Способ диагностики заполнения лёгкими и облегчёнными цементами заколонного пространства нефтегазовых скважин нейтронным методом и сканирующее устройство для его реализации
METHOD OF DIAGNOSTICS OF FILLING OF CASING ANNULUS OF OIL AND GAS WELLS WITH LIGHT AND LIGHT-WEIGHT CEMENTS BY NEUTRON METHOD AND SCANNING DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, к области ядерно-физических методов исследований скважин и может быть использовано в приборах, осуществляющих в режиме кругового сканирования скважин диагностику заколонного пространства, заполненного легкими и облегченными цементами, на разном удалении от стенки обсадной колонны (ОК) и по периметру скважины.
Известен прибор нейтронного каротажа скважин многозондовый, содержащий герметичный корпус, включающий источник нейтронов, установленный на съемном штоке, двухзондовый измерительный блок, состоящий из детекторов тепловых и надтепловых нейтронов, расположенных по разные стороны от источника нейтронов, фильтров из нейтронно-поглощающего материала, расположенных между источником и детекторами, подключенными к электронному блоку, причем, один из детекторов измерительного зонда выполнен в виде однотипных детекторов, размещенных параллельно оси фильтра и прибора в кольцевой зоне, снабжен вторым двухзондовым измерительным блоком, состоящим из последовательно соединенных фильтров из нейтронно-поглощающего материала и детекторов тепловых и надтепловых нейтронов, и переходником, соединяющим между собой двухзондовые измерительные блоки, помещенные в герметичные охранные кожуха, а в переходнике выполнена перпендикулярно оси прибора герметичная полость, в которую установлен съемный шток с источником нейтронов (пат. РФ на полезную модель №46367, заявл. 21.02.2005, опубл. 27.06.2005, Бюл. №18).
Особенностью известного прибора является то, что в конструкцию введен второй двухзондовый измерительный блок, состоящий из одного зонда надтепловых и одного зонда тепловых нейтронов, включающего последовательно установленные фильтры из нейтронно-поглощающего материала и детекторы тепловых и надтепловых нейтронов, благодаря чему, прибор существенно расширяет свои функциональные возможности, так как все зонды измерительных блоков прибора имеют разную длину, а, следовательно, глубину и область исследования.
Недостаток известного прибора заключается в следующем.
Применение в зондах нейтронного каротажа по одному (центральному) детектору нейтронов, расположенному по оси прибора, позволяет получить обобщенную и усредненную величину измерений по всему периметру скважины, недостаточную для детальной диагностики заполнения заколонного пространства легкими и облегченными цементами, а также - определения пористости коллекторов горных пород и их насыщения по периметру скважины, что снижает информативность измерений.
Кроме того, известный прибор не обеспечивает диагностику заколонного пространства в режиме кругового сканирования скважин.
Известен прибор для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах и магистральных трубопроводах, содержащий измерительный зонд гамма-гамма каротажа (ГГК), включающий источник гамма-излучения, неподвижный экран с круговым коллимационным окном для источника гамма-излучения, детектор гамма-излучения, размещенный в корпусе внутри полого вала, неподвижно зажатого по оси прибора, экран с секторным коллимационным окном для детектора гамма-излучения, подвижно установленный на полом валу, систему, обеспечивающую равномерное вращение подвижного экрана детектора гамма-излучения, регистрирующее устройство и датчики направления и положения, отличающийся тем, что коаксиально подвижного экрана детектора гамма-излучения установлен неподвижный экран с круговым коллимационным окном, дополнительно в приборе установлен измерительный зонд гамма-гамма каротажа, детектор гамма-излучения которого размещен соосно с первым детектором гамма-излучения, в одном корпусе, вне зоны подвижного экрана, при этом неподвижный экран с круговым коллимационным окном установлен в корпусе прибора (пат. РФ 2309437, G01V 5/12, приор. 08.11.2005, публ. 20.05.2007).
В известном приборе на подшипниках установлен подвижный (вращающийся) экран детектора гамма-излучения с коллимационным окном, благодаря чему обеспечивается послойное сканирование исследуемого пространства, выполняемое детекторами гамма-излучения.
3
3
3
3
Известное устройство реализует метод ГГК и осуществляет измерения плотности цемента в заколонном пространстве при условии в разнице между плотностями цемента и промывочной жидкости более 0,3-0,4 г/см, при этом плотность нормальных цементов составляет 1,7-1,9 г/см, а промывочной жидкости - 1,0-1,3 г/см. Вследствие этого, не обеспечивается решения задач по диагностике заколонного пространства, заполненного легкими и облегченными цементами, плотность которых 0,9-1,4 г/см.
Известна аппаратура, которая обладает технической возможностью для диагностики заполнения заколонного пространства легкими и облегченными цементами и определения пористости коллекторов горных пород и их насыщения углеводородами на разном удалении от стенки обсадной колонны, благодаря высокой чувствительности показаний методов нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым и надтепловым нейтронам (2ННКт, 2ННКнт) и спектрометрического нейтронного гамма-излучения (СНГК) к дефициту плотности, водородосодержания и хлорсодержания сред, заполняющих заколонное кольцевое пространство скважины (патенты РФ №2680102, №2672783).
Комплексная спектрометрическая аппаратура нейтронного каротажа включает установленные в охранном кожухе по его оси общий стационарный источник нейтронов, зонды с первым и вторым спектрометрическими детекторами нейтронного гамма-излучения (СНГК), зонды, содержащие детекторы тепловых нейтронов (ННКт), расположенные по одну из сторон от источника нейтронов, при этом большой зонд СНГК и малый и большой зонды детекторов тепловых нейтронов ННКт развернуты по оси в противоположные стороны относительно источника нейтронов (патент РФ №2680102, G01V 5/10, заявл. 11.07.2017, опубл. 11.01.2019, Бюл. №2).
Техническим результатом, получаемым от использования известного изобретения, является расширение круга решаемых задач на всех этапах жизни газовых и нефтегазовых скважин на основе использования практически всех основных нейтронных ядерно-физических характеристик пород и насыщающих их флюидов, связанных с процессами замедления нейтронов - 2ННКнт, поглощения тепловых нейтронов - 2ННКт, гамма-активностью химических элементов при поглощении тепловых нейтронов и существенными различиями ядерно-физических свойств жидких и газообразных углеводородных флюидов - 2СНГК, что позволяет осуществлять диагностику заполнения заколонного пространства цементом, включая легкие и облегченные цементы, определять пористость коллекторов и характер их насыщения.
Недостаток известной аппаратуры заключается в том, что при размещении детекторов нейтронов методов 2ННКнт и 2ННКт по разные стороны от источника нейтронов, на результаты измерений зондов оказывают влияние переходные характеристики показаний детекторов при пересечении нейтронами границы противоположного расположения зондов относительно источника нейтронов, что приводит к возникновению ложных флуктуаций, не связанных с диагностикой заполнения цементом заколонного пространства и пористостью горных пород.
Кроме того, аппаратура не обеспечивает осуществление в сканирующем режиме диагностики сред в околоскважинном пространстве по периметру скважины.
Известна аппаратура нейтронного каротажа, включающая установленные в охранном кожухе по его оси общий источник нейтронов, два спектрометрических детектора нейтронного гамма-каротажа (СНГК), два детектора тепловых нейтронов, формирующие малый и большой зонды нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам (ННКт), которая дополнительно содержит два детектора надтепловых нейтронов, формирующие малый и большой зонды нейтрон-нейтронного каротажа по надтепловым нейтронам (ННКнт), при этом детекторы СНГК разделены между собой свинцовым экраном и помещены в общий экран-конвертер из кадмия, а детекторы зондов ННКнт помещены в кадмиевые экраны и отделены от детекторов зондов ННКт экранами из полиамида, а зазоры между экранами пропитаны высокотемпературным силиконовым герметиком, кроме того, все зонды СНГК, ННКт и ННКнт расположены по одну сторону от источника нейтронов (пат. РФ №2672783, G01V 5/10, заявл. 28.12.2017, опубл. 19.11.2018, выбран в качестве прототипа к заявляемому устройству).
Известному прибору присущ недостаток, заключающийся в том, что из-за применения в зондах по одному (центральному) детектору нейтронов, расположенному по оси прибора, регистрируют обобщенную и усредненную по периметру скважины информацию, что не обеспечивает осуществления в режиме кругового сканирования детальной диагностики сред в околоскважинном пространстве по периметру скважины.
Кроме того, из-за малого диаметра скважинного прибора (менее 50 мм) в пространстве между прибором и стенкой скважины возникает расстояние, которое может быть заполнено разнородной по составу скважинной жидкостью, влияющей на показания зондов, по этой причине предъявляются повышенные требования к однородности скважинной жидкости по стволу скважины, которые трудно обеспечить в производственных условиях.
Техническим результатом, достигаемым применением заявляемого изобретения, является расширение функциональных возможностей нейтронных методов, позволяющих с повышенной достоверностью осуществлять детальное изучение особенностей заполнения заколонного пространства цементом, включая легкие и облегченные цементы, в круговом сканирующем режиме по периметру нефтегазовых скважин нескольких ОК.
Указанный технический результат, в части устройства, достигается за счет того, что в заявляемой аппаратуре нейтронного каротажа в режиме кругового сканирования нефтегазовых скважин, включающей установленные в охранном кожухе скважинного прибора по его оси общий источник нейтронов, детекторы надтепловых нейтронов, расположенные по одну сторону от источника нейтронов и экранированные от него, в отличие от известного, детекторы надтепловых нейтронов образуют зонды разной длины: малый зонд - МЗ, средний зонд - СЗ, большой зонд - БЗ нейтрон-нейтронного каротажа по надтепловым нейтронам - 3ННКнт, установленные в указанной последовательности от источника нейтронов, при этом детекторы зондов 3ННКнт выполнены в виде кассет со счетчиками нейтронов, каждая из которых содержит центральный счетчик нейтронов и счетчик нейтронов, расположенный в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора, и который экранирован от центрального счетчика полиамидным экраном, при этом все кассеты зондов метода 3ННКнт по периметру экранированы общим кадмиевым экраном, а малый зонд метода 3ННКнт со стороны нейтронного источника экранирован полиамидным экраном, кроме того, все зонды 3ННКнт с экранами установлены в дополнительном корпусе, имеющем возможность принудительного вращения вокруг продольной оси прибора внутри охранного кожуха, при этом дополнительный корпус выполнен из прозрачного для прохождения нейтронов материала, не подвергающегося деформациям изгиба и кручения.
Дополнительный корпус в охранном кожухе установлен на подшипнике и кинематически соединен с электродвигателем, электропитание которого обеспечивается по жиле каротажного кабеля.
Малый зонд имеет длину корпуса 15÷20 см, средний зонд - 25÷30 см, большой зонд - 35÷40 см.
Все счетчики нейтронов - однотипны с длиной не более 100 мм и диаметром не более 18 мм и установлены соосно друг другу.
Охранный кожух прибора снабжен верхним и нижним центраторами.
Охранный кожух прибора должен иметь диаметр, близкий к диаметру обсадной колонны (ОК), и обеспечивать свободное прохождение внутри ОК, например, с допуском для прохождения в ОК с диаметром 146 мм и 168 мм.
Указанный технический результат, в части заявляемого способа, достигается тем, что для диагностики заполнения легкими и облегченными цементами заколонного пространства нефтегазовых скважин используют трехзондовый нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам - 3ННКнт, реализуемый с помощью скважинного прибора, центрированного по стволу скважины, и содержащего зонды разной длины: малый - МЗ, средний - СЗ, большой - БЗ, каждый из которых содержит центральный счетчик нейтронов и счетчик нейтронов, расположенный в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора (периферийный счетчик), установленные в корпусе, вращающемся вокруг оси корпуса прибора, при этом в процессе каротажа разбивают время одного полного оборота вращающегося корпуса на равные промежутки (окна), каждый из которых соответствует определенному i сектору по периметру исследуемой скважины, и осуществляют регистрацию текущих значений интенсивности надтепловых нейтронов -  центральными счетчиками нейтронов всех зондов 3ННКнт и производят регистрацию текущих значений интенсивности надтепловых нейтронов -  периферийными счетчиками нейтронов всех зондов 3ННКнт в каждом i секторе за полный оборот вращающегося корпуса, далее, нормируют полученные показания всех счетчиков на показания этих счетчиков в воде, следующим образом, для центральных счетчиков:
а для периферийных счетчиков, следующим образом:
где:
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком малого зонда (МЗ), безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком среднего зонда (СЗ), безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком большого зонда (БЗ), безразмерная ед.,
ц.мз
J - нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком малого зонда (МЗ), безразмерная ед.,
ц.сз
J - нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком среднего зонда (СЗ), безразмерная ед.,
ц.бз
J - нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком большого зонда (БЗ), безразмерная ед.,
в.мз
J - интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком малого зонда (МЗ) в воде, безразмерная ед.,
в.сз
J - интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком среднего зонда (СЗ) в воде, безразмерная ед.,
в.бз
J - интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком большого зонда (БЗ) в воде, безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком малого зонда (МЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком большого зонда (БЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком малого зонда (МЗ) в воде, безразмерная ед.,
- интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ), в воде, безразмерная ед.,
- интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком большого (БЗ), в воде, безразмерная ед.,
- нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком малого зонда (МЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком большого (БЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.
цем.
Затем производят вычисление функции цемента F, определяющей распределение цемента в заколонном пространстве на разном удалении от стенки обсадной колонны скважины, следующим образом:
цем.
далее вычисляют функцию дефицита цемента ΔF следующим образом:
где:
цем.мзi
F - вычисленная функция цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком малого зонда (МЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.cзi
F - вычисленная функция цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.бзi
F - вычисленная функция цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком большого зонда (БЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.мзi
ΔF - вычисленная функция дефицита цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком малого зонда (МЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.сзi
ΔF - вычисленная функция дефицита цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.бзi
ΔF - вычисленная функция дефицита цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком большого зонда (БЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.
1э
цем.
Далее определяют F - функцию эксцентриситета первой обсадной колонны скважины по соотношению минимальных и максимальных значений функции цемента F для периферийных счетчиков малого зонда, следующим образом:
2э
цем.
определяют F - функцию эксцентриситета второй обсадной колонны скважины по соотношению минимальных и максимальных значений функции цемента F для периферийного счетчика среднего зонда, следующим образом:
3э
цем.
определяют F - функцию эксцентриситета третьей обсадной колонны скважины по соотношению минимальных и максимальных значений функции цемента F для периферийного счетчика большого зонда, следующим образом:
где:
цем.мзi
цем.
maxF - максимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика малого зонда (МЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.мзi
цем.
minF - минимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика малого зонда (МЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.cзi
цем.
maxF - максимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика среднего зонда (СЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.cзi
цем.
minF - минимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика среднего зонда (СЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.бзi
цем.
maxF - максимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика большого зонда (БЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.бзi
цем.
minF - минимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика большого зонда (БЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.
Далее производят интегральную оценку доли по периметру кольцевого заколонного пространства по исследованному интервалу, заполненного цементом -  по результатам полученных показаний центральных счетчиков МЗ, СЗ, БЗ, из расчета:
и производят интегральную оценку доли по периметру кольцевого заколонного пространства, заполненного цементом - по отдельным i секторам для каждого зонда по результатам полученных показаний периферийного счетчика, из расчета:
Затем производят интегральную оценку доли цемента  за первой обсадной колонной - эксплуатационной, по результатам расчета по формуле (16) и по результатам расчета по формуле (19), исходя из того, что для малого зонда радиус исследования не превышает ~ 5 см, при этом интегральное значение по всем счетчикам малого зонда будет характеризовать среднее значение доли цемента за эксплуатационной колонной в интервале цементирования с одноколонной конструкцией скважины,
далее производят интегральную оценку доли цемента  за второй обсадной колонной - технической по результатам расчета по формуле (17) и по результатам расчета по формуле (20), исходя из того, что для среднего зонда радиус исследования составляет ~ 10 см, при этом интегральное значение по всем счетчикам среднего зонда будет характеризовать среднее значение доли цемента за технической колонной в интервале цементирования с двухколонной конструкцией скважины,
далее производят интегральную оценку доли цемента  за третьей колонной - кондуктором по результатам расчета по формуле (18) и по результатам расчета по формуле (21), исходя из того, что для большого зонда радиус исследования составляет ~ 15 см, при этом интегральное значение по всем счетчикам большого зонда будет характеризовать среднее значение доли цемента за кондуктором в интервале цементирования с трехколонной конструкцией скважины.
где:
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за первой обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний центрального счетчика малого зонда (МЗ), безразмерная ед.,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за второй обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний центрального счетчика среднего зонда (СЗ), безразмерная ед.,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за третьей обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний центрального счетчика большого зонда (БЗ), безразмерная ед.,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за первой обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний периферийного счетчика малого зонда (МЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная величина,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за второй обсадной колонной скважины, полученная по результатам полученных показаний периферийного счетчика среднего зонда (СЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная величина,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за третьей обсадной колонной скважины, полученная по результатам полученных показаний периферийного счетчика большого зонда (БЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная величина.
На фигуре 1 представлена таблица интерпретации результатов измерений для одноколонной конструкции скважины.
На фигуре 2 представлена принципиальная схема зондовой части заявляемого прибора.
В охранном кожухе 1 прибора, диаметр которого должен быть близок к диаметру ОК 146 мм, 168 мм и обеспечивать нормальное прохождение по стволу скважины, размещен общий стационарный плутониевый-бериллиевый (Pu+Ве) источник нейтронов 2, по одну сторону от которого расположены: малый зонд (МЗ) метода 3ННКнт с детекторами нейтронов в виде кассеты с центральным счетчиком 3 надтепловых нейтронов и счетчиком 4 надтепловых нейтронов, установленным в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора, средний зонд (СЗ) метода 3ННКнт с центральным счетчиком 5 надтепловых нейтронов и счетчиком 6 надтепловых нейтронов, установленным в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора (вид по А-А), и большой зонд (БЗ) метода 3ННКнт с детекторами нейтронов в виде кассеты с центральным счетчиком 7 надтепловых нейтронов и счетчиком надтепловых нейтронов 8, установленным в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора, при этом счетчики 4, 6 и 8, расположенные в кассетах в кольцевой зоне, экранированы от центральных счетчиков 3, 5 и 7 полиамидными экранами 9, 10 и 11.
Все кассеты зондов метода 3ННКнт по периметру экранированы общим кадмиевым экраном 12, а малый зонд метода 3ННКнт с стороны нейтронного источника 2 экранирован полиамидным экраном 13.
Кадмиевый экран 13 с детекторами зондов 3ННКнт установлен в дополнительном корпусе 14, имеющем возможность принудительного вращения вокруг продольной оси прибора внутри охранного кожуха 1, при этом дополнительный корпус 14 выполнен из прозрачного для прохождения нейтронов материала, не подвергающегося деформациям изгиба и кручения, например, из твердого металла, достаточной толщины, выдерживающей деформацию, возникающую при вращении дополнительного корпуса 14.
Дополнительный корпус 14 в охранном кожухе установлен на подшипнике 15 и кинематически соединен с электродвигателем 16, электропитание которого обеспечивается по жиле каротажного кабеля 17, на котором спускается скважинный прибор. Электрическая жила, идущая от электронной схемы внутри прибора, подведена к коллектору (на фиг. не показано, ввиду общеизвестности), соединенному с каротажным кабелем 17.
Все счетчики нейтронов - однотипны с длиной не более 100 мм и диаметром 18 мм и установлены соосно друг другу.
Малый зонд имеет длину корпуса 15÷20 см, средний зонд - 25÷30 см, большой зонд - 35÷40 см.
Прибор центрируется в скважине при помощи центраторов 18 и 19.
Охранный кожух 1 прибора изготавливается с диаметром, близким к диаметру ОК, для свободного прохождения внутри ОК, например, диаметром 146 мм или 168 мм. Небольшое расстояние между корпусом прибора и стенкой ОК обеспечивает незначительный объем скважинной жидкости между ними, тем самым максимально снижается влияние неоднородного состава скважинной жидкости на показания зондов нейтронных методов.
Прибор спускается в скважину на каротажном кабеле 17, по которому с поверхности подается питание на электродвигатель 16.
Во время подъема прибора с поверхности приводится в действие электродвигатель 16, который обеспечивает равномерное вращение корпуса экрана 14, установленного на подшипнике 15, вследствие чего, счетчики 4, 6 и 8 надтепловых нейтронов метода 3ННКнт, находящиеся на некотором удалении от центра, где размещены центральные счетчики 3, 5 и 7, поворачиваются по периметру скважины, делая полный оборот, при этом проводится сканирующий многозондовый нейтронный каротаж 3ННКнт в круговом режиме сканирования обсаженной скважины.
Нейтронный каротаж основан на облучении цементной крепи скважины и окружающих ее пород нейтронами, испускаемыми ампульным источником нейтронов 2, и измерении плотностей потоков надтепловых нейтронов зондами 3ННКнт - МЗ, СЗ, БЗ, содержащими кассеты с центральными счетчиками 3, 5, 7 и периферийными счетчиками 4, 6, 8.
Все основные виды взаимодействия нейтронов с цементной крепью скважины, породой и насыщающими ее флюидами выполняют с помощью измерительных зондов, а далее полученную информацию обрабатывают, интерпретируют и представляют в виде количественных оценок заполнения заколонного пространства цементами.
В нейтронных счетчиках метода 3ННКнт сканирующего устройства нейтронного каротажа во время каротажа потоки нейтронов преобразуются в электрический сигнал, далее в электронной схеме прибора (на фиг. не показана) осуществляется усиление и оцифровка импульсов со счетчиков нейтронов, и передача накопленной информации по каротажному кабелю на регистратор и далее на компьютер каротажной станции (на фиг. не показаны).
Экраны 10, 11 обеспечивают снижение влияния мешающих геолого-технических факторов, осложняющих связь между регистрируемыми показаниями нейтронных методов и параметрами, характеризующими заполнение заколонного пространства цементом и геологическими параметрами насыщения коллекторов горных пород.
Многозондовый нейтронный каротаж 3ННКнт обсаженной скважины позволяет обеспечить «разноглубинность» исследований разрезов нефтегазовых скважин в радиальном направлении от стенки обсадной колонны за счет применения зондов разной длины: малый зонд обеспечивает глубинность исследований ~ 5 см, средний зонд - ~ 10 см, большой зонд ~ 15 см, при этом по заявляемой методике определяется характеристика заполнения заколонного пространства цементом, включая легкие и облегченные цементы, устанавливается эксцентриситет каждой ОК в скважинах с многоколонной конструкцией.
Сканирование заколонного пространства многодетекторными зондами позволяет детально изучить особенности распределения вышеперечисленных параметров по периметру скважины. Кассетное расположение детекторов, при котором центральный счетчик нейтронов расположен по оси устройства, а периферийный счетчик удален от него к стенке прибора, позволяет производить диагностику анизотропии исследуемых сред путем сопоставления показаний счетчика, расположенного по периметру и показаний центрального счетчика, исходя из того, что центральный счетчик дает общую усредненную характеристику нейтронных свойств изучаемых сред, а счетчик, расположенный по периметру - характеристику по отдельным секторам.
Физической основой применения многозондового нейтронного каротажа по надтепловым нейтронам 3ННКнт на базе нейтронного источника Pu+Ве для диагностики заполнения заколонного пространства легкими и облегченными цементами является высокая чувствительность показаний нейтронных зондов к дефициту водородосодержания легких и облегченных цементов относительно жидкости, заполняющей заколонное кольцевое пространство.
Обоснование возможности количественной оценки заполнения заколонного пространства нефтегазовых скважин с использованием легких и облегченных цементов производилось на основе натурного и математического моделирования методом Монте-Карло.
При моделировании была принята наиболее распространенная конструкция с типовым диаметром скважины в продуктивных отложениях 216 мм, обсаженной эксплуатационной колонной диаметром 168 мм.
3
В вышележащих отложениях диаметр скважины составлял 300 мм и был обсажен технической колонной диаметром 245 мм, и самый верхний интервал скважины имел диаметр 425 мм и был обсажен технической колонной (кондуктор) диаметром 325 мм. Легкий и облегченный цемент имел плотность 0,9-1,4 г/см. Заполнение кольцевого заколонного пространства, не занятого цементным камнем, производилось промывочной жидкостью.
цем.
Метод 3ННКнт самый чувствительный из нейтронных методов к водородосодержанию и имеет радиус исследований для малых зондов ~ 5 см, для средних зондов ~ 10 см и для больших зондов ~ 15 см. Физической причиной существенного влияния доли цемента С на показания зондов метода 3ННКнт является изменение среднего водородосодержания заколонного пространства - Wзакол, как по периметру скважины, так и в радиальном направлении. Изменение плотности цемента в заколонном пространстве, как показывают математическое и натурное моделирования заполнения заколонного пространства легкими и облегченными цементами, на котором основана цементометрия с методам ГГК-Ц/СГДТ-3, влияет настолько слабо, что им можно пренебречь.
цем.
цем.
цем.
В случае низкого качества цементирования свободное заколонное пространство заполнено буровым раствором или жидким флюидом, водородосодержание (W) которых максимально и близко к воде: Wвод ~ 1, что выше водородосодержания цемента: Wcem ~ 0,4 примерно в 2,5 раза, поэтому с ростом доли цемента С при замещении бурового раствора цементом, водородосодержание Wзакол постепенно падает от Wзакол = Wвод ~ 1 до Wзакол = Wcem ~ 0,4, что приводит к повышению показаний нейтронных зондов. При замещении бурового раствора цементом с ростом доли цемента С изменение среднего водородосодержания заколонного пространства Wзакол (С) пропорционально разности водородосодержаний обеих сред, Wвод - Wcem, которая тем больше, чем легче цемент, и тем больше расхождения показаний зондов метода 3ННКнт.
Способ реализуется с помощью скважинного прибора, центрированного по стволу скважины, и содержащего зонды разной длины: малый - МЗ, средний - СЗ, большой - БЗ, каждый из которых содержит центральный счетчик надтепловых нейтронов и счетчик надтепловых нейтронов, расположенный на удалении от центрального счетчика в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора (периферийный счетчик).
В процессе каротажа разбивают время одного полного оборота вращающегося корпуса 13 на равные промежутки (окна), например, на 4÷6, каждый из которых соответствует определенному i сектору по периметру исследуемой скважины, и осуществляют регистрацию текущих значений интенсивности надтепловых нейтронов -  центральными счетчиками нейтронов всех зондов 3ННКнт в каждом i секторе и производят регистрацию текущих значений интенсивности надтепловых нейтронов -  периферийными счетчиками нейтронов всех зондов 3ННКнт в каждом i секторе за полный оборот вращающегося корпуса, далее, нормируют полученные показания всех счетчиков на показания этих счетчиков в воде, следующим образом, для центральных счетчиков:
а для периферийных счетчиков, следующим образом:
где:
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком малого зонда (МЗ), безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком среднего зонда (СЗ), безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком большого зонда (БЗ), безразмерная ед.,
ц.мз
J - нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком малого зонда (МЗ), безразмерная ед.,
ц.сз
J - нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком среднего зонда (СЗ), безразмерная ед.,
ц.бз
J - нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком большого зонда (БЗ), безразмерная ед.,
в.мз
J - интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком малого зонда (МЗ) в воде, безразмерная ед.,
в.сз
J - интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком среднего зонда (СЗ) в воде, безразмерная ед.,
в.бз
J - интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком большого зонда (БЗ) в воде, безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком малого зонда (МЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- текущая интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком большого зонда (БЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком малого зонда (МЗ) в воде, безразмерная ед.,
- интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ), в воде, безразмерная ед.,
- интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком большого (БЗ), в воде, безразмерная ед.,
- нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком малого зонда (МЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.,
- нормированная по воде интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная периферийным счетчиком большого (БЗ) в каждом i секторе, безразмерная ед.
цем.
Затем производят вычисление функции цемента F, определяющей распределение цемента в заколонном пространстве на разном удалении от стенки ОК скважины, следующим образом:
цем.
далее вычисляют функцию дефицита цемента ΔF следующим образом:
где:
цем.мзi
F - вычисленная функция цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком малого зонда (МЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.сзi
F - вычисленная функция цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.бзi
F - вычисленная функция цемента, полученная по результатам измерений каждым i счетчиком от 1 до 6, большого зонда (БЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.мзi
ΔF - вычисленная функция дефицита цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком малого зонда (МЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.cзi
ΔF - вычисленная функция дефицита цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком среднего зонда (СЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.,
цем.бзi
ΔF - вычисленная функция дефицита цемента, полученная по результатам измерений периферийным счетчиком большого зонда (БЗ), в каждом i секторе, безразмерная ед.
1э
цем.
Далее определяют F - функцию эксцентриситета первой ОК по соотношению минимальных и максимальных значений функции цемента F для периферийных счетчиков малого зонда, следующим образом:
2э
цем.
определяют F - функцию эксцентриситета второй ОК по соотношению минимальных и максимальных значений функции цемента F для периферийного счетчика среднего зонда, следующим образом:
3э
цем.
определяют F - функцию эксцентриситета третьей ОК по соотношению минимальных и максимальных значений функции цемента F для периферийного счетчика большого зонда, следующим образом:
где:
цем.мзi
цем.
maxF - максимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика малого зонда (МЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.мзi
цем.
minF - минимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика малого зонда (МЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.сзi
цем.
maxF - максимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика среднего зонда (СЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.сзi
цем.
minF - минимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика среднего зонда (СЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.бзi
цем.
maxF - максимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика большого зонда (БЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.,
цем.бзi
цем.
minF - минимальное значение функции цемента F для периферийного счетчика большого зонда (БЗ), за один оборот кассеты, безразмерная ед.
Далее производят интегральную оценку доли по периметру кольцевого заколонного пространства по исследованному интервалу, заполненного цементом -  по результатам полученных показаний центральных счетчиков МЗ, СЗ, БЗ, из расчета:
и производят интегральную оценку доли по периметру кольцевого заколонного пространства, заполненного цементом -  по отдельным i секторам для каждого зонда по результатам полученных показаний периферийного счетчика, из расчета:
Затем производят интегральную оценку доли цемента  за первой обсадной колонной - эксплуатационной, по результатам расчета по формуле (16) и по результатам расчета по формуле (19), исходя из того, что для малого зонда радиус исследования не превышает ~ 5 см, при этом интегральное значение по всем счетчикам малого зонда будет характеризовать среднее значение доли цемента за эксплуатационной колонной в интервале цементирования с одноколонной конструкцией скважины,
далее производят интегральную оценку доли цемента  за второй обсадной колонной - технической по результатам расчета по формуле (17) и по результатам расчета по формуле (20), исходя из того, что для среднего зонда радиус исследования составляет ~ 10 см, при этом интегральное значение по всем счетчикам среднего зонда будет характеризовать среднее значение доли цемента за технической колонной в интервале цементирования с двухколонной конструкцией скважины,
далее производят интегральную оценку доли цемента  за третьей колонной - кондуктором по результатам расчета по формуле (18) и по результатам расчета по формуле (21), исходя из того, что для большого зонда радиус исследования составляет ~ 15 см, при этом интегральное значение по всем счетчикам большого зонда будет характеризовать среднее значение доли цемента за кондуктором в интервале цементирования с трехколонной конструкцией скважины.
где:
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за первой обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний центрального счетчика малого зонда (МЗ), безразмерная ед.,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за второй обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний центрального счетчика среднего зонда (СЗ), безразмерная ед.,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за третьей обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний центрального счетчика большого зонда (БЗ), безразмерная ед.,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за первой обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний периферийного счетчика малого зонда (МЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за второй обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний периферийного счетчика среднего зонда (СЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
- интегральная оценка доли цемента в кольцевом пространстве за третьей обсадной колонной скважины, полученная по результатам показаний периферийного счетчика большого зонда (БЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
ц.мз
mахJ - максимальное значение нормированной по воде интенсивности надтепловых нейтронов, измеренное центральным счетчиком малого зонда (МЗ), в каждом i кольцевом пространстве, безразмерная ед.,
ц.мi
minJ - минимальное значение нормированной по воде интенсивности надтепловых нейтронов, измеренное центральным счетчиком малого зонда (МЗ), в каждом i кольцевом пространстве, безразмерная ед.,
ц.сз
mахJ - максимальное значение нормированной по воде интенсивности надтепловых нейтронов, измеренное центральным счетчиком среднего зонда (С3),в каждом i кольцевом пространстве, безразмерная ед.,
ц.сз
minJ - минимальное значение нормированной по воде интенсивности надтепловых нейтронов, измеренное центральным счетчиком среднего зонда (СЗ), в каждом i кольцевом пространстве, безразмерная ед.,
ц.бз
mахJ - максимальное значение нормированной по воде интенсивности надтепловых нейтронов, измеренное центральным счетчиком большого зонда (БЗ), в каждом i кольцевом пространстве, безразмерная ед.,
ц.бз
minJ - минимальное значение нормированной по воде интенсивности надтепловых нейтронов, измеренное центральным счетчиком большого зонда (БЗ), в каждом i кольцевом пространстве, безразмерная ед.
цем.
- текущее значение функции дефицита цемента ΔF, вычисленное для периферийного счетчика малого зонда (МЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
цем.
- текущее значение функции дефицита цемента ΔF, вычисленное для периферийного счетчика среднего зонда (СЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
цем.
- текущее значение функции дефицита цемента ΔF, вычисленное для периферийного счетчика большого зонда (БЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
цем.мзi
цем.
maxΔF - максимальное значение функции дефицита цемента ΔF, вычисленное для периферийного счетчика малого зонда (МЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
цем.мзi
цем.
minΔF - минимальное значение функции дефицита цемента ΔF, вычисленное для периферийного счетчика, малого зонда (МЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
цем.сзi
цем.
maxΔF - максимальное значение дефицита функции цемента ΔF, вычисленное для периферийного счетчика среднего зонда (СЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
цем.cзi
цем.
minΔF - минимальное значение дефицита функции цемента ΔF, вычисленное для периферийного счетчика среднего зонда (СЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
цем.бзi
цем.
maxΔF - максимальное значение дефицита функции цемента ΔF, вычисленное для периферийного счетчика большого зонда (БЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.,
цем.бзi
цем.
minΔF - минимальное значение дефицита функции цемента ΔF, вычисленное для периферийного счетчика большого зонда (БЗ), в каждом i секторе кольцевого пространства, безразмерная ед.
цем.
цем.
Высокие значения функций цемента F, полученные по формулам 7, 8 и 9, а также высокие значения функций дефицита цемента ΔF, полученные по формулам 10, 11 и 12, будут характеризовать интервалы за колонной, заполненные легкими цементами (при этом чем меньше плотность, тем выше значения).
цем.
цем.
Низкие значения функций цемента F, полученные по формулам 7, 8 и 9, а также низкие значения функций дефицита цемента ΔF, полученные по формулам 10, 11 и 12, будут характеризовать интервалы, в которых не произошло вытеснение промывочной жидкости цементным раствором в процессе цементирования колонны в скважине.
цем.
цем.
В случае образования каналов в цементном камне, заполненных промывочной жидкостью, показания периферийного счетчика F и ΔF в секторе, находящемся в районе канала, будут выделяться низкими показаниями по сравнению с показаниями периферийного счетчика, расположенного в секторе с цементом.
цем.
цем.
цем.
цем.
э
цем.
При эксцентричном положении колонны внутри скважины вычисленные значения F и ΔF по периметру скважины существенно расходятся по отдельным секторам периферийного счетчика в зависимости от положения колонны внутри скважины, при этом вариация значений F и ΔF от минимальных значений до максимальных может составлять от 25-50%, в зависимости от плотности и состава цемента, кроме того, интенсивность надтепловых нейтронов, измеренная центральным счетчиком не зависит от положения колонны внутри скважины и характеризует только заполнение заколонного пространства, в этом случае определяют эксцентриситет колонны F по соотношению минимальных и максимальных показаний F периферийного счетчика по формуле 13, 14 или 15.
цем.
В результате интегральная оценка доли заполнения заколонного пространства цементным камнем С по всему периметру скважины отдельно для каждой конструкции в соответствии с радиусами исследований зондов МЗ, СЗ, БЗ производится по формулам 16, 17 и 18 для центральных счетчиков и по формулам 19, 20 и 21 - для периферийных счетчиков.
цем.
Полученная величина доли цемента С характеризует объемное заполнение заколонного пространства цементным камнем и изменяется от 0 (нет цемента) до 1 (полное заполнение цементом).
э
Следует заметить, что эксцентриситет колонны F характеризует расположение колонны, прижатой к стенке скважины, что свидетельствует о тонком кольце цементного камня за колонной, и поэтому этот интервал можно рассматривать как потенциальный источник прорыва пластовых флюидов по заколонному пространству, особенно за эксплуатационной колонной.
э
3
3
Эксцентриситет колонны F при заполнении заколонного пространства облегченным цементом имеет значение больше единицы и в зависимости от плотности легкого и облегченного цемента изменяется от 1,2-1,3 ед. (при плотности цемента 1,3-1,4 г/см) до 1,8-1,9 ед. (при плотности цемента 0,9-1,0 г/см).
э
3
В случае заполнения заколонного пространства промывочной жидкостью F будет меньше единицы при плотности промывочной жидкости 1,2 г/см и не превысит 0,5 ед.
Таким образом, по результатам скважинных измерений комплексом 3ННКнт обнаруженные интервалы с каналами промывочной жидкости в цементном камне и места расположений колонны в скважине с эксцентриситетом интерпретируются как интервалы с низким качеством цементирования, с прогнозированием заколонных перетоков пластовых флюидов.
На фиг. 1 изображена таблица интерпретации результатов измерений для одноколонной конструкции скважины.
цем.
цем.
В таблице графа 1, строка 1 иллюстрирует интервал за ОК, заполненный цементом, который по результатам измерений зондами 3ННКнт характеризуется высокими значениями функций F и ΔF для периферийных счетчиков всех зондов и показаний центрального счетчика - эти показания находятся на уровне 1, обозначающем максимальное значение безразмерных единиц.
цем.
цем.
В таблице графа 1, строка 2 иллюстрирует интервал за ОК, за которой не произошло вытеснение промывочной жидкости цементным раствором в процессе цементирования колонны в скважине. Интервал характеризуется низкими и одинаковыми значениями по разрезу скважины функций F и ΔF для периферийных счетчиков всех зондов и показаний центрального счетчика - эти показания сдвинуты в сторону минимальных значений, приближенных к 0.
цем.
цем.
цем.
цем.
В таблице графа 1, строки 3 и 4 иллюстрируют интервал за ОК с эксцентричным положением ОК внутри скважины, где вычисленные значения F и ΔF по периметру скважины существенно расходятся по отдельным секторам в зависимости от положения колонны внутри скважины, при этом вариации значений F и ΔF от минимальных значений до максимальных могут составлять от 25-50% в зависимости от плотности и состава цемента. При этом показания центральных счетчиков не зависят от положения колонны внутри скважины и определяются только заполнением заколонного пространства, поэтому целесообразно определять эксцентриситет колонны в этом случае по соотношению минимальных и максимальных показаний периферийных счетчиков зондов по секторам по формуле 13, 14 или 15.
В таблице графа 1, строка 5 иллюстрирует интервал за ОК с каналом в цементном камне, заполненным промывочной жидкостью, где вычисленные значения показаний счетчика, расположенного по периферии, и показания центрального счетчика, находящихся в секторе канала, будут характеризоваться низкими значениями по сравнению с показаниями периферийного счетчика, расположенного в i секторе с цементом за ОК.