СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО С ДВУХСТОРОННИМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЗОНДОВ
DOWNHOLE DEVICE WITH DOUBLE-SIDED LOCATION MEASURING PROBES

Изобретение относится к устройствам каротажа нефтяных и газовых скважин и, в частности, к ядерно-физическим устройствам, служащим для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности, и может быть использовано в скважинных устройствах, применяемых при каротаже нефтяных и газовых скважин.
В настоящее время для детальных геологических исследований, проводимых в скважинах, широко используются ядерно-физические методы. К ним относятся, в частности, методы нейтронного каротажа, основанные на применении в качестве источника зондирующего излучения нейтронных источников: ампульных или нейтронных генераторов, излучающих быстрые нейтроны. При этом нейтронные генераторы могут быть непрерывного действия или импульсными.
К наиболее информативным методам нейтронного каротажа относится метод импульсного нейтронного каротажа (ИНК), сущность которого заключается в следующем.
В скважину спускают нейтронный генератор, который периодически в течение коротких (несколько мкс) интервалов времени облучает породу вокруг скважины потоком быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ. Эти нейтроны распространяются в исследуемой породе практически изотропно, претерпевая при этом упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах породы.
В результате упругого рассеяния быстрые нейтроны замедляются и постепенно приходят в тепловое равновесие с породой. Расстояние от мишени нейтронного генератора, на котором наступает тепловое равновесие, зависит от свойств породы и, в значительной степени, от количества содержащихся в ней водородосодержащих веществ. Тепловые нейтроны диффундируют во все стороны и постепенно поглощаются атомами, входящими в состав породы, излучая гамма-кванты радиационного захвата.
Неупругое рассеяние быстрых нейтронов приводит к образованию гамма-квантов неупругого рассеяния, излучаемых во время нейтронных импульсов. Энергия этих гамма-квантов характерна для каждого элемента. Так, в результате неупругого рассеяния на ядрах углерода (С) образуются гамма-кванты с энергий 4,43 МэВ, на ядрах кислорода - 6,13 МэВ. Количество гамма-квантов, зарегистрированных в определенных энергетических областях, пропорционально концентрации элементов, испускающих данные гамма-кванты.
Регистрация тепловых и/или эпитепловых нейтронов, а также гамма-квантов неупругого рассеяния и радиационного захвата позволяет определить нейтронную пористость, плотность и состав породы. Эти характеристики используются для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.
Расстояние между мишенью нейтронного генератора и детектором (длина зонда) влияет на размер исследуемой области вокруг скважины (глубинность зондирования) и величину измеряемого эффекта, связанного с ядерно-физическими характеристиками породы. С увеличением длины зонда глубинность сначала возрастает, затем достигает некоторого максимального значения и затем начинает уменьшаться. Такое поведение глубинности обусловлено тем, что величина потока регистрируемых детектором тепловых нейтронов или детектором гамма-квантов определяется ослаблением в породе, во-первых, быстрых нейтронов источника, распространяющихся в породе, и, во-вторых, ослаблением регистрируемого вторичного излучения.
Вследствие того, что по мере удаления от оси скважины порода вокруг скважины имеет переменный состав и плотность, для определения радиального распределения ее свойств необходимо применение нескольких зондов различной длины.
Часть каротажной аппаратуры, опускаемая в скважину, называется скважинным устройством. Существует большое разнообразие состава и конструкций скважинных устройств.
Так, основными элементами типичного многофункционального скважинного устройства ИНК являются: нейтронный источник в виде нейтронного генератора, нейтронные и гамма-зонды, защитный экран, устанавливаемый между мишенью нейтронного генератора и детекторами гамма-излучения.
Выбор метода нейтронного каротажа, нейтронного генератора, применяемых зондов, их числа и длины, числа детекторов в зондах зависит от многих факторов, в частности от измеряемых характеристик, свойств окружающей породы, требований к глубинности, диаметра скважины, размера полости между скважинным устройством и стенкой скважины, наличия защитного экрана между нейтронным генератором и детектором гамма-излучения; является сложной научно-технической задачей и предметом компромисса, не всегда обеспечивающим максимально возможную чувствительность зонда. Это обусловлено тем, что в случае нейтронного источника в виде нейтронного генератора расположение зондов нескольких типов с одной стороны от его мишени накладывает дополнительные ограничения на длину зондов, часто приводящее к несоответствию их длин максимальным значениям чувствительности.
В случае нейтронных зондов, расположенных вместе с гамма-зондами с одной стороны от мишени нейтронного генератора, протяженность детекторов нейтронного излучения, наличие гамма-зондов и защитного экрана между нейтронным генератором и детекторами гамма-излучения приводит к тому, что в породах с большой концентрацией водородосодержащих веществ, например в пористых нефтеносных пластах, ближайший к нейтронному генератору нейтронный зонд оказывается расположенным за точкой инверсии, характеризующейся сравнительно низкой чувствительностью к содержанию водорода по сравнению с до инверсионным зондом. В этом случае практически невозможно обеспечить оптимизацию нейтронных зондов и максимально возможную интенсивность падающего на них излучения.
Длина нейтронных генераторов, применяемых при нейтронном каротаже, обычно составляет не менее 150 см. В то же время длина нейтронных зондов, обеспечивающая необходимый для измерений поток нейтронов на детекторы нейтронного излучения, не превышает 50-70 см. Расположение детекторов нейтронного излучения вдоль оси скважинного устройства за пределами нейтронного генератора существенно уменьшает интенсивность падающего на них нейтронного излучения и увеличивает, таким образом, время проведения измерений, а также увеличивает длину скважинного устройства, что нежелательно для обеспечения свободной проводки скважинного устройства по скважине.
Из-за разности диаметров скважинного устройства и скважины между их стенками имеется полость, размер которой различен в различных азимутальных направлениях и меняется в процессе каротажа случайным образом. Это приводит к изменению счета детектора зонда, не связанному с характеристиками породы вокруг скважины. Для учета влияния полости используются зонды, содержащие несколько детекторов, расположенных равномерно по окружности вокруг оси скважинного устройства. При этом для каждого детектора зонда вычисляется параметр асимметрии с использованием следующего выражения (заявка на патент US 2013/0187035, МПК: G01V 5/08, G01V 5/10, 2013 г.):
где A(i) - параметр асимметрии i-го детектора зонда, N - число детекторов в зонде, C(i) - скорость счета i-го детектора зонда, ∑С(i) - сумма скоростей счета по всем N детекторам зонда.
Параметр асимметрии позволяет определить положение скважинного устройства относительно стенок скважины и произвести коррекцию счета детекторов зонда с учетом этого положения. Очевидно, что детекторы зонда на всей их длине должны быть расположены на одном расстоянии от оси скважинного устройства, т.е. параллельно оси скважинного устройства. Чем больше число детекторов в зонде N (чем меньше угловое расстояние между детекторами) и чем больше число зондов при условии, что зонды повернуты относительно друг друга так, что детекторы из всех зондов находятся при различных угловых положениях относительно оси скважинного устройства, тем точнее выполняется коррекция счета детекторов.
rd
Известно скважинное устройство, описанное в работе: Nicole Reichel, Mike Evans, Francoise Alloioli, et al., "Neutron-Gamma Density (NGD): Principles, Field Test Results and Log Quality Control of a Radioisotope-Free Bulk Density Measurement" (SPWLA 53 Annual Logging Symposium, June 16-20, 2012; http://www.slb.eom/~/media/Files/drilling/technical_papers/spwla2012_ngd_neoscope.pdf), содержащее нейтронный источник с мониторным детектором, вольфрамовый защитный фильтр, нейтронные зонды, включая детекторы тепловых и эпитепловых нейтронов, а также гамма-зонды. Аналог.
Недостатком аналога является расположение нейтронных и гамма-зондов со стороны мишени импульсного нейтронного источника, увеличивающее длину скважинного устройства.
Известны «Способ и устройство получения уточненного значения плотности породы с использованием импульсного источника нейтронов», содержащее источник нейтронов, доставляемый в ствол скважины, по меньшей мере три детектора гамма-излучения, вырабатывающие сигналы отклика на гамма-излучение, создаваемое в породе в результате облучения импульсным источником нейтронов, и процессор, способный определять значение плотности для каждой из по меньшей мере двух пар сигналов с использованием числа отсчетов зарегистрированных гамма-квантов для двух сигналов, образующих каждую из пар, и уточненное значение плотности породы на основе, по меньшей мере, двух значений плотности. Патент RU №2396579, МПК G01V 5/10, 2010 г. Аналог.
Недостатком аналога является расположение детекторов гамма-излучения с одной стороны от мишени импульсного источника нейтронов, увеличивающее длину скважинного устройства.
Известна «Комплексная спектрометрическая аппаратура ядерного каротажа», включающая детекторы гамма-излучения, детекторы тепловых нейтронов, общий источник нейтронов, при этом детекторы гамма-излучения развернуты по оси относительно указанного источника в другую сторону от детекторов тепловых нейтронов. Патент RU №127487, МПК: G01V 5/00. 2013 г. Прототип.
Недостатками прототипа являются большая длина нейтронных измерительных зондов в случае применения в качестве нейтронного источника нейтронного генератора из-за его сравнительно большой длины, следствием чего является сравнительно низкая интенсивность падающего на детекторы излучения, требующая увеличенного времени измерений, и большая длина скважинного устройства, затрудняющая проводку скважинного устройства по скважине в процессе каротажа.
Техническим результатом изобретения является уменьшение длины нейтронных измерительных зондов в случае применения в качестве нейтронного источника нейтронного генератора и, как следствие, уменьшение времени измерений.
Технический результат достигается тем, что скважинное устройство с двухсторонним расположением измерительных зондов, содержащее нейтронный источник, расположенный соосно с корпусом скважинного устройства, а также два нейтронных и два гамма-зонда, находящиеся по разные стороны от нейтронного источника, в качестве нейтронного источника применяется нейтронный генератор, каждый нейтронный зонд содержит не менее двух детекторов, которые располагаются между корпусом скважинного устройства и корпусом нейтронного генератора параллельно оси скважинного устройства, одинаково удаленно от оси скважинного устройства и одинаково удаленно от мишени нейтронного генератора, равномерно по углу вокруг оси скважинного устройства, причем детекторы в различных нейтронных зондах повернуты вокруг оси скважинного устройства по отношению друг к другу.
Сущность изобретения поясняется на чертеже на примере устройства с нейтронным источником в виде нейтронного генератора 14 МэВ нейтронов, где 1 - корпус скважинного устройства; 2 - стенка скважины; 3 - нейтронный генератор; 4, 5 - детекторы, входящие в состав, соответственно, ближнего и дальнего нейтронных зондов; 6 - защитный экран; 7 - детекторы гамма-квантов, входящие в состав гамма-зондов; 8 - мишень нейтронного генератора (область, излучающая нейтроны); 9 - зазор между корпусом нейтронного генератора и корпусом скважинного устройства 1, 10 - полость между корпусом скважинного устройства и стенкой скважины.
Техническое решение основано на том, что между корпусом нейтронного генератора и корпусом скважинного устройства имеется зазор. Диаметр нейтронных генераторов, применяемых в скважинных устройствах, предназначенных для нейтронного каротажа, составляет не более 34 мм, а внутренний диаметр корпуса скважинного устройства обычно составляет не менее 80 мм, что позволяет разместить между корпусом скважинного устройства и корпусом нейтронного генератора детекторы диаметром до, примерно, 20 мм.
Устройство содержит корпус 1, внутри которого соосно с ним располагается нейтронный генератор 3. Мишень 8 нейтронного генератора 3 располагается вблизи его торца. Детекторы 4 и 5 располагаются в зазоре 9 между корпусом нейтронного генератора 3 и корпусом 1 скважинного устройства параллельно его оси и вместе с ней составляют, соответственно, ближний и дальний зонды. В каждом зонде детекторы расположены на одном расстоянии от оси скважинного устройства и на одном расстоянии от мишени 8, а также равномерно по углу вокруг оси скважинного устройства. В общем случае ближний и дальний зонды могут содержать различное количество детекторов, которые могут быть повернуты относительно друг друга.
Детекторы 7 гамма-зондов и защитный экран 6 располагаются на оси корпуса 1. В общем случае ось скважинного устройства не совпадает с осью скважины. Вследствие этого между стенкой 2 скважины и корпусом 1 скважинного устройства имеется полость 10, размер которой зависит от азимутального угла относительно оси скважинного устройства.
Электронные блоки скважинного устройства на чертеже не показаны. Они обеспечивают работу нейтронного генератора в заданном режиме, регистрацию нейтронного и гамма-излучения, выходящего из стенок скважины, а также первичную обработку поступающих с них данных, запись данных во встроенную память или/и их передачу в наземную аппаратуру, где полученные данные используются для определения характеристик среды вокруг скважины: плотности, пористости, химического состава.
В наземную аппаратуру входит главный процессор. К главному процессору подсоединены также дисплейный блок и блок накопления информации (на чертеже не показаны). Основным назначением дисплейного блока является визуальная индикация полученных данных каротажа, а также данных о работе скважинного устройства. Блок накопления предназначен для сохранения полученных системой каротажных данных, а также для вызова накопленных данных и рабочих программ системы.
В качестве детекторов 4 и 5 могут использоваться пропорциональные счетчики, а также сцинтилляционные детекторы, например, на основе литиевого стекла.
Расположение детекторов 4 и 5 параллельно оси скважинного устройства, на одном и том же на расстоянии от нее и равномерно по углу необходимо для более точного определения положения скважинного устройства относительно оси скважины с помощью выражения (1). В случае когда детекторы ближнего и дальнего зондов повернуты вокруг оси скважинного устройства по отношению друг к другу, параметр асимметрии вычисляется для детекторов из разных зондов. Чем больше различных угловых положений занимают детекторы 4 и 5, входящие в ближний и дальний зонды, тем большее число значений параметра асимметрии вычисляется и тем точнее определяется положение скважинного устройства в скважине.
Нейтронный генератор 3 является источником зондирующего излучения и подключен к блоку питания и блоку управления его работой (на чертеже не указаны). Область мишени 8 нейтронного генератора 3, излучающая нейтроны, характеризуется толщиной в несколько десятков микрон, диаметром менее 10 мм и находится на расстоянии около 10 мм от ближайшего торца нейтронного генератора.
Детекторы 7 гамма-зондов могут быть спектрометрическими или счетными. В первом случае детекторы 7 подключены к спектрометрической аппаратуре. Во втором случае к счетчику импульсов. И те, и другие на чертеже не показаны. Выходы спектрометрической аппаратуры или счетчиков подключены к процессору скважинного устройства (на чертеже не показаны).
Защитный экран 6 между мишенью 8 генератора 3 и детекторами 7 обычно изготавливается из вольфрама и служит для уменьшения интенсивности излучения нейтронного генератора 3, приходящего на детекторы 7 во время нейтронных импульсов. Это необходимо, чтобы регистрировать гамма-кванты неупругого рассеяния, излучаемые породой во время нейтронных импульсов.
Скважинное устройство с нейтронным источником в виде нейтронного генератора 14 МэВ нейтронов работает следующим образом.
На электронные блоки скважинного устройства подается электрическое питание. С главного процессора, входящего в состав наземной аппаратуры, с помощью модема в процессор скважинного устройства пересылаются установочные данные о режиме его работы. Нейтронный генератор 3 начинает работать в частотном режиме.
Во время нейтронного импульса мишень 8 излучает в окружающую породу практически изотропно 14 МэВ нейтроны, которые последовательно проходят через корпус генератора 3, зазор 9, корпус 1, полость 10, стенку 2 и попадают в породу вокруг скважины.
Защитный экран 6 препятствует попаданию 14 МэВ нейтронов и гамма-излучения, вырабатываемого во время нейтронного импульса, на детекторы 7.
Распространяясь в породе вокруг скважины, 14 МэВ нейтроны претерпевают упругие и неупругие рассеяния на атомных ядрах. В результате образуются тепловые и эпитепловые нейтроны, гамма-кванты неупругого рассеяния и радиационного захвата, которые распространяются во все стороны и частично попадают на детекторы нейтронных и гамма-зондов.
В промежутках между нейтронными импульсами производится регистрация тепловых и/или эпитепловых нейтронов детекторами 4 и 5 ближнего и дальнего зондов. Электрические импульсы, выработанные нейтронами в этих детекторах, поступают на электронные блоки скважинного устройства. В процессоре скважинного устройства для детекторов каждого из зондов вычисляется параметр асимметрии и производится коррекция их счета с учетом данных о параметре асимметрии, полученных с различных зондов. Скорректированные результаты об интенсивности счета для каждого детектора записываются во встроенную память процессора и/или передаются посредством модема к наземной аппаратуре посредством кабеля.
Во время нейтронных импульсов детекторы 7 регистрируют гамма-кванты неупругого рассеяния быстрых нейтронов. Электрические импульсы, выработанные гамма-квантами в этих детекторах, сигналы с детекторов 7 поступают на соответствующие электронные блоки скважинного устройства, где обрабатываются по специальной программе.
По данным, полученным с нейтронных зондов, определяются такие свойства среды как водонасыщенная пористость и параметр «Сигма», а по данным, полученным с гамма-детекторов, определяют плотность среды и ее химический состав.
При использовании зондов различной длины обработка данных обеспечивает вычисление характеристик среды, усредненных по областям, находящимся на различных расстояниях от стенок скважины.
Полученная информация о характеристиках среды используется для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.