способ определения пористости пластов на основе регистрации надтепловых нейтронов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения пористости пластов, содержащий облучение пласта импульсным управляемым генератором быстрых (14 МэВ) нейтронов, регистрацию излучения в стволе скважины и определение соответствующего значения пористости, отличающийся тем, что регистрируют полное временное распределение изменения плотности поля надтепловых (надкадмиевых) нейтронов при облучении исследуемой горной породы импульсным управляемым генератором быстрых нейтронов, который работает в импульсном режиме излучения с высокой частотой следования нейтронных импульсов (несколько тысяч герц), при этом полное временное распределение, разбитое на временные окна, передается в цифровом формате на поверхность и записывается в компьютер для последующей обработки.

2. Устройство для определения пористости пластов, содержащее импульсный излучатель быстрых (14 МэВ) нейтронов, поглотитель нейтронов, блок цифровой обработки, детекторы надтепловых (надкадмиевых) нейтронов, фильтр и два усилителя-дискриминатора импульсов, отличающееся тем, что на двух детекторах регистрируется полное временное распределение изменения плотности поля надтепловых (надкадмиевых) нейтронов при облучении исследуемой горной породы импульсным управляемым генератором быстрых нейтронов, который работает в импульсном режиме излучения с высокой частотой следования нейтронных импульсов (несколько тысяч герц), при этом полное временное распределение, разбитое на временные окна, передается в цифровом формате на поверхность и записывается в компьютер для последующей обработки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефте- и газопромысловой геофизики и может быть использовано при контроле за разработкой залежей нефти и газа для определения пористости пластов.

Известен способ импульсного-нейтронного каротажа (ИНК) однозондовый или многозондовый. При ИНК горную породу облучают прерывистым потоком быстрых нейтронов и в перерывах облучения на фиксированном расстоянии от источника регистрируют плотность тепловых нейтронов (импульсный нейтрон-нейтронный каротаж - ИННК) или вызванных ими -квантов радиационного захвата (импульсный нейтрон-гамма каротаж). Для проведения ИНК используют аппаратуру, содержащую в скважинном приборе импульсный источник быстрых нейтронов и детектор тепловых или гамма квантов, а также временной анализатор и схему регистрации скорости счета. После обработки этих временных спектров получают нейтронные параметры исследуемого продуктивного пласта: - макросечение поглощения тепловых нейтронов, L₃ - длину замедления быстрых (14 МэВ) нейтронов и Д - коэффициент диффузии тепловых нейтронов. Так как нейтронные параметры контролируются соответствующими петрофизическими параметрами, а именно _н - нефтенасыщенностью (при достаточной минерализации пластовой воды), L₃ и Д - общей пористостью пласта, то при измерении нейтронных параметров определяют общую пористость и нефтенасыщенность продуктивного пласта [1, 2, 3].

Также известен способ изучения разрезов скважин, при котором породы облучают быстрыми нейтронами от постоянного (не управляемого) источника нейтронов и регистрируют медленные - тепловые (ТННК) или надтепловые нейтроны (НННК). Основное назначение нейтрон-нейтронного каротажа (ННК) - изучение содержания водорода в горных породах. При низкой минерализации пластовых вод для определения пористости рекомендуется использовать ТННК, а при значительной и переменной минерализации вод в пласте и скважине - НННК, показания которого слабо зависят от поглощающих нейтроны элементов [1, 2].

Так же известен способ исследования коллекторов нефти и газа в необсаженных скважинах, осложненных зонами проникновения промывочной жидкости, заключающийся в том, что выбранный участок пласта облучают импульсным потоком быстрых нейтронов, измеряют потоки тепловых и/или надтепловых нейтронов в промежутках между облучаемыми импульсами нейтронов и по кривым временного спада потока нейтронов судят о пористости и насыщенности в пласте [6].

В вышеуказанных методах предполагается регистрация тепловых или надтепловых нейтронов при использовании постоянного или импульсного нейтронного излучателя быстрых нейтронов. Однако указывается не оптимальная частота следования нейтронных импульсов от управляемого излучателя нейтронов. Например, в Патенте RU № 2113723 четко предлагается частота работы генератора нейтронов 10-20 (Гц) или 400 (Гц). Однако такая частота применима только для регистрации тепловых нейтронов и не применима для регистрации надтепловых нейтронов, так как очень велики перегрузки в детекторах. Это подтверждает патент US № 4910397А [7] страница 3, где сказано: «Нейтронные вспышки должны иметь продолжительность приблизительно от 1 до 20 микросекунд с интервалом между вспышками приблизительно 50-200 микросекунд, чтобы обеспечить частоту повторения импульсов 5000-20000 быстрых нейтронных вспышек в секунду». Выбор частоты излучения является существенным признаком, влияющим на точность измерения пористости пластов на основе регистрации надтепловых (надкадмиевых) нейтронов. Так как известные (современные) управляемые излучатели быстрых нейтронов испускают определенное количество быстрых нейтронов в единицу времени, практически не зависимо от частоты излучения [8], то при использовании высокочастотного режима излучения нейтронных импульсов удается существенно уменьшить количество испускаемых быстрых нейтронов от единичного импульса излучения. Иначе говоря, генератор, работающий на частоте излучения 10000 Гц, испускает за 1 секунду такое же количество быстрых нейтронов, сколько и при частоте излучения в 10 Гц, при этом значительно меньше после каждого единичного импульса. Благодаря использованию высокочастотного режима излучателя при регистрации надтепловых нейтронов в скважине, удается существенно уменьшить просчеты (пропуски) в детекторах надтепловых нейтронов из-за наложения импульсов, при этом не уменьшить общее количество приходящих из пласта надтепловых нейтронов.

Наиболее близким к заявленному способу и устройству является способ и устройство для определения пористости пластов, согласно источнику информации «PULSED NEUTRON POROSITY LOGGING» US № 4910397 A [7].

Недостатком указанного технического решения является то, что предлагается находить интегральный счет надтепловых (надкадмиевых) нейтронов в одном временном интервале, начиная с момента T1 после окончания импульса и до момента T2. На рисунке 6 и 7 в US № 4910397 A указано, что время T1 берется с момента, когда уменьшается влияние надтепловых нейтронов, пришедших из колонны. Однако не уточняются конкретные значение T1 и T2, которые различны для различных конструкций скважины (диаметр колонны, толщина цементной обсадки и д.р.) [9]. Кроме этого, в приборе отсутствует «блок цифровой обработки» для предварительной обработки данных и передачи данных на поверхность в цифровом формате, который исключает возможность искажения информации.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа каротажа, позволяющего повысить точность и достоверность получаемых результатов исследования, с целью определения пористости пластов. А также создание компактного надежного устройства для реализации предлагаемого способа.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения пористости пластов, содержащем облучение пласта управляемым источником нейтронов, регистрируют полное временное распределение изменения плотности поля надтепловых (надкадмиевых) нейтронов при облучении исследуемой горной породы импульсным управляемым генератором быстрых нейтронов, который работает в импульсном режиме излучения с высокой частотой следования нейтронных импульсов (от 5 до 20 КГц), при этом полное временное распределение, разбитое на малые временные окна, передается в цифровом формате на поверхность и записывается в компьютер для последующей обработки. При последующей обработке полного временного распределения изменения плотности надтепловых нейтронов выбирают оптимальный для данной конструкции скважины временной интервал T1 и T2. Тем самым уменьшая отрицательное влияние скважины на измеряемую пористость пластов.

Поставленная задача также решается тем, что устройство для определения пористости пластов содержит импульсный излучатель быстрых нейтронов, поглотитель нейтронов, блок цифровой обработки, детекторы надтепловых (надкадмиевых) нейтронов, фильтр и два усилителя-дискриминатора импульсов, при этом излучатель нейтронов является импульсным управляемым с энергией излучения нейтронов 14 МэВ.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является повышение точности и достоверности получаемых результатов исследования для определения пористости пластов путем уменьшения влияния скважины, минерализации пластовой воды и создание компактного надежного устройства для реализации предлагаемого способа.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе используется управляемый источник быстрых нейтронов с энергией излучения порядка 14 МэВ, работающий в импульсном режиме на частоте 8 КГц, один (или более) детектор надтепловых нейтронов на основе гелиевого счетчика, окруженного фильтром, который поглощает нейтроны с энергией ниже 1 эВ. Измеряют полные временные распределения плотности надтепловых нейтронов на этапах замедления и термализации быстрых нейтронов, в частности, во временном интервале от 0 до 96 мкс после окончания импульса нейтронов от генератора с дискретизацией по времени 6 мкс, находят интегральную плотность надтепловых нейтронов (Nнт) на некоторой (оптимальной) временной задержке после окончания импульса излучения. Величина Nнт линейно зависит от общей пористости (водородосодержания) горной породы во всем диапазоне пористостей без признаков «вырождения».

Благодаря регистрации полного временного распределения плотности надтепловых нейтронов и передачи его в цифровом формате (исключающем возможность искажения) на поверхность, при дальнейшей обработке удается выбрать оптимальный временной интервал для подсчета Nнт. Кроме этого, благодаря использованию импульсного излучателя нейтронов повышается мощность и энергия зондирующего излучения, т.к. количество быстрых нейтронов, испускаемых управляемым генератором нейтронов, составляет порядка 7·10⁸ нейтрон в секунду, что более чем в 10 раз больше по сравнению с постоянным (ампульным) источником нейтронов. За счет этого уменьшается статистическая погрешность измерения. Кроме этого, за счет того, что регистрируемое распределение плотности надтепловых (надкадмиевых) нейтронов не зависит от минерализации пластовых вод, увеличивается достоверность определяемой плотности пластов, без влияния на показания минерализации воды в пласте.

Также для достижения указанного результата устройство для определения пористости пластов на основе регистрации надтепловых нейтронов содержит управляемый импульсный излучатель быстрых нейтронов, поглотитель нейтронов, блок цифровой обработки, два детектора надтепловых нейтронов, фильтр и два усилителя-дискриминатора импульсов, при этом усилители-дискриминаторы импульсов соединены с одним выходом детектора надтепловых нейтронов, выходы усилителей-дискриминаторов подсоединены ко входам двух счетчиков импульсов, которые соединены с блоком цифровой обработки, выход которого через одножильный геофизический кабель соединен с наземным оборудованием.

Устройство позволяет определять пористость пластов горных пород при непрерывном движении прибора и передавать полученные данные на поверхность по одножильному геофизическому кабелю, что повышает надежность работы устройства.

Отличием предложенных технических решений от известных является то, что регистрируется полное временное распределение плотности надтепловых нейтронов и передача его в цифровом формате (исключающим возможность искажения) на поверхность, где при дальнейшей обработке удается выбрать оптимальный временной интервал для подсчета плотности надтепловых нейтронов, пришедших из исследуемого пласта, при этом используется импульсный управляемый генератор нейтронов, работающий в режиме излучения с высокой частотой следования нейтронных импульсов (несколько тысяч герц).

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют определять водородосодержание исследуемых пластов с повышенной точностью и меньшим влиянием на показания конструкции скважины и поглощающих нейтроны элементов, содержащихся в пласте (хлор, редкоземельные элементы).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 - представлена блок-схема скважинного прибора для осуществления предлагаемого способа;

на фиг.2 - показана зависимость интегральной плотности потока надтепловых нейтронов после однократного облучения быстрыми нейтронами от пористости горных пород. Эти данные получены предлагаемым прибором на моделях ООО «ТНГ-Групп», имеющих сертификат государственного стандартного образца пористости и плотности горных пород пересеченных скважиной (комплект СО-НК № 8632-2004), допущенный к применению на территории РФ;

на фиг.3 - показан участок полного временного распределения плотности поля надтепловых нейтронов в интервале времени через 24 мкс сразу после окончания импульса излучения и до 96 мкс, в зависимости от пористости моделей ООО «ТНГ-Групп». Интервал от 24 мкс до 96 мкс выбран опытным путем для данной конструкции моделей. Модели с CO1 по CO4 относятся к карбонатам, а модели с CO5 по CO8 к теригенам. В скобках указаны значения пористости моделей.

Устройство для проведения исследования состоит из детекторов надтепловых нейтронов (5, 7), состоящих из газонаполненного счетчика медленных нейтронов, окруженного кадмиевым экраном, через который преимущественно проходят только надтепловые (надкадмиевые) нейтроны. В детекторе энергия надтепловых нейтронов преобразуется в электрические импульсы. Выходы детекторов соединены с входом усилителей-дискриминаторов (4) и (6). Один усилитель-дискриминатор (6) усиливает и пропускает импульсы от детектора, расположенного на расстоянии 25-35 см от мишени излучателя, другой усилитель-дискриминатор (4) усиливает и пропускает импульсы от детектора, расположенного на расстоянии 55-65 см от мишени излучателя. Выходы усилителей-дискриминаторов (4) и (6) соединены с входом счетчиков, расположенных в блоке (2) цифровой обработки (БЦО). В БЦО происходит временное накопление импульсов, распределение их по временным окнам, преобразование накопленных данных в кодовую посылку для передачи и осуществляется передача по одножильному геофизическому кабелю на поверхность. Блок цифровой обработки (2) управляет работой излучателя нейтронов (8). Кроме этого, в состав скважинного прибора входит основной блок питания (3), который преобразует напряжение 200 В, поступающее с поверхности, в напряжения 15 В, 12 В и 2 кВ, необходимое для питания блоков прибора. Излучатель нейтронов (8) необходим для генерации нейтронов с энергией 14 МэВ. Фильтр (1) необходим для фильтрации питающего напряжения 200 В.

Способ с помощью устройства осуществляют следующим образом. Сразу после окончания нейтронной вспышки (длительностью 24 мкс) блок цифровой обработки (2) формирует временные интервалы 6 мкс, в которых происходит подсчет электрических импульсов, поступающих от детекторов (5, 7). Временное распределение электрических импульсов соответствует временному распределению поля надтепловых нейтронов (см. фиг.3). Формируемые в БЦО временные окна с длительностью 6 мкс в количестве 16-ти (96/6=16) используются для регистрации полного временного распределения поля надтепловых нейтронов. Из теории метода предполагается, что число надтепловых нейтронов линейно зависит от плотности среды и не зависит от нейтрон-поглощающих свойств среды. Опытным путем в модели пласта (см. фиг.2) определено, что чувствительность пористости (Kп) моделей пластов к количеству подсчитанных импульсов (Nнт) от надтепловых нейтронов после одного импульса излучения во временном интервале от 24 до 96 мкс связаны следующей зависимостью Nнт=181,97·Kп^-0,51 по дальнему зонду и Nнт=86,163·Kп ^-0,43 по малому зонду. Если Y= Y/Y есть относительная погрешность измерений, а Kп= KпKп - есть относительная погрешность определения пористости, то Y=0,43· Kп на зонде 30 см и Y=0,51· Kп на зонде 60 см.

Примеры получаемых данных приведены на фиг.2 и 3.

Новым является то, что в скважинном устройстве обеспечивается регистрация полного временного распределения изменения плотности поля надтепловых (надкадмиевых) нейтронов на одном (и более) расстояниях от управляемого нейтронного генератора, при облучении исследуемой горной породы импульсным управляемым генератором быстрых нейтронов, который работает в импульсном режиме излучения с высокой частотой следования нейтронных импульсов (несколько тысяч герц), при этом полное временное распределение, разбитое на временные окна, передается в цифровом формате на поверхность и записывается в компьютер для последующей обработки. При этом обеспечивается достаточная чувствительность счета надтепловых нейтронов к пористости исследуемого пласта. Получаемая точность определения пористости позволяет проводить исследования при непрерывном движении скважинного прибора.

Предлагаемый способ был опробован в многоцелевом аппаратно-программном комплексе импульсного нейтрон-нейтронного каротажа, разработанном в Научно-Техническом Управлении ООО «ТНГ-Групп». На моделях ООО «ТНГ-Групп», имеющих сертификат государственного стандартного образца пористости и плотности горных пород, пересеченных скважиной (комплект СО-НК № 8632-2004), допущенный к применению на территории РФ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Скважинная ядерная геофизика. Справочник геофизика. Под ред. д.т.н. В.М.Запорожца. Москва, «Недра», 1978 г. УДК 550.835.539.261.622.241.

2. Разведочная ядерная геофизика. Справочник геофизика. Под ред. д.т.н. В.М.Запорожца. Москва. «Недра», 1977 г.

3. УДК 550.835. Кантор С.А. Теоретические основы нейтронных методов исследования горных пород, пересеченных скважиной. Док. дис. М., ВНИИЯГ, 1980.

4. Патент РФ на полезную модель № 46367, G01V 5/00, Прибор нейтронного каротажа скважин многозондовый. Патентообладатель: ОАО НПФ «Геофизика» (RU) г.Уфа.

5. Патент РФ № 2396579, П01М 5/10, Способ и устройство получения уточненного значения плотности породы с использованием импульсного источника нейтронов. Патентообладатель: БЕЙКЕР ХЬЮЗ ИНКОРПОРЕЙТЕД (US).

6. «Способ исследования коллекторов нефти и газа», Патент RU № 2113723 C1, Кучурин Е.С.

7. «PULSED NEUTRON POROSITY LOGGING» (US 4910397 A, MOBIL OIL CORP. 20.03.1990).

8. http://www.vniia.ru/ng/index.html.

9. Теория нейтронных методов исследования скважин. / С.А.Кантор, Д.А.Кожевников, А.Л.Поляченко, Ю.С.Шимелевич. - М.: Недра, 1985. - 224.

10. Физические основы импульсных нейтронных методов исследования скважин. / Ю.С.Шимелевич, С.А.Кантор, А.С.Школьников и др. - М.: Недра, 1976.