многосекционный каротажный зонд для скважинного прибора

Формула изобретения

1. Многосекционный каротажный зонд для скважинного прибора, содержащий герметичный корпус, источник гамма-излучения, экраны с коллимационными окнами, датчики гамма-излучения, упругоустановленные в трубках, отличающийся тем, что снабжен корпусом секционного типа, в котором трубки расположены равномерно по окружности каротажного зонда и жестко соединены с опорами, между которыми установлен экран с секторными коллимационными окнами, а также снабжен крышкой с регуляторами установки датчиков гамма-излучения и опорными втулками с кольцевым уступом по наружной поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник гамма-излучения установлен перпендикулярно продольной оси устройства.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что снабжено дополнительным экраном с секторными коллимационными окнами, установленном на герметичном корпусе.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубки в корпусе секционного типа разделены на две группы, смещенные относительно друг друга, как по диаметру каротажного зонда, так и по оси устройства, причем в каждой группе может быть как равное, так и неравное число трубок.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в трубках установлены по два датчика гамма-излучения, расположенные встречно и разделенные экраном.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчики гамма-излучения в трубках разделены на две группы и установлены по окружности каротажного зонда навстречу друг другу.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус секционного типа снабжен дополнительной трубкой, установленной по оси, и экраном с круговым коллимационным окном.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может быть использовано в модулях гамма - гамма каротажа скважинных приборов и каротажных геофизических комплексах.

Данное изобретение позволяет повысить надежность работы модуля за счет повышения вибро- и ударопрочности узлов, входящих в многосекционный каротажный зонд, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в увеличении срока службы модуля.

Известен фотоприемный модуль для детектора излучения, в котором фотоумножитель модуля имеет планшайбу и стержень, расположенные напротив друг друга, печатную плату, расположенную между стержнем и планшайбой и электрически соединенную с фотоумножителем, корпус для фотоумножителя и платы, имеющий отверстие для экспозиции планшайбы, ступеньку на внутренней поверхности и ограничитель на этой ступеньке, задающей положение фотоумножителя в корпусе, причем ограничитель может быть или отдельным элементом из полиимидной смолы, или представлять собой увеличенную ступеньку и может иметь контактную поверхность, которая наклонена и удерживает планшайбу параллельно отверстию даже в том случае, когда стержень не параллелен планшайбе, причем сам фотоприемный модуль можно использовать в комбинации со сцинтиллятором (пат. GB №2361802 A1 от 31.10.2001 г., МПК 7 G01T 1/20, опубл. в ИСМ выпуск 86, №10, МПК G 01 Т, V, W, М. 2002 г., стр.10, 11).

Недостатками известного устройства являются:

- сложность конструкции, обусловленная наличием большого количества малых по размерам деталей, подвижно установленных в жестком корпусе, что снижает вибро- и ударопрочность модуля;

- выполнение деталей из различных по структуре материалов, что вносит дополнительные сложности по их изготовлению и эксплуатации в условиях перепадов температур.

Известен детектор радиоактивных лучей, содержащий сцинтиллятор и три трубки с функциями фотоэлектронных умножителей, причем сцинтиллятор имеет излучающую поверхность, с которой в направлении входных, радиоактивных лучей излучается флуоресцентный свет и на которой расположены трубки, формирующие электрический ток, соответствующий яркости флуоресцентного света (пат. JP №3352491 В 2 6289143 от 03.12.2002 г., 7 G01T 1/20, H01J 43/20, опубл. в ИСМ выпуск 86, №12, МПК G 01 Т, V, W, М. 2003 г., стр.37).

Известен гибкий динамический корпус для детектора гамма-излучения, в котором детектор гамма-излучения имеет сцинтилляционный узел и электронный модуль, установленные в жестком корпусе, а удлиненные пружины проходят вдоль жесткого корпуса и расположены в пределах внешнего, гибкого корпуса, образуя гибкий, динамический корпус, причем сцинтилляционный узел содержит кристалл, герметично размещенный в жестком корпусе, а электронный модуль имеет фотоумножитель, размещенный в жестком корпусе для этого модуля, причем внутренний, гибкий, динамический корпус имеет пружины и гибкий корпус и расположен между жестким корпусом снаружи и корпусами сцинтилляционного узла и электронного модуля (пат. WO №2101415 A1 от 19.12.2002 г., 7 G01T 1/20, опубл. в ИСМ вып.86, №12, МПК G 01 Т, V, W, М. 2003 г., стр.44; пат. US №6657199 ВВ от 02.12.2003, МПК 7 G01T 1/20, опубл. в ИСМ вып.86, №12, МПК G 01 Т, V, W, М. 2004 г., стр.13).

Недостатками известных приборов являются:

- отсутствие амортизирующих деталей для сцинтилляционного узла и электронного модуля, работающих при воздействии продольных и поперечных нагрузок, что снижает надежность устройства;

- наличие двух гибких корпусов, что приводит к подвижности установленных в них сцинтилляционного узла и электронного модуля не только при установке в жесткий корпус, но и в процессе проведения измерений, нарушая устойчивость системы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является каротажный зонд относительно малого диаметра, содержащий источник гамма-излучения и датчики, установленные в продолговатых трубках, которые пропускают гамма-лучи небольшой интенсивности, и могут быть изготовлены из нержавеющей стали, и поддерживаются на вольфрамовой втулке с окнами, обращенными к датчикам (Пат. GB №2338730 A1 от 29.12.99 г., МПК 6 Е21В 47/01, опубл. в ИСМ, вып.63, №24, МПК E 21, М., 2000 г., стр.5).

Недостатками известного устройства являются:

- жесткая установка датчиков в корпусе, что приводит к соударению датчиков при воздействии вибраций и ударов;

- установка продолговатой трубки, являющейся кожухом для датчиков, на вольфрамовой втулке с окнами, что приводит к неустойчивости системы, обусловленной наличием различных по величине температурных коэффициентов расширения трубки и втулки, выполненных из разных материалов.

Технической задачей изобретения является повышение надежности работы устройства за счет повышения вибро- и ударопрочности узлов многосекционного каротажного зонда и расширение эксплуатационных и функциональных возможностей устройства.

Указанная задача достигается тем, что многосекционный каротажный зонд для скважинного прибора, содержащий герметичный корпус, источник гамма-излучения, экраны с коллимационными окнами, датчики гамма-излучения, упруго установленные в трубках, снабжен корпусом секционного типа, в котором трубки расположены равномерно по окружности каротажного зонда и жестко соединены с опорами, а между опор установлен экран с секторными коллимационными окнами, а также снабжен крышкой с регуляторами установки датчиков гамма-излучения и опорными втулками с кольцевым уступом по наружной поверхности.

Новыми признаками устройства являются:

- введение корпуса секционного типа, в котором трубки установлены на опорах, что обеспечивает жесткость и прочность конструкции корпуса к ударам и вибрациям, так как конструкция корпуса представляет собой монолитную пространственную структуру, и расширяет функциональные возможности устройства;

- установка экрана с коллимационными окнами между опорами, что позволяет придать дополнительную жесткость конструкции корпуса, исключив соприкосновение продолговатых трубок с экраном;

- введение крышки с регуляторами установки датчиков гамма-излучения, что обеспечивает компенсацию установочной длины, как правило, многокомпонентных датчиков гамма-излучения за счет регулирования местоположения и величины упругого поджатая их опор;

- введение опорных втулок, которые могут быть выполнены из пластичного электроизоляционного материала с кольцевым уступом по наружной поверхности и установлены на корпусе датчика гамма-излучения, что обеспечивает дополнительные по окружности цилиндрических полостей опоры, отрабатывающие установку датчика гамма-излучения в поперечной плоскости, а эластичность опор позволит погасить удары и вибрации, передающиеся на датчик гамма-излучения при перемещении зонда по колонне скважины, при ограничении, с одной стороны, теплового и электрического контакта датчика гамма-излучения с корпусом, а с другой стороны - силового контакта, поскольку усилия и вибрации от корпуса к датчику гамма-излучения передаются с окружности уступа на внутреннюю поверхность опорной втулки, опорная поверхность которой несоизмерима больше опорной поверхности уступа.

Таким образом, описанный выше многосекционный каротажный зонд для скважинного прибора позволяет:

- повысить надежность работы как за счет увеличения жесткости и прочности внутреннего корпуса секционного типа, так и за счет повышения вибро- и ударопрочности узлов, обусловленной упругостью их продольной и поперечной установки, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в увеличении срока службы скважинного прибора;

- расширить функциональные возможности устройства за счет увеличения количества датчиков гамма-излучения в каротажном зонде и проведения сканирования пространства по секторам.

Поставленная задача в зависимости от условий работы и необходимости увеличения количества и качества получаемой информации может быть расширена:

- установкой источника гамма-излучения перпендикулярно продольной оси устройства и установкой дополнительного экрана с секторными коллимационными окнами на герметичный корпус устройства, что расширит эксплуатационные возможности устройства;

- введением дополнительных измерительных зондов за счет переустановки датчиков гамма-излучения в корпусе секционного типа, что расширит функциональные возможности устройства и может быть реализовано следующим образом:

- разделением трубок в корпусе секционного типа на две группы и смещением их относительно друг друга как по диаметру каротажного зонда, так и по оси устройства, причем в каждой группе может быть как равное, так не равное число трубок, а значит - датчиков гамма-излучения;

- установкой в каждой трубке по два датчика гамма-излучения, которые расположены встречно и разделены экраном,

- разделением датчиков гамма-излучения на две группы с установкой каждой группы датчиков гамма-излучения по окружности каротажного зонда навстречу друг другу;

- снабжением корпуса секционного типа дополнительной трубкой, установленной по оси устройства, и экраном с круговым коллимационным окном.

Из анализа патентной и научно-технической литературы подобные решения не выявлены, что позволяет сделать вывод о «Новизне» и «Изобретательском уровне» предлагаемого технического решения.

На фиг.1 - 3 представлен вариант конструкции предложенного технического решения.

Многосекционный каротажный зонд (в дальнейшем зонд) (фиг.1) содержит:

герметичный корпус 1;

источник гамма-излучения 2;

экраны 3 и 4, выполненные из гамма защитного материала, с круговыми коллимационными окнами;

датчики гамма-излучения 5, упруго установленные в трубках 6, корпус секционного типа, который состоит из трубок 6, установленных равномерно по окружности каротажного зонда на опорах 7 и 8, причем все части корпуса секционного типа могут быть соединены между собой посредством сварки, обеспечивая, таким образом, единство и жесткость конструктивного решения;

экран 9 с секторными коллимационными окнами, установленный между опор 7 и 8;

упругие опоры, которые могут быть выполнены в виде пружины 10 и опорной втулки 11;

крышку 12 с регуляторами 13 установки датчиков гамма-излучения 5, причем датчики гамма-излучения 5 могут быть выполнены составными и содержать, например, детекторы гамма-излучения 14 и электронные модули с фотоумножителем 15, корпус которого, как правило, выполнен из стекла;

опорные втулки 16 с кольцевым уступом по наружной поверхности, которые могут быть выполнены из пластичного электроизоляционного материала, например фторопласта.

Зонд работает следующим образом.

Зонд в составе скважинного прибора на кабеле опускают в скважину на глубину исследуемого интервала и, при последующем подъеме, производят запись каротажных диаграмм.

При этом источник гамма-излучения 2 через круговое коллимационное окно экранов 3 и 4, выполненных из гамма защитного материала, излучает гамма-кванты в пространство.

Датчики гамма-излучения 5 с помощью детекторов гамма-излучения 14, которые расположены в трубках 6, установленных на опорах 7 и 8 в корпусе секционного типа, принимают и преобразуют рассеиваемое от исследуемого пространства, ограниченного секторными коллимационными окнами, выполненными в гамма защитном экране 9, гамма-излучение, преобразуя его в световое излучение.

Интенсивность светового излучения измеряется фотоумножителями 15 и преобразуется в электрический сигнал, поступающий в электронные модули, установленные в электроизоляционных колпачках.

На стеклянный корпус фотоумножителей 15 надеты опорные втулки 16, ограничивающие перемещение фотоумножителей в поперечной плоскости трубок 6 и рассеивающие силовое опорное напряжение, передающееся от кольцевого уступа, соприкасающегося с внутренней цилиндрической поверхностью трубок 6, к внутренней поверхности опорной втулки 16, соприкасающейся со стеклянным корпусом фотоумножителя 15, и обратно, защищая стеклянный корпус фотоумножителей 15 от силовых нагрузок, путем рассеяния силового усилия по большей поверхности сопряжения, что повышает вибро- и ударопрочность фотоумножителей 15.

Каждый электронный модуль вместе с фотоумножителем 15 поджат пружиной 10, обеспечивающей оптический контакт детекторов гамма-излучения 14 и фотоумножителей 15, а величина усилия поджатия обеспечивается частично пружиной 10, а частично через опорную втулку 11 регуляторами 13 установки датчиков гамма-излучения 5, установленными в крышке 12, что обеспечивает и дополнительную продольную амортизацию для датчиков гамма-излучения 5, повышая вибро- и ударопрочность данных узлов.

От электронных модулей с фотоумножителями 15 электрический сигнал поступает в преобразовательный электронный блок скважинного прибора, откуда по кабелю передается на наземный регистратор.

Сообразуясь с необходимостью применения данного устройства в скважинах с различным диапазоном диаметров исследуемых колонн, устройство может быть снабжено дополнительным экраном с секторными коллимационными окнами, установленным на герметичном корпусе, что позволит расширить диапазон исследуемых обсадных колонн скважин, следовательно, расширит эксплуатационные возможности каротажного зонда и увеличит глубину коллимации для датчиков гамма-излучения.

На фиг.1 - 3 указан дополнительный экран 17 с секторными коллимационными окнами, который установлен на герметичный корпус 1, причем дополнительный экран 17 и корпус секционного типа с экраном 9 ориентированы посредством штифта 18 относительно герметичного корпуса 1 таким образом, что секторные окна внутреннего и наружного экранов 9 и 17 совпадают.

Таким образом, введение дополнительного экрана 17 решает две задачи:

- увеличивает толщину коллимированного пространства, создавая большую глубину коллимации для датчиков гамма-излучения - детекторов гамма-излучения 14, за счет совпадения секционных окон внутреннего экрана 9 и дополнительного экрана 17;

- увеличивает толщину корпуса в каротажном зонде, вытесняя скважинную жидкость - среду из ближней зоны измеряемого пространства.

Сообразуясь с необходимостью применения данного устройства в скважинных приборах с проходным электрическим каналом связи или применения в составе автономных скважинных приборах, источник гамма-излучения 2 может быть установлен перпендикулярно продольной оси устройства, что расширяет эксплуатационные возможности устройства, обеспечивая возможность применения его в многомодульных конструкциях скважинных геофизических комплексов.

Сообразуясь с расширением функциональных возможностей каротажного зонда, за счет введения дополнительных измерительных зондов, в предлагаемом устройстве:

- трубки 6 в корпусе секционного типа могут быть разделены на две группы и смещены относительно друг друга как по диаметру каротажного зонда, так и по оси, причем в каждой группе может быть как равное, так не равное число трубок, а значит, может быть как равное, так и не равное число датчиков гамма-излучения (детекторов 14) в образовавшихся двух измерительных зондах селективного типа, что позволит вести селективное исследование пространства по двух зондовой измерительной схеме с разной глубиной исследования, различной глубиной коллимации детекторов гамма-излучения 14 и различной степенью коллимирования пространства, исследуемого датчиками гамма-излучения;

- в каждой трубке 6 могут быть установлены по два датчика гамма-излучения, расположенные встречно и разделенные внутренним экраном, что позволит образовать два измерительных зонда селективного типа и вести селективное исследование пространства по двухзондовой измерительной схеме с разной глубиной исследования и одновременном сканировании исследуемых зон пространства;

- датчики гамма-излучения могут быть разделены на две группы и установлены по окружности каротажного зонда в трубках 6 поочередно и навстречу друг другу, образуя двухзондовую схему измерения двумя измерительными зондами селективного типа, что позволит работать по двухзондовой измерительной схеме без увеличения осевых (габаритных) размеров устройства;

- корпус секционного типа может быть снабжен дополнительной трубкой 19 (фиг.4), а значит, дополнительным датчиком гамма-излучения, установленным по оси устройства, и экраном 21 с круговым коллимационным окном, что позволит ввести дополнительный измерительный зонд интегрального типа и проводить исследование пространства по двухзондовой измерительной схеме, имея данные и селективного, и интегрального измерительных зондов.

На фиг.4-5 представлен один из возможных вариантов решения данного предложения, когда корпус секционного типа снабжен дополнительной трубкой, установленной по оси устройства, и экраном, а источник гамма-излучения установлен перпендикулярно продольной оси устройства.

Зонд дополнительно к вышеописанному зонду содержит:

- трубку 19, установленную по оси корпуса секционного типа;

- экран, состоящий из двух частей 20 и 21, одна часть которого установлена на втулке 7 корпуса секционного типа, а другая, снабженная круговым коллимационным окном, - совместно с экраном 4;

- датчик гамма-излучения, включающий детектор гамма-излучения 22 и электронный модуль с фотоумножителем 23;

- упругую опору, состоящую из пружины 24 и опорной втулки 25;

- регулятор 26 установки датчика гамма-излучения, одновременно выполняющий функцию заглушки.

В зонде источник гамма-излучения 2 установлен на штоке 27 в герметичной камере 28 перпендикулярно продольной оси устройства, что позволяет выполнить устройство в виде модуля с проходным каналом электрической связи, пропустив токопроводящие жилы между герметичным корпусом 1 и герметичной камерой 28.

Принцип работы зонда аналогичен работе вышеизложенного зонда.

Введение дополнительного датчика гамма-излучения, установленного по оси устройства, позволяет проводить измерения по двухзондовой измерительной схеме, с возможностью записи как диаграмм селективного каротажа, получаемых от детекторов гамма-излучения 14, так и диаграммы интегрального каротажа, получаемой от детектора гамма-излучения 22, что расширяет функциональные возможности устройства в целом.

Корпус секционного типа при этом снабжается дополнительной цилиндрической трубкой 19, которая может быть выполнена как отдельно и приварена к втулке 7, так и выполнена в виде цилиндрической полости непосредственно во втулке 7, расположенной по оси устройства, и дополнительным защитным экраном 20, установленным на втулке 7, что, с одной стороны, увеличивает жесткость и прочность данной конструкции корпуса, с другой - расширяет функциональные возможности устройства.

Таким образом, описанный выше многосекционный каротажный зонд для скважинного прибора позволяет:

- повысить надежность работы как за счет повышения вибро- и ударопрочности узлов, обусловленной упругостью их продольной и поперечной установки, так и за счет увеличения жесткости и прочности внутреннего корпуса зонда, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в увеличении срока службы скважинного прибора;

- расширить его эксплуатационные возможности за счет поперечной установки источника гамма-излучения и введения дополнительного экрана, установленного на герметичный корпус устройства, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в реализации многосекционного зонда как в приборах автономных, так и проходных для каналов электрического соединения, и расширяется диапазон исследуемых скважин;

- расширить его функциональные возможности за счет использования дополнительных возможностей по секционной установке равномерно распределенных по окружности измерительного зонда датчиков гамма-излучения, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в повышении количества и качества получаемой информации, что в конечном итоге ведет к повышению экологической безопасности разработки нефтегазовых месторождений.

Предлагаемый многосекционный каротажный зонд реализован при разработке и выпуске прибора скважинного контроля качества цементирования ЦМ (3-4) и разработке автономного гамма - гамма цементомера и опробован в 2005 г., что позволяет сделать вывод о «Промышленной применимости».