Наддолотный модуль с набором детекторов естественного гамма-излучения горной породы

Полезная модель относится к обасти геофизических исследований скважин и предназаначена для измерения геофизических и технологических параметров в процессе бурения при проводке скважин.
Известно устройство для измерений геофизических и технологических параметров в процессе бурения с электромагнитным каналом связи, состоящее из базовой забойной телеметрической системы, включающей бурильную колонну, корпус, блок питания, измерительные модули, модуль передающего устройства, электрический разделитель, выполненный в виде отдельного переводника, устанавливаемого непосредственно над забойным двигателем, отличающееся тем, что в устройстве непосредственно над долотом установлен наддолотный модуль - НДМ, соединенный с валом забойного двигателя, при этом наддолотный модуль состоит из корпуса с центральным промывочным отверстием, на котором размещен центральный электрод, расположенный между изоляторами и электрически изолированный от корпуса, в корпусе расположены электрические схемы, измерительные датчики, источник питания и передающее устройство, а в модуль передающего устройства базовой забойной телеметрической системы введено приемно-обрабатывающее устройство, осуществляющее прием электромагнитных сигналов от наддолотного модуля (пат. РФ на полезную модель №27839, приор. 30.05.2002 г., опубл. 20.02.2003 г.).
С помощью НДМ, установленного непосредственно над долотом, контролируют в процессе бурения технологические параметры, такие как число оборотов долота, осевая нагрузка на долото, величина крутящего момента, измеряемые датчиками, установленными в корпусе НДМ.
40
Для того, чтобы определить точное положение забоя бурящейся скважины относительно кровли и подошвы пласта, в котором происходит проводка ствола скважины, регистрируют интенсивность естественного гамма-излучения, источником которого является изотоп калия - К, содержащийся в глинистых покрышке и подошве этого пласта, с помощью индикаторов (детекторов) гамма-излучения, в качестве которых обычно применяют газонаполненные счетчики Гейгера, расположенные диаметрально и разнесенные в одной плоскости на корпусе НДМ (патент РФ №2362012, приор. 21.09.2008 г.).
Применяемые в известных НДМ газонаполненные счетчики Гейгера не обладают чувствительностью к энергетическому спектру естественного гамма-излучения горной породы, что может привести к непоправимым ошибкам в корректировке направления проводки забоя бурящейся скважины.
40
238
232
40
Объясняется это тем, что в пластах горной породы, в силу особенности их гидродинамических условий, могут образовываться участки с аномальной концентрацией радиоактивных солей изотопов урана 238 и тория 232 (М.Х. Хуснуллин. Геофизические методы контроля разработки нефтяных пластов. М. Недра, 1989 г.), которые, обладая более высокой энергией гамма-излучения по сравнению с изотопом К (для справки: U-E=1,65-1,85 Мэв, Th-Е=2,5-2,7 Мэв, а К-Е=1,3-1,55 Мэв) могут внести серьезную ошибку в принятии правильного решения о корректировке направления бурения ствола горизонтальной скважины в конкретном пласте горной породы.
Одной из важных проблем при строительстве скважин сложного профиля, особенно в карбонатных коллекторах, является наличие в них тектонических трещин, пересекающих горные породы по вертикали и являющиеся, как правило, каналами обводнения пробуренных горизонтальных скважин (ГС) от выше или нижележащих водоносных пластов (Ю.А. Гуторов, A.M. Гильманова, Л.Н. Воронков. Некоторые результаты исследования ГС методами промысловой геофизики с целью выделения интервалов и состава притока пластового флюида в процессе испытаний. // ж. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. - М., 1996 г., №4).
В процессе проводки ГС необходимо избежать пересечения ствола бурящейся ГС с тектоническими трещинами, поскольку, в ходе дальнейшей эксплуатации скважин по ним происходит неконтролируемое обводнение, часто приводящее к их неизбежному выводу из эксплуатации из-за низкой эффективности водоизоляционных работ в этих скважинах.
При проводке ГС актульной задачей становится заблаговременное определение момента приближения ствола бурящейся ГС к тектонической трещине для оперативного изменения азимута бурящегося ствола ГС с целью избежания такого пересечения.
238
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей НДМ за счет его оснащения детекторами, чувствительными к энергетическому спектру естественного гамма-излучения изотопа U, адсорбированного в стенках тектонической трещины, для заблаговременного определения местонахождения указанной трещины, с целью оперативного изменения азимута бурящегося ствола ГС и своевременного избежания пересечения с обнаруженной трещиной.
40
238
238
Указанная задача решается тем, что заявленный наддолотный модуль, содержащий корпус, на котором установлен изолированный от корпуса центральный электрод, и размещенные в выемках корпуса НДМ в одной диаметральной плоскости детекторы гамма-излучения естественного гамма-излучения, источником которого является изотоп калия - К, содержащийся в горной породе, электронную схему, источник питания, в отличие от известного, корпус НДМ дополнительно оснащен детекторами, чувствительными к энергетическому спектру естественного гамма-излучения изотопа U, адсорбированного в горной породе, и электронно-функциональной схемой, которая содержит усилители принятых импульсов гамма-излучения и энергетические спектроанализаторы, соединенные с блоками оцифровки принятых сигналов, выходы которых соединены с центральным электродом. При этом детекторы, чувствительные к энергетическому спектру естественного гамма-излучения изотопа U, адсорбированного в тектонических трешинах горной породы, выполнены остронаправленными (коллимированными) с шириной диаграммы их направленности не более 15°, и расположены под углом 30° к продольной оси НДМ.
На фиг. 1 представлен общий вид забойной телесистемы с НДМ, спущенных в скважину на бурильных трубах.
На фиг. 2 представлена компановка заявляемого НДМ с набором детекторов гамма-излучения.
На фиг. 3 дана электронная схема, обеспечивающая функционирование детекторов гамма-излучения.
40
238
В пласте 1, ограниченном глинистой кровлей 2 и глинистой подошвой 3 с адсорбированном в них изотопом калия - К, в котором проходит (пересекает) тектоническая вертикальная трещина 4 с адсорбированным на ее стенках изотопом U, бурится ствол горизонтальной скважины 5 с помощью бурильного инструмента 6 (фиг. 1).
Компоновка бурильного инструмента 6 включает в свой состав долото 7, наддолотный модуль - НДМ 8, содержащий корпус 9 (фиг. 2), на котором установлен изолированный от корпуса центральный электрод 10. Выше НДМ 8 находится забойный двигатель 11, который присоединен к отклонителю 12. Выше на бурильной колонне установлена базовая забойная телеметрическая система - ЗТС 13 (фиг. 1).
40
238
238
В выемках корпуса 9 НДМ размещены детекторы гамма-излучения 14, регистрирующие естественное гамма-излучение, источником которого является изотоп калия - К, содержащийся в глинистой кровле 2 и глинистой подошве 3 карбонатоного пласта 1, и детекторы 15, чувствительные к энергетическому спектру естественного гамма-излучения изотопа U, адсорбированного на стенках тектонической вертикальной трещины 4 в горной породе, электронно-функциональная схема 16, которая содержит усилители принятых импульсов гамма-излучения 17 изотопа U и энергетические спектроанализаторы 18, соединенные с блоками оцифровки принятых сигналов 19, выходы которых соединены с центральным электродом 10 НДМ 8 (фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3).
40
В выемках корпуса 9 расположена также электронная схема 20, обеспечивающая функционирование детекторов 14 естественного гамма-излучения, источником которого является изотоп калия - К, содержащая усилители импульсов 21, спектроанализаторы 22 и блоки оцифровки 23, выходы которых соединены с центральным электродом 10.
n
Диаграммы чувствительности 24 остронаправленных детекторов 15, расположенных по периметру НДМ в количестве до 8 штук, имеют каждые угол α ширины диаграммы направленности до 15°, под общим углом γ к оси НДМ -30° (фиг. 2).
В то же время угол β раскрытия диаграммы чувствительности 25 детекторов 14, расположенных по периметру НДМ в количестве 8 т штук, составляет до 120° с общим углом Δ относительно оси НДМ равным 90° (фиг. 2).
Питание электронно-функциональных схем 16 и 20 осуществляют батарейные источники тока 26 и 27 (фиг. 3).
Устройство работает следующим образом.
238
В пласте карбонатной породы 1 с глинистой кровлей 2 и глинистой подошвой 3, имеющими тектоническую вертикальную трещину 4 с адсорбированным на ее стенках изотопом U, бурится ствол горизонтальной скважины 5 с помощью бурильного инструмента 6 (фиг. 1). В процессе бурения НДМ 8 измеряет геофизические и технологические параметры (например, давление, температуру, зенитный угол) в процессе бурения и передает их по электромагнитному каналу связи на базовую ЗТС 13, которая измеряет азимутальный угол, и в свою очередь передает данные на поверхность с помощью своего беспроводного канала связи.
40
238
Одновременно с параметрами бурения НДМ 8 регистрирует интенсивность естественного гамма-излучения, источником которого является изотоп калия - К, содержащийся в глинистой кровле 2 и глинистой подошве 3 карбонатного пласта 1, и интенсивность естественного гамма-излучения изотопа U, адсорбированного на стенках тектонической вертикальной трещины 4, при этом данные от детекторов 14 естественного гамма-излучения поступают в электронную схему 20, в которой принятые импульсы усиливаются усилителями импульсов 21 и передаются в спектроанализаторы 22 и далее в блоки оцифровки 23, выходы которых соединены с центральным электродом 10, который по своему электромагнитному каналу при помощи электрода 10 передает данные на ЗТС 13 (фиг. 1). После обработки данных на ЗТС 13 и сверки их с координатами проектной траектории скважины 5, с помощью отклонителя 12 вводятся соответствующие коррективы положения ствола скважины 5 относительно кровли 2 и подошвы 3 пласта 1 и бурение продолжается с помощью бурильного инструмента 6.
238
238
В то же время данные от детекторов 15, чувствительных к энергетическому спектру естественного гамма-излучения изотопа U, адсорбированного на стенках тектонической вертикальной трещины 4 в горной породе, обрабатываются в электронно-функциональной схеме 16, в которой принятые сигналы усиливаются усилителями 17 принятых импульсов гамма-излучения изотопа U и передаются в энергетические спектроанализаторы 18, соединенные с блоками оцифровки принятых сигналов 19, выходы которых соединены с центральным электродом 10 НДМ 8, передающим полученные данные на ЗТС 13 (фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3).
238
238
В случае приближения траектории скважины 5 к тектонической вертикальной трещине 4, остронаправленные детекторы 15, чувствительные к энергетическому спектру естественного гамма-излучения изотопа U, адсорбированного на стенках тектонической вертикальной трещины 4, заблаговременно начинают регистрировать интенсивность гамма-излучения изотопа U, которая передается оператору на поверхности, который принимает решение об изменении траектории бурящейся скважины 5 с целью не допущения пересечения ствола скважины 5 с трещиной 4.
40
232
238
Известно, что в пластах горной породы могут адсорбироваться химические элементы, обладающие повышенным естественным гамма-излучением, к ним в первую очередь относится изотоп калия - К, который адсорбируется в глинистой породе и имеет энергию гамма-квантов в пределах 1,3-1,55 МэВ. Другим элементом, который адсорбируется в скелете горной породы, является изотоп тория Th, имеющий энергию гамма-квантов в пределах 2,5-2,7МэВ, и третьим, наиболее распространенным является изотоп урана U с энергией гамма-квантов в пределах 1,65-1, 85МэВ.
238
Исследованиями установлено, что изотоп U легко растворяется в пластовой воде, мигрирует между пластами, в том числе по пересекающим их тектоническим трещинам и оседая на их стенках, значительно повышает фон естественного гамма-излучения трещин по сравнению с вмещающими их карбонатными породами (A.M. Мингазутдинов, О.В. Семенова. Выявление зон естественной трещиноватости в низкопористых карбонатных отложениях на основе аномальной радиоактивности, / ж. «Нефтяная провинция», г. Бугульма, ВКРО РАЕН, 2016, №4).
238
238
Благодаря такому аномальному естественному гамма-излучению трещин в энергетическом диапазоне изотопа U (1,65-1, 85МэВ), можно, с применением датчиков, чувствительных к его энергетическому спектру, определить не только положение (ориентацию) тектонической трещины в карбонатном пласте, но и установить при бурении момент приближения к ней измерительного оборудования НДМ, оснащенного датчиками, чувствительными к энергетическому спектру изотопа U, в качестве которых применяются остронаправленные (коллимированные) детекторы естественного гамма-излучения, обладающие спектральной энергочувствительностью.
Известно, что интенсивность естественного гамма-излучения ослабевает по мере роста расстояния от источника, увеличения плотности горной породы и уменьшения угла коллимации (угла α ширины диаграммы направленности 24 чувствительности детекторов 15) согласно выражения:
,
где:
238
J - интенсивность естественного гамма-излучения изотопа U на некотором расстоянии  от трещины, имп/мин,
0
238
J - начальная интенсивность естественного гамма-излучения изотопа U, рентген,
238
θ -чувствительность детектора гамма-излучения изотопа U, имп./мин. рентген,
е - постоянное число - основание натурального логарифма (справочная величина),
3
k - коэффициент, прямо зависящий от плотности породы -ρ, г/см и обратно пропорционально от угла коллимации -α, град , где N - коэффициент пропорциональности, устанавливаемый экспериментальным путем
238
расстояние от источника гамма-излучения изотопа U(трешины 4 в горной породе) до детектора, см.
238
Рассчеты по формуле 1 показывают, что предельное расстояние, на котором может быть зарегистрировано естественное гамма-излучение изотопа U, адсорбированного на стенках тектонической вертикальной трещины 4 в горной породе разной плотности, может составлять от одного до полутора метров и более, что вполне достаточно для своевременного принятия решения о приостановке бурения и изменении азимута траектории скважины на необходимую величину.
Данные о текущей интенсивности гамма-излучения, фиксируемой детекторами 14 и 15 в режиме реального времени, обрабатываются в электронных схемах 16 и 20, а затем с центрального электрода НДМ передаются на ЗТС 13, где вырабатывается управляющее решение для корректировки азимута скважины на соответствующую величину, которое оперативно передается на пульт бурильщика, расположенный на устье скважины (на фиг. не показан).
В конечном итоге, возможность избежания пересечения с тектонической трещиной в горной породе при бурении скважины ее стволом позволит значительно снизить трудозатраты на ликвидацию обводнения, и не только ускорить процесс строительства скважины, но и значительно снизить затраты на ее ремонтно- изоляционные работы, повысив тем самым рентабельность ее эксплуатации.