СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО С ДВУМЯ ЗОНДАМИ ИЗ НЕСКОЛЬКИХ ДЕТЕКТОРОВ Российский патент 2016 года по МПК G01V5/10 

$$$$ Изобретение относится к устройствам каротажа нефтяных и газовых скважин и, в частности, к устройствам регистрации нейтронного и гамма-излучений, применяемых для измерения ядерно-физических характеристик породы, и может использоваться при создании двухзондовых скважинных устройств.

В настоящее время для детальных геологических исследований, проводимых в скважинах, широко используются ядерно-физические методы. К ним относятся, в частности, методы нейтронного каротажа, основанные на применении в качестве источника зондирующего излучения нейтронных источников: ампульных или нейтронных генераторов, излучающих быстрые нейтроны. При этом нейтронные генераторы могут быть непрерывного действия или импульсными.

К наиболее информативным методам нейтронного каротажа относится метод импульсного нейтронного каротажа (ИНК), сущность которого заключается в следующем.

В скважину спускают нейтронный генератор, который периодически в течение коротких (несколько мкс) интервалов времени облучает породу вокруг скважины потоком быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ. Эти нейтроны распространяются в исследуемой породе практически изотропно, претерпевая при этом упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах породы.

В результате упругого рассеяния быстрые нейтроны замедляются и постепенно приходят в тепловое равновесие с породой. Расстояние от мишени нейтронного генератора, на котором наступает тепловое равновесие, зависит от свойств породы и, в значительной степени, от количества содержащихся в ней водородосодержащих веществ. Тепловые нейтроны диффундируют во все стороны и постепенно поглощаются атомами, входящими в состав породы, излучая гамма-кванты радиационного захвата.

Неупругое рассеяние быстрых нейтронов приводит к образованию гамма-квантов неупругого рассеяния, излучаемых во время нейтронных импульсов. Энергия этих гамма-квантов характерна для каждого элемента. Так в результате неупругого рассеяния на ядрах углерода (С) образуется гамма-кванты с энергий 4,43 МэВ, на ядрах кислорода - 6,13 МэВ. Количество гамма-квантов, зарегистрированных в определенных энергетических областях, пропорционально концентрации элементов, испускающих данные гамма-кванты.

Регистрация тепловых и/или эпитепловых нейтронов, а также гамма-квантов неупругого рассеяния и радиационного захвата позволяет определить нейтронную пористость, плотность и состав породы. Эти характеристики используются для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.

Расстояние между мишенью нейтронного генератора и детектором (длина зонда) влияет на размер исследуемой области вокруг скважины (глубинность зондирования) и величину измеряемого эффекта, связанного с ядерно-физическими характеристиками породы. С увеличением длины зонда глубинность сначала возрастает, затем достигает некоторого максимального значения и затем начинает уменьшаться. Такое поведение глубинности обусловлено тем, что величина потока регистрируемых детектором тепловых нейтронов или гамма-квантов определяется ослаблением в породе, во-первых, быстрых нейтронов источника, распространяющихся в породе, и, во-вторых, ослаблением регистрируемого вторичного излучения.

Другим широко применяемым ядерно-физическим методом является гамма-гамма каротаж (ГГК). В случае ГГК порода внутри скважины облучается гамма-квантами изотопного источника, в качестве которого обычно используется Cs-137, и регистрируется обратно рассеянное излучение.

Вследствие того, что по мере удаления от оси скважины порода вокруг скважины имеет переменный состав и плотность, для определения радиального распределения ее свойств в настоящее время используется несколько зондов различной длины. Длина нейтронных и гамма-зондов достигает нескольких десятков сантиметров.

Из-за разности диаметров скважинного устройства и скважины между их стенками имеется полость, размер которой различен в различных азимутальных направлениях и меняется в процессе каротажа случайным образом. Это приводит к изменению счета детектора зонда, не связанному с характеристиками породы вокруг скважины. Для учета влияния полости используются зонды, содержащие несколько детекторов, расположенных равномерно по окружности вокруг оси скважинного устройства. При этом для каждого детектора зонда вычисляется параметр асимметрии с использованием следующего выражения (заявка на патент US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.):

где A(i) - параметр асимметрии i-го детектора зонда, N - число детекторов в зонде, С(i) - скорость счета i-го детектора зонда, ∑C(i) - сумма скоростей счета по всем N детекторам зонда.

Параметр асимметрии позволяет определить положение скважинного устройства относительно стенок скважины и произвести коррекцию счета детектора с учетом этого положения. Очевидно, что детекторы зонда на всей их длине должны быть расположены на одном расстоянии от оси скважинного устройства, т.е. параллельно оси скважинного устройства, чем больше число детекторов в зонде N (чем меньше угловое расстояние между детекторами) и чем больше число зондов при условии, что зонды повернуты относительно друг друга так, что детекторы из всех зондов находятся при различных угловых положениях относительно оси скважинного устройства, тем точнее выполняется коррекция счета детекторов.

Известно скважинное устройство, описанное в работе: Nicole Reichel, Mike Evans, Francoise Alloioli, et al., "Neutron-Gamma Density (NGD): Principles, Field Test Results and Log Quality Control of a Radioisotope-Free Bulk Density Measurement" (SPWLA 53^rd Annual Logging Symposium, June 16-20, 2012; http://www.slb.corn/~/media/Files/drilling/technical_papers/spwla2012_ngd_neoscope.pdf), содержащее нейтронный источник с мониторным детектором, вольфрамовый защитный фильтр, нейтронные зонды, включая детекторы тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-зонды. Аналог.

Недостатком аналога является повышенная погрешность измерений, обусловленная неоптимальным количеством и расположением детекторов в случае асимметричного расположения скважинного устройства в скважине.

Известно «Скважинное устройство, включающее азимутально расположенные детекторы излучения», содержащее корпус, располагаемый в скважине большего диаметра с зазором, по крайней мере один источник излучения, набор детекторов, расположенных равномерно по углу относительно оси скважинного устройства на расстоянии от генератора нейтронов, как минимум один дополнительный детектор, смещенный вдоль оси скважинного устройства относительно набора детекторов и повернутый относительно детекторов набора вокруг оси скважинного устройства, контроллер детекторов, служащий для определения по крайней мере одной характеристики породы вокруг скважины с учетом зазора. Заявка на патент US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013. Прототип.

Недостатком прототипа является наличие погрешности измерения интенсивности излучения, обусловленной неоптимальным количеством и расположением детекторов в случае асимметричного расположения скважинного устройства в скважине.

Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения интенсивности излучения за счет использования оптимального количества и расположения детекторов в случае асимметричного расположения скважинного устройства в скважине.

Технический результат достигается тем, что скважинное устройство с двумя зондами из нескольких детекторов, включающее в себя корпус, внутри которого находится по крайней мере один источник излучения, первый из зондов содержит более одного детектора, расположенных равномерно по углу вдоль окружности в плоскости, перпендикулярной оси скважинного устройства, второй зонд содержит как минимум один детектор, смещенный вдоль оси скважинного устройства относительно первого зонда и повернутый вокруг оси скважинного устройства относительно детекторов первого зонда, число детекторов во втором зонде составляет не менее двух, в каждом зонде детекторы располагаются параллельно оси скважинного устройства, а детекторы в зондах повернуты вокруг оси скважинного устройства по отношению друг к другу так, что минимальное угловое расстояние φ между двумя соседними проекциями детекторов из первого и второго зондов на плоскость, перпендикулярную оси скважинного устройства, составляет:

где N₁ и N₂ - число детекторов в первом и во втором зондах, k - наименьший общий делитель для чисел N₁ и N₂.

Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1, 2, 3 и в Таблице.

На Фиг. 1 приведен пример скважинного устройства, содержащего два зонда с числом детекторов N₁=3 (сечение А-А, дальний зонд) и N₂=8 (сечение Б-Б, ближний зонд), где:

1 - корпус скважинного устройства;

2 - стенка скважины;

3 - источник излучения;

4 - область источника излучения, из которой выходит излучение;

5, 6 - детекторы, входящие в состав ближнего и дальнего зондов;

7 - полость между корпусом скважинного устройства и стенкой скважины;

8 - зазор между корпусом источника излучения и корпусом скважинного устройства.

Система перемещения скважинного устройства в скважине и электронные блоки устройства на Фиг. 1 не показаны.

Фиг. 2 показывает проекции произвольно выбранных детекторов ближнего и дальнего зондов на плоскость, перпендикулярную оси скважинного устройства, и поясняет их зависимость от расстояния r между осью скважины O₁ и осью скважинного устройства О₂, а также от углов θ₁ или θ₂ между радиусом, определяющим положение детектора 5 или детектора 6 на окружности 9, и диаметром скважины, проходящем через центр окружности 9.

На Фиг. 3 изображена зависимость относительного стандартного отклонения для углового расстояния между соседними проекциями детекторов из первого и второго зондов на плоскость, перпендикулярную оси скважинного устройства, от углового расстояния между двумя соседними проекциями детекторов при разном количестве детекторов в зондах: N₁=3 и N₂=2. Из Фиг. 3 видно, что минимальный угол, при котором относительное стандартное отклонение для углового расстояния между соседними проекциями детекторов из первого и второго зондов принимает минимальное значение, равное, примерно, 0.55, составляет 30°.

В таблице приведены значения минимального угла между двумя соседними проекциями детекторов из первого и второго зондов на плоскость, перпендикулярную оси скважинного устройства, соответствующие минимальному значению относительного стандартного отклонения для углового расстояния между соседними проекциями детекторов.

Скважинное устройство содержит корпус 1, внутри которого соосно располагается источник 3 излучения с областью 4, из которой выходит излучение. Между корпусом источника излучения и корпусом скважинного устройства имеется зазор 8, в котором располагаются детекторы 5 ближнего зонда и детекторы 6 дальнего зонда.

В общем случае ось скважинного устройства не совпадает с осью скважины. Вследствие этого между стенкой 2 скважины и корпусом 1 имеется полость 7, размер которой зависит от азимутального угла по отношению к оси корпуса 1.

Показания произвольно выбранного детектора 5 ближнего зонда или детектора 6 дальнего зонда зависят от положения скважинного устройства в скважине и от положения этого детектора в скважинном устройстве (Фиг. 2). Положение скважинного устройства в скважине определяется расстоянием r между осью скважины O₁ и осью скважинного устройства O₂. Положение произвольно выбранного детектора 5 ближнего зонда или детектора 6 дальнего зонда в скважинном устройстве определяется углами θ₁ или θ₂ между положением детектора 5 ближнего зонда или детектора 6 дальнего зонда на окружности 9 и диаметром скважины, проходящем через центр окружности 9. Параметры r и θ определяют интенсивность излучения, падающего на породу вокруг скважины, и интенсивность вторичного излучения, выходящего из породы и падающего на поверхность детектора, т.е. скорости счета и, согласно формуле (1), определяют значения параметра асимметрии для детекторов обоих наборов.

Детекторы 5 ближнего зонда и детекторы 6 дальнего зонда на всей их длине должны быть расположены на одном расстоянии от оси скважинного устройства, т.е. параллельны оси скважинного устройства, и равномерно распределены по углу (угловое расстояние между соседними детекторами должно быть постоянным) вдоль окружности 9 в плоскости, перпендикулярной оси скважинного устройства. В противном случае параметр асимметрии может рассчитываться неправильно.

Каждый из зондов должен содержать не менее двух детекторов. Это условие обусловлено тем, что показания зонда, содержащего один детектор, зависят не только от углового положения детектора относительно оси скважинного устройства, но и от расстояния до области 4, в частности, из-за возможного изменения состава породы вокруг скважины вдоль ее оси. В случае осевой симметрии состава породы вокруг скважины параметр асимметрии - это единственный параметр, зависящий от положения детектора в скважине. Для его расчета требуется, как минимум, два детектора (в случае одного детектора в зонде параметр асимметрии, вычисленный по формуле (1), всегда равен единице).

Для определения положения скважинного устройства в скважине и коррекции счета детекторов в зонде значения параметра асимметрии {A(i)}, вычисленные по формуле (1) для детекторов рассматриваемого зонда, упорядочиваются, например, в возрастающем порядке и сравниваются с упорядоченными значениями параметра асимметрии {A_r,θ(i)}, полученными расчетным путем для разных значений r и θ в выбранном заранее интервале их значений. Интервал значений r и θ зависит от диаметров скважинного устройства и скважины, количества детекторов в зонде, требуемой точности коррекции счета детекторов. Из массива рассчитанных наборов параметра асимметрии {A_r,θ(i)} находится тот, для которого наблюдается минимальное различие с измеренным набором {A(i)}, например минимальна сумма квадратов разности значений в двух наборах. Значения r_опт и θ_опт, при которых различие минимально определяют положение скважинного устройства в скважине.

В предположении осевой симметрии состава породы вокруг скважины значения r_опт и θ_опт определяются тем точнее, чем больше угловых положений занимают детекторы на окружности 9 вокруг оси скважинного устройства и чем равномернее по углу они расположены. Точность определения положения скважинного устройства повышается при вычислении параметра асимметрии для детекторов из обоих зондов. Наибольшая равномерность расположения детекторов из обоих зондов на окружности 9 достигается при условии минимального относительного стандартного отклонения для углового расстояния между двумя соседними проекциями детекторов из первого и второго зондов на плоскость, перпендикулярную оси скважинного устройства, которое вычисляется по известной из теории ошибок формуле.

Из Фиг. 3 видно, что при N₁=3 и N₂=2 минимальное угловое расстояние между соседними детекторами из первого и второго зондов φ_мин (угол поворота одного зонда относительно другого), обеспечивающее минимальное значение относительного стандартного отклонения для углового расстояния между двумя соседними проекциями детекторов из первого и второго зондов, составляет 30° и совпадает со значением φ, полученным по формуле (2) при k=1.

В таблице (см. в конце описания) приведены значения φ_мин, рассчитанные аналогично примеру, приведенному на Фиг. 3, при различном числе детекторов в первом и втором зондах в диапазоне от 2 до 10. Все приведенные в таблице значения совпадают со значениями, полученными по формуле (2).

Источник 3 излучения является источником зондирующего излучения. В качестве источника 3 излучения могут применяться управляемые нейтронные и рентгеновские генераторы или изотопные источники. В случае применения нейтронного и рентгеновского генератора источник 3 излучения подключен к блоку питания и блоку управления его работой (на Фиг. 1 не указаны), соединенному с процессором скважинного устройства.

Детекторы 5 ближнего зонда и детекторы 6 дальнего зонда подключают к блокам регистрации (на Фиг. 1 не показаны). В случае гамма-детекторов в блок регистрации входят: многоканальный усилитель-дискриминатор, амплитудный анализатор импульсов или счетчик импульсов. В случае нейтронных детекторов в блок регистрации входят: многоканальный усилитель-дискриминатор и счетчик импульсов.

Выход блока регистрации подключен к процессору скважинного устройства (на Фиг. 1 не показан), который может быть соединен посредством модема и кабеля с главным процессором, входящим в состав наземной аппаратурой.

Работу устройства рассмотрим на примере источника 3 излучения в виде генератора 14 МэВ нейтронов.

Скважинное устройство работает следующим образом.

На электронные блоки скважинного устройства подается электрическое питание. С главного процессора, входящего в состав наземной аппаратуры, с помощью модема и процессора скважинного устройства в скважинное устройство пересылаются установочные данные о режиме работы его электронных блоков. Генератор 14 МэВ нейтронов начинает работать в частотном режиме. Во время нейтронного импульса область 4 излучает в окружающую породу практически изотропно 14 МэВ нейтроны, которые последовательно проходят через корпус 3 генератора 14 МэВ нейтронов, зазор 8, корпус 1 скважинного устройства, полость 7, стенку 2 и попадают в породу вокруг скважины.

Распространяясь в породе вокруг скважины, 14 МэВ нейтроны претерпевают упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах. В результате образуются тепловые и эпитепловые нейтроны, гамма-кванты неупругого рассеяния и радиационного захвата, которые распространяются во все стороны и частично попадают на нейтронные или гамма-детекторы 5 ближнего набора и детекторы 6 дальнего набора, находящиеся от оси устройства на расстоянии, равном радиусу окружности 9.

Детекторы 5 ближнего зонда и детекторы 6 дальнего зонда в зависимости от их устройства регистрируют тепловые или эпитепловые нейтроны, или гамма-кванты. При этом гамма-кванты радиационного захвата регистрируются в промежутках между нейтронными импульсами, а гамма-кванты неупругого рассеяния регистрируются во время нейтронных импульсов.

Электрические импульсы с детекторов 5 ближнего зонда и детекторов 6 дальнего зонда поступают на вход блока регистрации и далее в цифровом виде поступают в процессор скважинного устройства. В процессоре скважинного устройства данные, полученные с блока регистрации, используют для вычисления набора параметра асимметрии по формуле (1), вычисленный набор параметра асимметрии программным образом сравнивают с наборами, полученными расчетным путем для различных r и θ и заложенными в память процессора скважинного устройства, находят значения параметров r_опт и θ_опт, производят соответствующую этим значениям коррекцию счетов детекторов 5 ближнего зонда и детекторов 6 дальнего зонда, полученные данные передают посредством модема и кабеля в наземную аппаратуру.

В наземной аппаратуре с помощью главного процессора и специального программного обеспечения производится вычисление характеристик породы, усредненных по областям, находящимся на различных расстояниях от стенок скважины. Полученная информация о характеристиках породы используется для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.

Использование: для регистрации нейтронного и гамма-излучений, применяемых для измерения ядерно-физических характеристик породы при каротаже нефтяных и газовых скважин. Сущность изобретения заключается в том, что скважинное устройство с двумя зондами из нескольких детекторов, включающее в себя корпус, внутри которого находится по крайней мере один источник излучения, первый из зондов содержит более одного детектора, расположенных равномерно по углу вдоль окружности в плоскости, перпендикулярной оси скважинного устройства, второй зонд содержит как минимум один детектор, смещенный вдоль оси скважинного устройства относительно первого зонда и повернутый вокруг оси скважинного устройства относительно детекторов первого зонда, число детекторов во втором зонде составляет не менее двух, в каждом зонде детекторы располагаются параллельно оси скважинного устройства, а детекторы в зондах повернуты вокруг оси скважинного устройства по отношению друг к другу так, что минимальное угловое расстояние φ между двумя соседними проекциями детекторов из первого и второго зондов на плоскость, перпендикулярную оси скважинного устройства, составляет: где N₁ и N₂ - число детекторов в первом и во втором зондах, k - наименьший общий делитель для чисел N₁ и N₂. Технический результат: уменьшение погрешности измерения интенсивности излучения за счет использования оптимального количества и расположения детекторов в случае асимметричного расположения скважинного устройства в скважине. 3 ил., 1 табл.

Скважинное устройство с двумя зондами из нескольких детекторов, включающее в себя корпус, внутри которого находится по крайней мере один источник излучения, первый из зондов содержит более одного детектора, расположенных равномерно по углу вдоль окружности в плоскости, перпендикулярной оси скважинного устройства, второй зонд содержит как минимум один детектор, смещенный вдоль оси скважинного устройства относительно первого зонда и повернутый вокруг оси скважинного устройства относительно детекторов первого зонда, отличающееся тем, что число детекторов во втором зонде составляет не менее двух, в каждом зонде детекторы располагаются параллельно оси скважинного устройства, а детекторы в зондах повернуты вокруг оси скважинного устройства по отношению друг к другу так, что минимальное угловое расстояние φ между двумя соседними проекциями детекторов из первого и второго зондов на плоскость, перпендикулярную оси скважинного устройства, составляет:

где N ₁ и N ₂ - число детекторов в первом и во втором зондах, k - наименьший общий делитель для чисел N ₁ и N ₂.