Устройство и способ оценки текучей среды для обслуживания скважины с использованием рентгеновского излучения

Использование: для оценки посредством рентгеновского излучения текучей среды, используемой при обслуживании скважины. Сущность: заключается в том, что для определения плотности и фазового состава текучих сред для обслуживания скважин используют генератор рентгеновского излучения, ячейку образца и радиационный детектор. Излучение проходит через ячейку образца и текучую среду, и ослабленный радиационный сигнал используется для оценки текучей среды. В одном варианте осуществления контрольный радиационный детектор измеряет профильтрованный радиационный сигнал и контролирует ускоряющее напряжение и/или ток пучка генератора рентгеновского излучения с использованием этой информации. Устройство может быть постоянно зафиксировано для долговременного мониторинга или временно присоединено к трубе в ходе производства. Технический результат: обеспечение возможности надежного измерения характеристик текучей среды, используемой при обслуживании скважины. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству и способу оценки текучих сред, встречающихся в практике обслуживания скважин, с использованием рентгеновского излучения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системе для применения рентгеновского излучения при определении плотности и фазового состава текучей среды для обслуживания скважин, такой как жидкость для гидроразрыва пласта, цементный раствор, смесь бурового раствора и выбуренной породы, или любой другой текучей среды, которая является актуальной. Эти измерения в общем производятся на поверхности с использованием генератора рентгеновского излучения и измерительного радиационного детектора на исследуемой текучей среде, заключенной в трубопроводе. Дополнительно может быть использован второй контрольный радиационный детектор, который регистрирует профильтрованный сигнал от источника рентгеновского излучения и контролирует ускоряющее напряжение и ток пучка генератора рентгеновского излучения.

В добыче углеводородов из подземных пластов является обычным гидроразрыв углеводородоносного пласта для создания проточных каналов, через которые может быть получена желательная текучая среда. В таких операциях жидкость для гидравлического разрыва пласта нагнетают в буровую скважину, проникающую в подземный пласт, и заставляют внедряться в напластование пород под давлением. Напластование пород или горная порода разрушаются или трескаются, и в трещину помещается расклинивающий наполнитель благодаря перемещению вязкой текучей среды, содержащей расклинивающий наполнитель, в трещину в горной породе. Сформированная трещина с размещенным в ней расклинивающим наполнителем обеспечивает улучшенное течение извлекаемой текучей среды, то есть нефти, газа или воды, в буровую скважину.

Жидкости для гидравлического разрыва пласта часто включают загущенный или желатинизированный водный раствор, который содержит суспендированные в нем частицы расклинивающего наполнителя, которые по существу нерастворимы в пластовых текучих средах. Частицы расклинивающего наполнителя, взвешенные в жидкости для гидравлического разрыва пласта, остаются в созданной трещине, тем самым расклинивая открытую трещину, когда давление гидроразрыва сбрасывается, и из скважины начинается добыча. Пригодные материалы расклинивающего наполнителя включают в себя пески (кремнистые, керамические, полимерные), скорлупу грецких орехов, спеченный боксит, стеклянные гранулы, соли или подобные материалы. Расклиненная трещина создает увеличенный канал течения к буровой скважине, через который может протекать большее количество углеводородов.

В промышленности желательно отслеживать качество текучей среды внутри системы. Сюда входит мониторинг концентрации дисперсных материалов внутри текучей среды. Современные способы контроля качества при добавлении дисперсных материалов включают: весовое дозирование до и после технологической операции, механическое дозирование во время добавления дисперсных материалов или радиоактивные измерения суспензий в текучей среде во время рабочих операций.

Весовое дозирование обеспечивает контроль качества всего используемого продукта в совокупности, но не позволяет контролировать качество во время текущих операций для заранее составленных программ, в которых варьирует норма добавления дисперсных материалов во время различных фаз нагнетания.

Механическое дозирование включает в себя измерение скорости, с которой добавляется дисперсный материал, и расхода текучей среды перед добавлением (чистый расход), и затем использования этих значений для расчета концентрации дисперсного материала в буровом растворе. Расчет концентрации основывается на знании плотности текучей среды и дисперсного материала. Однако механическое дозирование предрасположено к отставанию и неточностям вследствие рабочих характеристик используемой механической системы. Качество измерения поэтому является ограниченным.

Плотность жидкостей для гидравлического разрыва пласта определяли также с использованием радиоактивных систем. Более конкретно, в настоящее время на нефтяном промысле применяют гамма-плотномеры для контроля массового баланса расклинивающего наполнителя в операциях гидроразрыва пластов. Базовое измерение представляет собой ослабление гамма-излучения линии 662 кэВ от цезиевого источника (Cs¹³⁷) жидкостью для гидравлического разрыва пласта. При правильной калибровке и обработке данных погрешность измерения массового баланса варьирует в диапазоне 1-2%. Этот тип систем производит одиночное измерение потока излучения, достигающего детектора, и определяет плотность по этому измерению.

В то время как этот тип системы может обеспечивать точный результат, существуют недостатки в применении химического источника, такого как Cs¹³⁷, при измерениях в полевых условиях. Применение любого радиоактивного источника связано с высокой ответственностью и строгими эксплуатационными требованиями. Эти эксплуатационные проблемы, связанные с химическими источниками, привели к необходимости в применении более надежного источника излучения. Хотя химические источники и создают определенные трудности, они также имеют и некоторые существенные преимущества. Более конкретно, снижение их выходного уровня излучения со временем является стабильным, позволяя им обеспечивать радиационный сигнал с высокой степенью предсказуемости. Электрический генератор излучения мог бы устранить некоторые из этих затруднений, но многие электрические генераторы фотонов (такие как генераторы рентгеновского излучения) склонны создавать такие проблемы, как колебания напряжения и тока пучка. Если бы эти колебания можно было контролировать, это создавало бы весьма желательный источник излучения.

В дополнение к измерению плотности жидкости для гидравлического разрыва пласта также полезно измерение характеристик прочих текучих сред, употребляемых в нефтяном промысле. Например, когда добыча из скважины подходит к завершению, необходимо заполнить скважину цементным раствором для стабилизации остающихся трещин, окружающих скважину. Желательно использовать тот же инструмент, который применялся для определения плотности жидкости для гидроразрыва, чтобы определять фазовый состав воды и цемента в цементном растворе. Прототипные системы для определения фазового состава также использовали химические источники, которые могут быть нежелательными в силу вышеназванных причин.

Соответственно, обозначилась потребность в инструменте, который может быть использован для определения характеристик любой текучей среды, встречающейся в практике обслуживания скважины. Один конкретный пример представляет измерение плотности жидкости для гидравлического разрыва пласта с использованием электрического генератора фотонов, такого как генератор рентгеновского излучения. Этот генератор должен быть стабильным во времени по своим параметрам, надежно контролируемым для обеспечения точности измерений вне зависимости от изменчивых условий. Кроме того, желательно применение той же системы для определения фазового состава цемента и воды в цементном растворе или характеристик любой другой текучей среды для обслуживания скважины, которая может быть актуальной.

Краткое изложение сущности изобретения

На основании обсужденного выше уровня техники и прочих факторов, которые известны в области техники определения плотности жидкости для гидроразрыва, заявители пришли к выводу о необходимости устройства и способа определения характеристик текучих сред, имеющих место в практике обслуживания скважины. Заявители считают, что генератор рентгеновского излучения с тщательно контролируемым ускоряющим напряжением и током пучка мог бы быть использован с одним или более радиационными детекторами для проведения надежного измерения характеристик серии текучих сред.

Один вариант осуществления включает в себя способ и устройство для определения плотности жидкости для гидравлического разрыва пласта. В одном аспекте изобретения генератор рентгеновского излучения формирует входное излучение, которое ослабляется текучей средой для гидравлического разрыва пласта в трубе. Ослабленное излучение измеряется, и определяется плотность жидкости для гидроразрыва. Дополнительно выходное излучение генератора рентгеновского излучения может быть профильтровано для формирования области высокой энергии и области низкой энергии, с введением этого спектра в радиационный детектор. Выходной сигнал этого радиационного детектора используется для контроля ускоряющего напряжения и тока пучка генератора рентгеновского излучения.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения позволяет определять фазовый состав воды и цемента в цементном растворе. Опять же производится облучение трубопровода, через который проходит цементный раствор; показания радиационного детектора используются для расчета фазового состава.

Настоящее изобретение пригодно для любой используемой текучей среды и не ограничивается двумя конкретными примерами, подробно изложенными здесь.

Описание чертежей

Сопроводительные чертежи иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и составляют часть описания. Вместе с нижеприведенным описанием чертежи демонстрируют и разъясняют принципы настоящего изобретения.

Фиг. 1 представляет собой схематический вид эксплуатационной ситуации, в которой могут быть преимущественно использованы данные устройство и способ;

Фиг. 2 представляет собой графическое изображение спектра энергии излучения на выходе генератора рентгеновского излучения;

Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение одного варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение еще одного варианта осуществления настоящего изобретения, включающего в себя контрольный детектор;

Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение еще одного варианта осуществления настоящего изобретения, включающего в себя контрольный детектор и окошко в стенке трубы.

Фиг. 6 представляет собой графическое изображение спектра профильтрованного излучения, используемого в контроле генератора рентгеновского излучения.

Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение одного варианта осуществления рентгеновской трубки;

Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение радиационного детектора, который может быть использован;

Фиг. 9 представляет собой схематическое изображение общей конструкции одного варианта осуществления изобретения;

Фиг. 10 представляет собой подробное схематическое изображение одного варианта осуществления изобретения, выполненное с возможностью фиксации на трубе.

Подробное описание

Теперь с привлечением чертежей и, в частности, Фиг. 1, в которой сходными номерами обозначены сходные детали, показана схематическая иллюстрация эксплуатационной ситуации 100 настоящего изобретения. Эта фигура показывает один пример применения изобретения для определения плотности жидкостей для гидравлического разрыва пласта. Изобретение применимо к любым текучим средам для обслуживания скважины, и это описано в виде одного примера. Как описано выше, жидкость для гидравлического разрыва пласта в общем включает текучую среду, смешанную с твердым расклинивающим наполнителем. Источник 102 расклинивающего наполнителя подает твердый материал, тогда как источник 104 текучей среды подводит базовую текучую среду для жидкости для гидравлического разрыва пласта. Расклинивающий наполнитель и текучая среда смешиваются в точке 110 с образованием жидкости для гидравлического разрыва пласта.

В одном варианте осуществления устройство для определения плотности жидкости для гидравлического разрыва пласта зафиксировано на трубе. Манжета 114 стянута соединительным механизмом 116. Не показан противолежащий шарнир или другой соединительный механизм, который позволяет раскрыть устройство и разместить его на трубе или удалить с таковой. Генератор 112 рентгеновского излучения создает излучение, которое проходит через трубу, а также через ее содержимое. Полученный радиационный сигнал измеряется измерительным радиационным детектором 118. Излучение, исходящее из генератора 112 рентгеновского излучения, измеряется контрольным радиационным детектором 120. Информация от этих детекторов затем используется для определения плотности жидкости для гидравлического разрыва пласта и, если применяется необязательный контрольный радиационный детектор, для контроля ускоряющего напряжения и тока пучка генератора 112 рентгеновского излучения.

Некоторые примеры ситуаций, в которых настоящее изобретение является преимущественным, включают непрерывный мониторинг, мобильное тестирование, лабораторные испытания и оптимизацию насосно-компрессорной добычи. Обычному специалисту, квалифицированному в этой области технологии, будет понятно, что вышеизложенное представляет собой только примеры возможных вариантов применения, и вышеприведенные примеры не являются исчерпывающими.

Физика рентгеновского излучения

Рентгеновская трубка производит рентгеновское излучение путем ускорения электронов и направления в мишень с помощью высокой разности потенциалов между положительно заряженной мишенью и источником электронов. Мишень имеет значительную толщину для торможения всех ударяющихся электронов. В обсуждаемом энергетическом диапазоне два механизма, которые вносят свой вклад в образование рентгеновских фотонов в процессе торможения электронов, представляют собой рентгеновскую флуоресценцию и тормозное излучение.

Излучение рентгеновской флуоресценции представляет собой характеристический рентгеновский спектр, создаваемый при выбивании электрона из атома. Падающие электроны со значениями кинетической энергии, превышающими энергию связи электронов в атоме мишени, могут переносить часть (эффект Комптона) или всю (фотоэлектрический эффект) кинетическую энергию падающего электрона на один или более связанных электронов в атомах мишени, тем самым, выбивая электрон из атома.

Если электрон выбивается из самой внутренней атомной оболочки (К-уровня), то генерируются характеристические K, L, M и другие рентгеновские лучи. Рентгеновское излучение К-серии возникает, когда электрон перескакивает с самого высокого энергетического уровня оболочки на К-уровень, и является наиболее высокоэнергетическим излучением флуоресценции, исходящим из атома. Если электрон выбивается из другого энергетического уровня (L, M и т.д.), то генерируется рентгеновское излучение этих серий. Во многих случаях рентгеновское излучение L- и М-серий имеет настолько низкую энергию, что не может проходить через окно в рентгеновской трубке. Чтобы выбить эти электроны из К-оболочки, требуется создание разности потенциалов более, чем 80 кВ в случае золотой (Au) мишени вследствие ее энергии связи.

Еще один тип излучения представляет собой тормозное излучение. Таковое возникает во время торможения электрона в сильном электрическом поле. Высокоэнергетический электрон, падающий на твердую мишень, сталкивается с сильным электрическим полем, поскольку в мишени присутствуют другие электроны. Падающий электрон тормозится, пока не потеряет всю свою кинетическую энергию. Генерируется сплошной спектр энергий фотонов, когда суммируется излучение от многих тормозящихся электронов. Максимальная энергия фотона равна общей кинетической энергии высокоэнергетического электрона. Минимальная энергия фотона в наблюдаемом спектре тормозного излучения соответствует фотонам, которые только становятся способными проходить через материал окна в рентгеновской трубке.

Эффективность преобразования кинетической энергии ускоренных электронов в генерируемые фотоны является функцией ускоряющего напряжения. Средняя энергия в расчете на рентгеновский фотон повышается при возрастании напряжения, разгоняющего электрон.

Спектр тормозного излучения может быть изменен при использовании фильтра и путем изменения (1) состава фильтра, (2) толщины фильтра и (3) рабочего напряжения рентгеновской трубки. В одном варианте осуществления, описанном здесь, используется одиночный фильтр для создания пиков низкой и высокой энергии из одного и того же спектра тормозного излучения. Более конкретно, фильтр употребляется для формирования линейного спектра, измеряемого контрольным радиационным детектором по пику низкой энергии и пику высокой энергии.

Фиг. 2 показывает спектр 206 тормозного излучения, который может быть использован в настоящем изобретении. Ось ординат 202 представляет энергию, измеренную в килоэлектровольтах (кэВ). Ось абсцисс 204 представляет число отсчетов в единицу времени или число фотонов в секунду на кэВ, которые попадают в радиационный детектор. Это выходное излучение фильтруется, как описано выше.

Плотномер жидкости для гидравлического разрыва пласта

Один пример применения изобретения в практике обслуживания скважины представляет собой определение плотности жидкости для гидравлического разрыва пласта. Плотность материала может быть получена путем измерения ослабления излучения, прошедшего через этот материал. В дополнение, если текучая среда представляет собой двухфазную текучую среду, такое же измерение может быть использовано для определения фазового состава текучей среды. В примере многих текучих сред для обслуживания скважины в одном варианте осуществления излучение должно проходить через одну стенку трубы, текучую среду и еще одну стенку трубы, прежде чем оно будет измерено радиационным детектором. Вследствие этого употребляется относительно высокоэнергетический радиационный сигнал. Более конкретно, трубы обычно изготавливаются из стали (по большей части состоящей из железа), которая имеет массовый коэффициент ослабления, который почти не зависит от энергии выше уровня 200 кэВ. Следовательно, фотоны с энергией 200 кэВ проходят через стенки железной трубы почти так же легко, как гамма-излучение линии 662 кэВ, испускаемое цезием (¹³⁷Cs), или гамма-излучение с энергией 1332 кэВ от кобальта (⁶⁰Co). Это является преимуществом системы, поскольку сигнал с энергией 200 кэВ от генератора рентгеновского излучения может быть более эффективно экранирован, делая систему более стабильной и устраняя недостатки, связанные с употреблением химического источника излучения.

Хотя и обеспечивая ряд преимуществ, все генераторы рентгеновского излучения в отличие от химических источников склонны к ухудшению производительности со временем. По этой причине в одном варианте осуществления употребляется контрольный радиационный детектор для контроля тока пучка и ускоряющего напряжения генератора рентгеновского излучения.

Плотность материала может быть определена путем анализа ослабления рентгеновского излучения, проходящего через материал. Искомый результат начального измерения представляет собой не массовую плотность, ρ, которая будет конечным произведением, а индекс электронной плотности, ρ_е, материала. Индекс электронной плотности соотносится с массовой плотностью согласно формуле

Ослабление пучка рентгеновского излучения с энергией Е, интенсивностью I₀(E), проходящего через материал с толщиной “d” и плотностью “ρ_е”, может быть записано как

,

где любое взаимодействие фотонов, проходящих сквозь материал, ослабляет пучок. Здесь, выражение μ_m(E) представляет собой массовый коэффициент ослабления материала. Важно отметить, что этот массовый коэффициент ослабления является переменным в зависимости от типа текучей среды, которая присутствует. Чтобы найти значение, часто проводят калибровочное испытание или, альтернативно, выполняют серию расчетов, основанных на известных химических свойствах присутствующей текучей среды. Выражение I(E) в предыдущем уравнении не включает детектирования фотонов, созданных последующим фотоэлектрическим поглощением, или фотонов от множественного рассеяния. В случае многих текучих сред для обслуживания скважин будут известными массовые коэффициенты ослабления для каждой фазы. Однако, если необходимо, эти значения могут быть найдены путем расчетов или калибровочных тестов с использованием этой системы.

Ссылаясь на Фиг. 3, показан один вариант осуществления изобретения. В этом варианте осуществления генератор 302 рентгеновского излучения создает спектр, подобный таковому, показанному в Фиг. 2. Это излучение проходит через одну стенку трубы 306. Текучая среда для обслуживания скважин протекает по внутренней части 305 трубы 306. Излучение затем проходит через текучую среду для обслуживания скважин и через противоположную стенку трубы 306. Полученный радиационный сигнал измеряется радиационным детектором 308. Выходной сигнал радиационного детектора 308 затем по кабелю 317 передается в аналитический блок 318. Аналитический блок 318 использует выходной сигнал радиационного детектора 308 для определения плотности текучей среды для обслуживания скважин, как подробно изложено ниже.

На Фиг. 4 показан еще один вариант осуществления изобретения. В этом варианте осуществления генератор 402 рентгеновского излучения создает спектр, подобный таковому, показанному в Фиг. 2. Это излучение проходит через одну стенку трубы 404. Текучая среда для обслуживания скважин протекает по внутренней части 405 трубы 404. Излучение проходит через текучую среду для обслуживания скважин и через противоположную стенку трубы 404. Полученный радиационный сигнал измеряется радиационным детектором 408. Выходной сигнал радиационного детектора 408 затем необязательно передается в аналитический блок 412.

В дополнение к измерительному радиационному детектору 408 контрольный радиационный детектор 410 измеряет излучение, непосредственно выходящее из генератора 402 рентгеновского излучения. Назначение этого контрольного радиационного детектора 410 состоит в контроле тока пучка и ускоряющего напряжения генератора 402 рентгеновского излучения. Аналитические блоки 412 и 418, соединенные кабелем 417, получают выходные сигналы радиационных детекторов и выполняют описываемые здесь расчеты.

Чтобы правильно контролировать эти значения, радиационный сигнал должен быть профильтрован с помощью фильтрового устройства 406. Любой материал с высоким значением Z (атомного номера элемента) может быть использован для фильтрования спектра входящего излучения и создания двухпикового спектра, который является желательным. В одном варианте осуществления фильтр сделан из золота (Au) и создает спектр, показанный в Фиг. 6, прочие возможные материалы включают, но не ограничиваются таковыми, свинец (Pb), вольфрам (W), висмут (Bi) и ртуть (Hg). В этой фигуре ось абсцисс 602 представляет энергию, измеренную в кэВ. Ось ординат 604 представляет число отсчетов в единицу времени или число фотонов в секунду на кэВ, которые попадают в радиационный детектор. Кривая 608 представляет область сигнала низкой энергии, кривая 610 представляет область сигнала высокой энергии. Контрольный радиационный детектор принимает излучение в два окна, окно высокой энергии со всеми отсчетами с энергией выше, чем уровень 606, и окно низкой энергии со всеми отсчетами с энергией ниже уровня 606. Отсчет высокой энергии обозначается как I _RH, тогда как отсчет низкой энергии обозначается как I _RL.

Как упомянуто выше, отсчеты на контрольном радиационном детекторе используются для контроля ускоряющего напряжения и тока пучка генератора 402 рентгеновского излучения. Это является необходимым, поскольку любой генератор рентгеновского излучения подвержен электрическим флуктуациям, которые могут обусловливать ошибку в конечном расчете плотности. Оба значения I _RH и I _RL пропорциональны числу электронов, попадающих в мишень в любое данное время. Дополнительно отношение I _RH/I _RL пропорционально ускоряющему напряжению генератора рентгеновского излучения V _x-ray. При взгляде на Фиг. 6, если напряжение генератора рентгеновского излучения со временем снижается, спектр должен несколько сдвинуться влево. Это должно вызывать попадание меньшего числа электронов в окно высокой энергии, и, тем самым, отношение I _RH/I _RL должно снижаться. В этом варианте осуществления данная проблема снимается благодаря мониторингу этого отношения, возможному в блоке 412, и изменению ускоряющего напряжения генератора 402 для поддержания стабильного спектра.

В дополнение важно тщательно контролировать ток пучка на выходе генератора рентгеновского излучения. Это также можно регулировать с использованием контрольного детектора. Контрольный детектор считает число фотонов, попадающих в область высокой энергии и в область низкой энергии. Выходной сигнал контрольного детектора может быть использован путем мониторинга либо одного из этих отсчетов, либо суммы обоих отсчетов. Выходной сигнал контрольного детектора применяется для управления генератором рентгеновского излучения и обеспечения постоянного тока пучка.

Еще один вариант осуществления с использованием контрольного детектора показан в Фиг. 5. В этом варианте осуществления фильтр 504 размещен на выходе генератора 502 рентгеновского излучения для формирования сигнала, подобного таковому, показанному в Фиг. 6. Сигнал проходит через окно в трубе 506, через текучую среду для обслуживания скважин внутри 505 трубы 506, и выходит через еще одно окно в трубе 506. Выходное излучение измеряется с помощью измерительного радиационного детектора 508. Профильтрованный радиационный сигнал также измеряется с помощью контрольного радиационного детектора 510 для регулирования ускоряющего напряжения и тока пучка генератора 502 рентгеновского излучения, как описано выше. Аналитические блоки 512 и 518, соединенные кабелем 517, получают выходные сигналов радиационных детекторов и выполняют описываемые здесь расчеты. Этот вариант осуществления пригоден для определения фазового состава текучей среды, имеющей три фазы. Способ для этого можно найти в Патентной Заявке США номер 11/425,285, переуступленной фирме Schlumberger Technology Corporation.

На Фиг. 7 показан пример рентгеновской трубки 700, которая может быть использована. Следует отметить, что может быть применена любая рентгеновская трубка при условии, что можно регулировать ускоряющее напряжение и ток пучка. Элемент 702 представляет собой катод, который действует для эмиссии электронов в ответ на тепловое воздействие. Подведение небольшого тока разогревает катод 702 и вызывает высвобождение электронов. Сетка 704 действует для разгона электронов, испускаемых катодом 702, в сторону секции 706 ускорения электронов. В одном варианте осуществления эта сетка 704 изготовлена из никеля (Ni). Ускорительная секция 706 разгоняет электроны в сторону мишени 708. В одном варианте осуществления эта мишень сделана из золота (Au). При соударении с мишенью 706 трубка 700 генерирует рентгеновские лучи, пригодные для применения в настоящем изобретении.

Радиационные детекторы 308, 408, 410, 508 и 510 могут быть радиационными детекторами любого типа, каковой способен отслеживать падающее излучение и генерировать выходной сигнал, соответствующий этому излучению. В общем, тип применяемого радиационного детектора включает сцинтилляционный материал, сопряженный с фотокатодом и электронным умножителем. Один пример радиационного детектора, который может быть использован, описан в Патентной Заявке США номер 09/753,859, переуступленной фирме Schlumberger Technology Corporation. Этот радиационный детектор иллюстрирован в Фиг. 8. Радиационный детектор 800 включает оптическое окно 802 и присоединенный корпус 804 окна, первичный цилиндр 808, имеющий присоединенное радиационное входное окно 806, кристалл 807 сцинтиллятора и запорную пластину 810. Оптическое окно 802 типично изготовлено из стекла или сапфировой пластинки. Внешний корпус детектора обычно изготовлен из сплава, создающего со стеклом вакуумно-плотное соединение, такого как Kovar. Этот тип детектора является преимущественным, поскольку он корректирует свою работу при изменении температур и условий. Это обеспечивает возможность получения постоянных показаний в любой эксплуатационной ситуации.

На Фиг. 9 показана общая физическая компоновка плотномера текучей среды для гидравлического разрыва пласта. Труба 901 транспортирует текучую среду 906 для гидравлического разрыва пласта и может представлять собой либо испытательную трубу, либо производственную трубу, активно нагнетающую или удаляющую текучую среду для обслуживания скважины в буровой скважине. Генератор 902 рентгеновского излучения испускает радиационный сигнал 904 через первую стенку трубы 901, текучую среду для гидравлического разрыва пласта и вторую стенку трубы 901. Полученный радиационный сигнал измеряется измерительным радиационным детектором 908. Контрольный радиационный детектор 910 измеряет выходное излучение генератора 910 рентгеновского излучения для контроля его ускоряющего напряжения и тока пучка, как описано выше.

На Фиг. 10 представлено подробное схематическое изображение одного варианта осуществления изобретения. Текучая среда 1004 для обслуживания скважин протекает через трубу 1003. Предмет изобретения присоединен к трубе 1003 с помощью зажимного корпуса 1001, который зафиксирован в точках 1002 соединительными устройствами. В одном варианте осуществления это соединительное устройство представляет собой болт типа, каковой крепит хомут с обеих сторон. Генератор 1005 рентгеновского излучения включает рентгеновскую трубку 1006 и соответствующие принадлежности. Глухие фланцы 1010 закрывают рентгеновскую трубку и обеспечивают экранирование излучения от выхода наружу. Амортизаторы 1008 гасят вибрацию, которая может воздействовать на рентгеновскую трубку. Вольфрамовый колпачок 1014 обеспечивает экранирование. Контрольный радиационный детектор 1016 измеряет выходное излучение рентгеновской трубки 1006, в то время как измерительный радиационный детектор 1018 измеряет излучение, которое прошло через трубу 1003 и текучую среду 1004 для гидравлического разрыва пласта.

Плотность смеси, ρ_mix, двух несмешивающихся материалов, твердого S с плотностью ρ_S и жидкого L с плотностью ρ_L, задается выражением

,

где f_S представляет собой объемную долю V_S/V_T, твердого компонента и f_L представляет собой объемную долю V_L/V_T жидкой фазы, где V_T=V_S+V_L.

Суспензии расклинивающего наполнителя характеризуются концентрацией расклинивающего наполнителя Р_С, массой твердого расклинивающего наполнителя, добавленного к данному объему текучей среды. Величина Р_С может быть представлена выражением

С использованием этого выражения плотность смеси может быть записана в терминах концентрации расклинивающего наполнителя

Стандартными единицами для концентрации расклинивающего наполнителя являются фунты расклинивающего наполнителя на галлон текучей среды, тогда как плотность в общем выражается в массе на единицу объема (граммов/мл). Вышеприведенное уравнение может быть преобразовано для учета этих единиц следующим образом

и подобно этому

,

тем самым, приводя к плотности смеси.

Определение фазового состава цементного раствора

Еще один вариант применения настоящего изобретения представляет собой определение фазового состава двухфазной текучей среды для обслуживания скважин. Чтобы определить фазовый состав компонентов двухфазного образца, такого как цементный раствор, проводят измерения ослабления с использованием предмета изобретения. Измерение соответствует следующему уравнению

,

где I _M представляет собой количество отсчетов, зарегистрированных измерительным радиационным детектором, I ⁽⁰⁾ _M представляет собой количество отсчетов, когда излучение проходит через пустую ячейку для образца, d представляет диаметр ячейки для образца, α₁ представляет долю в текучей среде фазы первого компонента текучей среды, такого как расклинивающий наполнитель, и α₂ представляет долю в текучей среде фазы второго компонента, такого как вода. Эти фракции неизвестны и являются предметом изучения. Это уравнение может быть решено для получения следующего

В этот момент существует одно уравнение с двумя неизвестными, так что для решения фазового состава текучей среды требуется второе уравнение. Образцы текучей среды включают две фазы, поэтому также известно, что

α₁+α₂=1.

С использованием этих двух уравнений фракции текучей среды из двух компонентов при приготовлении текучей среды для обслуживания скважин могут быть определены, основываясь на излучении, прошедшем через образец.

Фазовый состав в особенности важен в случае цементного раствора, если необходимо получить точное соотношение воды и твердого вещества. В некоторых случаях в цементный раствор вводят газ, который создает в нем третью фазу, которую нужно определить. Это может быть сделано двумя способами. В первом способе поступают так, как описано выше, и сначала определяют фазовый состав твердого компонента и жидкости перед введением газа. После введения газа может быть проведено такое же измерение, принимая, что одна фаза представляет собой смесь твердого вещества и жидкости, и другая фаза представляет собой газ. Это дает относительное количество каждой фазы и позволяет определить долю третьей фазы.

Альтернативу этому способу составляет применение компоновки, показанной на Фиг. 5. В этой компоновке профильтрованный радиационный сигнал, такой как показанный на Фиг. 6, пропускают через исследуемую трехфазную текучую среду. Измерительный радиационный детектор производит измерение в области высокой энергии и в области низкой энергии и регистрирует полученное излучение в виде отсчетов высокой энергии и отсчетов низкой энергии. Измерение высокой энергии соответствует следующему уравнению

,

где I _MH представляет собой количество отсчетов высокой энергии, зарегистрированных измерительным радиационным детектором, I ⁽⁰⁾ _MH представляет собой количество отсчетов высокой энергии, когда излучение проходит через пустую ячейку для образца, d представляет диаметр ячейки для образца, α₁ представляет фазовую долю в текучей среде первой фазы, α₂ представляет фазовую долю в текучей среде второй фазы и α₃ представляет фазовую долю в текучей среде третьей фазы. Эти фракции неизвестны и являются предметом изучения. Измерение низкой энергии соответствует следующему уравнению

,

где I _ML представляет собой количество отсчетов низкой энергии, зарегистрированных измерительным радиационным детектором, и I ⁽⁰⁾ _ML представляет собой количество отсчетов низкой энергии, когда излучение проходит через пустую ячейку для образца. Оба эти уравнения могут быть решены с получением следующего

для измерения высокой энергии и

для сигнала низкой энергии. Решение для обоих измерений высокой энергии и низкой энергии дает два уравнения и три неизвестных, так что для решения фазового состава текучей среды требуется еще одно уравнение. Образцы текучей среды включают три фазы, поэтому также известно, что

α₁+α₂+α₃=1.

С использованием этих трех уравнений фазовый состав для всех трех фаз может быть определен, основываясь на излучении, прошедшем через образец. Один образец дает фазовый состав воды, твердого вещества и газа в цементном растворе.

Применение настоящего изобретения не ограничивается текучими средами, конкретно перечисленными выше. Любая текучая среда, встречающаяся в практике обслуживания скважины, может быть оценена по плотности и фазовому составу с использованием конструкций и способов, подробно изложенных здесь. Инструмент является действенным, поскольку в нем используется надежный источник излучения, и он является весьма портативным, обеспечивая возможность периодического или постоянного тестирования в полевых условиях с низкой степенью риска.

Вышеприведенное описание было представлено только для иллюстрирования и описания изобретения и некоторых примеров его осуществления. Оно не предполагается быть исчерпывающим или ограничивающим изобретение любой из раскрытых точных форм. Многие модификации и вариации возможны и представимы для квалифицированного специалиста в этой области технологии в свете вышеприведенного описания и чертежей.

Разнообразные аспекты были выбраны и описаны, чтобы лучше разъяснить принципы изобретения и его практического применения. Вышеприведенное описание предназначено для того, чтобы позволить другим квалифицированным специалистам в этой области технологии лучше реализовать изобретение в разнообразных вариантах осуществления и аспектах и с разнообразными модификациями, насколько это пригодно для конкретного предполагаемого использования. Предполагается, что область изобретения определяется нижеследующими пунктами формулы изобретения; однако не предполагается, что какой бы то ни был порядок задан последовательностью стадий, перечисленных в заявленных способах, если только напрямую не указан определенный порядок.

1. Инструмент для определения плотности текучей среды для обслуживания скважин, включающий:
генератор рентгеновского излучения;
входное излучение, испускаемое генератором рентгеновского излучения;
корпус, содержащий текучую среду для обслуживания скважин;
выходное излучение, образованное при прохождении названного входного излучения через корпус и текучую среду для обслуживания скважин;
измерительный радиационный детектор, скомпонованный для измерения выходного излучения и формирования измерительного сигнала;
контрольное излучение, генерируемое при изменении названного входного излучения;
контрольный радиационный детектор, выполненный с возможностью измерения контрольного излучения и формирования контрольного сигнала; и
аналитический блок, причем аналитический блок выполнен с возможностью определения плотности текучей среды для обслуживания скважин с использованием измерительного сигнала, причем аналитический блок дополнительно выполнен с возможностью контроля, по меньшей мере, одного из ускоряющего напряжения и тока пучка названного генератора рентгеновского излучения с использованием контрольного сигнала.

2. Инструмент по п.1, в котором аналитический блок определяет плотность путем измерения ослабления входного излучения.

3. Инструмент по п.1, в котором аналитический блок определяет плотность путем сравнения контрольного сигнала с измерительным сигналом.

4. Инструмент по п.1, дополнительно содержащий фильтр, в котором контрольное излучение генерируется при прохождении входного излучения через фильтр.

5. Инструмент по п.1, в котором контрольное излучение включает в себя, по меньшей мере, одну область низкой энергии и, по меньшей мере, одну область высокой энергии.

6. Инструмент по п.5, в котором ускоряющее напряжение генератора рентгеновского излучения контролируется по отношению отсчетов высокой энергии к отсчетам низкой энергии, определяемым контрольным радиационным детектором.

7. Инструмент по п.5, в котором ток пучка генератора рентгеновского излучения контролируется одним из отсчета высокой энергии, отсчета низкой энергии или суммой отсчета высокой энергии и отсчета низкой энергии, причем отсчет высокой энергии и отсчет низкой энергии регистрируются контрольным радиационным детектором.

8. Инструмент по п.4, в котором названный фильтр включает в себя золото (Аu).

9. Инструмент по п.1, в котором корпус представляет собой скважинную трубу, и в котором генератор рентгеновского излучения и измерительный радиационный детектор присоединены к скважинной трубе с возможностью удаления.

10. Инструмент по п.1, в котором текучая среда для обслуживания скважин представляет собой одну текучую среду, выбранную из группы, состоящей из текучей среды для гидравлического разрыва пласта и цементного раствора.

11. Инструмент для анализа текучей среды для обслуживания скважин, включающий в себя:
генератор рентгеновского излучения;
входное излучение, испускаемое генератором рентгеновского излучения;
корпус, содержащий текучую среду для обслуживания скважин;
выходное излучение, генерируемое при прохождении входного излучения через корпус и текучую среду для обслуживания скважин;
измерительный радиационный детектор, выполненный с возможностью измерения выходного излучения и формирования измерительного сигнала;
контрольное излучение, генерируемое при изменении входного излучения;
контрольный радиационный детектор, выполненный с возможностью измерения контрольного излучения и формирования контрольного сигнала;
аналитический блок, причем аналитический блок выполнен с возможностью определения, по меньшей мере, одной физической характеристики текучей среды для обслуживания скважин путем сравнения контрольного сигнала с измерительным сигналом; и
аналитический блок, дополнительно выполненный с возможностью контроля, по меньшей мере, одного из ускоряющего напряжения и тока пучка генератора рентгеновского излучения с использованием контрольного сигнала.

12. Инструмент по п.11, дополнительно содержащий фильтр, в котором контрольное излучение генерируется при прохождении входного излучения через фильтр.

13. Инструмент по п.11, в котором контрольное излучение включает в себя, по меньшей мере, одну область низкой энергии и, по меньшей мере, одну область высокой энергии.

14. Инструмент по п.13, в котором ускоряющее напряжение контролируется по отношению отсчета высокой энергии, регистрируемого названным контрольным детектором, к отсчету низкой энергии, регистрируемому контрольным детектором.

15. Инструмент по п.13, в котором ток пучка контролируют одним из отсчета высокой энергии, отсчета низкой энергии или суммой отсчета высокой энергии и отсчета низкой энергии, причем отсчет высокой энергии и отсчет низкой энергии регистрируют контрольным радиационным детектором.

16. Инструмент по п.11, в котором текучая среда для обслуживания скважин представляет собой текучую среду для гидравлического разрыва пласта, включающую в себя смесь воды и расклинивающего наполнителя, и в котором, по меньшей мере, одна физическая характеристика представляет собой плотность.

17. Инструмент по п.11, в котором текучая среда для обслуживания скважин представляет собой цементный раствор, и в котором, по меньшей мере, одна физическая характеристика представляет собой одну или более долей фазового состава.

18. Способ определения, по меньшей мере, одного из плотности или одной или более долей фазового состава, содержащий:
генерирование входного излучения с использованием генератора рентгеновского излучения;
прохождение входного излучения через текучую среду для обслуживания скважин для формирования выходного излучения;
определение, по меньшей мере, одной физической характеристики путем сравнения входного излучения с выходным излучением,
фильтрование входного излучения для создания контрольного излучения, в котором контрольное излучение включает в себя, по меньшей мере, одну область низкой энергии и, по меньшей мере, одну область высокой энергии,
детектирование названного контрольного излучения;
создание контрольного отсчета высокой энергии и контрольного отсчета низкой энергии и
контроль ускоряющего напряжения генератора рентгеновского излучения на основе отношения контрольного отсчета высокой энергии к контрольному отсчету низкой энергии.

19. Способ по п.18, дополнительно содержащий контроль тока пучка генератора рентгеновского излучения на основе одного из контрольного отсчета низкой энергии, контрольного отсчета высокой энергии и суммы контрольного отсчета низкой энергии и контрольного отсчета высокой энергии.

20. Способ по п.18, в котором способ выполняется во время операции гидроразрыва в нефтяной скважине.

21. Способ по п.18, в котором способ выполняется во время операции цементирования нефтяной скважины.

22. Способ по п.18, в котором текучая среда для обслуживания скважин представляет собой текучую среду для гидравлического разрыва пласта.

23. Способ по п.18, в котором текучая среда для обслуживания скважин представляет собой цементный раствор.