измерение давления пластового газа в обсаженных скважинах с использованием импульсного нейтронного каротажа

Формула изобретения

1. Способ оценки геологической формации, содержащей флюид, в котором осуществляют:

облучение формации радионуклидным источником,

измерение излучения, возникающего при взаимодействии облучения с ядрами, по меньшей мере двумя детекторами,

определение по результатам измерений значения параметра газоносной зоны (ПЗ), отражающего насыщенность флюидом (S_g), на по меньшей мере одной глубине в скважине, используя отношение результатов измерений, выполненных первым детектором из упомянутых по меньшей мере двух детекторов, к результатам измерений, выполненных другим детектором из по меньшей мере двух детекторов,

установление значений ПЗ для по меньшей мере двух различных значений S_g с использованием моделирования по методу Монте-Карло, и

оценку значения S_g на основе определенного значения ПЗ и по меньшей мере двух установленных значений ПЗ и без использования результатов измерения быстрых нейтронов.

2. Способ по п.1, осуществляемый в обсаженной скважине.

3. Способ по п.1, в котором источник радионуклидного облучения включает импульсный источник нейтронов.

4. Способ по п.1, в котором при установлении значений ПЗ используют по меньшей мере один компонент из группы, включающей минералогический состав формации, пористость формации, характеристику прибора, плотность пластового флюида, плотность скважинного флюида, диаметр скважины, диаметр обсадной трубы, плотность газа и уравнение состояния.

5. Способ по п.1, в котором указанное определение осуществляют для нескольких глубин, для каждой из которых осуществляют визуальное отображение определенного значения ПЗ и установленных значений ПЗ для по меньшей мере двух различных значений S_g.

6. Способ по п.1, в котором при вычислении значения S _g используют по меньшей мере один метод из группы, включающей линейную интерполяцию, нелинейную интерполяцию, линейную экстраполяцию и нелинейную экстраполяцию.

7. Устройство для оценки геологической формации, содержащей флюид, включающее

источник радионуклидного излучения, выполненный с возможностью доставки в проходящую через формацию скважину и облучения формации,

по меньшей мере два детектора, выполненные с возможностью выработки сигналов, отражающих результаты взаимодействия излучения с ядрами в формации, и

процессор, способный

определять по сигналам значения параметра газоносной зоны (ПЗ), отражающего насыщенность флюидом (S_g) на по меньшей мере одной глубине в скважине, используя отношение результатов измерений, выполненных первым детектором из упомянутых по меньшей мере двух детекторов, к результатам измерений, выполненных другим детектором из по меньшей мере двух детекторов,

устанавливать значения ПЗ для по меньшей мере двух различных значений S_g с использованием моделирования по методу Монте-Карло, и

оценивать значение S_g на основе определенного значения ПЗ и по меньшей мере двух установленных значений ПЗ и без использования результатов измерения быстрых нейтронов.

8. Устройство по п.7, предназначенное для использования в обсаженной скважине.

9. Устройство по п.7, в котором источник радионуклидного излучения включает импульсный источник нейтронов.

10. Устройство по п.7, в котором процессор способен устанавливать значения ПЗ с использованием по меньшей мере одного компонента из группы, включающей минералогический состав формации, пористость формации, характеристику прибора, плотность пластового флюида, плотность скважинного флюида, диаметр скважины, диаметр обсадной трубы, плотность газа и уравнение состояния.

11. Устройство по п.7, в котором процессор обеспечивает для каждой из нескольких глубин визуальное отображение определенного значения ПЗ и установленных значений ПЗ для по меньшей мере двух различных значений S_g.

12. Устройство по п.7, содержащее средство доставки, выполненное с возможностью перемещения источника излучения в скважину, выбранное из каротажного кабеля и талевого каната.

13. Машиночитаемый носитель данных, предназначенный для использования с устройством оценки геологической формации, содержащей флюид, включающим источник радионуклидного излучения, выполненный с возможностью доставки в проходящую через формацию скважину и облучения формации, и по меньшей мере два детектора, выполненные с возможностью выработки сигналов, отражающих результаты взаимодействия излучения с ядрами,

причем носитель данных содержит команды, позволяющие процессору:

определять по сигналам значение параметра флюидоносной зоны (ПЗ), отражающего насыщенность флюидом (S_g), на по меньшей мере одной глубине в скважине, используя отношение результатов измерений, выполненных первым детектором из упомянутых по меньшей мере двух детекторов, к результатам измерений, выполненных другим детектором из по меньшей мере двух детекторов,

устанавливать значения ПЗ для по меньшей мер двух различных значений S_g с использованием моделирования по методу Монте-Карло, и

оценивать значение S_g на основе определенного значения ПЗ и по меньшей мере двух установленных значений ПЗ и без использования результатов измерения быстрых нейтронов.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится в основном к устройствам каротажа нефтяных и газовых скважин. В частности, данное изобретение относится к устройствам измерения газонасыщенности формаций (пластов) и давления газа с использованием гамма-излучения, создаваемого импульсным источником нейтронов. Изобретение может быть использовано как в обсаженных, так и в необсаженных скважинах.

Уровень техники

Добыча нефти и углеводородных соединений имеет значительную коммерческую ценность при отборе газа из коллекторов. В процессе добычи газа происходит возрастающее проникновение воды в коллектор. Это может быть естественным течением процесса или может быть в случае добычи вторичными методами результатом закачивания воды в коллектор. Таким образом, добыча газа приводит к уменьшению газонасыщенности коллектора. Кроме того, так как коллекторы по своей природе включают проницаемые геологические формации, проходящие в непроницаемых толщах пород, добыча газа приводит к снижению давления газа. Уменьшение давления газа, в свою очередь, влияет на характер перемещения флюида в коллекторе. Знание давления газа также очень полезно при разработке коллектора. Знание газонасыщенности также очень важно при проведении процедур повышения нефтеотдачи, при которых в нагнетательную скважину вводят газ и используют его для направления потока нефти из коллектора в эксплуатационную скважину.

Основной подход, на котором основывается определение газонасыщенности и/или давления газа, такой же, как при определении плотности. В соответствии с одним из подходов, известным как каротаж по наведенному гамма-излучению, регистрируют гамма-излучение, возникающее в породе при облучении источником нейтронов высокой энергии. При импульсном нейтронном источнике гамма-излучение возникает в результате срабатывания одного из двух механизмов. Первым является неупругое рассеяние быстрых нейтронов (нейтронов, энергия которых выше примерно 1 МэВ или близка к этому по порядку величины). Второй механизм связан с захватом надтепловых нейтронов (нейтронов с энергией, равной примерно 1 эВ). Третий механизм связан с захватом тепловых нейтронов (нейтронов с энергией, примерно равной 0,025 эВ). Время жизни быстрых нейтронов очень мало (несколько микросекунд), так что в течение длительности импульса источника формируется поле нейтронов с разной энергией. Вскоре после выброса все нейтроны замедляются до уровня тепловых, и эти тепловые нейтроны беспорядочно мигрируют до тех пор, пока не будут захвачены, причем время их жизни составляет сотни микросекунд. Гамма-излучение неупругого рассеяния возникает в непосредственной близости к генератору нейтронов, а гамма-излучение захвата тепловых нейтронов распределено дальше от генератора нейтронов (вплоть до десятков сантиметров). На количество захватного гамма-излучения сильно влияет содержание углеводородов и величина сечения захвата тепловых нейтронов в материале породы. Количество гамма-излучения, возникшего в результате неупругого рассеяния, менее зависит от этих величин, и результаты измерения такого гамма-излучения непосредственно связаны с плотностью породы. Использование импульсного источника нейтронов позволяет отделить захватное гамма-излучение от гамма-излучения неупругого рассеяния, что дает возможность лучшего определения плотности.

В патенте US 3780301 (Smith Jr. и др.) раскрыты способ и устройство определения газонасыщенности с использованием каротажного прибора, перемещаемого в необсаженной скважине. Импульсный нейтронный источник выдает импульсы нейтронов с энергией примерно 14 МэВ. Отдельный детектор гамма-излучения измеряет количество импульсов гамма-излучения неупругого рассеяния, возникающего при взаимодействии нейтронов с ядрами элементов в формации. Конкретно регистрация количества импульсов производится в энергетических диапазонах, соответствующих С, О, Si и Са. Сравнивая отношения Si/Ca и С/О в этих областях с отношениями Si/Ca и С/О для известных водоносных песчаников, можно определить относительное преобладание известняка в формациях, содержащих низкое количества углеводородов, что дает возможность отличить газоносные зоны от насыщенного водой известняка с низкой пористостью.

Если скважина, в которой перемещается устройство, необсажена, устройство может контактировать с самой подземной формацией (породой). Однако при обсаженной скважине между внутренним пространством ствола скважины, в котором находится устройство, и самой породой располагается слой стали и бетона. Обсадная труба создает препятствие на пути прохождения сигналов между устройством и коллектором и в обратном направлении. Кроме того, наличие цемента может исказить результаты измерения свойств породы.

Измерение плотности формации традиционно проводят с использованием двух детекторов гамма-излучения. В случае необсаженной скважины оценки плотности _SS и _LS, сделанные с помощью ближнего и удаленного детекторов, используют для получения истинного значения плотности, применяя выражение:

где f(.) представляет нелинейную функцию, зависящую от отклонения устройства от стенки или от толщины глинистой корки между устройством и породой, причем эту функцию определяют путем калибровки. В схеме с двумя детекторами есть возможность компенсировать отклонение от стенки (в случае измерения в процессе бурения) и внести поправку на толщину глинистой корки (в случае проведения кабельного каротажа). При использовании импульсного источника нейтронов должна быть также сделана коррекция на колебания интенсивности источника, так как схема с двумя детекторами дает только одну оценку плотности, основанную, например, на отношении выходных сигналов двух детекторов.

При проведении измерений в обсаженных скважинах, как отмечалось выше, возникают дополнительные сложности, связанные с наличием обсадной трубы и цемента. Для исследования формации нейтроны должны выйти из устройства, пройти через обсадную трубу и цемент и рассеяться или быть захваченными в породе, прежде чем образующееся гамма-излучение пройдет на обратном пути через цемент и обсадную трубу, чтобы в конце концов вернуться в устройство и там быть зарегистрированным. Таким образом, вместо простого введения коррекции на наличие глинистой корки (при проведении кабельных измерений в необсаженной скважине) или коррекции на отклонение от стенки (при проведении измерений в процессе бурения) в работающем в обсаженной скважине устройстве измерения плотности должна быть предусмотрена возможность коррекции или компенсации наличия цемента и обсадной трубы, которая более значительна, чем для глинистой корки. В патенте US 5525797 (Moake) раскрыто устройство с тремя детекторами, в котором используется химический (радионуклидного) источник гамма-излучения и введена коррекция на влияние обсадной трубы. Недостатком этого устройства является необходимость в использовании радионуклидного источника высокой энергии (аспект безопасности) и тот факт, что измеряют энергию гамма-излучения, а не скорость счета. Кроме того, нет возможности отделить гамма-излучение неупругого рассеяния от захватного гамма-излучения.

В патенте US 5825024 (Badruzzaman) раскрыто скважинное устройство для измерения плотности подземной формации, в частности, в обсаженных скважинах. Устройство снабжено источником излучения, выполненным с возможностью испускать нейтроны с энергией 14 МэВ импульсами длительностью 20 микросекунд и менее. Устройство содержит по меньшей мере три детектора для регистрации гамма-излучения, возникающего в нейтронных импульсах. Детекторы и источник излучения расположены вдоль центральной оси, причем источник излучения находится на одном из ее концов. Защита расположена между каждой парой детекторов и между последним детектором и расположенным вблизи него источником излучения. Детекторы выполнены с возможностью измерения гамма-излучения с энергией ниже 700 кэВ и выработки соответствующего сигнала отклика. Сигналы можно затем сравнивать с заданными опорными сигналами или результатами компьютерного моделирования для определения плотности и, следовательно, пористости формации.

В публикации Badruzzaman и др. (SPE89884) рассматривается использование сборки из четырех детекторов и импульсного нейтронного источника для проведения измерения плотности через стенку обсадной трубы, включающее определение псевдоплотности, измерение отношения С/О для определения нефтенасыщенности и измерение сечения захвата импульсных нейтронов при различных водо- и паронасыщенности.

Нигде в предшествующем уровне техники не отмечена взаимосвязь с влиянием газонасыщенности и давления газа на результаты измерений, выполняемых каротажным устройством. В настоящем изобретении такая связь учитывается и представлен усовершенствованный подход к определению параметров коллектора при наличии обсадной трубы.

Краткое изложение сущности изобретения

В изобретении предложен способ оценки геологической формации, содержащей флюид, в частности газ. Формацию облучают источником нейтронов, размещаемым в скважине, проходящей через формацию. Возникшее в результате взаимодействия нейтронов с ядрами элементов в формации излучение измеряют по меньшей мере одним детектором, расположенным на некотором расстоянии от источника. По результатам измерений определяют давление газа P_g. Определение давления газа может быть также основано на определении по результатам измерений параметра газоносной зоны (ПЗ), отражающего P_g , по меньшей мере для одной глубины в скважине, и установлении значений ПЗ для по меньшей мере двух различных значений P _g. Скважина может быть обсаженной скважиной. Может быть использован импульсный источник нейтронов. Могут быть использованы два или более детектора, при этом ПЗ связывают с отношением результатов измерений, выполненных двумя детекторами. Детекторы могут быть детекторами гамма-излучения. По меньшей мере два различных значения P_g могут быть значением, в основном равным начальному давлению в коллекторе, и значением, в основном равным давлению консервации коллектора. Определение значений ПЗ может быть основано на минералогическом составе формации, пористости формации, характеристиках отклика устройства, плотности пластового флюида, плотности скважинного флюида, диаметре скважины, диаметре обсадной трубы, плотности газа и/или уравнении состояния, а также может включать моделирование по методу Монте-Карло. В по меньшей мере одну глубину может входить группа глубин, и для каждой из группы глубин могут быть сделаны визуальные отображения определенного значения ПЗ, установленных значений ПЗ для по меньшей мере двух различных значений P _g и значений ПЗ для коллектора, в основном не содержащего газа. Определение значения S_g (флюидо- или газонасыщенность) может быть основано на линейной интерполяции, нелинейной интерполяции, линейной экстраполяции и/или нелинейной экстраполяции.

В изобретении также преложено устройство для оценки геологической формации, содержащей газ. Блок источника нейтронов доставляют в проходящую в формации скважину, после чего источник облучает формацию. По меньшей мере один детектор, расположенный на некотором расстоянии от источника, вырабатывает сигналы, отражающие результаты взаимодействия излучения с ядрами элементов в формации. По полученным сигналам процессор вычисляет значение давления газа P_g . Процессор может вычислять P_g путем определения по сигналам значения ПЗ, отражающего P_g, для по меньшей мере одной глубины в скважине, установления значений ПЗ для по меньшей мере двух различных значений P_g и использования определенных значений ПЗ и по меньшей мере двух установленных значений ПЗ. Скважина может быть обсаженной скважиной. Источник может быть импульсным источником нейтронов. Взаимодействие может быть неупругим рассеянием. Могут быть использованы два или более детектора при ПЗ, связанном с отношением сигналов с двух детекторов. По меньшей мере два различных значения P_g могут включать значение, в основном равное начальному давлению в коллекторе, и значение, в основном равное давлению консервации коллектора. Процессор может устанавливать значения ПЗ с использованием минералогического состава формации, пористости формации, характеристики отклика устройства, плотности пластового флюида, плотности скважинного флюида, диаметра скважины, диаметра обсадной трубы, плотности газа и/или уравнения состояния. Может быть использовано моделирование по методу Монте-Карло. В по меньшей мере одну глубину может также входить группа глубин, и для каждой из группы глубин процессором могут быть сделаны визуальные отображения определенного значения ПЗ, установленных значений ПЗ для по меньшей мере двух различных значений P_g и значения ПЗ для коллектора, в основном не содержащего газа. Источник нейтронов можно доставлять в скважину на каротажном кабеле или талевом канате.

Кроме того, в изобретении предложен машиночитаемый носитель данных, предназначенный для использования в устройстве для оценки геологической формации, содержащей газ. Устройство содержит источник нейтронов, доставляемый в проходящую через формацию скважину. Источник облучает формацию. Устройство также содержит по меньшей мере один детектор, расположенный на некотором расстоянии от источника, причем этот по меньшей мере один детектор вырабатывает сигналы, отражающие результаты взаимодействия излучения с ядрами элементов в формации. Носитель данных содержит программное обеспечение, позволяющее процессору вычислять по сигналам значение ПЗ, отражающего P _g, для по меньшей мере одной глубины в скважине, устанавливать значения ПЗ для по меньшей мере двух различных значений P _g и вычислять по определенному значению ПЗ и по по меньшей мере двум установленным значениям ПЗ значение P_g. Носителем информации может быть постоянное запоминающее устройство (ROM), стираемое программируемое запоминающее устройство (EPROM), электрически стираемое запоминающее устройство (EEPROM), флэш-память и оптический диск.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 (уровень техники) - общее схематическое представление скважинного каротажного устройства, используемого в данном изобретении;

на фиг.2 (уровень техники) - генерация гамма-излучения при неупругом рассеянии и захвате тепловых и надтепловых нейтронов;

на фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая одну из частей изобретения, относящуюся к определению газонасыщенности и давления газа;

на фиг.4 - пример изменения ПЗ в функции от пористости для водонасыщенного и газонасыщенного коллектора;

на фиг.5 - пример отображения ПЗ в скважине при использовании методов повышения нефтеотдачи;

на фиг.6 - пример влияния давления газа на изменение ПЗ в функции от эффективной пористости для водонасыщенного и газонасыщенного коллектора;

на фиг.7 - пример отображения газового коллектора с истощенной зоной;

на фиг.8 - иллюстрация принципа использования ПЗ и результатов изменений С/О для определения насыщенности и давления;

на фиг.9 - приведенная в качестве примера кривая, отражающая изменение отношения С/О в функции от эффективной пористости для различных пластовых флюидов; и

на фиг.10 - блок-схема, иллюстрирующая методику одновременного определения пластового давления и газонасыщенности по ПЗ и отношениям С/О.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 представлена система плотностного каротажа, выполненная в соответствии с предшествующим уровнем техники. Скважина 10 проходит через земную поверхность и может быть обсаженной или необсаженной в зависимости от конкретного вида исследуемой скважины. В скважине 10 находится каротажный зонд 12. Схематически показанная на фиг.1 система представляет собой систему радиоактивного каротажа на основе микропроцессора, в которой использован многоканальный анализ величин для определения временного распределения регистрируемого гамма-излучения. Каротажный зонд 12 содержит сверхудаленный детектор (СУД) 17, удаленный детектор (УД) 14, ближний детектор (БД) 16 и импульсный источник 18 нейтронов. По одному из вариантов выполнения изобретения СУД, УД и БД 17, 14 и 16 содержат соответствующий материал, такой как кристаллы германата висмута (BGO) или йодистого натрия (NaI), сопряженные с фотоумножителями. Для защиты детекторных сборок от воздействия высоких температур в стволе скважины они могут быть установлены в резервуар типа сосуда Дюара. Данное конкретное устройство источника и резервуара приведены исключительно в качестве примера, и не должны рассматриваться как определяющие рамки изобретения. Кроме того, в одном из вариантов выполнения изобретения источник 18 содержит импульсный источник нейтронов на реакции D-Т, при которой ионы дейтерия ускоряют и направляют на тритиевую мишень, в результате чего образуются нейтроны с энергией около 14 МэВ. Такой конкретный тип источника приведен также только в качестве примера, и не должен рассматриваться как ограничивающий объем изобретения. Ток катода и ускоряющее напряжение в источнике 18 обеспечиваются блоком 15 питания. В скважине 10 зонд 12 подвешен на кабеле 20, содержащем необходимые проводные связи для электрического соединения зонда 12 с поверхностной аппаратурой.

Выходные сигналы с детекторов 17, 14 и 16 собираются на детекторной плате 22, где они усиливаются и сравниваются с регулируемым порогом дискриминатора перед поступлением на канальный генератор (КГ) 26. Канальный генератор 26 является компонентом многоканальной секции 24 нормирования, в которую также входит накопитель 28 спектра и центральный процессор (ЦП) 30. В секции 24 нормирования, в накопителе 28 спектра собираются спектральные данные с привязкой к номеру канала, вырабатываемому канальным генератором 26, и адресу ячейки памяти. После накопления во всех каналах соответствующих данных центральный процессор 30 считывает спектр, то есть собирает данные со всех каналов, и через модем 32, соединенный с кабелем 20, пересылает данные по линии связи в аппаратуру на поверхности. Канальный генератор 26 вырабатывает также сигналы синхронизации, регулирующие частоту следования импульсов источника 18 и дальнейшую работу центрального процессора 30 по выдаче управляющих команд, задающих определенные рабочие параметры зонда 12, включая уровни дискриминации детекторной платы 22, катодный ток и ускоряющее напряжение, подаваемые на источник 18 с блока 15 питания.

В поверхностную аппаратуру входит главный контроллер (процессор) 33, соединенный с кабелем 20 и предназначенный для обработки данных с зонда 12 и передачи управляющих сигналов на зонд 12. Имеется также связанный с поверхностной аппаратурой контроллер 36 глубины, выдающий в главный контроллер 33 сигналы, отражающие перемещение зонда 12 в скважине 10. Оператор системы обращается к главному контроллеру 33 для получения разрешения на ввод определенных входных данных, необходимых для выполнения системой каротажных операций. К главному контроллеру 33 подсоединены также дисплейный блок 40 и блок 44 накопления информации. Основным назначением дисплейного блока 40 является визуальная индикация полученных данных каротажа, а также данных о работе системы. Блок 44 накопления предназначен для сохранения полученных системой каротажных данных, а также для вызова накопленных данных и рабочих программ системы. Пересылка данных и получение инструкций с удаленного пункта может осуществляться по спутниковой связи.

При проведении каротажа так, как показано на фиг.1, сначала главный контроллер 33 пересылает программы работы системы и командные сигналы, предназначенные для выполнения центральным процессором 30 и относящиеся к конкретной операции проведения каротажа. Затем зонд 12 обычным образом перемещают в скважине 10, при этом источник 18 выдает импульсы в соответствии с синхронизирующими сигналами, поступающими с канального генератора 26. Обычно частота возбуждения источника 18 составляет 1000 импульсов в секунду (1 кГц). Это, в свою очередь, приводит к выбросу в окружающую исследуемую породу быстрых нейтронов с энергией порядка 14 МэВ. Как показано далее при рассмотрении фиг.2, этот пакет быстрых нейтронов, введенных в породу, образует в породе гамма-излучение, которое в различные моменты времени попадет на сверхудаленный, удаленный и ближний детекторы 17, 14 и 16. При попадании каждого гамма-кванта на детекторную сборку из кристалла и фотоумножителя возникает импульс напряжения с амплитудой, связанной с конкретным гамма-квантом, который далее поступает на детекторную плату 22. Следует напомнить, что на детекторной плате 22 происходит усиление каждого импульса и сравнение его с регулируемым порогом дискриминации, обычно устанавливаемым на уровне, соответствующем приблизительно 100 кэВ. Если такой импульс имеет амплитуду, соответствующую энергии по меньшей мере приблизительно 100 кэВ, то импульс напряжения преобразуется в оцифрованный сигнал и поступает в канальный генератор 26 секции 24 нормирования.

Следует добавить, что специалистам в данной области известно, что многие из функций, выполняемых описанными с привязкой к фиг.1 компонентами, могут быть реализованы процессором. Следует также отметить, что представленная на фиг.1 система включает также перемещение каротажного прибора в скважине с помощью кабеля. Однако было установлено, что каротажный прибор мог бы быть частью системы измерений в процессе бурения, входящей в забойную компоновку, доставляемую в скважину с помощью трубчатой конструкции, такой как буровая колонна или гибкие насосно-компрессорные трубы малого диаметра. Кроме того следует отметить, что на фиг.1 показано устройство в необсаженной скважине. Способ и устройство с равным успехом могут быть использованы и в обсаженных скважинах.

На фиг.2 показано каротажное устройство, в котором может быть использовано настоящее изобретение. Показанный прибор - это монитор параметров коллектора (RPM - от англ. Reservoir Performance Monitor) фирмы Baker Atlas, Incorporated. Измерительная головка 100 содержит нейтронный источник 101 и три разнесенных по оси детектора, описанных ниже. Число показанных на фиг.2 детекторов является только примером количества детекторов, используемых в приведенном варианте выполнения настоящего изобретения. Это не является ограничением настоящего изобретения. Измерительная головка в соответствии с настоящим изобретением может содержать два детектора или более. Нейтронный источник 101 может выдавать импульсы с различной частотой и работать в различных режимах в зависимости от типа проводимых измерений. Ближний детектор (БД) 105 находится ближе всего к источнику 101. Удаленный детектор (УД) обозначен позицией 106, и следующий детектор 107 называется сверхудаленным детектором (СУД). Быстрые нейтроны (с энергией приблизительно равной 14 МэВ) испускаются источником 101 и выходят в скважину и формацию, где испытывают взаимодействие нескольких типов. В течение первых нескольких микросекунд (мкс), прежде чем потерять большую часть энергии, некоторые нейтроны испытывают неупругое рассеяние на ядрах в стволе скважины и породе и образуют гамма-излучение. Это гамма-излучение 120 неупругого рассеяния имеет энергию, характеризующую ядра атомов, на которых произошло рассеяние. В число атомных ядер, содержащихся в такой среде, входят, например, ядра углерода, кислорода, кремния, кальция и некоторые другие.

Два или более детектора задействованы при работе в одном или более режимах. В такие режимы входят, но не ограничиваются этим, режим регистрации параметров импульсов нейтронов, режим спектрометрии импульсов нейтронов, режим поддержки отображения нейтронных импульсов и режим возбуждения нейтронов. Например, в режиме захвата импульсных нейтронов устройство с частотой дискретизации 1 кГц записывает полный временной спектр для каждого детектора. Для стабилизации уровней дискриминации по энергии записывается также энергетический спектр. Временные спектры для ближнего и удаленного детекторов могут быть обработаны независимо, чтобы получить обычную информацию о сечении захвата тепловых нейтронов, или эти два спектра могут быть использованы совместно, чтобы внести автоматическую коррекцию на влияние скважины и рассеяния и получить результаты более близкие к истинным значениям характеристик породы.

В режиме спектрометрии импульсов нейтронов устройство производит отсчеты, например, с частотой 10 кГц и регистрирует полный спектр гамма-излучения неупругого рассеяния и захватного гамма-излучения с каждого детектора. Эти данные обрабатывают так, чтобы определить соотношения элементов, включая соотношения углерод/кислород и кальций/кремний по спектру неупругого рассеяния и кремний/кальций по спектру захватного гамма-излучения.

При выключенном генераторе нейтронов измерительная аппаратура может быть также использована для регистрации распределения материалов, помеченных радиоактивными индикаторами, введенными в скважину во время ее обработки. Подобным путем можно оценить эффективность проведения таких операций, как гидравлический разрыв пласта или установка сетчатого фильтра с гравийной набивкой.

В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения импульсный генератор нейтронов повышенной надежности с увеличенным выходным сигналом объединяют с высокоскоростным скважинным микропроцессором и управляющими схемами приводов и детекторов. Для проведения различных измерений система поддерживает работу в режиме нескольких частот и различных временных окон. Режимы работы могут быть выбраны с поверхности без извлечения устройства из скважины.

Всего за несколько микросекунд большинство нейтронов испытывают или неупругое, или упругое рассеяние и достигают теплового уровня энергии, соответствующего приблизительно 0,025 эВ. Этот процесс схематически отображен на фиг.2 в виде последовательности сплошных стрелок 110. Тепловые нейтроны продолжают испытывать упругое рассеяние, но при этом в среднем больше не теряют энергию. Через несколько микросекунд после выключения генератора нейтронов этот процесс заканчивается. В течение последующих нескольких сот микросекунд тепловые нейтроны захватываются ядрами различных элементов и снова образуют гамма-излучение 130, известное как захватное гамма-излучение. Спектр захватного гамма-излучения дает информацию об относительном содержании этих элементов. Гамма-излучение неупругого рассеяния обозначено позицией 120.

Далее будет дано общее рассмотрение способа, представленного в настоящем изобретении. Как отмечено выше, целью изобретения является определение газонасыщенности и/или давления газа в коллекторе. Рассмотрим сначала случай, когда давление газа известно, и задача состоит в определении газонасыщенности. Далее рассмотрим случай, когда газонасыщенность известна, и задача состоит в определении давления газа. И в конце рассмотрим способ одновременного определения газонасыщенности и давления газа.

При обсуждении принципа определения газонасыщенности обратимся к фиг.3. Способ рассматривается в контексте обработки данных после проведения измерений и регистрации, но должно быть понятно, что некоторые или все операции способа могут быть в основном выполнены в реальном времени. В блоке 151 выбирается начальная глубина. С использованием трех или более детекторов в блоке 155 проводятся измерения гамма-излучения неупругого рассеяния, соответствующие начальной глубине. Информация о глубине используется для привязки в блоке 153 таких параметров, как минералогический состав и эффективная пористость формации к глубине, полученной в блоке 151. Минералогический состав и эффективная пористость могут быть получены из предварительных измерений, выполненных в необсаженной скважине, по частицам бурового шлама, по кернам и т.д. Эффективная пористость _е в основном меньше, чем общая пористость , определенная каротажными приборами. Эффективная пористость пропорциональна поровому пространству за вычетом закрытых пор. То есть замеряется объем пор, эффективно связанных друг с другом. Это может быть определено, например, с применением ядерного магнитного резонанса.

По выполненным детекторами измерениям (блок 155) определяется отношение R_IN13 по актам неупругого взаимодействия для ближнего и сверхудаленного детекторов. Было установлено, что это отношение наиболее чувствительно к влиянию газа. Следует отметить, что отношение R_IN23 также чувствительно к пластовому газу, но статистические флуктуации этого отношения в основном больше, чем флуктуации R_IN12 и R_IN13. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения может быть использовано взвешенное сочетание результатов измерений. Это взвешенное сочетание рассмотрено в Патентной заявке US № 10/955867 на имя Gilchrist и др., имеющей того же правопреемника, что и настоящее изобретение, и содержание которой включено в данную заявку в качестве ссылки. Назовем любую из этих величин параметром флюидоносной, в частности газоносной, зоны (ПЗ). Следует также отметить, что отношение R_ATO13 для зарегистрированного числа импульсов захватного гамма-излучения даже более чувствительно к наличию газа и может быть использовано в одном из вариантов выполнения настоящего изобретения. Однако зарегистрированное число импульсов захватного излучения чувствительно также к таким факторам, как засоленность пласта и наличие глинистых минералов, что требует соответствующей коррекции на эти факторы. Следует отметить, что за время регистрации гамма-излучения неупругого рассеяния некоторый вклад вносит также захватное гамма-излучение. Как правило, как гамма-излучение неупругого рассеяния, так и захватное гамма-излучение измеряют в одном и том же энергетическом диапазоне приблизительно от 0,1 МэВ до 8 МэВ. В одном из вариантов выполнения изобретения скорректированное значение числа импульсов гамма-излучения неупругого рассеяния получают путем учета вклада захватного гамма-излучения. Способ такой коррекции рассмотрен, например, в патенте US 5374823 (Odom). Специалистам в данной области техники должны быть известны и другие способы.

В блоке 157 выполняется сравнение с таблицей для границ ПЗ. Таблицу строят с использованием моделирования по методу Монте-Карло. Следует отметить, что термин "сравнение с таблицей", как он используется в данном описании, должен подразумевать использование уравнений, полученных из моделирования по методу Монте-Карло, для различных факторов, учитываемых при моделировании. В моделирование по методу Монте-Карло могут быть включены такие факторы, как минералогический состав и эффективная пористость, известные характеристики отклика устройств, плотность пластового флюида, плотность скважинного флюида, диаметр скважины и диаметр обсадной трубы. В одном из вариантов выполнения изобретения рассматриваются четыре наиболее распространенных минерала: песчаник, сланец, известняк и доломит. В одном из вариантов выполнения изобретения давление газа рассматривается как известная величина, и таблица сравнения строится для четырех постоянных значений давления газа. Давление газа может быть определено по результатам испытаний на приток в скважину. Плотность пластового флюида может быть определена с использованием приборов, один из которых раскрыт в патенте US 5473939 (Michaels и др.), принадлежащем тому же правообладателю, что и настоящее изобретение, и содержание которого включено в данную заявку посредством ссылки. Измерения плотности могут быть также выполнены на поверхности. Свойства скважинного флюида могут быть определены на поверхности при условии создания температуры и давления, соответствующих скважинным условиям.

На основе сравнения с таблицей вырабатываются значения для газонасыщенности, равной 0%, и газонасыщенности, равной 100%. Они представляют собой граничные значения (называемые границей диапазона) для ПЗ. Значения границ и ПЗ накапливаются (блок 161) для дальнейшего хранения и отображения, и происходит переход (блок 163) к обработке данных для следующей глубины. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут обработаны все глубины. Следует отметить, что могут быть построены кривые для дополнительных значений S_g. Соотношение между параметром газоносной зоны и S_g при постоянном давлении не линейно, так что для количественного анализа может быть выполнена линейная интерполяция или экстраполяция.

Фиг.4 иллюстрирует качественное обоснование для газовой оболочки. По оси абсцисс отложена эффективная пористость газоносного пласта с коллектором, а по оси ординат - ПЗ. Кривая 221 отражает ПЗ для S_g =0, а кривая 223 - ПЗ для S_g=1 при данной плотности газа (что соответствует постоянному давлению газа). По мере увеличения газового купола коллектора прогрессивно увеличивается газонасыщенность, что отмечено стрелкой 227, и что при проведении операций по повышению нефтеотдачи можно сразу увидеть на дисплее так, как показано на фиг.5.

На фиг.5 в качестве примера показано изображение на экране дисплея, получаемое при использовании настоящего изобретения. Данные получены для скважины в известняковом коллекторе для части операций по повышению нефтеотдачи. Кривая 241 соответствует "водонасыщенной" стороне, то есть газонасыщенности, равной 0%. Кривая 245 соответствует 100% газонасыщенности и представляет "газонасыщенную" сторону. Кривая 243 отображает измеренные значения ПЗ. Можно видеть, что в зоне, обозначенной сноской 247, кривая 243 отходит от кривой 241, соответствующей водонасыщенной стороне: это свидетельствует о присутствии газа, причем степень расхождения соответствует степени газонасыщенности. Следует отметить, что соотношение необязательно линейно, так что для количественного выражения газонасыщенности может быть выполнена линейная или нелинейная интерполяция или экстраполяция. В зоне, обозначенной сноской 249, кривая 243 в основном перекрывает водонасыщенную кривую 241 и является индикатором водонасыщенной зоны, в которой газ отсутствует.

Хотя приведенный выше пример относится к операции повышения нефтеотдачи, аналогичные результаты могут быть получены для газовых скважин: отклонение ПЗ от значений для "водонасыщенного" значения может быть использовано для идентификации газоносного пласта в коллекторе. В этом случае дальнейшие действия по разработке коллектора должны заключаться в перфорации обсадной трубы в обозначенном газоносном интервале и отборе газа.

В другом варианте выполнения изобретения может быть определено давление газа. Обоснование этого представлено на фиг.6. По виду она аналогична фиг.4. Здесь кривая 223 представляет ПЗ в функции от эффективной пористости и может соответствовать начальному давлению газа в газовом коллекторе. По мере отбора газа и в предположении, что проникновение воды в коллектор отсутствует (S_g постоянно), давление газа падает, плотность газа уменьшается и ПЗ уменьшается. Это отражено кривой 223', для которой ПЗ меньше, чем для кривой 223. Это означает, что при постоянной газонасыщенности снижение давления газа приводит к расширению границ диапазона. Заметим, что водонасыщенная граница 221 для диапазона не зависит от давления газа. Также как для влияния S_g на ПЗ, влияние P_g на ПЗ может быть нелинейным. Можно построить более двух кривых и использовать линейную или нелинейную интерполяцию или экстраполяцию для количественного определения давления газа.

Пример, полученный на реальном газовом коллекторе, представлен на фиг.7. Вблизи верхней части интервала скважины кривая 261 представляет водонасыщенную границу, и кривая 263 соответствует давлению газа при S_g =1. Кривая 265 отражает при S_g=1 пониженное давление газа в коллекторе, соответствующее давлению, при котором коллектор нужно выводить из эксплуатации. Реальные результаты измерений, соответствующие кривой 267, лежат вблизи кривой 263, показывая, что по меньшей мере в верхней части интервала скважины давление не снижено.

Нельзя сказать то же самое для нижней части интервала скважины. Кривая 261' соответствует водонасыщенной границе, кривая 263' соответствует начальному давлению газа при S_g=1. Кривая 265' представляет кривую при S_g=1 для сниженного давления газа в коллекторе. Реальные результаты измерений, соответствующие кривой 267', лежат вблизи кривой 265', свидетельствуя о том, что более глубокие газовые коллекторы истощены и давление в них снижено. Это очень важная информация, необходимая при подготовке газоносного пласта.

В настоящем изобретении учитывается тот факт, что предположения о постоянстве давления газа или постоянстве газонасыщенности могут быть не верны. Соответственно в одном из вариантов выполнения изобретения определяется также отношение углерода к кислороду (С/О). Как должно быть известно специалистам в данной области, гамма-излучение неупругого рассеяния, соответствующее энергии приблизительно 4,4 МэВ, прежде всего определяется ядрами углерода, имеющегося в пласте. Гамма-излучение неупругого рассеяния, соответствующее энергии 6,13 МэВ, отражает наличие кислорода в пласте. Отношение С/О представляет собой независимую величину, на которую влияют как газонасыщенность, так и давление газа.

Чтобы понять, как это можно использовать, сначала более подробно рассмотрим фиг.6 и сделаем из этого рассмотрения некоторые выводы. Заметим, что положение точки 281 на фиг.6 (которой соответствуют данные значения ПЗ и эффективной пористости) может определяться различными сочетаниями давления газа и газонасыщенности или, что эквивалентно, плотности газа и газонасыщенности. Используя набор значений _g, это соотношение может быть качественно представлено кривой 283.

Отметим далее, что информация о газонасыщенности может быть получена из отношения С/О. Отношение С/О для данного диаметра скважины и диаметра обсадной трубы зависит от эффективной пористости, пластового флюида и скважинного флюида. Пример приведен на фиг.9. По оси абсцисс отложена эффективная пористость, а по оси ординат - отношение С/О. Кривые 301, 303 и 305 соответствуют нефтенасыщенной породе, газонасыщенной породе и водонасыщенной породе и получены для заполненной нефтью скважины. Кривые 307, 309, 311 соответствуют кривым для скважины, заполненной газом, в то время как кривые 313, 315, 317 относятся к скважине, заполненной водой. Кривые на фиг.9 получены для удаленного детектора, находящегося в скважине диаметром 8,5 дюйма (21,59 см) при диаметре обсадной трубы, равном 5 дюймов (12,7 см). Аналогичные кривые существуют и для ближнего детектора.

Повторим, для данной эффективной пористости измеренное значение отношения С/О может быть получено из различных комбинаций S_g и _g для нескольких значений эффективной пористости. Это представлено на фиг.8 кривой 287. Пересечение кривых 287 и 283 в точке 285 дает единственное значение S_g и _g, соответствующее измеренным значениям ПЗ и отношения С/О. Тогда значение давления газа можно вывести из плотности газа, используя уравнение состояния. Простейшим известным примером уравнения состояния является уравнение, связывающее давление Р, объем V и абсолютную температуру Т одного моля идеального газа, то есть PV=RT, где R - универсальная газовая постоянная. Плотность реальных газов определяется по более сложным уравнениям состояния, но эти уравнения применимы для природного газа.

Данный вариант выполнения изобретения проиллюстрирован блок-схемой на фиг.10. Импульсные нейтронные измерения выполняются на определенной глубине (блок 353). По результатам импульсных нейтронных измерений определяются ПЗ (блок 357) и отношение С/О (блок 355). По известному значению эффективной пористости (блок 351) определяются, как рассмотрено выше, S_g и _g (блок 359). С использованием уравнения состояния может быть определено давление газа (блок 361). Операции повторяются для других глубин. Как отмечалось выше, определение ПЗ зависит от литологических особенностей и может также учитывать влияние обсадной трубы. Ввиду отличия отношений С/О, полученных ближним и сверхудаленным детекторами, могут быть использованы или одно из значений, или взвешенная комбинация полученных отношений.

Описанный выше способ дает количественное определение газонасыщенности и давления газа. Это отличает его от известных в предшествующем уровне техники способов, основанных на определении плотности, которое эффективно при качественном установлении наличия газа, но малополезно для количественного анализа.

Нейтронный источник и детекторы гамма-излучения могут быть доставлены в скважину на каротажном кабеле. Альтернативно доставка может быть выполнена с помощью талевого каната. В варианте доставки с использованием талевого каната данные сохраняются в соответствующем устройстве памяти с последующим извлечением его на поверхность или доставкой на удаленный пункт.

В случае кабельного каротажа обработка результатов измерений может быть выполнена наземным процессором 33, скважинным процессором или на удаленном пункте. Процессом сбора и обработки данных можно по меньшей мере частично управлять через скважинные электронные блоки. Обязательным при регулировании работы и обработке данных является использование компьютерных программ, представленных на машиночитаемом носителе, что дает возможность выполнять регулирование и обработку в процессоре. В машиночитаемые носители могут входить постоянные запоминающие устройства, стираемые программируемые запоминающие устройства, электрически стираемые программируемые запоминающие устройства, флэш-память и оптические диски. Термин "процессор" охватывает и такие устройства, как программируемая вентильная матрица (FPGA).

Хотя в данном описании раскрыты конкретные варианты выполнения изобретения, для специалистов в данной области будут очевидны различные его модификации. Объемом настоящего изобретения охватываются и все такие варианты, подпадающие под рамки приложенной формулы изобретения.