прибор для исследования качества цементирования обсадной колонны скважины в горной породе

Формула изобретения

Прибор для исследования качества цементирования обсадной колонны скважины в горной породе, содержащий источник гамма-излучения внутри свинцового экрана с кольцевым коллимационным окном для облучения исследуемого интервала скважинного пространства, детектор отраженного гамма-излучения от стенки обсадной колонны, расположенный по оси прибора, и несколько детекторов отраженного гамма-излучения от исследуемых секторов скважинного заколонного пространства, расположенных в пазах по образующей цилиндрического свинцового экрана и выполненных в виде сборок сцинтилляционных кристаллов с фотоэлектронными умножителями; а также детектор естественного гамма-излучения горных пород и датчик угла крена прибора, отличающийся, тем, что он дополнительно снабжен датчиком зенитного угла, жестко связанного с датчиком угла крена, каждый детектор отраженного гамма-излучения каналов плотности заколонного пространства помещен в магнитомягкий стальной экран и снабжен датчиком термокоррекции, кроме того, детектор естественного гамма-излучения горных пород отделен от детекторов отраженного гамма-излучения свинцовым экраном, перекрывающим все сечение прибора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества цементирования и технического состояния обсадной колоны скважины.

Известен прибор СГДТ-3 (Н.Н.Кривко, В.Д.Шароварин, В.Н.Широков. «Промыслово-геофизическая аппаратура и оборудование», М., «Недра», 1981 г., стр.264) для исследования качества цементирования обсадной колонны скважины в горной породе, регистрирующий методом измерения отраженного гамма-излучения интегральное значение толщины стенки обсадной колонны по одному каналу, а по нескольким каналам - плотность цементного камня за ней.

Прибор содержит источник гамма-излучения внутри свинцового экрана с кольцевым коллимационным окном для облучения исследуемого интервала скважинного пространства, детектор отраженного гамма-излучения от стенки обсадной колонны, расположенный по оси прибора, и несколько детекторов отраженного гамма-излучения от исследуемых секторов скважинного заколонного пространства, расположенных в пазах по образующей цилиндрического свинцового экрана и выполненных в виде сборок сцинтилляционных кристаллов с фотоэлектронными умножителями.

Прибор обладает следующими недостатками

- наиболее крупным недостатком прибора является его недостаточно полная обеспеченность по функциональному назначению - невозможность «привязки» полученной информации о дефекте цементирования к геологическому разрезу и определения его углового положения относительно апсидальной плоскости на данной глубинной отметке;

- в связи с тем, что плотность цементного камня измеряется несколькими детекторами отраженного гамма-излучения, содержащими сцинтилляционные кристаллы и фотоэлектронные умножители, их индивидуальные изменения энергетической чувствительности к гамма-квантам в диапазоне рабочих температур приводят к изменениям показаний каналов, в состав которых они входят;

- в процессе съема энергетических характеристик чувствительности детекторов гамма-излучения при настройке прибора, а также в процессе работы прибора происходит перемещение прибора в пространстве, при этом изменение ориентации прибора относительно магнитного поля Земли приводит к изменению энергетической чувствительности фотоэлектронных умножителей.

Наиболее близкий к предлагаемому устройству - прибор «СГДТ-СК. Модуль сканирующего гамма-гамма цементомера-толщиномера» http://www.npf-geofizika.ru/?part_id=41,54,105&obij_id=180 - предназначен для исследования качества цементирования обсадной колонны скважины в горной породе, регистрирующий методом измерения отраженного гамма-излучения интегральное значение толщины стенки обсадной колонны по одному каналу и, по нескольким каналам, плотность цементного камня за ней, привязки результатов измерений к апсидальной плоскости, а также регистрации естественного гамма-излучения.

Прибор содержит источник гамма-излучения внутри свинцового экрана с кольцевым коллимационным окном для облучения исследуемого интервала скважинного пространства, детектор отраженного гамма-излучения от стенки обсадной колонны, расположенный по оси прибора, и несколько детекторов отраженного гамма-излучения от исследуемых секторов скважинного заколонного пространства, расположенных в пазах по образующей цилиндрического свинцового экрана и выполненных в виде сборок сцинтилляционных кристаллов с фотоэлектронными умножителями; а также детектор естественного гамма-излучения горных пород и датчик угла крена прибора

По сравнению с аналогом в прототип введены дополнительно два канала измерения, расширяющие функциональные возможности прибора: канал измерения естественной гамма-активности горных пород, позволяющий полученную информацию о дефекте цементирования «привязать» к геологическому разрезу; а также канал измерения угла крена прибора, позволяющий определить положение исходного детектора относительно апсидальной плоскости прибора, а отсюда и положение детекторов, выделивших дефект.

В приборе-прототипе отмечены следующие недостатки:

- в связи с тем, что плотность цементного камня измеряется несколькими детекторами отраженного гамма-излучения, содержащими сцинтилляционные кристаллы и фотоэлектронные умножители, их индивидуальные изменения энергетической чувствительности к гамма-квантам в диапазоне рабочих температур приводят к изменениям показаний каналов, в состав которых они входят;

- в процессе съема энергетических характеристик чувствительности детекторов гамма-излучения при настройке прибора, а также в процессе его работы, происходит перемещение прибора в пространстве, при этом изменение ориентации прибора относительно магнитного поля Земли приводит к изменению энергетической чувствительности фотоэлектронных умножителей;

- датчик угла крена прибора снижает достоверность своих показаний по мере уменьшения зенитного угла скважины;

- на показания канала естественной гамма-активности оказывает влияние вторичное, переизлученное от датчиков плотности гамма-излучение, прошедшее по воздушному зазору между охранным кожухом и щасси прибора с размещенной на нем схемой.

Задачей изобретения является:

- получение стабильных технических характеристики прибора для всех измерительных каналов в рабочем диапазоне температур и любой ориентации в пространстве;

- получение критерия оценки точности выделения положения дефекта цементного камня;

- устранение влияния гамма-излучения, переизлученного от детекторов плотности заколонного пространства, на детектор естественного гамма-излучения.

Технический результат достигается тем, что прибор для исследования качества цементирования обсадной колонны скважины в горной породе, содержащий

- источник гамма-излучения внутри свинцового экрана с кольцевым коллимационным окном для облучения исследуемого интервала скважинного пространства,

- детектор отраженного гамма-излучения от стенки обсадной колонны, расположенный по оси прибора, и

- несколько детекторов отраженного гамма-излучения от исследуемых секторов скважинного заколонного пространства, расположенных в пазах по образующей цилиндрического свинцового экрана, и

- выполненных в виде сборок сцинтилляционных кристаллов с фотоэлектронными умножителями,

- а также детектор естественного гамма-излучения горных пород

- и датчик угла крена прибора,

согласно изобретению

- дополнительно снабжен датчиком зенитного угла, жестко связанного с датчиком угла крена,

- каждый детектор гамма-излучения помещен в магнитомягкий стальной экран и снабжен датчиком термокоррекции,

- детектор естественного гамма-излучения горных пород отделен от детекторов отраженного гамма-излучения свинцовым экраном, перекрывающим все сечение прибора.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведен общий вид скважинного прибора.

Прибор содержит головку скважинного прибора 1, охранный кожух прибора 2 и хвостовик скважинного прибора 3. На головке 1 и хвостовике 3 прибора установлены центраторы 4 и 5. К головке скважинного прибора 1 крепится несущий геофизический кабель (на чертеже не показан), по которому информация передается на поверхность. Через хвостовик в свинцовый экран 6 с кольцевым излучающим коллимационным окном 7 прибора устанавливается источник гамма-излучения 8. Внутри свинцового экрана 6 размещен детектор отраженного гамма-излучения 9 канала измерения толщины стенки обсадной колонны, регистрирующий гамма-кванты, приходящие по кольцевому коллимационному приемному окну 10. За свинцовым экраном 6 располагается свинцовый экран 11 с установленными по его образующей, в пазах, детекторами 12 отраженного гамма-излучения каналов плотности заколонного пространства. Каждый детектор 12 помещен в магнитомягкий стальной экран 13 и содержит сцинтилляционный кристалл 14, фотоэлектронный умножитель 15 и датчик индивидуальной термокоррекции 16. За свинцовым экраном 11 размещено двухъярусное шасси 17, на первом ярусе которого размещены платы усилителей каналов плотности, а на втором - остальная электроника и датчики углов: крена 18 и зенитного 19, а также датчик их термокоррекции 20. За шасси размещен свинцовый экран 21, отделяющий зону датчиков плотности от детектора естественного гамма излучения 22.

Прибор работает следующим образом.

В процессе работы прибора через излучающее окно коллиматора 7 источник 8 гамма-излучения (обычно применяется радионуклид ¹³⁷Cs с энергией гамма-квантов 662 кэВ) облучает кольцевой полосой окружающую среду гамма-квантами по образующей телесного угла, близкой к 45° к оси прибора, через излучающее коллимационное окно 7. Часть гамма-квантов возвращается в прибор к детектору 9 отраженных гамма-квантов канала толщины стенки через приемное кольцевое коллимационное окно 10, отражаясь от стенки обсадной колонны.

Другая часть гамма-квантов преодолевает стенку обсадной колонны и возвращается в прибор после отражения от вещества, находящегося за обсадной колонной. Отраженное излучение регистрируется несколькими детекторами 12 отраженных гамма-квантов каналов плотности заколонного пространства, расположенными в пазах свинцового экрана 11 за охранным кожухом прибора 2, параллельно его оси, обеспечивая обзор заколонного пространства каждым детектором гамма-квантов 12 в своем радиальном секторе.

Отраженные гамма-кванты теряют часть энергии в соответствии с «Комптон-эффектом» при каждом взаимодействии с веществом, поэтому гамма-кванты, испытавшие многократные (более одного) взаимодействия и изменения траектории движения, поглощаются магнитомягким стальным экраном 13 и не попадают в детектор 12. Таким образом осуществляется регистрация только тех гамма-квантов, которые несут информацию об одном взаимодействии с исследуемым материалом в интересующей нас точке пространства. Толщина магнитомягкого стального экрана 13 определяется углами излучения и приема (относительно оси прибора) гамма-квантов и их начальной энергией.

Кроме того, использование магнитомягкого стального экрана 13 исключает изменение энергетической чувствительности фотоэлектронного умножителя 15 из-за изменения его ориентации в магнитном поле Земли. В опытном макете прибора изменение энергетической чувствительности фотоэлектронного умножителя из-за изменения его ориентации в магнитном поле Земли достигало 20 кэВ в пересчете на энергию входного сигнала, или к изменению выходного сигнала канала измерения плотности на 10%.

По мере движения прибора вглубь скважины изменяется температура окружающей среды и, соответственно, детекторов 9, 12 и 22 гамма-излучения. Температура каждого детектора гамма-излучения отслеживается индивидуальным датчиком термокоррекции 16 и передается в процессор данного канала, который вырабатывает сигнал изменения анодного питания фотоэлектронного умножителя, возвращающего энергетическую чувствительность детектора гамма-излучения 8 к его значению при нормальной температуре.

Исследования опытного макета прибора показали, что изменение температуры окружающей среды на 100°С (от 20 до 120°С) приводит к изменению показаний каналов с отключенными датчиками индивидуальной термокоррекции 16 в среднем на (5÷7)%, достигая в отдельных случаях значения (15÷20)%, тогда как эти же каналы с датчиками термокоррекции 16 обеспечивали на порядок лучшую термостабильность.

При появлении дефекта цементирования обсадной колонны детекторы 12 каналов плотности напротив соответствующих секторов отразят изменение плотности, что позволит определить положение дефекта цементирования относительно апсидальной плоскости прибора по величине угла крена прибора, при этом точность определения углового положения дефекта изменяется пропорционально синусу текущего значения зенитного угла, замеренного датчиком зенитного угла 19, жестко связанного с датчиком 18 угла крена прибора, и становится неопределенной в вертикальной скважине.

Использование датчика термокоррекции 20 зенитного угла и угла крена повышает точность полученных измерений в диапазоне рабочих температур.

Канал естественной гамма-активности позволяет «привязать» к геологическому разрезу и отметке глубины в скважине выявленные дефекты цементирования. От многократно переизлученных гамма, квантов источника гамма-излучения 8, идущих из зоны расположения детектора 9 толщины стенки и детекторов 12 плотности цементного камня, детектор 22 канала естественной гамма-активности горных пород защищает экран 21, перекрывающий все сечение прибора..

Предложенная конструкция прибора позволяет повысить стабильность характеристик для всех каналов в рабочем диапазоне температур и любой ориентации в пространстве, получить критерии оценки точности выделения положения дефекта цементного камня по углу крена и устранить влияние гамма-излучения, переизлученного от детекторов плотности заколонного пространства, на детектор естественного гамма-излучения.