Прибор для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для контроля качества цементирования обсадных колонн в нефтяной и газовой промышленности методом рассеянного гамма-излучения. Прибор содержит свинцовый экран, разделенный на подвижную и неподвижную части. Полый вал зафиксирован в корпусе прибора. На полом валу установлена цилиндрическая рамка, в которой закреплен свинцовый экран с секторным коллимационным окном. Прибор также содержит балансированный груз, датчик положения, дополнительный неподвижный экран, детектор, электропривод. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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

Данное изобретение позволяет увеличить эффективность исследований и повысить надежность работы прибора, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в целенаправленном выявлении дефектов цементирования за обсадной колонной, что в конечном итоге ведет к повышению экологической безопасности разработки нефтегазовых месторождений.

Известно устройство для контроля качества цементирования обсадных колонн скважин большого диаметра, содержащее корпус, измерительные блоки, установленные с возможностью соосного вращения относительно корпуса, узел электрической связи для соединения измерительных блоков и корпуса, выполненный в виде изолированных проводов, уложенных внутри корпуса в спираль Архимеда с возможностью попеременного закручивания и раскручивания, механизм вращения измерительных блоков, выполненный в виде силового привода - реверсивного электродвигателя, и узел многооборотного возвратно-вращательного движения измерительных блоков, включающий счетчик оборотов и переключатель обмоток электродвигателя (А.С. №1364704, Е 21 В 47/00, 1988 г.).

Недостатками известного устройства являются:

- наличие узла электрической связи для соединения измерительных блоков и корпуса, выполненного в виде изолированных проводов, уложенных внутри корпуса в спираль Архимеда с возможностью попеременного закручивания и раскручивания, что снижает надежность работы устройства в сравнении с устройством, в котором измерительные блоки соединены неподвижно;

- наличие выносных измерительных блоков, на которые накручиваются все инородные тела, находящиеся в скважине, снижает надежность работы устройства в целом, так же как и наличие дополнительных уплотнений в виде сальников и гермовводов, а применение реверсивного двигателя и узла многооборотного возвратно-вращательного движения измерительных блоков усложняет обработку получаемой информации и снижает достоверность измеряемого параметра.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является 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, E 21 B 47/00, 1967 г.; А.С. №548819, G 01 0V 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 свинцового экрана и отсутствие балансировочного устройства 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.

Технической задачей изобретения является увеличение эффективности исследований и повышение надежности работы прибора.

Указанная задача достигается тем, что 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 датчик апсидального направления, содержит свинцовый экран для источника гамма-излучения, выполненный с круговым коллимационным окном и установленный в приборе неподвижно, и свинцовый экран для детектора гамма-излучения, выполненный с секторным коллимационным окном и закрепленный 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, при этом прибор дополнительно снабжен датчиком положения, содержащим узел считывания, закрепленный на полом валу, и кодовый диск, закрепленный на подвижной цилиндрической рамке с закрепленным на ней балансировочным грузом.

Новыми признаками прибора являются:

- введение полого вала, зафиксированного в корпусе прибора, и расположение детектора гамма-излучения неподвижно по оси прибора внутри полого вала позволяет исключить подвижные электрические узлы связи и, тем самым, повысить надежность прибора;

- разделение свинцового экрана на два - подвижный и неподвижный и установка на подшипниках на полом валу подвижной цилиндрической рамки с закрепленным на ней подвижным свинцовым экраном позволяет снизить вес подвижной системы устройства, а введение балансировочного груза обеспечит равномерность и плавность ее вращения, что повысит надежность работы в целом;

- введение дополнительно датчика положения позволит привязать местоположение секторного коллимационного окна в подвижном свинцовом экране к ориентированной плоскости, относительно которой ведется отсчет апсидального угла датчиком апсидального направления, повысив эффективность исследования.

Сообразуясь с необходимостью поддержания синхронной скорости вращения подвижного свинцового экрана, которое в известных устройствах 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, а в предложенном техническом решении система, обеспечивающая равномерное вращение подвижной цилиндрической рамки со свинцовым экраном, выполнена в виде электропривода, который содержит асинхронный двигатель, обгонную муфту, редуктор и муфту сцепления, одна часть которой установлена на выходе редуктора, а ответная часть - на подвижной цилиндрической рамке.

Сообразуясь с целесообразностью расширения функциональной возможности прибора, в приборе дополнительно может быть установлен второй неподвижный свинцовый экран с круговым коллимационным окном и второй детектор гамма-излучения, расположенный по оси прибора и неподвижно закрепленный в одном корпусе с первым детектором гамма-излучения. Благодаря вышеизложенному прибор преобразуется в двух зондовый прибор гамма-гамма каротажа.

Дополнительными новыми признаками прибора являются:

- введение электропривода в виде асинхронного двигателя, обгонной муфты, редуктора и муфты сцепления, присоединенной к цилиндрической рамке, что обеспечивает синхронность вращения цилиндрической рамки с экраном;

- введение второго неподвижного свинцового экрана с круговой коллимацией и второго детектора гамма-излучения расширяет функциональные возможности прибора;

- размещение второго детектора гамма-излучения в одном корпусе с первым детектором гамма-излучения не усложняет конструкции предлагаемого выше прибора, но упрощает проведение электрической связи в приборе и расширяет функциональные возможности прибора.

Из анализа патентной и научно-технической литературы известно, что, как правило, производится вращение измерительных зондов, включающих одновременно свинцовые экраны для источника и детектора с детектором или детекторами, при этом детекторы и свинцовые экраны могут быть установлены в автономные от привода измерительные зонды и вынесены за пределы основного корпуса, в котором установлена система, обеспечивающая равномерное вращение измерительного зонда или группы измерительных зондов, расположенных в выносных блоках, что позволяет сделать вывод о новизне и изобретательском уровне предлагаемого прибора.

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

Прибор содержит герметичный корпус 1, в котором установлены: неподвижный свинцовый экран 2 с круговыми коллимационными окнами под источник гамма-излучения 3, свинцовый экран 4 с секторным коллимационным окном, напротив которого по оси прибора установлен детектор гамма-излучения 5, закрепленный в корпусе 6; подвижную цилиндрическую рамку 7, в которой закреплен свинцовый экран 4; подшипники 8 и 9, установленные на полом валу 10; систему 11, обеспечивающую равномерное вращение подвижной цилиндрической рамки 7 с свинцовым экраном 4; датчик положения, содержащий узел считывания 12, закрепленный на полом валу 10, и кодовый диск 13, закрепленный на подвижной цилиндрической рамке 7; балансировочный груз 14, закрепленный на подвижной цилиндрической рамке 7, и датчик апсидального направления 15.

Прибор работает следующим образом.

Прибор опускают в скважину на глубину исследуемого интервала и при последующем подъеме производят запись каротажной диаграммы и углограмм наземным регистратором.

При проведении измерения включается система 11, обеспечивающая свободное вращение подвижной цилиндрической рамки 7, установленной на подшипниках 8 и 9, а следовательно, свинцового экрана 4 с секторным коллимационным окном вокруг полого вала 10, внутри которого в корпусе 6 неподвижно установлен детектор гамма-излучения 5. Вместе с цилиндрической рамкой 7 вращается и балансировочный груз 14, размещенный на одной образующей с секторным коллимационным окном, выполненным в подвижном свинцовом экране 4, компенсируя пустоту окна. Источник гамма-излучения 3, находясь в неподвижном свинцовом экране 2, через круговое коллимационное окно испускает гамма-кванты в окружающее пространство. Вращаясь вокруг полого вала, свинцовый экран 4, а следовательно, и секторное коллимационное окно, выполненное в этом экране, открывает для детектора гамма-излучения 5 объем исследуемого пространства, соответствующий пути продвижения окна за время считывания. Интенсивность рассеянного гамма-излучения от открываемого секторным коллимационным окном на время считывания пространства принимает детектор гамма-излучения 5. Сигналы от детектора гамма-излучения 5 непрерывно передаются на наземный регистратор.

Одновременно с рамкой 7 вращается относительно узла считывания 12 датчика положения кодовый диск 13, который ориентирован по коллимационному окну свинцового экрана 4. Неподвижный узел считывания кода 12 считывает код, соответствующий углу между ориентированной плоскостью, означенной местоположением узла считывания кода 12, и плоскостью, проходящей через ось прибора, и продольную ось секторного коллимационного окна, выполненного в свинцовом экране 4.

Датчик апсидального направления 15 записывает углограмму, соответствующую углу между апсидальной плоскостью скважины и ориентированной плоскостью, маркируемой датчиком положения. Сумма углов от датчика апсидального направления 15 и датчика положения соответствует положению сканируемого детектором гамма-излучения 5 объема исследуемого пространства относительно апсидальной плоскости скважины.

Таким образом, диаграмма, записываемая от детектора гамма-излучения 5, соответствует селективному обзору исследуемого пространства за обсадной колонной скважины, выполненному по спирали, плотность которой определяется угловой скоростью вращения свинцового экрана и линейной скоростью движения прибора по стволу скважины. Регистрируемая детектором гамма-излучения 5 диаграмма с помощью углограмм, записанных от датчиков положения и апсидального направления 15, разворачивается по периметру и глубине скважины в информационный массив относительно апсидальной плоскости скважины, условно проходящей по линии 0-360 угловых градусов.

На фиг.2 представлен вариант прибора по п.1 с усовершенствованной системой вращения 11 и дополнительными неподвижным свинцовым экраном 20 и детектором гамма-излучения 21.

Прибор содержит герметичный корпус 1, в котором установлены: неподвижный свинцовый экран 2 с круговыми коллимационными окнами под источник излучения 3; подвижный свинцовый экран 4 с секторным коллимационным окном, напротив которого по оси прибора установлен детектор гамма-излучения 5, который закреплен в корпусе 6; подвижную цилиндрическую рамку 7 с закрепленным свинцовым экраном 4; подшипники 8 и 9, установленные на полом валу 10; датчик положения, содержащий узел считывания 12, закрепленный на полом валу 10, и кодовый диск 13, закрепленный на подвижной цилиндрической рамке 7; балансировочный груз 14, закрепленный на подвижной цилиндрической рамке 7; датчик апсидального направления 15; систему вращения 11, включающую асинхронный электродвигатель 16, обгонную муфту 17, редуктор 18 и муфту сцепления 19, одна часть которой закреплена на подвижной цилиндрической рамке 7, а ответная - представляет выход редуктора 18; второй неподвижный свинцовый экран 20 и второй детектор гамма-излучения 21, установленный в корпусе 6 совместно с детектором гамма-излучения 5 и расположенный напротив кругового коллимационного окна, выполненного во втором неподвижном свинцовом экране 20.

Прибор работает следующим образом.

Прибор опускают в скважину на глубину исследуемого интервала и при последующем подъеме производят запись каротажной диаграммы и углограмм наземным регистратором.

При проведении измерения включается асинхронный электродвигатель 16, который, разогнавшись, подсоединяется к обгонной муфте 17, передающей вращение на редуктор 18, соединенный посредством муфты сцепления 19 с подвижной цилиндрической рамкой 7, установленной на подшипниках 8 и 9. Начинается равномерное вращение подвижной цилиндрической рамки 7 со свинцовым экраном 4, в котором выполнено секторное коллимационное окно вокруг полого вала 10. Внутри полого вала 10 в корпусе 6 неподвижно установлены детекторы гамма-излучения 5 и 21, при этом вращение секторного коллимационного окна свинцового экрана 4 происходит только вокруг детектора гамма-излучения 5. Детектор гамма-излучения 21 расположен в неподвижном свинцовом экране 20, который имеет круговое коллимационное окно. Вместе с цилиндрической рамкой 7 вращается установленный на ней балансировочный груз 14, размещенный на одной образующей с секторным коллимационным окном, выполненным в свинцовом экране 4, компенсируя пустоту окна. Источник гамма-излучения 3, находясь в неподвижном свинцовом экране 2, через круговое коллимационное окно испускает гамма-кванты в окружающее пространство. Вращаясь вокруг полого вала 10, подвижный свинцовый экран 4, а следовательно, секторное коллимационное окно, выполненное в этом экране, открывают для детектора гамма-излучения 5 объем исследуемого пространства, при этом детектор гамма-излучения 5 регистрирует интенсивность рассеянного гамма-излучения от открываемого коллимационным окном на время считывания пространства. Одновременно интенсивность рассеянного гамма-излучения регистрирует через круговое коллимационное окно неподвижного свинцового экрана 20 детектор гамма-излучения 21. Сигналы от детекторов гамма-излучения 5 и 21 непрерывно передаются на наземный регистратор. Одновременно с подвижной цилиндрической рамкой 7 относительно узла считывания 12 датчика положения вращается кодовый диск 13, который ориентирован по секторному коллимационному окну свинцового экрана 4 и неподвижно закреплен на рамке, а неподвижный узел считывания кода 12, закрепленный на полом валу 10, считывает код, соответствующий углу между ориентированной плоскостью, означенной местоположением узла считывания кода 12, и плоскостью, проходящей через ось прибора, и продольную ось секторного коллимационного окна экрана 4. Датчик апсидального направления 15 записывает углограмму, соответствующую углу между апсидальной плоскостью скважины и ориентированной плоскостью, маркируемой датчиком положения. Сумма углов от датчика апсидального направления 15 и датчика положения соответствует положению сканируемого детектором 5 объема исследуемого пространства относительно апсидальной плоскости скважины. Таким образом, диаграмма, записываемая от детектора гамма-излучения 5, соответствует селективному обзору исследуемого пространства за обсадной колонной скважины, выполненному по спирали, плотность которой определяется угловой скоростью вращения экрана и линейной скоростью движения прибора по стволу скважины, а диаграмма, записываемая от детектора гамма-излучения 21, соответствует круговому обзору исследуемого пространства за обсадной колонной. Таким образом, прибор позволяет записывать две диаграммы - селективную и интегральную по двум независимым зондам. Регистрируемая детектором гамма-излучения 5 диаграмма с помощью углограмм, записанных от датчиков положения и апсидального направления 15, разворачивается по периметру и глубине скважины в информационный массив относительно апсидальной плоскости скважины, условно проходящей по линии 0-360 угловых градусов.

Предлагаемый прибор реализован при разработке и выпуске скважинного гамма-плотномера-толщиномера с вращающейся зондовой установкой СГДТ-СВ и опробован, с 2004 г. планируется серийный выпуск прибора.

Таким образом, 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 разработки нефтегазовых месторождений и эффективности проведения мероприятий по охране недр и пресноводных горизонтов.

1. Прибор для исследования цементного кольца за обсадной колонной в скважинах, содержащий зонд гамма-гамма каротажа, свинцовые экраны с коллимационными окнами для источника и детектора излучения, систему, обеспечивающую равномерное вращение зонда, регистрирующее устройство и датчик апсидального направления, отличающийся тем, что 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 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, при этом прибор дополнительно снабжен датчиком положения, содержащим узел считывания, закрепленный на полом валу, и кодовый диск, закрепленный на подвижной цилиндрической рамке с закрепленным на ней балансировочным грузом.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что система равномерного вращения зонда выполнена в виде электропривода, состоящего из асинхронного электродвигателя, обгонной муфты, редуктора и муфты сцепления, при этом одна часть муфты сцепления установлена на выходе редуктора, а ответная часть - на подвижной цилиндрической рамке.

3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в приборе между неподвижным свинцовым экраном для источника гамма-излучения и свинцовым экраном для детектора гамма-излучения дополнительно установлен второй неподвижный свинцовый экран с круговым коллимационным окном, в котором напротив коллимационного окна по оси прибора расположен второй детектор гамма-излучения, закрепленный в одном корпусе с первым детектором гамма-излучения.