прибор для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах и магистральных трубопроводах

Формула изобретения

1. Прибор для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах и магистральных трубопроводах, содержащий измерительный зонд гамма-гамма каротажа, включающий источник гамма-излучения, неподвижный экран с круговым коллимационным окном для источника гамма-излучения, детектор гамма-излучения, размещенный в корпусе внутри полого вала, неподвижно зажатого по оси прибора, экран с секторным коллимационным окном для детектора-гамма излучения, подвижно установленный на полом валу, систему, обеспечивающую равномерное вращение подвижного экрана детектора гамма-излучения, регистрирующее устройство и датчики направления и положения, отличающийся тем, что коаксиально подвижного экрана детектора гамма-излучения установлен неподвижный экран с круговым коллимационным окном, дополнительно в приборе установлен измерительный зонд гамма-гамма каротажа, детектор гамма-излучения которого размещен соосно с первым детектором гамма-излучения, в одном корпусе, вне зоны подвижного экрана.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что неподвижный экран с круговым коллимационным окном установлен в корпусе прибора.

3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно в приборе установлены измерительные зонды гамма-гамма каротажа, детекторы гамма-излучения которых размещены соосно с первым детектором гамма-излучения в одном корпусе в зоне подвижного экрана.

4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что дополнительный неподвижный экран с круговыми коллимационными окнами под источник и детекторы гамма-излучения установлен на корпусе прибора.

5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в приборе установлен преобразователь гамма-каротажа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может быть использовано для контроля качества цементирования обсадных колонн скважин и магистральных трубопроводов методом рассеянного гамма-излучения.

Известен прибор для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах, выполненный в виде вращающегося цилиндрического, свинцового экрана, в котором коллимационные окна для источника гамма-излучения и детектора расположены на одной образующей, а экран снабжен системой, обеспечивающей его равномерное вращение с необходимой угловой скоростью, устанавливаемой с поверхности, экран снабжен также тороидальной полостью, в которой помещен стальной шарик, а вне полости установлена катушка индуктивности, предназначенная для отметки момента прохождения зондом апсидального направления в стволе скважины (А.С. №203799, 21g 30/04, 1967 г.; А.С. №548819, G01V 5/12, 1977 г.).

Недостатками известного прибора являются:

- зависимость измерений от изменения условий окружающей среды, выраженной в нестабильности сигналов индуктивной катушки, а также влияние аномальных магнитных полей на результаты измерений, снижающих достоверность измерений;

- наличие коллектора для обеспечения электрической связи, имеющего ограниченную надежность, а также большая масса вращающегося экрана приводят к возникновению дополнительных центробежных сил при вращении экрана и снижают надежность конструкции;

- необходимость поддержания синхронной скорости вращения свинцового экрана обеспечивается либо работой синхронного двигателя, либо введением дополнительного канала, по которому идет сигнал, пропорциональный мгновенной скорости вращения экрана, что усложняет прибор и, следовательно, снижает надежность работы прибора в целом,

Наиболее близким по технической сущности является прибор для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах, содержащий зонд гамма-гамма-каротажа, свинцовые экраны с коллимационными окнами для источника и детектора гамма-излучения, систему, обеспечивающую равномерное вращение зонда, регистрирующее устройство и датчики положения и направления, где свинцовый экран для источника гамма-излучения выполнен с круговым коллимационным окном и установлен в приборе неподвижно, а свинцовый экран для детектора гамма-излучения выполнен с секторным коллимационным окном и закреплен вместе с балансировочным грузом в подвижной цилиндрической рамке, установленной на подшипниках на полом валу, неподвижно зажатым по оси прибора и жестко соединенным с корпусом системы, обеспечивающей равномерное вращение рамки, а внутри полого вала, по оси прибора, напротив секторного коллимационного окна свинцового экрана размещен детектор гамма-излучения (патент RU №22595574 C1, G01V 5/12, БИ №24, 27.08.2005 г.).

Недостатками известного прибора является то, что при работе в скважинах и трубопроводах большого диаметра резко возрастает масса вращаемой системы и, следовательно, возрастает нагрузка на систему обеспечения равномерного вращения подвижного узла, одновременно возрастает общий вес устройства, что сопровождается неудобством при транспортировании устройства и эксплуатации.

Технической задачей изобретения является повышение надежности работы прибора в условиях исследования скважин большого диаметра и магистральных трубопроводов, улучшение эксплуатационных характеристик прибора и увеличение эффективности исследований.

Указанная задача достигается тем, что прибор для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах и магистральных трубопроводах, содержащий измерительный зонд гамма-гамма-каротажа, включающий источник гамма-излучения, неподвижный экран с круговым коллимационным окном для источника гамма-излучения, детектор гамма-излучения, размещенный в корпусе внутри полого вала, неподвижно зажатого по оси прибора, экран с секторным коллимационным окном для детектора гамма-излучения, подвижно установленный на полом валу, систему, обеспечивающую равномерное вращение подвижного экрана детектора гамма-излучения, регистрирующее устройство и датчики направления и положения, снабжен дополнительным, неподвижным экраном с круговым коллимационным окном, установленным коаксиально подвижного экрана детектора гамма-излучения.

Новыми признаками прибора являются:

- введение дополнительного, неподвижного экрана и установка его в корпусе прибора коаксиально подвижного экрана детектора гамма-излучения, что позволяет снизить вес подвижной системы устройства, повышает надежность работы устройства, высвобождает полость для размещения регистрирующего устройства, расположенную коаксиально относительно неподвижного корпуса системы вращения, сокращает длину прибора и улучшает проходимость прибора в местах максимального искривления колонны труб.

Сообразуясь с целесообразностью расширения функциональных возможностей прибора, в приборе могут быть установлены дополнительные измерительные зонды гамма-гамма-каротажа, детекторы гамма-излучения которых размещены соосно с первым детектором гамма-излучения в одном корпусе, и установлены вне зоны подвижного экрана или в зоне подвижного экрана, при этом в случае установки детектора гамма-излучения вне зоны подвижного экрана прибор дополнительно снабжен экраном с круговым коллимационным окном, который неподвижно установлен в корпусе прибора.

Так прибор преобразуется в двухзондовый или многозондовый прибор гамма-гамма-каротажа, при этом при установке детектора гамма-излучения вне зоны подвижного экрана и введении дополнительного неподвижного экрана с круговым коллимационным окном, установленным в корпусе прибора, образуется дополнительный интегральный измерительный зонд гамма-гамма-каротажа, а при установке детектора гамма-излучения в зоне подвижного экрана и выполнении в подвижном и дополнительном неподвижном экранах детекторов гамма-излучения соответственно дополнительных секторного и кругового коллимационных окон образуется дополнительный селективный измерительный зонд гамма-гамма-каротажа.

Сообразуясь с целесообразностью обеспечения легкости исполнения балансировки системы подвеса экрана, секторные коллимационные окна в подвижном экране могут размещаться либо соосно, по одной образующей гамма-защитного экрана, что упрощает исполнение балансировочного груза, либо быть выполнены диаметрально противоположно, что существенно сокращает сам вес балансировочного груза.

Сообразуясь с необходимостью облегчить вес прибора при его транспортировке, дополнительный неподвижный экран с круговыми коллимационными окнами под источник и детекторы гамма-излучения установлен на корпусе прибора, что позволяет разъединять прибор с экраном на время транспортирования прибора, значительно сокращая его вес и габариты, и сократить общий вес прибора, исключив часть экрана со стороны установки источника.

Сообразуясь с необходимостью привязки информационных диаграмм к литологическому разрезу и глубине скважины, в приборе может быть установлен преобразователь гамма-каротажа.

Из анализа патентной и научно-технической литературы данное решение не известно, что позволяет сделать вывод о "новизне" и "изобретательском уровне" предлагаемого изобретения.

На фиг.1 представлен вариант конструкции предложенного технического решения прибора для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах и магистральных трубопроводах.

Прибор содержит герметичный корпус 1, в котором установлен измерительный зонд гамма-гамма-каротажа, содержащий источник гамма-излучения 2, неподвижный свинцовый экран 3 с круговым коллимационным окном под источник гамма-излучения 2, детектор гамма-излучения 4, размещенный в корпусе 5, внутри полого вала 6, неподвижно зажатого по оси прибора, экран 7 с секторным коллимационным окном для детектора гамма-излучения, подвижно установленного на полом валу 6, на подшипниках 8 и 9, а также систему 10, обеспечивающую равномерное вращение экрана 7 вокруг полого вала 6, регистрирующее устройство 11 и 12, датчики направления 13 и углового положения 14, балансировочный груз 15, установленный на подвижном экране 7, установленный в корпусе 1 прибора коаксиально подвижного экрана 7 дополнительный, неподвижный экран 16 с круговым коллимационным окном, расположенным против секторного коллимационного окна подвижного экрана 7, и кабельный наконечник 17.

Прибор работает следующим образом.

Прибор опускают в скважину на глубину исследуемого интервала и при последующем подъеме производят запись каротажной диаграммы и углограмм наземным регистратором либо протягивают по трубопроводу и в процессе перемещения производят запись каротажной диаграммы и углограмм наземным регистратором.

При этом источник гамма-излучения 2, находясь в неподвижном экране 3, через круговое коллимационное окно испускает гамма-кванты в окружающее пространство, которые рассеиваются, попадая в круговое коллимационное окно неподвижного дополнительного экрана 16.

При проведении измерения включается система 10, обеспечивающая свободное вращение подвижного экрана 7, установленного на подшипниках 8 и 9, при этом секторное коллимационное окно экрана 7, вращаясь вокруг полого вала 6, внутри которого в корпусе 5 неподвижно установлен детектор гамма-излучения 4, открывает для детектора гамма-излучения 4 объем исследуемого пространства, ограниченный коллимационными углами секторного окна подвижного экрана 7 и кругового окна неподвижного дополнительного экрана 16. Вместе с подвижным экраном 7 вращается и балансировочный груз 15, размещенный на одной образующей с секторным коллимационным окном, выполненным в подвижном экране 7, компенсируя пустоту коллимационного окна.

Интенсивность рассеянного гамма-излучения от открываемого секторным коллимационным окном подвижного экрана 7 пространства непрерывно принимает детектор-гамма излучения 4 и передает в регистрирующее устройство 11, где сигналы преобразуются, формируются и передаются через кабельный наконечник 17 на наземный регистратор.

Одновременно с подвижным экраном 7 вращается установленная на подвижном экране часть датчика направления 13, которая ориентирована по секторному коллимационному окну экрана 7 и указывает местоположение секторного окна экрана 7 относительно ориентированной плоскости, означенной местоположением узла считывания датчика положения 12, и плоскостью, проходящей через ось прибора и продольную ось секторного коллимационного окна подвижного экрана 7.

Датчик углового положения 14 записывает углограмму, соответствующую углу между отсчетной (нулевой) плоскостью скважины и ориентированной плоскостью, маркируемой датчиком направления 13. Сумма углов от датчика направления 13 и датчика углового положения 14 соответствует положению сканируемого детектором гамма-излучения 4 объема исследуемого пространства относительно отсчетной (нулевой) плоскости скважины на момент записи. Отсчетная (нулевая) плоскость скважины - есть плоскость, условно выбранная за отсчетную, которой может быть, например, апсидальная плоскость скважины.

Таким образом, диаграмма, записываемая от детектора гамма-излучения 4, соответствует селективному обзору исследуемого пространства за обсадной колонной скважины, выполненному по спирали, плотность навивки которой определяется угловой скоростью вращения подвижного экрана 7 и линейной скоростью движения прибора по стволу скважины за временной период формирования записи.

Регистрируемая детектором гамма-излучения 4 диаграмма с помощью углограмм, записанных от датчиков направления 13 и углового положения 14, разворачивается по периметру и глубине скважины в информационный массив относительно отсчетной, например, апсидальной плоскости скважины, условно проходящей по линии 0-360 угловых градусов.

На фиг.2 представлен второй вариант конструкции предложенного технического решения прибора для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах.

Состав прибора аналогичен описанному выше, однако увеличено число зондов, при этом внесены следующие дополнения - введены:

- детекторы гамма-излучения 18 и 19, установленные в корпусе 5 соосно с детектором гамма-излучения 4, при этом детектор гамма-излучения 18 расположен вне зоны подвижного экрана 7, а детектор гамма-излучения 19 расположен в зоне подвижного экрана 7;

- неподвижный экран 20 детектора гамма-излучения 18 с круговым коллимационным окном, который установлен в корпусе 1 прибора совместно с неподвижным экраном 3 для источника гамма-излучения;

- преобразователь гамма-каротажа 21;

- а неподвижный дополнительный экран 16 установлен на корпусе 1 прибора, причем коллимационные окна в нем заполнены гамма-проницаемым материалом 22, в качестве которого может использоваться, например, фторопласт и т.д.

Дополнительный неподвижный экран 16 может быть установлен на корпусе прибора как коаксиально подвижного экрана 7 детекторов гамма-излучения 4 и 19, так и коаксиально неподвижных экранов 3 и 20 для источника 2 и детектора гамма-излучения 18.

Работа прибора аналогична работе прибора, описанного выше.

Отличие заключается в послойности сканирования исследуемого пространства, выполняемого детекторами гамма-излучения 4, 18 и 19 и определяемого длиной измерительных зондов и глубиной исследования, устанавливаемой углами коллимационных окон неподвижных и подвижного экранов, что увеличивает эффективность исследования скважин.

Привязка диаграмм измерительных зондов гамма-гамма-каротажа (детекторы гамма-излучения 4, 18 и 19) к исследуемому пространству осуществляется по результатам данных датчиков направления 13 и углового положения 14 простым пересчетом за счет жесткого размещения секторных коллимационных окон, расположенных в экране 7. При этом расположение коллимационных окон в экране 7 по одной образующей не требует пересчета при привязке диаграмм к исследуемому пространству по периметру сканирования, а расположение коллимационных окон по периметру экрана требует, но в последнем случае облегчается балансировка узла, так как окна частично выполняют функцию балансировки подвижного узла - подвижного экрана 7.

Привязка диаграмм измерительных зондов гамма-гамма-каротажа (детекторы гамма-излучения 4, 18 и 19) к литологическому разрезу скважины и глубине осуществляется по измерительным данным преобразователя гамма-каротажа 21.

Предлагаемый прибор реализуется в трубном дефектомере - толщиномере гаммаграфическом, а также в приборах гамма-гамма-каротажа, предназначенных для эксплуатации в скважинах большого диаметра.

Таким образом, предлагаемый прибор позволяет повысить надежность работы и увеличить эффективность измерений, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в целенаправленном выявлении дефектов цементирования за обсадной колонной, что в конечном итоге ведет к повышению экологической безопасности как разработки нефтегазовых месторождений, так и исследования в магистральных трубопроводах и тем самым позволяет повысить эффективность проведения мероприятий по охране недр и пресноводных горизонтов.