ЗАЩИТА ДЕТЕКТОРА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СКВАЖИННЫХ ОПЕРАЦИЙ
GAMMA DETECTOR PROTECTION FOR DOWNHOLE OPERATIONS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет по предварительной патентной заявке США №61/988,197, поданной 3 мая 2014 г, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки для всех целей.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники
[0002] Данное изобретение относится к области скважинных инструментов, связанных с измерениями во время бурения в горных породах, в частности к уменьшению повреждений детекторов гамма-излучения в результате механического удара и вибрации.
2. Уровень техники
[0003] Вращательное бурение в горной породе применяется для создания стволов скважин для получения в подземных пластах материалов, таких как углеводороды. Во вращательном бурении применяют компоновку низа бурильной колонны, размещенную на бурящем конце бурильной колонны, которая проходит от поверхности. Бурильную колонну собирают из последовательности трубных элементов, которые соединяют компоновку низа бурильной колонны с поверхностью. Компоновка низа бурильной колонны может содержать буровое долото, которое при вращении может разрушать горные породы для бурения ствола скважины. Выше и вблизи бурового долота могут располагаться пластовые и/или скважинные приборы и измерительные инструменты для измерения, записи и/или передачи информации о состоянии пласта, ствола скважины, компоновки низа бурильной колонны или других аспектов окружающей среды.
[0004] Датчики выполнены для работы во время бурения и в общем относятся к датчикам каротажа во время бурения или измерений во время бурения. Датчики могут содержать детекторы радиоактивного излучения, выполненные с возможностью обнаружения гамма-излучения для определения свойств пласта. Гамма-излучение может быть природным (пассивным) или излучаемым пластом в ответ на излучение источника радиоактивного излучения (активного) в компоновке низа бурильной колонны.
[0005] Центральные компоненты детектора гамма-излучения содержат сцинтилляционный кристалл, например кристалл йодида натрия (NaI), и трубчатый фотоэлектронный умножитель, с которым сцинтилляционный кристалл оптически связан. Выход из трубчатого фотоэлектронного умножителя может быть обнаружен электронной аппаратурой и преобразован в отсчеты гамма-излучения или другие показатели мощности и частоты принимаемого гамма-излучения. Вращение бурового долота и перемещение бурильной колонны в пласте приводят к физическим (механическим) ударам и вибрациям, которые передаются по бурильной колонне, помимо прочего, на чувствительные электронные компоненты в компоновке низа бурильной колонны, такие как, детектор гамма-излучения. Механические удары и вибрации могут повреждать один или больше сцинтилляционных кристаллов, оптическую связь и электронные схемы детектора гамма-излучения.
[0006] Поэтому, требуется создание детектора гамма-излучения, стойкого к механическим ударам и вибрациям при операциях бурения в скважине.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В аспектах настоящее изобретение относится к скважинным инструментам, связанным с вращательным бурением в горных породах. Конкретно, настоящее изобретение относится к уменьшению повреждений и износа от механического удара и вибрации.
[0008] Один вариант осуществления включает устройство для обнаружения гамма-излучения в стволе скважины, содержащее: основание, выполненное с возможностью размещения в стволе скважины; детектор гамма-излучения, размещенный в основании и содержащий: сцинтилляционный кристалл, реагирующий на гамма-излучение; и трубчатый фотоэлектронный умножитель, оптически соединенный со сцинтилляционным кристаллом; кожух, выполненный с возможностью окружения детектора гамма-излучения, и имеющий первый конец и второй конец; первый амортизатор продольного удара, выполненный с возможностью поддерживать механическую связь с первым концом и основанием; и второй амортизатор продольного удара, выполненный с возможностью поддерживать механическую связь со вторым концом и основанием. Устройство может также содержать первый адаптер амортизатора продольного удара, размещенный между первым амортизатором продольного удара и первым концом, и второй адаптер амортизатора продольного удара, размещенный между вторым амортизатором продольного удара и вторым концом. В аспектах адаптеры амортизаторов продольного удара могут быть выполнены с возможностью распределения силы амортизаторов продольного удара равномерно на концах кожуха или по периметру концов кожуха. В некоторых аспектах устройство может содержать гильзу, выполненную с возможностью окружения кожуха. Гильза может иметь участок выемки, не имеющий разрывов между первым концом и вторым концом. Устройство может также иметь амортизатор бокового удара, выполненный с возможностью окружения гильзы. Амортизатор бокового удара может содержать не имеющий разрывов проход между первым концом и вторым концом. Не имеющий разрывов проход может быть не линейным. Не имеющий разрывов проход может быть участком выемки амортизатора бокового удара или пазом в амортизаторе бокового удара. Амортизатор бокового удара может содержать упругий материал. В некоторых аспектах упругий материал может содержать силикон. Амортизатор бокового удара может содержать гофрированный металл, и гофрирование может являться одним или несколькими из следующего: радиальным, продольным или спиральным. В некоторых аспектах первый амортизатор продольного удара и второй амортизатор продольного удара могут каждый содержать пружину.
[0009] Другой вариант осуществления согласно настоящему изобретению включает устройство для обнаружения гамма-излучения в стволе скважины, содержащее: основание, выполненное с возможностью размещения в стволе скважины; детектор гамма-излучения размещенный в основании и содержащий: сцинтилляционный кристалл, реагирующий на гамма-излучение; кожух, выполненный с возможностью окружения сцинтилляционного кристалла и имеющий наружный конец; трубчатый фотоэлектронный умножитель, оптически соединенный со сцинтилляционным кристаллом; и кожух, выполненный с возможностью окружения трубчатого фотоэлектронного умножителя и имеющий наружный конец; первый амортизатор продольного удара, выполненный с возможностью поддержания механической связи с наружным концом кожуха сцинтилляционного кристалла и основанием; и второй амортизатор продольного удара, выполненный с возможностью поддержания механической связи с наружным концом кожуха трубчатого фотоэлектронного умножителя и основанием. Кожух сцинтилляционного кристалла и кожух фотоумножителя могут быть смежными друг с другом. Устройство может также содержать первый адаптер амортизатора продольного удара, размещенный между первым амортизатором продольного удара и первым концом, и второй адаптер амортизатора продольного удара, размещенный между вторым амортизатором продольного удара и вторым концом. В аспектах адаптеры амортизаторов продольного удара могут быть выполнены с возможностью распределения силы амортизаторов продольного удара равномерно на концах кожуха или по периметру концов кожуха. В некоторых аспектах устройство может содержать гильзу, выполненную с возможностью окружения кожуха. Гильза может иметь участок выемки, не имеющий разрывов между первым концом и вторым концом. Устройство может также иметь амортизатор бокового удара, выполненный с возможностью окружения гильзы. Амортизатор бокового удара может содержать не имеющий разрывов проход между первым концом и вторым концом. Не имеющий разрывов проход может быть не линейным. Не имеющий разрывов проход может быть участком выемки амортизатора бокового удара или пазом в амортизаторе бокового удара. Амортизатор бокового удара может содержать упругий материал. В некоторых аспектах упругий материал может содержать силикон. Амортизатор бокового удара может содержать гофрированный металл, и гофрирование может являться одним или несколькими из следующего: радиальным, продольным или спиральным. В некоторых аспектах первый амортизатор продольного удара и второй амортизатор продольного удара могут каждый содержать пружину.
[0010] Другой вариант осуществления настоящего изобретения включает способ выполнения операции обнаружения гамма-излучения в стволе скважины, включающий: демпфирование продольного удара по инструменту с детектором гамма-излучения, причем инструмент с детектором гамма-излучения содержит: основание, выполненное с возможностью размещения в стволе скважины; детектор гамма-излучения, размещенный в основании и содержащий: сцинтилляционный кристалл, реагирующий на гамма-излучение; и трубчатый фотоэлектронный умножитель, оптически соединенный со сцинтилляционным кристаллом; кожух выполненный с возможностью окружения детектора гамма-излучения, и имеющий первый конец и второй конец; первый амортизатор продольного удара, выполненный с возможностью поддержания механической связи с первым концом и основанием; и второй амортизатор продольного удара, выполненный с возможностью поддержания механической связи со вторым концом и основанием. Способ может также включать демпфирование бокового удара по инструменту с детектором гамма-излучения. Способ может также включать прием гамма-излучения горной породы сцинтилляционным кристаллом; и преобразование гамма-излучения в сигнал, указывающий отсчет гамма-излучения. Этап демпфирования продольного удара может выполняться во время операции бурения.
[0011] Примеры более важных признаков раскрытия даны в виде весьма широкого обзора для лучшего понимания приведенного ниже подробного описания и для понимания его вклада в уровень техники. Имеются, естественно, дополнительные признаки раскрытия, которые описаны ниже в данном документе, и которые образуют предмет прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Настоящее изобретение можно лучше понять из следующего подробного описания различных раскрытых вариантов осуществления с чертежами, которые даны только, как иллюстрации, не ограничивающие настоящее изобретение, и на которых показано следующее.
На фиг. 1 показана схема буровой системы с компоновкой низа бурильной колонны, выполненной для применения в стволе скважины, которая содержит скважинный инструмент с детектором гамма-излучения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2А показано трехмерное изображение скважинного инструмента с детектором гамма-излучения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2В показан вид с продольным сечением инструмента фиг. 2А.
На фиг. 2С показано трехмерное изображение разобранного инструмента фиг. 2А.
На фиг. 3 показано трехмерное изображение другого варианта осуществления инструмента с детектором гамма-излучения без амортизатора бокового удара согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 показан пример способа применения инструмента с детектором гамма-излучения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] В аспектах настоящее изобретение относится к скважинным операциям бурения. Конкретно, настоящее изобретение относится к защите компонентов скважинного детектора гамма-излучения, который может быть чувствительным к механическим ударам и вибрациям, возникающим во время операций бурения, и которые могут уменьшать эксплуатационный ресурс скважинного инструмента с детектором гамма-излучения. Настоящее изобретение допускает варианты осуществления отличающихся видов. В данном документе ниже подробно описаны и показаны на чертежах конкретные варианты осуществления, с пониманием, что настоящее время изобретение следует считать примером принципов, не направленных на ограничение настоящего изобретения, проиллюстрированным и описанным в данном документе.
[0014] На фиг. 1 показана схема буровой системы 100, которая содержит буровую установку 110, размещенную на поверхности 120 над стволом 130 скважины в горной породе 140. В стволе 130 скважины размещена бурильная колонна 150 с буровым долотом 160 на дне забоя ствола 130 скважины. Над буровым долотом 160 расположена компоновка 170 низа бурильной колонны, которая содержит инструмент 180 с детектором гамма-излучения. Инструмент 180 с детектором гамма-излучения может быть выполнен для активных или пассивных измерений гамма-излучения. Хотя показан один инструмент 180 с детектором гамма-излучения, буровая система может содержать многочисленные инструменты 180 с детектором гамма-излучения.
[0015] На фиг. 2А показано трехмерное изображение инструмента 180 с детектором гамма-излучения, содержащего основание 200, которое открыто для показа кожуха 210 детектора гамма-излучения, позиции 260, 270 (фиг. 2В), расположенного внутри. Основание 200 может быть по существу цилиндрической формы, выполненным для размещения в стволе 130 скважины, и содержать полость 205 (фиг. 2С) в которую кожух 210 может вставляться. Основание содержит первый конец 201 и второй конец 202, расположенные с противоположных сторон инструмента 180 с детектором гамма-излучения. В некоторых вариантах осуществления основание 200 может быть выполнено из двух половин, каждая из которых является приблизительно половиной продольно разрезанной трубы, комплектующейся другой половиной и выполненной с возможностью образования, по существу, цилиндрической формы. Половины основания 200 могут быть скреплены вместе винтами, сваркой, заклепками или другими техническими средствами, известными специалисту в данной области техники. Детектор гамма-излучения, позиции 260, 270 обычно содержит сцинтиллятор 260, который генерирует фотоны под воздействием гамма-излучения, и электронный детектор 270 светового излучения, который преобразует фотоны в электрический сигнал, указывающий гамма-излучение, принятое сцинтиллятором 260. Один не ограничивающий сцинтиллятор 260 является сцинтилляционным кристаллом, хотя любой сцинтиллятор, подходящий для скважинных операций можно применять, как понятно специалисту в данной области техники. Не ограничивающий электронный детектор 270 светового излучения является фотоэлектронным умножителем, хотя любой электронный детектор светового излучения, подходящий для скважинных операций, можно применять, в том числе, фотодиод и кремниевый трубчатый фотоэлектронный умножитель. Сцинтилляционный кристалл 260 и трубчатый фотоэлектронный умножитель 270 внутри кожуха 210 могут повреждаться механическими ударами и вибрациями, которые передаются с бурового долота 160 на инструмент 180 с детектором гамма-излучения. Уменьшение величины ударов, которые достигают сцинтилляционного кристалла 260 и трубчатого фотоэлектронного умножителя 270 с направления вдоль продольной оси инструмента 180 и/или компоновки 170 низа бурильной колонны, может предотвращать повреждение и увеличивать эксплуатационный ресурс сцинтилляционного кристалла 260, трубчатого фотоэлектронного умножителя 270 или обоих.
[0016] Как показано, амортизацию продольного удара обеспечивают амортизаторы 251, 252 продольного удара, которые также размещены в полости 205 и в контакте с внутренним основанием 200. Амортизаторы 251, 252 продольного удара выполнены с возможностью демпфирования вибраций с помощью либо аккумулирования или рассеивания энергии вибрации, которая без них напрямую должна передаваться на сцинтилляционный кристалл 260 и трубчатый фотоэлектронный умножитель 270. Хотя амортизаторы 251, 252 продольного удара показаны, как пружины, данное является только примером и иллюстрацией, поскольку могут применяться другие подходящие амортизаторы удара, например упругие материалы, как понятно специалисту в данной области техники. Первый амортизатор продольного удара (пружина) 251 размещен между первым концом 201 основания 200 и первым концом 211 кожуха 210, и второй амортизатор продольного удара (пружина) 252 размещен между вторым концом 202 основания 200 и вторым концом 212 кожуха 210. Пружины 251, 252 могут быть сжатыми и выполненными с возможностью удержания кожуха 210 в нужном положении при демпфировании механических ударов и вибраций, принятых через основание 200.
[0017] Концы 201, 202 также содержат проводной канал 207 основания, который выполнен с возможностью обеспечивать проход проводов, соединенных с блоком детектора гамма-излучения для прохода в и/или из основания 200. Концы 201, 202 могут каждый содержать останавливающий упор 203 пружин, который выполнен с возможностью обеспечивать плоские поверхности для контакта пружин 251, 252 с основанием 200. Пружины 251, 252 могут быть выполнены с жесткостью, обеспечивающей демпфирование ударов порядка 1000 ускорений свободного падения. В некоторых вариантах осуществления пружины 251, 252 могут быть выполнены с возможностью демпфирования ударов порядка 2500 ускорений свободного падения. Стрелки 206 указывают путь продольного перемещения кожуха 210. Пара адаптеров 241, 242 амортизаторов продольного удара может, если необходимо, быть размещена между амортизаторами 251, 252 продольного удара и их концами 211, 212, соответственно. Поскольку пружины показаны, как амортизаторы продольного удара на фиг. 2А, адаптеры 241, 242 амортизаторов продольного удара именуются пружинными адаптерами, хотя применение пружин является только примером. Пружинные адаптеры 241, 242 могут содержать пазы 245, которые обеспечивают проход проводов между наружной поверхностью пружин 251, 252 и основанием 200. Пружинные адаптеры 241, 242 могут быть выполнены с возможностью модификации распределения упругих сил от пружин 251, 252 в концах 211, 212. В некоторых вариантах осуществления сцинтилляционный кристалл 260 и фотоумножитель 270 могут каждый иметь свой собственный кожух (не показано), при этом кожухи являются смежными. Когда применяются смежные кожухи, обращенный наружу (не смежный) конец кожуха сцинтилляционного кристалла должен быть первым концом 211 и обращенный наружу (не смежный) конец кожуха фотоумножителя должен быть вторым концом 212.
[0018] В некоторых вариантах осуществления пружинные адаптеры 241, 242 могут быть выполнены с возможностью равномерного распределения сил, создаваемых пружиной, вдоль концов 211, 212. В некоторых вариантах осуществления пружинные адаптеры 241, 242 могут быть выполнены с возможностью распределения сил в основном по периметру 215 (фиг. 2С) концов 211, 212 кожуха 210.
[0019] Кожух 210 может, если необходимо, быть окружен гильзой 220. Гильза 220 может быть выполнена из материала прозрачного для гамма-излучения, чтобы не препятствовать проходу гамма-излучения из горной породы 140 в сцинтилляционный кристалл 260. В некоторых вариантах осуществления гильза 220 может быть выполнена из материала (не показано), который ослабляет гамма-излучение и содержит щель или окно (не показано), которое является прозрачным (либо прозрачным материалом или пазом), который обеспечивает проход гамма-излучения в сцинтилляционный кристалл 260. Ослабляющий гамма-излучение материал может содержать вольфрамовый сплав.
[0020] Гильза 220 может быть короче кожуха 210 и может быть выполненной с возможностью обеспечивать скользящую поверхности на своей внутренней стороне, так что кожух 210 может свободно скользить в гильзе 220. Гильза 220 может иметь внутренний диаметр, который только немного больше самого большого наружного диаметра кожуха 210. В некоторых вариантах осуществления разность внутреннего диаметра гильзы 220 и самого большого наружного диаметра кожуха 210 может составлять около 0,02 дюймов (0,05 см) или меньше. В некоторых вариантах осуществления гильза 220 может быть металлической и содержать внутреннее покрытие, выполненное с возможностью уменьшения трения между гильзой 220 и кожухом 210. В одном не ограничивающем варианте осуществления гильза 220 может быть выполнена из тефлона; что иллюстративно и служит примером, поскольку любые другие прозрачные для гамма-излучения материалы с функциональными возможностями обеспечения скользящей внутренней поверхности в скважинной окружающей среде, известные специалисту в данной области техники, могут применяться. Гильза 220 выполнена с возможностью стабилизации кожуха 210 в основании 200. Гильза 220 может также уменьшать удары по сцинтилляционному кристаллу 260 и фотоэлектронному умножителю 270 с направлений поперечных оси инструмента 180 и/или компоновки 170 низа бурильной колонны.
[0021] Амортизатор 230 бокового удара может окружать гильзу 220. Амортизатор 230 бокового удара может быть выполнен с возможностью ослаблять боковые (радиальные) удары по сцинтилляционному кристаллу 260 и фотоэлектронному умножителю 270. Амортизатор 230 бокового удара может состоять из упругого материала, такого как силикон, который сохраняет свои упругие свойства в скважинной окружающей среде. В некоторых вариантах осуществления упругий материал выполнен с возможностью, по существу, сохранять свои свойства демпфирования удара в температурном диапазоне от около -50 градусов С до около 175 градусов С. В некоторых вариантах осуществления амортизатор 230 бокового удара может содержать гофрированный металл. Металл может быть гофрированным продольно, радиально или спирально.
[0022] Амортизатор 230 бокового удара может иметь паз 235, выполненный с возможностью обеспечения прохода проводов от первого конца 231 до второго конца 232 амортизатора 230 бокового удара. Данный паз может обеспечивать проводам проход амортизатора 230 бокового удара по поверхности гильзы 220 (или по поверхности более тонкой части самого амортизатора 230 бокового удара). В некоторых вариантах осуществления паз 235 может быть образован более тонким участком (не показано) амортизатора 230 бокового удара, а не отсутствием демпфирующего удар материала. Паз 235 может быть линейным или не линейным. В некоторых вариантах осуществления паз 235 может являться спиралью, проходящей по поверхности амортизатора 230 бокового удара.
[0023] На фиг. 2В показано продольное сечение инструмента 180 с детектором гамма-излучения фиг. 2А. Внутренний кожух 210 показан со сцинтилляционным кристаллом 260, размещенным возле первого адаптера 241 и первой пружины 251, а фотоэлектронным умножителем 270, размещенным возле второго адаптера 242 и второй пружины 252. Пружинные адаптеры 241, 242 имеют центральный канал 247 для прохода проводов от кожуха 210. Центральные каналы 247 выставлены по одной оси с пружинами 251, 252 и проводным каналом 207 основания.
[0024] На фиг. 2С показан разобранный инструмент 180 с детектором гамма-излучения фиг. 2А. Можно видеть периметр 215 кожуха 210. В некоторых вариантах осуществления упругая сила пружин 251, 252 может концентрироваться на периметре 215 с помощью пружинных адаптеров 241, 242. Концентрация силы, создаваемой пружинами на периметре 215, может уменьшать удары и вибрации, передаваемые на сцинтилляционный кристалл 260 и трубчатый фотоэлектронный умножитель 270.
[0025] На фиг. 3 показано трехмерное изображение другого варианта осуществления инструмента 180 с детектором гамма-излучения без части основания 200. В данном варианте осуществления амортизатор 230 бокового удара отсутствует. Гильза 220 содержит площадь 325 выемки (показана линейной, но может быть не линейной) для обеспечения прохода проводов между гильзой 220 и основанием 200. Площадь 325 выемки выставлена по одной оси с площадями 345 выемки пружинных адаптеров 341, 342. Пружинные адаптеры 341, 342 являются аналогичными пружинным адаптерам 241, 242; вместе с тем, площади 325 выемки заменяют пазы 245. Таким образом, провода, пропущенные продольно в пазе между основанием 200 и кожухом 210 не требуется соединять с проводами, проходящими от кожуха 210 через любой из проводных каналов 207 основания.
[0026] Хотя выше описано устройство на примере инструмента гамма-каротажа, предполагается, что аспекты амортизации удара могут применяться с другими скважинными инструментами, которые требуют изоляции от механических ударов и вибраций. Для исключения или ослабления ударов и вибраций можно задействовать одно или несколько из следующего: амортизаторы продольного удара, амортизатор бокового удара, гильзу и адаптеры амортизаторов продольного удара.
[0027] На фиг. 4 показана блок схема последовательности операций способа 400 оценки эмиссии гамма-излучения в горной породе 140 во время операция бурения. Операция бурения может содержать бурение, подготовку бурения и промывку после бурения. На этапе 410 инструмент 180 с детектором гамма-излучения могут спускать в горную породу 140. Спуск может иметь место, когда буровое долото 160 разрушает часть горной породы 140. На этапе 420 гамма-излучение от горной породы 140 может приниматься инструментом 180. На этапе 430 гамма-излучение может преобразоваться в электрический сигнал, указывающий отсчет гамма-каротажа инструмента 180. На этапе 440, информация отсчета гамма-каротажа может записываться и/или передаваться на поверхность 120. Инструмент 180 может содержать некоторые или все элементы и компоненты, показанные на фиг. 2А-2С или 3. На этапе 450 инструмент 180 может быть поднят из ствола 130 скважины. На этапе 460 продольные удары и вибрации могут демпфироватьсся пружинами 251, 252. На этапе 470, боковые удары и вибрации могут демпфироваться амортизатором 230 бокового удара. В некоторых вариантах осуществления этап 470 является возможным. Любой или оба из этапов 460 и 470 могут быть выполнены во время любого, нескольких или всех этапов 410-450.
[0028] Хотя варианты осуществления в настоящем раскрытии описаны с некоторыми подробностями согласно предпочтительным вариантам осуществления, проиллюстрированным выше, указанное не означает ограничений на модификации, которые очевидны специалисту в данной области техники.
[0029] Приведенное выше раскрытие и описание изобретения являются иллюстративными и описательными, и различные изменения в деталях проиллюстрированного устройства и системы, а также конструкции и способа работы могут быть выполнены без отхода от сущности изобретения.