Комплексная аппаратура для исследования нефтегазовых скважин и способ регистрации полученных данных Российский патент 2017 года по МПК G01V5/10 

Группа изобретений относится к области прикладной ядерной геофизики и может быть использована в нефтегазодобывающей отрасли при решении вопросов эксплуатации и ремонта скважин нефтегазовых месторождений и подземных хранилищ газа (ПХГ).

Известна комплексная спектрометрическая аппаратура ядерного каротажа, включающая спектрометр естественной радиоактивности (СГК) и два широкодиапазонных спектрометра гамма-излучения радиационного захвата (СНГК-Ш), что позволяет одновременно выполнять измерения СГК, 2ННК и 2 СНГК-Ш за одну спуско-подъемную операцию (Комплексная спектрометрическая аппаратура ядерного каротажа для исследования нефтегазовых скважин / Крысов А.А. Мамлеев Т.С. Кулешова Г.С., Зараменских Н.М., Даниленко В.Н., Борисов В.И. // Научный симпозиум «Новые геофизические технологии для нефтяной промышленности»: Тезисы докладов. - Уфа. - 2003. - С. 128).

Недостатком аналога является отсутствие в его составе методов для диагностики технического состояния колонн, заполнения внутрискважинного пространства, недостаточное количество зондов СНГК для осуществления зондирования прискважинной зоны в условиях многоколонной конструкции скважины и пониженная достоверность плотности потока тепловых нейтронов, определяемая по интенсивности борного пика-конвертора в условиях минерализованных пластовых вод и соленосных толщах.

Известен также контрольно-измерительный комплекс для исследования технического состояния действующих скважин (патент РФ на полезную модель №135357. МПК E21B 47/00, E21B 47/005. Контрольно-измерительный комплекс для исследования технического состояния действующих скважин. Заявл. 01.04.2013. Опубл. 10.12.2013).

Известный комплекс содержит каротажную систему с набором соединяемых друг с другом геофизических модулей гамма-каротажа, нейтронного каротажа, нейтронного гамма-каротажа, нейтрон-нейтронного каротажа и импульсного нейтронного каротажа, позволяющего осуществить контроль качества цементного камня в межколонном и заколонном пространствах и выявление техногенных скоплений газа в пустотах и полостях цементного камня.

Недостатком данного аналога также является отсутствие в его составе средств для диагностики технического состояния колонн и заполнения внутрискважинного пространства. Еще одним недостатком аппаратуры является реализация многометодных нейтронных измерений при однозондовой системе и использование нейтронной модификации по хлору. Однозондовые измерения, выполненные различными методами, требуют дополнительной увязки в связи с различием физических основ методов, что при неконтролируемых вариациях условий измерений может привести к снижению достоверности получаемых результатов из-за возникновения неоднозначных ситуаций. Использование нейтронной модификации по хлору в любом варианте (импульсном или стационарном) эффективно только в условиях минерализованных пластовых вод, содержащих ионы хлора. Кроме того, эта модификация СНГК уступает широкодиапазонной по информативности, так как изначально настроена на различие пресных и минерализованных флюидов. Вариант хлорного каротажа с импульсным источником нейтронов значительно превосходит вариант со стационарным источником по стоимости. Практическая реализация всех модулей данного аналога для изучения прискважинной зоны в единой связке скважинных модулей приведет к значительному увеличению размеров по длине скважинного прибора, что затруднит выполнение каротажных исследований через шлюзовое оборудование на устье скважины.

В качестве прототипа выбрана наиболее близкая по сущности комплексная спектрометрическая аппаратура ядерного каротажа, включающая зонд, содержащий детектор естественной радиоактивности (СГК) и детекторы гамма-излучения радиационного захвата (СНГК), развернутые от детекторов тепловых нейтронов в разные стороны по оси прибора относительно общего закрытого источника быстрых нейтронов (ЗРнИ) (патент РФ на полезную модель №127487. МПК G01V 5/00. Комплексная спектрометрическая аппаратура ядерного каротажа. Заявл. 04.12.2012. Опубл. 27.04.2012).

Недостатком прототипа, так же как и аналогов, является отсутствие в его составе средств и методов для диагностики технического состояния колонн, заполнения внутрискважинного пространства, а также недостаточное количество зондов СНГК для осуществления нейтронного зондирования прискважинной зоны в условиях многоколонной конструкции.

Техническим результатом, получаемым предложенной группой изобретений, является повышение достоверности решения геолого-технических задач за счет возможности одновременного получения информации об околоскважинной среде при помощи нейтронного зондирования прискважинной зоны и данных диагностики технического состояния скважины при помощи электромагнитного дефектоскопа.

Указанный технический результат достигается тем, что заявленная комплексная аппаратура для исследования нефтегазовых скважин, включающая модуль ядерного каротажа, содержащий спектрометрические зонды с детекторами гамма-излучения радиационного захвата - СНГК и зонды с детекторами тепловых нейтронов - ННК-Т, имеющими общий закрытый радионуклидный источник быстрых нейтронов, и удаленно расположенный спектрометрический зонд с детектором естественной радиоактивности - СГК, в отличие от известной снабжена модулем электромагнитного дефектоскопа, соединенным с модулем ядерного каротажа стыковочным узлом и функционально связанным с ним проводной связью и с общей электронной схемой, содержащей контроллер-ретранслятор передачи данных на поверхность, при этом измерительные схемы указанных модулей снабжены выходными контроллерами, связанными с контроллером-ретранслятором, обеспечивающим накопление в памяти, усиление сигналов, их оцифровку и разбивку на фрагменты данных модуля ядерного каротажа и зонда СГК для передачи на поверхность.

При этом модуль ядерного каротажа содержит три зонда СНГК, а зонд СГК помещен в кожухе модуля электромагнитного дефектоскопа, который содержит высокочувствительный термометр и датчик давления.

Кроме того, сборка комплексной аппаратуры снабжена верхним, средним и нижним центраторами.

Указанный технический результат достигается тем, что заявленный способ передачи данных комплексной аппаратуры для исследования нефтегазовых скважин включает спуск в скважину комплексной аппаратуры, содержащей модуль ядерного каротажа, имеющий в своем составе спектрометрические зонды с детекторами гамма-излучения радиационного захвата - СНГК и зонды с детекторами тепловых нейтронов - ННК-Т, а также спектрометрический зонд с детекторами естественной радиоактивности - СГК, осуществление накопления спектров СНГК и СГК и счета тепловых нейтронов ННК-Т и передачу накопленных параметров по каротажному кабелю на поверхность, при этом модуль ядерного каротажа снабжают модулем электромагнитного дефектоскопа, функционально связанным с ним и с общей электронной схемой передачи данных на поверхность, и производят регистрацию интенсивностей гамма-излучения с помощью модуля ядерного каротажа и зонда СГК с одновременной периодической регистрацией ЭДС, наведенной в приемной катушке электромагнитного дефектоскопа вихревыми токами, возбуждаемыми в стальных трубах процессом спада электромагнитного поля, вызванного зондирующим импульсом тока намагничивания в генераторной катушке, а периодическую регистрацию ЭДС осуществляют с постоянной частотой циклов записи и передачи данных на поверхность, при этом цифровые зарегистрированные сигналы модуля ядерного каротажа и зонда СГК накапливают, разбивают на фрагменты данных и передают их на поверхность в период каждого цикла подачи зондирующих импульсов тока намагничивания в генераторной катушке, после чего фрагменты данных восстанавливают в единый массив в наземной станции.

Периодическую регистрацию ЭДС осуществляют с постоянной частотой циклов записи и передачи данных на поверхность, равной четырем герцам.

Программно задают контроллеру-ретранслятору режим переключения временных интервалов между циклами подачи зондирующих импульсов тока намагничивания генераторной катушки.

На фиг. 1 изображена модульная схема комплексной аппаратуры для исследования нефтегазовых скважин.

На фиг. 2 представлена принципиальная электронная схема передачи данных на поверхность.

На фиг. 3 изображен спад возбуждаемого тока в генераторной катушке электромагнитного дефектоскопа.

Комплекс аппаратуры для исследования нефтегазовых скважин содержит нижний модуль ядерного каротажа, включающий три спектрометрических зонда с детекторами гамма-излучения радиационного захвата (СНГК) - большой зонд 1, средний зонд 2 и малый зонд 3, и два зонда с детекторами тепловых нейтронов (ННК-Т) - большой зонд 4, малый зонд 5, имеющие общий закрытый радионуклидный источник быстрых нейтронов 6 и размещенные в одном охранном кожухе 7, который посредством стыковочного узла 8 с центратором 9 соединен с охранным кожухом 10 верхнего модуля, в котором размещены большой 11 и малый 12 зонды электромагнитного дефектоскопа с генераторной катушкой 13, а также зонд СГК 14, высокочувствительный датчик термометра 15 и датчик давления 16. Охранные кожухи 7 и 10 помимо среднего центратора 9 снабжены верхним 17 и нижним 18 центраторами.

При этом измерительные схемы нижнего и верхнего модулей (фиг. 2) снабжены выходными контроллерами 19 и 20, соединенными проводным каналом связи 21 с общей электронной схемой передачи данных 22, в которую введен контроллер-ретранслятор 23, обеспечивающий накопление, усиление сигналов, их оцифровку и разбивку данных с модуля ядерного каротажа на фрагменты для передачи по каротажному кабелю 24 на поверхность через регистратор 25 в компьютер 26.

Сущность предложенного способа раскрывается при описании работы устройства.

Перед работой нижний и верхний модули в охранных кожухах 7 и 10 соединяют стыковочным узлом 8 и на каротажном кабеле 24 спускают в скважину. При этом стыковочный узел 8 через проводной канал 21 обеспечивает электрический контакт проводной связи между выходом 19 электронной схемы модуля ядерного каротажа и выходом 20 электронной схемы модуля электромагнитного дефектоскопа и СГК с общей электронной схемой передачи данных 22. Центраторы 9, 17 и 18 обеспечивают надежное центрирование комплексного прибора в скважине в процессе каротажа.

Во время работы комплексного прибора осуществляется регистрация и накопление спектров зондов 1, 2, 3 СНГК, зонда 14 СГК и счета тепловых нейтронов зондов 4 и 5 ННК-Т, усиление полученных сигналов, их оцифровка и разбивка данных на фрагменты для передачи на поверхность. Одновременно производят периодическую регистрацию ЭДС, наведенной в приемных катушках 11 и 12 электромагнитного дефектоскопа вихревыми токами, возбуждаемыми в стальных трубах процессом спада электромагнитного поля, в результате воздействия зондирующего импульса тока намагничивания генераторной катушки 13, а также показаний термометра 15 и датчика давления 16. Эти измерения выполняются с постоянной частотой циклов записи и передачи данных на поверхность, равной четырем герцам.

Контроллеру-ретранслятору 23 программно задают режим переключения временных интервалов между циклами подачи зондирующих импульсов тока намагничивания генераторной катушки 13.

Передача фрагментированных данных ядерного каротажа (СНГК, ННК-Т и СГК) на поверхность осуществляется в период каждого цикла подачи зондирующих импульсов тока намагничивания генераторной катушки 13 с помощью общей электронной схемы 22 передачи данных на поверхность по кабелю 24 в регистратор 25. Единый массив данных ядерного каротажа восстанавливается из переданных фрагментов в наземном блоке аппаратуры.

Принцип работы электромагнитного дефектоскопа известен, в частности представлен в пат. РФ №2372478.

По генераторной катушке 13 пропускают переменный ток, возбуждающий в окружающей стальной трубе круговые вихревые токи, наводящие ЭДС в приемных катушках 11 и 12. При прохождении приемных катушек мимо дефектов в стенке колонны отмечаются характерные изменения магнитного поля.

На фиг. 3 показана кривая спада возбуждаемого тока. Период передачи данных ядерного каротажа (СНГК, ННК-Т и СГК) отмечен точками I-I. При этом импульс генерируемого тока имеет вид прямой линии. Далее происходит регистрация данных с зондов модуля электромагнитного каротажа, при этом сигналы, получаемые в обмотках приемных катушек 11 и 12, имеют форму экспоненциальных спадов, которые несут информацию о наличии или отсутствии дефектов металлических колонн.

Известно, что увеличение количества колонн в скважине, а также их утолщение, в частности, в интервалах муфтовых соединений приводит к уменьшению интенсивностей показаний зонда СГК и зондов СНГК, ННК-Т независимо от длины зондовой установки, поскольку стальные колонны, так же как муфтовые соединения и другие конструктивные элементы скважины, характеризуются высокой плотностью по сравнению с горной породой, цементным камнем и скважинным флюидом (Филиппов Е.Н. Ядерная разведка полезных ископаемых. Справочник. - Киев: Наукова думка, 1978).

Кроме того, основной элемент стальных колонн - железо, является радиационно-активным с высоким сечением рассеяния и поглощения нейтронов и значительным количеством линий гамма-излучения радиационного захвата.

Таким образом, диагностика технического состояния колонн с определением их толщины, выполняемая электромагнитным дефектоскопом, позволяют внести коррективы в пространственное распределение нейтронов и гамма-квантов и способствует повышению достоверности решения геолого-технических задач ядерными методами.

На показания нейтронных методов существенно влияет характер заполнения ствола скважины, поскольку водород, входящий в большом количестве в жидкостные флюиды, является радиационно-активным элементом. Поэтому заявленная комплексная аппаратура по сравнению с прототипом дополнена высокочувствительным термометром и датчиком давления, позволяющими получать информацию о характере заполнения ствола скважины.

Для осуществления зондирования прискважинной зоны нейтронными методами в условиях многоколонной конструкции скважины в комплексную аппаратуру дополнительно введен третий зонд СНГК, что в комплексе с двухзондовым исполнением ННК-Т обеспечивает зондирование прискважинной зоны на основании вариаций ядерных свойств прискважинного пространства.

Такая вариация позволяет расширить область применения ядерных методов для решения целого ряда геолого-технических задач, связанных с динамикой физико-химических процессов в прискважинной зоне, таких как выявление зон подвижного пластового флюида, определение радиальной зоны обводнения коллекторов, оценка степени заполнения заколонного и межколонного пространства цементным камнем и другие.

Технологическая программа, используемая для регистрации данных предлагаемого комплекса аппаратуры для исследования нефтегазовых скважин, позволяет оператору одновременно наблюдать все регистрируемые параметры в режиме реального времени с привязкой данных по глубине, включая спектры и спады магнитоимпульсной дефектоскопии, интегральные показания всех детекторов и технологические данные.

Использование: для исследования нефтегазовых скважин. Сущность изобретения заключается в том, что комплексная аппаратура для исследования нефтегазовых скважин включает модуль ядерного каротажа, содержащий спектрометрические зонды с детекторами гамма-излучения радиационного захвата – СНГК, зонды с детекторами тепловых нейтронов - ННК-Т и спектрометрический зонд с детектором естественной радиоактивности - СГК, а также модуль электромагнитного дефектоскопа - ЭД. В процессе работы производят регистрацию интенсивностей гамма-излучения с помощью модуля СНГК и зонда СГК с одновременной периодической регистрацией ЭДС, наведенной в приемной катушке ЭД вихревыми токами, возбуждаемыми в стальных трубах процессом спада электромагнитного поля, вызванного зондирующим импульсом тока намагничивания генераторной катушки, при этом зарегистрированные сигналы модуля СНГК и зонда СГК накапливают, разбивают на фрагменты данных и передают их на поверхность в период каждого цикла подачи зондирующих импульсов тока намагничивания генераторной катушки, после чего фрагменты данных восстанавливают в единый массив в наземной станции. Технический результат: повышение достоверности исследования нефтегазовых скважин. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Комплексная аппаратура для исследования нефтегазовых скважин, включающая модуль ядерного каротажа, содержащий спектрометрические зонды с детекторами гамма-излучения радиационного захвата - СНГК и зонды с детекторами тепловых нейтронов - ННК-Т, имеющими общий закрытый радионуклидный источник быстрых нейтронов, и удаленно расположенный спектрометрический зонд с детектором естественной радиоактивности - СГК, отличающаяся тем, что она снабжена модулем электромагнитного дефектоскопа, соединенным с модулем ядерного каротажа стыковочным узлом и функционально связанным с ним проводной связью и с общей электронной схемой, содержащей контроллер-ретранслятор для передачи данных на поверхность, при этом измерительные схемы указанных модулей снабжены выходными контроллерами, связанными с контроллером-ретранслятором, обеспечивающим накопление в памяти, усиление сигналов, их оцифровку и разбивку на фрагменты данных модуля ядерного каротажа и зонда СГК для передачи на поверхность.

2. Комплексная аппаратура для исследования нефтегазовых скважин по п. 1, отличающаяся тем, что модуль ядерного каротажа содержит три зонда СНГК, а зонд СГК помещен в кожухе модуля электромагнитного дефектоскопа, который содержит высокочувствительный термометр и датчик давления.

3. Комплексная аппаратура для исследования нефтегазовых скважин по п. 1, отличающаяся тем, что сборка комплексной аппаратуры снабжена верхним, средним и нижним центраторами.

4. Способ передачи данных комплексной аппаратуры для исследования нефтегазовых скважин, включающий спуск в скважину комплексной аппаратуры, содержащей модуль ядерного каротажа, имеющий в своем составе спектрометрические зонды с детекторами гамма-излучения радиационного захвата - СНГК, зонды с детекторами тепловых нейтронов - ННК-Т и спектрометрический зонд с детекторами естественной радиоактивности - СГК, осуществление накопления спектров СНГК и СГК и счета тепловых нейтронов ННК-Т и передачу накопленных параметров по каротажному кабелю на поверхность, отличающийся тем, что модуль ядерного каротажа снабжают модулем электромагнитного дефектоскопа, функционально связанным с ним и с общей электронной схемой передачи данных на поверхность, и производят регистрацию интенсивностей гамма-излучения с помощью модуля ядерного каротажа и зонда СГК с одновременной периодической регистрацией ЭДС, наведенной в приемной катушке электромагнитного дефектоскопа вихревыми токами, возбуждаемыми в стальных трубах процессом спада электромагнитного поля, вызванного зондирующим импульсом тока намагничивания генераторной катушки, при этом периодическую регистрацию ЭДС осуществляют с постоянной частотой циклов записи и передачи данных на поверхность, а цифровые зарегистрированные сигналы модуля ядерного каротажа и зонда СГК накапливают, разбивают на фрагменты данных и передают их на поверхность в период каждого цикла подачи зондирующих импульсов тока намагничивания генераторной катушки, после чего фрагменты данных восстанавливают в единый массив в наземной станции.

5. Способ передачи данных комплексной аппаратуры для исследования нефтегазовых скважин по п. 4, отличающийся тем, что периодическую регистрацию ЭДС осуществляют с постоянной частотой циклов записи и передачи данных на поверхность, равной четырем герцам.

6. Способ передачи данных комплексной аппаратуры для исследования нефтегазовых скважин по п. 4, отличающийся тем, что программно задают контроллеру-ретранслятору режим переключения временных интервалов между циклами подачи зондирующих импульсов тока намагничивания в генераторной катушке.