УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБСАЖЕННЫХ СКВАЖИН
DEVICE FOR MONITORING THE TECHNICAL CONDITION OF CASED WELLS

Изобретение относится к устройствам контроля технического состояния скважин методом гамма-гамма каротажа, в частности к устройствам контроля качества цементирования обсадных колонн геофизических скважин методом рассеянного гамма-излучения.
В настоящее время для контроля качества цементирования скважин применяются приборы серии СГДТ (скважинный гамма-дефекто-толщиномер) и ЦМ (цементомер), с помощью которых осуществляется гамма-гамма- каротаж, основанный на измерении плотности вещества в заколонном пространстве.
Известны гамма-гамма сканеры нескольких модификаций известных серий - СГДТ-2, СГДТ-3, ЦМ-(8-12), СГДТ-НВ, в которых используются двухзондовые установки гамма-гамма каротажа (Е.В. Семенов, Т.Е. Крутова и др. «Гамма-гамма сканеры для исследования обсаженных скважин», НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, 2005, вып. 137-138, с. 66-73), в констркуции которых конструкция которых используются двухзондовые установки гамма-гамма каротажа для исследования качества цементирования обсадной колонны, что позволяет по измерению отраженного гамма-излучения регистрировать интегральное значение толщины стенки обсадной колонны по одному каналу, а по нескольким каналам - плотность цементного камня за колонной.
Известен прибор для контроля технического состояния обсаженных скважин, принятый за прототип (полезная модель №40808, G01V 5/12, Е21В 47/00, 2004.), содержащий кожух с заглушками-направляющими, центраторы, шарнирно-рычажного типа, размещенные внутри кожуха прибора измерительные зонды плотномера и толщиномера, причем в нижней заглушке-направляющей установлены шток с источником гамма-излучения и свинцовый экран с коллимационными окнами для источника и приемного преобразователя зонда толщиномера, а на верхней заглушке-направляющей установлены электронный блок, равномерно расположенные и равноудаленные от оси прибора приемные преобразователи зонда плотномера и расположенный по оси прибора приемный преобразователь зонда толщиномера, Принцип действия известного прибора основан на регистрации интенсивности рассеянного гамма-излучения по периметру скважины в виде непрерывной кривой (селективной цементограммы). Конструкция измерительных зондов обеспечивает работу одного из них в области плотностной инверсии (зонд малой длины), а второго - в режиме плотностного каротажа (зонд большой длины). Интенсивность рассеянного гамма-излучения, регистрируемого с помощью зонда малой длины, определяется средней по периметру толщиной стенки обсадной колонны, а интенсивность рассеянного гамма-излучения, регистрируемого с помощью зонда большой длины, определяется в основном объемной плотностью вещества в затрубном пространстве, что дает возможность определять толщину стенки обсадной колонны, наличие и состояние цементного камня за колонной, имеющего большую объемную плотность по сравнению с буровым раствором.
Известные приборы серий СГДТ и ЦМ (аналог и прототип) применяются для исследования скважин, обсаженных кондукторами и техническими колоннами. Зондовая часть прибора содержит детекторы -приемники гамма-излучения, коллимированные по азимуту и углу отклонения относительно продольной оси скважинного прибора и образующие малый зонд (зонд толщиномера) с одним детектором -приемником, расположенным по оси прибора, и большой зонд (зонд плотномера), включающий детекторы - приемники, установленные под углом 120° и равномерно разнесенные относительно друг друга в поперечном сечении прибора и смещенные от продольной оси к стенке охранного корпуса для максимального приближения к стенке обсадной колонны.
К недостаткам известных приборов относится следующее - ввиду особенностей условий распространения гамма- излучения для эффективной работы известных приборов (в частности - для определения объемной плотности вещества в затрубном пространстве скважины), требуется соблюдение главного и необходимого условия - соблюдение минимально возможного расстояния между приемниками гамма-излучения, установленными в корпусе прибора, и внутренней стенкой обсадной колонны.
Однако конструкции применяемых в указанных аналогах детекторов - приемников гамма- излучения могут применяться только в 5- и 6-дюймовых колоннах (приборы серии СГДТ), а для использования в 7-дюймовых колоннах уже необходимо устанавливать специальные вытеснители. Так на практике для обсадных 8-, 9-, 10- и 12- дюймовых колонн используются приборы серии ЦМ (8 - 12).
Кроме того, помимо сложности применения, ограниченной диаметром обсадной колонны скважин, известные приборы отличаются погрешностью измерений, так как на показания канала естественной гамма-активности оказывает влияние вторичное, переизлученное от датчиков плотности.гамма-излучение, прошедшее по воздушному зазору между охранным корпусом и шасси прибора с размещенным на нем электронным блоком преобразования. В связи с тем, поскольку плотность цементного камня затрубного пространства измеряется несколькими детекторами - приемниками отраженного гамма-излучения, содержащими сцинтилляционные кристаллы с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), их индивидуальные изменения энергетической чувствительности к гамма-квантам в диапазоне рабочих температур приводят к изменениям показаний каналов, в состав которых они входят.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений искомых параметров объемной плотности вещества в затрубном пространстве скважины и обеспечение универсальности конструкции для снижения ряда используемых приборов известной серии в зависимости от диаметра обсадных колонн.
Поставленная задача решается следующим образом.
В устройстве для контроля технического состояния обсаженных скважин, содержащем корпус с центраторами, размещенные в нижней части корпуса источник гамма-излучения, свинцовый экран с коллимационными окнами приемник гамма-излучения с фотоэлектронным умножителем, расположенный по оси корпуса и образующий с источником гамма-излучения зонд толщиномера, а в верхней части корпуса - электронный блок и несколько приемников гамма-излучения с фотоэлектронными умножителями, равномерно разнесенные относительно друг друга и равноудаленные от продольной оси, образующие с источником гамма-излучения зонд плотномера, согласно изобретению приемники гамма-излучения зонда плотномера вынесены за пределы корпуса и оснащены волоконно-оптическими кабелями, свободными торцами соединенными каждый со своим фотоэлектронным умножителем в корпусе, а корпус дополнительно оснащен установленной по продольной оси системой выдвижных рычагов, равномерно разнесенных относительно друг друга и равноудаленных от корпуса и оснащенных прижимными «лапами» с роликами скольжения на концах каждого из выдвижных рычагов, при этом приемники гамма-излучения зонда плотномера установлены на «лапах» выдвижных рычагов.
Предложенная конструкция устройства контроля технического состояния обсаженных скважин (далее - прибора) имеет следующие существенные отличия и преимущества по сравнению с аналогами: - в конструкции известных аналогов в качестве источника гамма-излучения используется сцинтиляционный кристалл, трансформирующий энергию фотонов из гамма- спектра в видимую область, а в качестве приемника гамма-излучения используется сцинтиляционный кристалл, связанный с фотоэлектронным умножителем (в некоторых случаях оснащенный дополнительно блоком питания и усилителем), преобразующим энергию принятого из окружающего пространства гамма - кванта в амплитуду электрического сигнала, поступающего затем на электронный блок для связи с наземным регистратором. Конструктивно сцинтиляционный кристаллприемника гамма-излучения жестко связан со своим фотоэлектронным умножителемпосредством оптически прозрачной смазки, слой которой определяет расстояние между приемником гамма-излучения и его фотоэлектронным умножителем. Но именно эта конструктивная особенность приемников гамма-излучения (очень маленькое фиксированное расстояние между кристаллом и фотоэлектронным умножителем, обусловленное толщинойсмазки), ограничивает возможность практического применения известных аналогов в скважинах, то есть ставит их применение в зависимость от диаметра обсадных колонн.
Использование гибкого волоконно-оптического кабеля вместо оптически-прозрачной смазки для соединения сцинтиляционного кристалла приемника гамма-излучения с его фотоэлектронным умножителем обеспечивает возможность увеличить расстояние между ними до максимально необходимого, в частности - вынести сцинтиляционные кристаллы - приемники гамма-излучения за пределы корпуса скважинного прибора, и тем самым обеспечить минимально возможное расстояние между приемниками гамма-излучения зонда плотномера и внутренней стенкой обсадной колонны;
- использование волоконно-оптического кабеля для соединения фотоэлектронного умножителя внутри корпуса с соответствующим ему приемником гамма-излучения за пределами корпуса обеспечивает быстродействие и высокую точность измерений, поскольку средства оптоэлектроники отличает высокая помехозащищенность и большая скорость передачи измерительной информации в реальном режиме времени независимо от параметров скважинной среды.
- наличие в конструкции системы выдвижных рычагов, равномерно разнесенных и равноудаленных от продольной оси корпуса и оснащенных прижимными «лапами», обеспечивает возможность размещения приемников гамма- излучения зонда плотномера на прижимных «лапах» за пределами корпуса прибора на минимально возможном фиксированном расстоянии от стенок обсадной колонны,
- система выдвижных рычагов позволяет изменять расстояние между продольной осью корпуса и «лапами», а соответственно и установленными на них приемниками гамма-излучения, в зависимости от диаметра обсадной колонны. При этом постоянно сохраняется минимально -возможное постоянное расстояние между стенкой обсадной колонны и приемниками гамма-излучения прибора, задаваемое диаметром роликов скольжения на «лапах»;
- наличие роликов скольжения на «лапах» выдвижных рычагов в совокупности с системой центраторов прибора обеспечивает плавность хода выносных приемников гамма-излучения по обсадной колонне в процессе спуско-подъемных операций, что снижает затухания низкоуровневого гамма-излученияи обеспечивает надежность сохранения фиксированного расстояния между приемниками гамма-излучения и стенкой обсадной колонны;
- предложенная конструкция обеспечивает возможность контроля технического состояния обсаженных скважин одним прибором независимо от диаметра обсадной колонны, что повышает экономичность и эффективность геофизических работ на скважинах.
На фиг. 1 представлен вариант конструкции устройства контроля технического состояния обсаженных скважин.
На фиг. 2 показана схема выдвижных рычагов с детекторами - приемниками гамма-излучения.
Устройство контроля технического состояния обсаженных скважин (далее - прибор) содержит корпус 1 с направляющими заглушками 2, центраторы 3, систему выдвижных рычагов 4 с «лапами» 5 на концах, равномерно разнесенными относительно друг друга и равноудаленными от корпуса 1 и оснащенными роликами скольжения 6, источник гамма-излучения 7, приемник гамма-излучения 8 с ФЭУ - 9, установленный по продольной оси прибора, и приемники гамма-излучения 10, установленные на «лапах» 5 выдвижных рычагов 4. Каждый детектор - приемник гамма-излучения 10 соединен с соответствующим ему ФЭУ-11 в корпусе 1 прибора посредством оптоволоконного кабеля (на фиг. не показан). В верхней части корпуса размещен блок электроники 12 для связи ФЭУ -9. - 11 с наземным регистратором, а между источником гамма-излучения 7 и ФЭУ- 9, -11 установлен свинцовый экран 13, оснащенный коллимационными окнами для рассеивания в пространство скважины фотонов гамма-излучения.
Источник гамма-излучения 7 с приемником гамма-излучения 8 с ФЭУ-9 образуют зонд толщиномера, а с приемниками гамма-излучения 10 и с соответствующими им ФЭУ- 11 образуют зонд плотномера.
На практике каждый из приемников гамма-излучения 8 и 10 представляет собой сцинтилляционный кристалл (обычно йодид натрия, легированный таллием, но не чрезмерно), соединенный с соответствующим фотоэлектронным умножителем 9, 11. При этом каждый из сцинтилляционных кристаллов приемников гамма-излучения 10 оснащен защитным кожухом (на фиг. не показано)и волоконно-оптическим кабелем для передачи светового излучения, генерируемого кристаллом, в ФЭУ-11. Волоконно-оптический кабель сопряжен одной торцевой поверхностью посредством обычного оптического геля с кристаллом - приемником гамма-излучения 10, а свободным торцом - с соответствующим ему ФЭУ-11. Площадь поверхности, излучающая свет из кристалла-приемника гамма-излучения 10, оптически связанная с торцом волоконно-оптического кабеля, таким образом увеличивается до максимума, генерируя свет от кристалла с максимальной скоростью в ФЭУ-11. Выходы ФЭУ -11, так же как и ФЭУ-9, соединены с блоком электроники 12, который посредством каротажного кабеля связан с наземным регистратором. Прибор работает следующим образом.
На приборе посредством системы выдвижных рычагов 4 «лапы» 5 с закрепленными на них приемниками гамма-излучения 10 выставляют с упором роликами скольжения 6 в стенки обсадной колонны. При этом диаметром роликов скольжения 6 задается минимально возможное фиксированное расстояние от стенок обсадной колонны исследуемой скважины до приемников гамма-излучения 10. Прибор на кабеле спускают в скважину на глубину исследуемого интервала и при последующем подъеме, производят запись каротажных диаграмм. В процессе подъема источник гамма излучения 7 трансформирует энергию фотонов из гамма - спектра в видимую область, излучая гамма - кванты в пространство скважины. А приемники гамма-излучения 8 и приемники гамма-излучения 10 через свои ФЭУ 9 и 11 соответственно, принимают рассеиваемое гамма - излучение от исследуемого скважинного пространства и преобразуют энергию гамма - квантов в амплитуды электрических сигналов, которые преобразуются электронным блоком 12 и передаются по каротажному кабелю на наземный регистратор.
Таким образом, предложенная конструкция устройства контроля технического состояния обсаженных скважин обеспечивает главное и необходимое условие эффективности контроля качества цементирования обсадных колонн скважин методом рассеянного гамма излучения - соблюдение минимально возможного расстояния между приемниками гамма-излучения прибора и внутренней стенкой обсадной колонны, тем самым обеспечивая высокую точность измерений. При этом универсальность конструкции обеспечивает возможность использования предложенного устройства контроля технического состояния обсаженных скважин в любых скважинах независимо от диаметра обсадных колонн, что снижает затраты на изготовление дополнительных приборов известной серии (как у аналогов) и повышает экономичность проведения геофизических работ на скважинах.