СПОСОБ ГАММА-КАРОТАЖА СКВАЖИНЫ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF GAMMA-RAY LOGGING WELLS (VERSIONS)

Изобретение относится к области геофизических исследований, применяемых при исследовании строения Земли, предпочтительно при исследовании разведочных, вспомогательных и промысловых скважин, а именно способов исследования характеристик геологических пластов вокруг скважины.
Настоящее изобретение относится к методам каротажа скважин, в частности к разработке приборов для детектирования гамма-излучения и тепловых нейтронов. Имеющиеся в продаже ксеноновые детекторы высокого давления с надежной конфигурацией и высоким температурным пределом могут быть использованы для детектирования спектров естественной радиоактивности в скважинных условиях. Из уровня техники применение ксеноновых детекторов высокого давления для геофизических измерений в скважине является новым.
В большинстве современных каротажных приборов с радиоактивными источниками для детектирования гамма-квантов широко используют сцинтилляционные детекторы (с фотоэлектронными умножителями и соответствующей электронной аппаратурой). Обычно их используют для измерения уровня естественной радиоактивности, для определения литологии и плотности породы, определения толщины материалов и поиска дефектов в скважине, для определения качества цементажа и т.д.
Другой сферой применения сцинтилляционных детекторов является измерение фазового состава добываемого флюида (расчет фракций нефти, воды и газа в многофазном потоке).
Хотя сцинтилляционные детекторы для детектирования гамма- и рентгеновских квантов успешно используют в каротажных приборах в течение многих лет, они имеют ряд определенных принципиальных недостатков, ограничивающих их применяемость. Эффективность сцинтилляционного детектора имеет сильную зависимость от рабочей температуры (это ограничивает гамма-каротаж в очень глубоких скважинах с экстремальными температурами). Обычно неорганические или полимерные сцинтилляторы разрушаются в жестких условиях (при температуре свыше 120°С). Кроме того, механическая прочность всей системы «сцинтилляционный кристалл - фотокатод - фотоэлектронный умножитель» представляет собой сложную проблему, что сокращает применение стандартных устройств в случае, если требуется виброустойчивость регистрирующего устройства (скважинные условия).
В отличие от стандартных сцинтилляционных детекторов, газонаполненные детекторы имеют ряд преимуществ в некоторых случаях использования - их рабочая характеристика практически не зависит от температуры среды, эффективность зависит от свойств газа (плотности) и от электрического поля внутри детектора. Кроме того, газонаполненные детекторы могут быть оснащены многими каналами (анодными проволоками), пригодными для измерений координат (очень ценные данные в некоторых каротажных задачах, так как позволяют заменять несколько детекторов).
В газонаполненных детекторах (ионизационных и пропорциональных камерах) явление излучения возникает внутри газонаполненной камеры, когда один гамма-квант (или рентгеновский квант) взаимодействует с атомами газа. Полученные свободные фотоэлектроны дрейфуют к аноду в электрическом поле катод-анод, генерируя сигнал на анодной проволочке. Заряд, собранный анодом, превращается в электрический импульс и дает информацию об энергии детектируемого гамма- или рентгеновского кванта.
Хотя газонаполненные детекторы (например, детекторы, наполненные ксеноном) для детектирования гамма-квантов высокой энергии уже использовали в течение многих лет в лабораторных условиях в ядерных исследованиях и астрофизике, пока отсутствуют данные о применении такого рода приборов для каротажных исследований.
Недавний прогресс, достигнутый в отношении ксеноновых ионизационных камер высокого давления, делает их привлекательными для применения в сфере каротажа. Эти устройства заполняют нишу между менее точными сцинтилляционными детекторами, и дорогими и сложными в эксплуатации полупроводниковыми спектрометрами. Полупроводниковые (германиевые) спектрометры имеют идеальное энергетическое разрешение (0,1% при 1 МэВ), но требуют криогенного охлаждения.
Имеющиеся в продаже ксеноновые детекторы (например, от корпорации Constellation Technology Corporation, США) имеют массу рабочей среды в диапазоне от 0,1 до 2 кг. Наземные испытания устройств, разработанных для детектирования ядерных отходов, продемонстрировали разумное энергетическое разрешение, которое составляет приблизительно 1-3% при 662 кэВ, и надежную работу при температурах до 200°С. Напряжение, приложенное к электродам, варьировалось от 4 до 12 кВ, а устройство может быть подключено к батарее или к сети переменного тока напряжением 120 В. Температурный предел для наземных сфер применения ограничен стоимостью и температурной уязвимостью электронной части (предусилителя); но электронная часть может быть усовершенствована с использованием известных электронных средств.
Высокая плотность рабочего газа обеспечивает высокую эффективность детектирования для этого класса устройств (более 10% для 662 кэВ, точное значение зависит от рабочего объема газа).
Конфигурация ксеноновых детекторов высокого давления может быть плоской или цилиндрической, что представляет дополнительно преимущество для применения в сфере каротажа с трубообразной конфигурацией до 1 м. Устройство может быть выполнено из нержавеющей стали и керамических материалов, что делает его конструкцию надежной и пригодной для применения в полевых условиях. Рабочий материал (газ ксенон) не имеет признаков деградации при облучении, а срок службы устройства составляет, по оценке, более шести лет.
Известен (SU, авторское свидетельство 1364704) способ контроля качества цементирования обсадных труб большого диаметра. При реализации известного способа используют сцинтилляционный счетчик гамма-квантов, содержащий корпус, измерительные блоки, вращающиеся соосно относительно корпуса, узел электрической связи между измерительными блоками и механизм вращения блоков.
Недостатком известного способа следует наличие вращающихся частей, а потому ограниченное разрешение по высоте.
Известен также (RU, патент 2073896) способ гамма-каротажа наклонных и горизонтальных скважин. При реализации данного способа используют гамма-поглощающий экран, имеющий возможность свободного осевого вращения, внутри которого размещены источник гамма-излучения в контейнере и сцинтилляционные детекторы гамма-излучения, расположенные внутри герметичного корпуса, односторонне направленные коллимационные каналы, выполненные в гамма-поглощающем экране напротив источника и детекторов гамма-излучения, причем гамма-поглощающий экран выполнен асимметричным со смещением центра тяжести в сторону коллимационных каналов источника гамма-излучения и детектора гамма-излучения.
Недостатком известного способа следует признать невысокую точность результатов, получаемых при характеристике состояния прискважинных пластов.
Известен также способ (SU, авторское свидетельство 1653437) гамма-каротажа скважин. При реализации способа используют устройство, содержащее герметичный цилиндрический корпус, внутри которого размещены источник гамма-излучения и сцинтилляционные детекторы гамма-излучения, а на корпусе установлен гамма-поглощающий экран, в котором выполнены односторонне направленные коллимационные каналы источника гамма-излучения и сцинтилляционных детекторов гамма-излучения, кроме того, устройство содержит прижимную систему. Гамма-поглощающий экран установлен на корпусе с возможностью свободного осевого вращения корпуса и экрана относительно друг друга, прижимная система закреплена на экране со стороны, противоположной коллимационным каналам источника гамма-излучения и сцинтилляционных детекторов гамма-излучения, а в цилиндрическом корпусе источник гамма-излучения и сцинтилляционные детекторы гамма-излучения установлены с возможностью обеспечения 4π геометрии.
Недостатком известного способа можно признать неприменимость его для работы в высокотемпературных скважинах и относительно невысокую точность измерений, связанную с невысоким энергетическим разрешением сцинтилляционных детекторов.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного изобретения, состоит в разработке нового способа гамма-каротажа скважин, обеспечивающего получение данных с более высоким энергетическим разрешением, пространственным разрешением, а также в высокотемпературных скважинах, где традиционные сцинтилляционные детекторы не могут быть применены.
Указанная цель может быть достигнута использованием способа гамма-каротажа скважины, включающего генерирование гамма-квантов и их регистрацию с использованием детектора, причем в качестве детектора используют ксеноновый детектор высокого напряжения, работающий в ионизационной моде. Предпочтительно используют детектор, давление ксенона в котором составляет 30-50 бар. В наиболее предпочтительном варианте желательно использовать детектор, содержащий сетку Фриша. Окно детектора предпочтительно изготавливать из керамики с низким атомным номером Z и высокой прочностью или полимерного волокна с теми же характеристиками. Также может быть использован детектор, окно которого выполнено из стеклопластика, углепластики или стекловолокна, а также из карбида бора или бериллия.
Указанная цель также может быть достигнута использованием способа гамма-каротажа, включающего генерирование гамма-квантов и их регистрацию с использованием детектора, причем используют ксеноновый детектор высокого напряжения, работающий с газовым усилением сигнала. В предпочтительном варианте используют детектор, содержащий большое количество фольги с малой толщиной, способной конвертировать гамма-кванты в электроны с высокой эффективностью, при этом фольги устанавливают последовательно с зазором. В наиболее предпочтительном варианте реализации используют детектор, в состав которого входит, по меньшей мере, один комплект конвертора, состоящий из листов металлической фольги, разделенных слоями газа. Желательно использовать фольги из, по меньшей мере, двух металлов с различными номерами Z. Предпочтительно, используют не менее трех листов фольги из металла с Z около 50, затем с Z около 80, затем с Z около 90. Иногда используют детектор, у которого между источником гамма-квантов и детектором гамма-квантов установлен экран для подавления прямого попадания гамма-квантов из источника в детектор. Экран может быть выполнен из свинца или обедненного урана. В этом варианте реализации могут использовать детектор, входные окна которого выполнены из карбида бора, бериллия или волокнистого композиционного материала.
В обоих вариантах реализации детектор может иметь более одной анодной проволоки для получения координатного разрешения.
3
Указанная цель также может быть достигнута применением способа проведения одновременного нейтрон-гамма каротажа скважины с детектированием нейтронов и гамма-квантов в одном детекторе, включающий генерирование нейтронов и регистрацию как тепловых нейтронов, так и гамма-квантов с использованием детектора, причем используют ксеноновый детектор, работающий в ионизационном режиме, содержащий 2-30% Не, добавленного к ксенону. С целью поглощения тепловых нейтронов и замедления надтепловых нейтронов до тепловых энергий и их последующим детектированием, по меньшей мере, часть поверхности корпуса детектора может быть покрыта слоем кадмия.
3
10
Указанная цель может быть также достигнута использованием способа проведения одновременного нейтрон-гамма каротажа скважины с детектированием нейтронов и гамма-квантов в одном детекторе, включающий генерирование нейтронов и регистрацию как тепловых нейтронов, так и гамма-квантов с использованием детектора, причем используют ксеноновый детектор, работающий в ионизационном режиме, содержащий 5-30% BF, с повышенным содержанием В.
С целью поглощения тепловых нейтронов и замедления надтепловых нейтронов до тепловых энергий и их последующим детектированием, по меньшей мере, часть поверхности корпуса детектора может быть покрыта слоем кадмия.
Газонаполненные детекторы могут быть использованы в ионизационной и пропорциональной моде (каждая имеет свои преимущества и недостатки) для детектирования гамма-квантов высокой энергии, предоставляя более детальную информацию по сравнению со сцинтилляционными детектороми.
3
Вариант ксенонового детектора высокого давления с добавленным изотопом He может использоваться при каротаже для одновременного детектирования нейтронов и гамма-квантов.
Предлагается использовать газонаполненные детекторы для проведения каротажных исследований с целью получения данных с более высоким энергетическим разрешением, пространственным разрешением, а также в высокотемпературных скважинах, где сцинтилляционные детекторы не могут быть применены.
При реализации способа предложено использовать газонаполненные детекторы для измерения естественной радиоактивности породы гамма-гамма каротажа. Газонаполненные детекторы высокого давления, работающие в ионизационной моде, не имеют коэффициента усиления сигнала и требуют низкошумящую электронику. Коэффициент поглощения гамма-квантов, и, следовательно, эффективность детектирования возрастают при росте давления.
При высоком давлении газонаполненные детекторы могут быть использованы в режиме спектрометра - для детектирования энергии гамма-квантов. В отличие от традиционно используемых в этой области техники сцинтилляционных детекторов теоретическое энергетическое разрешение газонаполненных детекторов выше. В самом деле, энергетическое разрешение ΔE гамма-кванта с энергией Е может быть рассчитано как , где ε - усредненная энергия ионизации, F - коэффициент Фано. В частности, для гамма-квантов с энергией 140 кэВ энергетическое разрешение газонаполненных детекторов составляет 1,1%. Это теоретически возможное разрешение в несколько раз лучше, чем у детекторов NaI.
Высокое энергетическое разрешение позволяет измерить большее количество выбранных энергетических окон и дает больше информации о составе породы. На фиг.1 представлена зависимость скорости счета гамма-квантов от их энергии: можно увидеть высокое энергетическое разрешение для газонаполненных детекторов. Это разрешение остается разумно высоким даже при более высоких температурах в скважине, приближающихся к 200°С.
Несмотря на меньший коэффициент поглощения ксенона по сравнению с детекторами на основе NaI (в связи с меньшей плотностью), общая длина детектора может достигать 50 см и более (в отличие от сцинтилляционных детекторов, где объем самого сцинтиллятора - кристалла ограничен, по крайней мере, это касается массового производства кристаллов больших размеров), что в итоге позволяет достичь схожих параметров по эффективности детектирования. Возможность производить детектирование одновременно большим количество каналов позволяет получать данные с высоким пространственным разрешением, получая в итоге более высокую точность измерения.
Рабочая характеристика газонаполненного детектора практически не зависит от температуры (все температурные сдвиги связаны со стабильностью электронной аппаратуры, эксплуатирующейся при высокой температуре), что позволяет получить высокую эффективность детектирования для прибора, применяемого в высокотемпературной среде, например в нефтяных и газовых скважинах.
В дальнейшем изобретение будет рассмотрено более подробно.
Согласно первому варианту реализации разработанного технического решения детектор, работающий в ионизационной моде, с ксеноном высокого давления (30-50 бар) может быть использован для измерения естественной радиоактивности или плотности и литологии породы. Данный режим позволяет детектировать гамма-кванты с высокой эффективностью и высоким энергетическим разрешением. По сравнению с традиционно используемыми сцинтилляционными детекторами ксеноновые детекторы высокого давления могут быть сделаны достаточно дешевыми, способными работать при высоких температурах и с энергетическим разрешением до 1% для 662 кэВ. Для получения высокой производительности (до 0,1 МГц или 100000 гамма-квантов в секунду) необходимо измерять лишь электронную компоненту сигнала. Чтобы избежать зависимости сигнала от координаты, где произошел акт ионизации, может быть использована, например, стандартная сетка Фриша. Высокая эффективность для рентгеновских квантов (<50 кэВ) может быть достигнута за счет правильного выбора материала окна. Это может быть керамика, стеклопластик, углепластик и другие композиционные материалы на основе полимерного волокна. Они характеризуются низким поглощением этих видов энергии и высокой прочностью (100-1000 атмосфер внешнего давления). Таким образом, стекловолокно является наиболее дешевым материалом, но его коэффициент поглощения выше, чем у арамидных волокон и у других полимерных композиционных материалов. Арамидное волокно, в частности кевлар, более эффективно с точки зрения прозрачности для рентгеновских квантов. Большинство промышленных композиционных материалов на основе полимерного волокна имеют температурный предел 120-150°С. Для более высоких температур окно выполняют из термостойких материалов (например, из карбида бора, бериллия) или высокотемпературных композиционных материалов (в частности, известных из патента US 6,300,762). Уровень напряжения является не очень жестким для устройства в режиме ионизации, но это повышает коэффициент умножения. Предлагаемое напряжение должно обеспечивать напряженность электрического поля приблизительно 10-20 кВ/см.
Согласно второму варианту реализации предложено использовать также газонаполненный детектор, работающий в пропорциональном режиме, то есть с газовым усилением сигнала. Преимущество такого детектора состоит в том, что он способен работать с достаточно дешевой электроникой (не низкошумящей, как в ионизационном режиме). Недостаток детектора проявляется в низком энергетическом разрешении при высоком коэффициенте усиления. Такие детекторы могут работать с электронной и ионной компонентами, без использования сетки Фриша, однако высокое давление не может быть создано. Действительно, обеспечение быстрого сбора ионов на катоде электрическое поле должно расти вместе с давлением. В частности, подвижность ионов в стандартных условиях составляет порядка
,
это означает, что рабочая характеристика, равная приблизительно 10 кГц для детектора с расстоянием между анодом и катодом 2 мм и давлением газа 50 бар, требует напряженности электрического поля приблизительно 100 кВ/см, что создает серьезную проблему с точки зрения проектирования и питания устройства. Поскольку свободный пробег электрона обратно пропорционален давлению, напряженность электрического поля пропорциональна давлению в детекторе:
Ожидается, что газонаполненные детекторы не будут использоваться в пропорциональном режиме с давлением свыше 15-20 бар, а электрическое поле не должно превышать 10-20 кВ/см.
В качестве компромисса можно предложить другое решение для увеличения эффективности детектирования - использовать специальную фольгу из тяжелого металла, способную конвертировать гамма-кванты в электроны с высокой эффективностью. Комплект конвертора состоит из листов металлической фольги, разделенных слоями газа. Количество таких листов фольги должно быть достаточно высоким, но толщина каждого листа должна быть небольшой (несколько микрон), во избежание сильного поглощения порождаемых электронов. Это дает возможность осуществлять эксплуатацию при умеренных давлениях (не выше 10-20 бар, в зависимости от геометрии детектора и технологических проблем) и сохранять при этом высокую эффективность детектирования. Оптимальный материал преобразователя гамма-квантов зависит от входной энергии. Например, для квантов с энергией 140 кэВ оптимальный атомный номер Z составляет приблизительно 50, для энергии 360 кэВ оптимальный Z составляет 80. Следует упомянуть также, что конверторы необходимы для того, чтобы одновременно решить две задачи: повысить эффективность детектора и найти зависимость скорости счета гамма-квантов от энергии.
Данный метод конвертирования также описан в патентах US 5521956 и RU 2262720. В патенте US 5521956 предложено использовать свинцовую фольгу для повышения разрешения детектора. В патенте RU 2262720 предложено использовать, по крайней мере, три группы листов фольги из тяжелых металлов, но с атомным номером, увеличивающимся от входного окна. Листы фольги из тяжелых металлов (меди, серебра, золота) чередуются с листами из легкого металла (алюминия) для обеспечения лучшего пространственного разрешения. Данное изобретение было раскрыто для создания зональных картин, т.е. делается попытка рассортировать входные гамма-кванты по трем (или более) энергетическим зонам.
На фиг.2 приведена конструкция многозонного газового детектора высокого давления (согласно патенту RU 2262720). Корпус детектора 1 имеет входное окно 2. Три ряда листов фольги из различных металлов (фольга 3 сделана из самого легкого металла, фольга 5 - из самого тяжелого) установлены друг за другом. Фольга из легкого металла (например, алюминия) 6 установлена для улучшения пространственного разрешения. Отрицательный потенциал (относительно анода) прикладывают к преобразователям для собирания всех испускаемых электронов из листов фольги 3-5 анодными проволоками 7. Систему проволочных анодов используют для детектирования координаты явления внутри газовой камеры.
Изобретение раскрывает газонаполненные детекторы с умеренным давлением (выше атмосферного): высокая эффективность детектирования достигается благодаря дополнительно установленным металлическим преобразователям (сделанным из одного материала или из различных материалов). Этот вариант осуществления разработан для получения скорости счета гамма-квантов, испущенных источником и рассеянных в породе, в различных энергетических окнах (при необходимости). Преобразователи могут иметь лопастную или сотовую конструкцию. Последний случай достаточно известен - принцип сот практически не отличается от конструкции фольговых преобразователей.
Данная система позволяет получить высокую эффективность детектирования и рассортировать входные гамма-кванты по нескольким энергетическим зонам в одном устройстве. Типичная схема прибора, предназначенного для измерения плотности и литологии и основанного на газонаполненном детекторе, показана на фиг.3. Источник гамма-квантов 8 (химический источник типа Cs-137, Со-60, другого химического источника гамма-квантов или источника радиации в виде рентгеновской трубки) испускает гамма-кванты 9, попадающие в породу 10. Рассеянные гамма-кванты детектируют ксеноновый детектор 11 высокого давления. Между источником 8 и детектором 11 установлен дополнительный защитный экран 12 (свинец, обедненный уран или другой элемент с высоким атомным номером Z).
Использование конверторов из различных материалов позволяет дискриминировать гамма-кванты по энергии. Таким образом, несколько энергетических окон могут быть использованы для дальнейших расчетов, например: 30-100 кэВ, 100-300 кэВ, более 300 кэВ. Это позволяет производить измерения плотности и литологии породы.
Использование нескольких анодных проволочек (многопроволочная пропорциональная камера) с использованием соответствующих коллиматоров позволяет измерять количество гамма-квантов в различных точках пространства. Таким образом, три или более сцинтилляционных детектора могут быть заменены одним газонаполненным детектором.
Кроме того, охарактеризованный выше прибор, а также прибор для измерения естественной радиоактивности породы, оснащенный соответствующей электронной аппаратурой и входными окнами из карбида бора, бериллия или волокнистого композиционного материала, может эксплуатироваться при высоких температурах (>200°С).
3
3
Согласно еще одному варианту разработанного технического решения ксеноновый детектор высокого давления может быть использован для одновременного детектирования гамма-квантов и нейтронов. В этом варианте реализации предпочтительно 2-30% He, добавленного к ксенону, обеспечивают высокое эффективное сечение взаимодействия с нейтронами и высокую эффективность регистрации. Пик регистрации нейтронов обусловлен реакцией входящих нейтронов с атомами He в детекторе:
Энергия, равная 765 кэВ, делится между тритием и протоном. Эта энергия поглощается в газовом детекторе и проявляется как единственный пик спектра.
Также возможно детектирование в том же самом устройстве сигналов от нейтронов и от гамма-квантов, поскольку обнаруженные частицы обычно имеют различные диапазоны энергий. Для обработки сигнала можно использовать низкошумящую электронную аппаратуру. Ожидаемый энергетический спектр при регистрации гамма-квантов 13 и тепловых нейтронов 14 показан на фиг.4.
Таким образом, реакция, вызванная нейтронами, имеет энергию приблизительно 765 кэВ, но большинство полезных пиков гамма-квантов в каротажных задачах имеют энергию ниже этой энергии. Например, если каротаж проводят с использованием источника Cs-137 (пик - 662 кэВ), то энергия рассеянных гамма-квантов будет еще ниже.
3
10
10
3
Вместо He может быть использован также газ BF с повышенным содержанием В. Этот газ также позволяет детектировать нейтроны, однако с меньшим сечением взаимодействия (реакции нейтронов с ядрами В), и, следовательно, с меньшей эффективностью.
Использование газонаполненных детекторов, работающих в ионизационной моде (с высоким энергетическим разрешением) позволяет измерять литологию породы с высокой точностью (предположительно, с более высокой точностью, чем в случае сцинтилляционных детекторов). Действительно, в нейтрон-гамма каротаже нейтроны, испущенные радиоактивным источником, возбуждают ядра в породе, которые затем испускают высокоэнергетические гамма-кванты. Измерение гамма-квантов различных энергий с высоким энергетическим разрешением позволяет различить гамма-кванты, испущенные различными химическими элементами: углеродом, кислородом, кальцием, кремнием, алюминием и т.д. Более того, размер газонаполненного детектора может быть очень большим по сравнению с размером сцинтилляционного детектора (размер кристалла обычно не может быть выращен более нескольких сантиметров, себестоимость кристаллов больших размеров существенно выше), что позволяет сделать полную эффективность детектирования больше и предоставляет более ценную информацию о скорости счета нейтронов и гамма-квантов.
3
Поверхность детектора по длине можно разбить не несколько частей, часть из которых может быть покрыта слоем материала, служащего замедлителем нейтронов. При этом надтепловые нейтроны замедляются до тепловых, которое затем могут быть зарегистрированы присутствующим в детекторе He. Например, это может быть кадмий (10-30 мм), поглощающий тепловые нейтроны и замедляющий надтепловые до тепловых скоростей. Однако практически все гамма-кванты до энергии 400-500 кэВ поглощаются. Это позволяет производить в одном приборе детектирование частью проволочек тепловых нейтронов и гамма-квантов, а частью - надтепловых нейтронов и высокоэнергетических гамма-квантов (свыше 400-500 кэВ).