Скважинное устройство с нейтронными измерительными зондами

Полезная модель относится к устройствам каротажа нефтяных и газовых скважин и, в частности, к ядерно-физическим устройствам измерения плотности и пористости породы с использованием нейтронного излучения и может быть использована в скважинных устройствах, применяемых при каротаже нефтяных и газовых скважин. Техническим результатом полезной модели является уменьшение длины нейтронных измерительных зондов в случае применения в качестве нейтронного источника нейтронного генератора и, как следствие, уменьшение времени измерений и длины скважинного устройства. Технический результат достигается тем, что скважинное устройство с нейтронными измерительными зондами, 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, подключенный к блоку управления, 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, выходы нейтронных детекторов подключены к последовательно соединенным многоканальному усилителю-дискриминатору, многоканальному счетчику импульсов, процессору и модему, процессор подключен также к блоку управления нейтронным генератором, многоканальному усилителю-дискриминатору и через модем к наземной аппаратуре.

Полезная модель 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 использована 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) образуется 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, электронные устройства.

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, C(i) - сумма скоростей счета по всем N детекторам зонда.

Параметр асимметрии позволяет определить положение скважинного устройства относительно стенок скважины и произвести коррекцию счета детектора 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.

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^rd Annual Logging Symposium, June 16-20, 2012; http://www.slb.com/~/media/Files/drilling/teclmical%5eapers/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 зондов со стороны мишени нейтронного генератора, увеличивающее длину скважинного устройства и накладывающее ограничения на длину зондов.

Известна «Комплексная спектрометрическая аппаратура ядерного каротажа», включающая детекторы гамма излучения, детекторы тепловых нейтронов, общий нейтронный источник, 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 является 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 нейтронного излучения, требующая увеличенного времени измерений, и большая длина скважинного устройства, затрудняющая проводку скважинного устройства по скважине в процессе каротажа.

Техническим результатом полезной модели является уменьшение длины нейтронных измерительных зондов в случае применения в качестве нейтронного источника нейтронного генератора и, как следствие, уменьшение времени измерений и длины скважинного устройства.

Технический результат достигается тем, что скважинное устройство с нейтронными измерительными зондами, 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, подключенный к блоку управления, 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, выходы нейтронных детекторов подключены к последовательно соединенным многоканальному усилителю-дискриминатору, многоканальному счетчику импульсов, процессору и модему, процессор подключен также к блоку управления нейтронным генератором, многоканальному усилителю-дискриминатору и через модем к наземной аппаратуре.

Сущность полезной модели поясняется на Фиг. 1, 2 на примере устройства с двумя нейтронными зондами: ближним и дальним, а также одним гамма зондом с одним гамма детектором и защитным экраном для него.

На Фиг. 1 схематично изображено устройство, где 1 - корпус скважинного устройства; 2 - стенка скважины; 3 - нейтронный генератор; 4 - мишень нейтронного генератора (область, излучающая нейтроны); 5, 6 - детекторы, входящие в состав, соответственно, ближнего и дальнего нейтронных зондов; 7 - детекторы, входящие в состав гамма зондов; 8 - защитный экран; 9 - зазор между корпусом нейтронного генератора и корпусом скважинного устройства; 10 - полость между корпусом скважинного устройства и стенкой скважины.

Система перемещения скважинного устройства в скважине на Фиг. 1 не показана.

На Фиг. 2 показана блок-схема электронных блоков скважинного устройства, расположенных внутри корпуса 1 и обеспечивающих работу устройства, где: 11 - блок управления нейтронным генератором, 12 - многоканальный усилитель-дискриминатор; 13 - многоканальный счетчик импульсов; 14 - процессор; 15 - модем для связи с наземной аппаратурой; 16 - наземная аппаратура.

На Фиг. 2 не показаны блоки питания электронных блоков устройства.

В основе полезной модели лежат следующие обстоятельства:

- между корпусом нейтронного генератора 3 и корпусом 1 имеется зазор 9, достаточный для размещения в нем детекторов 5 и 6;

- детекторы 5 и 6 работают в промежутках между импульсами генератора нейтронов и поэтому не требуют установки дополнительного экрана, аналогичного защитному экрану 8.

Устройство содержит корпус 1, внутри которого соосно с ним располагается нейтронный генератор 3. Мишень 4 нейтронного генератора 3 располагается вблизи его торца. Детекторы 5 и 6 находятся на различных расстояниях от мишени 4 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 4, а также равномерно по углу вокруг оси скважинного устройства (на одном угловом расстоянии друг от друга, например, величиной см. Фиг. 1, сечение А-А). В общем случае ближний и дальний зонды могут содержать различное количество детекторов, которые могут быть повернуты относительно друг друга, как показано на Фиг. 1 на сечениях А-А и Б-Б.

Детекторы 7 гамма квантов располагаются на оси корпуса 1 со стороны мишени 4, что облегчает их защиту от излучения нейтронного генератора во время нейтронного импульса с помощью защитного экрана 8.

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.

Детекторы 5 и 6 подключены последовательно к многоканальному усилителю-дискриминатору 12 и многоканальному счетчику 13 с числом каналов равным суммарному числу детекторов 5 и 6.

Выход многоканального счетчика 13 подключен к процессору 14, подключенному в свою очередь к многоканальному усилителю-дискриминатору 12, к блоку управления 11 и через модем 15 к наземной аппаратуре 16, например, посредством кабеля.

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.

В качестве детекторов 5 и 6 могут использоваться пропорциональные счетчики, а также сцинтилляционные детекторы, например, на основе литиевого стекла.

Расположение детекторов 5 и 6 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 5 и 6, входящие в ближний и дальний зонды, тем большее число значений параметра асимметрии вычисляется и тем точнее определяется положение скважинного устройства в скважине.

Электронные блоки скважинного устройства обеспечивают работу нейтронного генератора в заданном режиме, регистрацию излучений, выходящих из стенок скважины, детекторами 5, 6 и 7, 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 породы вокруг скважины: плотности, пористости, химического состава.

Нейтронный генератор 3 является источником зондирующего излучения и подключен к блоку питания (на Фиг. 2 не показан) и блоку 11, управляющему его работой. Область мишени 4 нейтронного генератора, излучающая нейтроны, характеризуется толщиной в несколько десятков микрон, диаметром менее 10 мм и находится на расстоянии около 10 мм от ближайшего торца нейтронного генератора. Блок 11 соединен с процессором 14 с возможностью обмена информацией для контроля и поддержания стабильной работы нейтронного генератора.

Процессор 14 служит для:

- ввода данных, необходимых для выполнения скважинным устройством каротажных операций, в блок 11 ив многоканальный усилитель-дискриминатор 12;

- сбора цифровых данных с многоканального счетчика 13;

- предварительной обработки полученных цифровых данных и коррекции данных счета с учетом положения скважинного устройства в скважине;

- сохранения цифровых данных или/и их передачи с помощью модема 15 в наземную аппаратуру 16 для окончательной обработки.

В наземную аппаратуру 16 входит главный процессор (на Фиг 2 не показан), предназначенный в первую очередь для:

- программирования режима работы скважинного устройства путем пересылки установочных данных в процессор 14: последовательности и длительности импульсов нейтронного генератора 3, уровней дискриминации и коэффициентов усиления многоканального усилителя-дискриминатора 12, режима обмена данными процессора 14 с наземной аппаратурой 16 посредством модема 15;

- окончательной обработки данных, получаемых с зондов.

К главному процессору подсоединены также дисплейный блок и блок накопления информации (на Фиг. 2 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.

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 с помощью модема 15 и процессора 14 в блок управления 11 и усилитель-дискриминатор 12 пересылаются установочные данные о режимах их работы. Блок управления 11 запускает нейтронный генератор 3, который начинает работать в заданном частотном режиме.

Во время нейтронного импульса мишень 4 излучает в окружающую породу практически изотропно 14 МэВ нейтроны, которые, последовательно проходят через корпус нейтронного генератора 3, зазор 9, корпус 1, полость 10, стенку 2 и попадают в породу вокруг скважины.

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 5, 6 и детекторы 7.

Во время нейтронного импульса детекторы 7 защищены от излучений нейтронного генератора защитным экраном 8 и регистрирует гамма кванты неупругого рассеяния быстрых нейтронов. В промежутках между импульсами детекторы 7 регистрируют гамма кванты радиационного захвата. Электрические импульсы, вырабатываемые в детекторах 7, поступают на вход измерительной аппаратуры, включающей усилитель-дискриминатор и амплитудный анализатор (или счетчик импульсов) (на Фиг. 2 не показаны) и процессор 14, где обрабатываются.

В промежутках между нейтронными импульсами также производится регистрация тепловых и/или эпитепловых нейтронов детекторами 5 и 6. Электрические импульсы, выработанные нейтронами в этих детекторах, проходят через многоканальный усилитель-дискриминатор 12 на многоканальный счетчик 13. С выхода многоканального счетчика 13 данные с каждого детектора поступают в цифровом закодированном виде в процессор 14. В процессоре 14 для детекторов каждого из нейтронных зондов вычисляется параметр асимметрии и производится коррекция счета с учетом данных о параметре асимметрии, полученных с различных зондов, скорректированные результаты об интенсивности счета и ее временной зависимости для каждого детектора записываются во встроенную память процессора 14 и/или передаются в наземную аппаратуру 16.

В случае измерений в процессе бурения окончательную обработку данных проводят предпочтительно процессором 14, чтобы уменьшить объем данных, передаваемых на поверхность. В этом случае соотношения, используемые при обработке данных, определяются заранее и закладываются в память процессора 14. В случае кабельного каротажа обработка результатов измерений может быть выполнена главным процессором, входящим в состав наземной аппаратуры 16 или компьютером на удаленном пункте.

По данным, полученным с нейтронных зондов, определяются такие свойства породы как водонасыщенная пористость и параметр «Сигма», а по данным, полученным с гамма-детекторов, определяют плотность породы и ее химический состав.

При использовании зондов различной длины обработка данных обеспечивает вычисление характеристик породы, усредненных по областям, находящимся на различных расстояниях от стенок скважины.

Полученная информация о характеристиках породы используется для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.

Скважинное устройство с нейтронными измерительными зондами, содержащее нейтронный источник, расположенный соосно с корпусом скважинного устройства, а также два нейтронных и два гамма зонда, находящиеся по разные стороны от нейтронного источника, отличающееся тем, что в качестве нейтронного источника применяется нейтронный генератор, подключенный к блоку управления, 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, выходы нейтронных детекторов подключены к последовательно соединенным многоканальному усилителю-дискриминатору, многоканальному счетчику импульсов, процессору и модему, процессор подключен также к блоку управления нейтронным генератором, многоканальному усилителю-дискриминатору и через модем к наземной аппаратуре.

РИСУНКИ