ЭКРАНИРОВАННЫЕ ПРИЖИМНЫЕ БАШМАКИ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЯВЛЕНИЙ ПОДЗЕМНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SHIELDED PRESSURE-PADS FOR DETECTION OF UNDERGROUND RADIATION PHENOMENA

Изобретение относится к скважинному устройству для определения свойств подземных формаций. В частности, изобретение относится к способам и устройству для детектирования явлений подземного излучения.
Уровень техники
Характеристики геологических формаций представляют собой значительный интерес при разведке и добыче подземных горизонтов воды и месторождений минералов, например нефти и газа. Многие характеристики, такие как объем углеводородов, пористость, литология и проницаемость формации, можно вывести из некоторых измеряемых величин. В числе этих величин: плотность, пористость по данным нейтронного каротажа, фотоэлектрический коэффициент (Ре), водородный индекс, соленость и сечение захвата тепловых нейтронов («Сигма»). Эти величины обычно измеряют инструментами каротажа во время бурения и спускаемыми на тросе инструментами. В обычном инструменте имеется источник, который излучает энергию в формацию, и один или несколько детекторов, которые определяют получающееся взаимодействие излучения. Данные об обнаруженном сигнале обычно передают на поверхность, временно запоминают в скважине для последующей обработки либо эти способы комбинируют для определения характеристик геологической формации, из которой эти данные были собраны.
Из числа многих представляющих интерес величин при разведке и добыче углеводородов наиболее важными являются: плотность и фотоэлектрический коэффициент формации. Эти величины обычно измеряют инструментом, имеющим источник гамма-излучения и по меньшей мере один детектор гамма-излучения (см., напр., патенты США №№5,390,115; 5,596,142; 6,376,838; 5,528,029; 4,691,102). Глубина исследования при помощи этого измерения относительно неглубокая - порядка нескольких сантиметров. Следовательно, данный тип измерения чувствителен к среде вблизи корпуса инструмента. В частности, буровой раствор (глина) или глинистая корка между инструментом и формацией ухудшают точность измерения.
Для снижения воздействия со стороны этих эффектов среды источник и детектор(ы) гамма-излучения обычно в значительной степени экранируют и коллимируют. Помимо этого два детектора гамма-излучения обычно находятся в инструменте. Отстоящий от источника детектор обычно используют для первичного измерения плотности, и один детектор, расположенный ближе к источнику, используется для поправки на эффекты, действующие близко к инструменту. Для инструментов радиоактивного каротажа, доставляемых в формацию на бурильной трубе, эти методы по существу являются единственными, которые можно применить для повышения точности измерения.
Но существуют дополнительные способы для сведения к минимуму разделенности между инструментом и формацией для инструментов, вводимых через формацию при помощи троса, подъемного стропа, разматываемых трубок, устройств для позиционирования инструмента или через бурильную трубу. Этот способ показан на Фиг.1А. Согласно этому способу источник 5 (например, источник гамма-излучения) и один или несколько детекторов 12 установлены в прижимном башмаке 14. Этот прижимной башмак 14 обычно соединен шарнирным соединением с несущим элементом или основным корпусом 16 инструмента 10 согласно известному уровню техники. Механическое и электрическое обеспечение для прижимного башмака 14 обеспечено в корпусе инструмента, и в самом прижимном башмаке участок этого обеспечения называют С-образным углублением 20 по форме его поперечного сечения (см. Фиг.2А). Отклоняющий или подпирающий рычаг 18 прикреплен сзади прижимного башмака 14 и используется для отведения его от основного корпуса 16 и в контакт с формацией 22.
Согласно Фиг.1А и 1В во время выполнения каротажа подпирающий рычаг 18 принудительно вводит открытую поверхность 24 прижимного башмака 14 в контакт со стенкой ствола 26 скважины. На чертеже Фиг.1А ствол 26 скважины показан ровным, и прижимной башмак 14 расположен внутри углубления 20. На Фиг.1В ствол скважины является размытым, и прижимной башмак 14 выдвинут в углубление 20.
Такая компоновка позволяет источнику 5 и детектору(ам) 12 оставаться вблизи формации 22 в разных условиях. В гладком стволе 26 скважины без глинистой корки (Фиг.1А и 2А) прижимной башмак 14 контактирует с формацией 22 и помещен внутри углубления 20. В вымытых или неровных стволах 26 скважины (Фиг.1В и 2В) прижимной башмак 14 продолжает контактировать с формацией 22, но теперь он выдвинут из углубления 20. Если бы детектор(ы) 12 находился внутри корпуса 16 инструмента, то между инструментом 10 и формацией 22 в этом случае находилось значительное количество глинистой корки, и это было бы причиной возможного ухудшения измерения.
Хотя применение инструмента на прижимном башмаке уменьшает трудность обеспечения хорошего контакта между инструментом и формацией в не идеальных ситуациях, оно сопряжено с возможными затруднениями. Плотность и Ре (технические характеристики) формации обычно измеряют путем контролирования изменений количества и распределения детектированных гамма-лучей, исходя из того предположения, что эти изменения возникают только из изменений в свойствах формации или глинистой корки, или в зазоре между инструментом и стенкой ствола скважины. Сравнение Фиг.2А и 2В показывает еще одно последствие, которое может обусловить изменение детектируемого излучения в положении прижимного башмака 14 относительно углубления 20. Это положение изменяется динамически во время каротажа скважины не только по причине вымытых участков и неровностей, но также и в связи с точностью сочленения и способом транспортирования инструмента, и с траекторией ствола скважины. Если последствие этого изменения значительное и нескорректированное, то оно обусловит погрешность измерения.
Эта ошибка, вероятно, будет крупнее при наличии имеющих меньшую плотность скважинных флюидов. Излучение, взаимодействующее с углублением в некоторой точке при перемещении от источника 5 к детектору 12, обусловит точность измерения в зависимости от положения углубления 20. Для достижения углубления 20 эти гамма-лучи должны обязательно пройти через ствол скважины 26. Большее их ослабление является вероятным в стволах скважины, наполненных более плотной текучей средой по сравнению с менее плотной текучей средой, и поэтому этот эффект наличия углубления будет, как правило, более значительным в последнем случае. В частности, действие используемых с прижимным башмаком чувствительных к излучению измерительных инструментов в заполненных воздухом скважинах подвержено этой проблеме в особой степени.
Устройства радиоактивного каротажа предыдущего поколения использовали массивное экранирование. Это экранирование предназначалось для ограничения детектируемого излучения (например, гамма-лучей) излучением, проходящим в основном в формации близко к линии наибольшего приближения между инструментом и формацией. Результат: измерение, более сфокусированное, и менее чувствительное к диаметру ствола скважины и к скважинному флюиду.
Эти способы обычного экранирования выполняют свое назначение, но с некоторыми недостатками. Для эффективного ослабления нежелательного излучения экранирующие материалы должны содержать элементы с большим атомным числом и с высокой плотностью. Помимо этого для энергий присутствующего излучения и для чувствительности (точности) измерения требуется, чтобы экранирование было большой толщины. Экранирующие материалы к тому же трудно формировать и подвергать машинной обработке, и мало кто из изготовителей соглашается на это. В силу этих особенностей получаются очень крупные, тяжелые и дорогостоящие инструменты.
3
3
С другой стороны, часто требуется, чтобы обычные скважинные инструменты были небольшими, легкими и недорогими. При этом пространство, имеющееся для экранирования, ограничивается в еще большей степени. Причем измерение обязательно будет менее сфокусированным, и возможно, что на измерении скажется положение углубления, если не будут приняты дополнительные меры. Это подтверждается вычислениями атомного моделирования. Например, для прижимного башмака в заполненном воздухом стволе скважины кажущаяся плотность может изменяться на ~0,1 г/см с относительным положением прижимного башмака и углубления, т.е. почти в десять раз больше требуемой точности ~0,1 г/см.
Продолжает оставаться необходимость обеспечения усовершенствованных способом экранирования инструмента радиоактивного каротажа для уменьшения нежелательных воздействий на измерения.
Сущность изобретения
Изобретение обеспечивает устройство для детектирования явлений подземного излучения. Устройство содержит удлиненный опорный элемент, размещаемый в стволе скважины, проходящем через подземную формацию; при этом опорный элемент имеет углубление вдоль его продольной оси; прижимной башмак, связанный с опорным элементом, причем прижимной башмак имеет поверхность, форма которой соответствует ее прилеганию к углублению в несущем элементе; причем прижимной башмак выполнен с возможностью перемещения в и из углубления, чтобы открытая поверхность прижимного башмака могла выдвигаться из опорного элемента; по меньшей мере один детектор радиоактивного излучения, расположенный внутри прижимного башмака, и прижимной башмак имеет экранирующий материал на его сторонах вблизи открытой поверхности, чтобы излучение, отражаемое от углубления, не могло доходить по меньшей мере до одного детектора из зоны вблизи открытой поверхности.
Изобретение обеспечивает способ для детектирования явлений подземного излучения. Согласно этому способу помещают удлиненный опорный элемент в стволе скважины, проходящем через подземную формацию, причем опорный элемент имеет углубление вдоль его продольной оси и связанный с ним прижимной башмак, при этом прижимной башмак имеет поверхность с формой, сообразной для прилегания к углублению, и поверхность, открытую к стволу скважины; при этом прижимной башмак имеет по меньшей мере один детектор радиоактивного излучения, находящийся на нем и имеющий экранирующий материал на его сторонах вблизи открытой поверхности, предотвращающий прохождение отраженного от углубления излучения по меньшей мере до одного детектора из зоны вблизи открытой поверхности; активируют прижимной башмак, перемещая его в и из углубления, чтобы устанавливать открытую поверхность прижимного башмака внутри ствола скважины; и детектируют явления излучения, по меньшей мере, одним детектором.
Краткое описание чертежей
Прочие аспекты и преимущества изобретения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг.1А схематически изображает обычный скважинный инструмент, имеющий прижимной башмак с компоновки источника-детектора ядерного излучения.
Фиг.1В схематически изображает скважинный инструмент, согласно Фиг.1А; прижимной башмак показан выдвинутым в упор к стенке ствола скважины в подземной формации.
Фиг.2А показывает вид сверху обычного скважинного инструмента с прижимным башмаком, расположенным внутри углубления в корпусе инструмента.
Фиг.2В показывает вид сверху инструмента согласно Фиг.2А; прижимной башмак выдвинут из корпуса инструмента в сторону подземной формации.
Фиг.3 показывает вид сверху варианта осуществления компоновки источника-детектора ядерного излучения, имеющего экранирование в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 показывает вид сверху варианта осуществления компоновки источник-детектор ядерного излучения, имеющего экранирование в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 показывает вид сверху варианта осуществления экранированного прижимного башмака, расположенного в опорной конструкции, формирующей углубление в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
В этом изобретении экранирующий материал расположен на прижимном башмаке инструмента и препятствует основной части излучения (например, гамма-лучей), создающей эффект, обусловленный наличием углубления, достичь детектора(ов) в измерительном прижимном башмаке. В сочетании с хорошо известными из уровня техники устройствами внутреннего экранирования/коллимирования излагаемые здесь варианты осуществления экранирования прижимного башмака снижают этот эффект до приемлемого уровня. В данном описании термин «углубление» включает в себя, например, полость, выемку, камеру, отверстие либо зазор, сформированный соответствующей опорной конструкцией. Фактически, термин «углубление» может включать в себя любую конструкцию, которая, будучи в составе измерительного прижимного башмака, может создавать нежелательные эффекты, обусловленные наличием углубления, описываемые здесь.
Фиг.3 показывает вид сверху варианта осуществления прижимного башмака 14 согласно настоящему изобретению. Для ясности: на Фиг.3 и 4 показаны не все признаки компоновки инструмента. Специалисту в данной области техники будет ясна конфигурация этого устройства. Две полосы экранирующего материала 28 помещены на сторонах прижимного башмака 14 в направлении к формации 22. Можно использовать любой целесообразный экранирующий материал, известный из уровня техники. Предпочтительный экранирующий материал имеет высокое содержание вольфрама, является химически стойким к коррозии в возникающей от воздействия флюидов, которые могут находиться в стволе скважины. Экранирующий материал 28 проходит от формации 22 назад к оси прижимного башмака 14, в результате чего излучение, рассеиваемое из углубления 20, попадает в экранирование, до того, как достигнет фронтальной зоны открытой поверхности 24 и находящегося внутри детектора 12. Таким образом, экранирующий материал 28 предотвращает рассеяние нежелательных гамма-лучей, например, в детектор 12, делая углубление 20 по сути невидимым. В некоторых вариантах осуществления экранирующий материал можно также сформировать из материала или из комбинации материалов, способных поглощать попадающее на них излучение (например, гамма-лучи и/или нейтроны). Экранирующий материал 28 наиболее эффективен вблизи детектора 12, и поэтому длину экранирования вдоль продольной оси прижимного башмака 14 по желанию можно ограничить несколькими сантиметрами над и под детектором 12.
Боковые экранирования 28 можно прикрепить к прижимному башмаку 14 любыми соответствующими способами, включая крепежные средства, клеи, эпоксидные смолы, сварку и/или соединения ласточкиным хвостом. Дополнительные экранирующие/коллимирующие средства, которые можно расположить на прижимном башмаке 14 рядом с детектором 12, не показаны для ясности пояснения. Специалистам в данной области техники также будет ясно, что настоящее изобретение может иметь варианты осуществления с источником, расположенным на прижимном башмаке 14, на корпусе 16 инструмента или в ином месте в стволе скважины 26 согласно известному уровню техники (не показано).
Фиг.4 показывает еще один вариант осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления экранирующий материал 28 расположен по сторонам прижимного башмака 14, но все же по направлению к формации 22. Экранирующий материал 26 расположен таким образом, что заменяет области углубления 20, которые в ином случае будут рассеивать излучение в сторону детектора 12. Экранирование 28 поглощает значительную часть излучения. Некоторая часть излучения может рассеиваться с бокового экранирования 28 и достигать детектора 12, но величина этого сигнала не зависит от положения углубления 20. Физика процесса этого варианта осуществления может несколько отличаться от варианта осуществления согласно Фиг.3, в котором излучение, уже рассеявшееся из углубления 20, поглощается или рассеивается до того, как достигнет детектора 12. Изменение кажущегося измеренного сигнала излучения в детекторе 12 при перемещении прижимного башмака 14 относительно углубления 20 поэтому значительно уменьшается. В обычном прижимном башмаке вычисления конфигураций экранирования согласно настоящему изобретению указывают, что чувствительность (точность) измерений кажущегося излучения (например, плотности) по отношению к положению углубления 20 можно снизить втрое по сравнению с конфигурацией без бокового экранирования 28.
Конфигурации экранирования 28 согласно настоящему изобретению могут содержать сплошной экранирующий материал либо могут быть выполнены из других соответствующих материалов (например, из стали, титановых сплавов, стекловолокна, полиэфирэфиркетона (РЕЕК™)) с тонким слоем экранирующего материала, расположенного на них (не показан). Эти варианты осуществления могут упростить изготовление прижимного башмака 14, т.к. для формирования заготовки прижимного башмака, на которую экранирующий материал можно нанести распылением, химическим осаждением или в виде покрытия, применимы методы экструзии и сварки. Как упоминалось выше, предпочтительный экранирующий материал 28 имеет высокое содержание вольфрама и является химически стойким к коррозии, находясь в среде скважинных флюидов. Как и в варианте осуществления согласно Фиг.3 осевая протяженность бокового экранирующего материала 28 может быть локализована вокруг используемого детектора(ов) 12. Следует отметить, что углубление 20 можно выполнить из одного или нескольких опорных элементов, которые обеспечивают механическое и/или электрическое обеспечение для корпуса инструмента вокруг прижимного башмака 14 и в которое прижимной башмак можно поместить без необходимости обеспечения С-образного поперечного сечения или без точного соответствия форме поперечного сечения прижимного башмака. Фиг.5 показывает экранированный прижимной башмак 14 согласно изобретению, расположенный в опорной конструкции, выполненной в скважинном инструменте (не показан). Согласно Фиг.5 прижимной башмак 14 может располагаться в углублении, сформированном несколькими параллельными опорными элементами 16.
Способ детектирования явлений подземного излучения согласно описываемым здесь вариантам осуществления экранирования предполагает расположение удлиненного опорного элемента 16 в стволе скважине 26, проходящем по подземной формации 22, при этом опорный элемент имеет углубление 20 вдоль продольной оси и связанный с ним прижимной башмак 14 согласно известному уровню техники. Прижимной башмак 14 имеет поверхность, форма которой соответствует прилеганию к углублению 20, и поверхность 24, открытую к стволу скважины 26. При этом прижимной башмак 14 имеет по меньшей мере один детектор 12 излучения, расположенный на нем и имеющий экранирующий материал 28 на своих сторонах вблизи открытой поверхности 24, чтобы предотвратить прохождение излучения, отраженного от углубления 20, по меньшей мере до одного детектора из области вблизи открытой поверхности. Затем прижимной башмак активируют и перемещают в углубление или из него, чтобы установить открытую поверхность прижимного башмака внутри ствола скважин для детектирования явлений излучения детектором.
Несмотря на то, что способы и устройство настоящего изобретения изложены как определенные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет ясно, что в рамках объема раскрываемого здесь изобретения можно легко выполнить и другие варианты осуществления. Например, поскольку варианты осуществления бокового экранирования 28 могут находиться вблизи отдельного детектора 12, поэтому тот же способ можно использовать для любого числа детекторов в том же прижимном башмаке 14. Для использования с гамма-лучами излучение можно получить из любого источника происхождения. Гамма-лучи могут происходить из химического или электронного источника (такого, как генератор рентгеновских лучей) в прижимном башмаке, из природной радиоактивности в формации, или при захвате, или неупругом рассеянии нейтронов. Инструмент с нейтронным источником или нейтронными детекторами можно также выполнить с вариантами осуществления экранирования 28, раскрываемыми в настоящем изобретении. В этих вариантах осуществления боковое экранирование 28 будет выполнено из материалов экранирования нейтронов. Можно использовать большой перечень соответствующих материалов, известных из уровня техники. Материалы этого перечня включают в себя сплавы с высоким содержанием вольфрама, каучуки, каучуки, содержащие такие поглощающие нейтроны элементы, как бор, и металлические гидриды. Вольфрам является предпочтительным материалом, имеющим высокую плотность для экранирования гамма-лучей, но можно также использовать и другие целесообразные материалы, имеющие высокую плотность и соответствующее атомное число (например, уран). Специалистам в данной области техники также будет ясно, что традиционные устройства и компоненты можно использовать для реализации скважинных инструментов, содержащих варианты осуществления экранированного прижимного башмака согласно настоящему изобретению.