекторов большого зонда на угол, равный 25,5 угловым градусам, электронная схема с телесистемой и датчик углового положения, жестко ориентированный в плоскости, проходящей через ось прибора и ось одного из детекторов, принятого за отсчетный; на опорах другого измерительного зонда закреплены четыре равномерно распределенных по периметру коллимированного свинцового экрана детектора большого зонда и электронная схема, причем детекторы больших зондов обоих измерительных блоков смещены в поперечном сечении относительно друг друга на угол, равный 45 угловым градусам, а оба измерительных блока помещены в герметичные корпуса, закрепленные на мост-камере.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик углового положения состоит из гравитационного датчика маятникового типа с кодовым диском на оси и узла считывания кода фотоэлектрического типа, жестко закрепленного на корпусе датчика углового положения.