Geum.ru

Развитие импульсного нейтронного каротажа (инк) за рубежом

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   2   3

Создан опытно-промышленный макет однозондового прибора ИННК с фирменным названием PNP. Генератор (тип не указан) имеет длительность импульса 16 мкс, работает на частоте 5 кГц, имеет 200-канальный временной анализатор с шириной окна 1 мкс. Размеры зонда - 30 см, причем информация накапливается в буфере памяти при шаге квантования по глубине 15.2см. Обработка информации выполняется на устье и запись показаний проводится в единицах пористости. Детектор представляет собой оптимизированную конструкцию и состоит из 3-х параллельно расположенных счетчиков, прижатых к стенке породы и экранированных со стороны скважины борированным полиэтиленом (общий диаметр корпуса прибора 9.5 см). Каждый счетчик имеет диаметр 1.11 см, покрыт фольгой из гадолиния толщиной 0.015 см, наполнен Не-3 под давлением 10 атм. Пороговая энергия регистрируемых нейтронов считается равной 0.08эВ.

Разработка этого генератора сопровождалась очень солидными объемами вычислительного эксперимента Монте Карло. Вначале было предпринято моделирование в приближении однородной среды (сферически симметричное), затем полномасштабное 4-х мерное моделирование (три пространственные координаты и время), в котором детально учтена конструкция прижимного генератора, блока генерирования и других элементов. Для расчетов использована известная программа MCNP (версия 3А), созданная в Лос-Аламосе для расчета задач физики реакторов и защиты.

Она адаптирована для современных рабочих станций Sun microsystem 3/160. Необходимость проводить достаточно точные расчеты (2-5% погрешности) требовала затрат времени от 5 до 30 час на вариант. (Для сравнения заметим, что наилучшие геофизические специализированные программы Монте Карло требуют 1-3 час на вариант аналогичной задачи).

Как можно понять, большие объемы вычислений на предварительном этапе потребовались для того, чтобы оптимизировать конструкцию генератора (блок детектирования) и уменьшить объемы физического моделирования. Расчеты показали, что физика нестационарного замедления нейтронов имеет некоторые аналогии с нестационарной диффузией. Регистрируемая кривая распадается на две экспоненты: замедление в скважине (по терминологии авторов, время жизни надтепловых нейтронов в скважине, равное 2.7 мкс) и замедление в пласте (от 2.8 до 40 мкс в зависимости от пористости). Чувствительность метода (примерно 13% на 1% пористости абс.) находится на уровне приборов ННКН, однако стоимость намного выше, реальная помехоустойчивость пока неизвестна, поэтому неизвестна и суммарная погрешность.

Специалисты компании Mobil помимо обзора [3] для очередной конференции МАГАТЭ по применению ядерной геофизики в нефтяной промышленности подготовили обзор [16] для журнала Nucl. Geophys. В этом обзоре упомянуты другие варианты регистрации нестационарных полей быстрых нейтронов (быстрых, промежуточных, медленных и их суперпозиций), однако промышленных генераторов данного типа пока не выпущено.

В реферируемой литературе нет подробного описания устройств нейтронных трубок. (Упомянуто, что компания Шлюмберже использует трубку с фирменным названием Minitron). Имеется в литературе только краткое описание трубки Zetatron, разработанной по заданию НАСА для возможного элементного анализа грунта во время американских экспедиций на Луну [21]. Размеры излучателя 38х126мм. Трубки изготовляли две фирмы : GEND и KAMAN. Испытания 11 трубок показали, что средний рабочий ресурс 152 ч, среднее время

11 6

хранения - 2 года, нейтронный выход 8*10**11 н/с, (6*10**6 н/импульс)

Сведений о современном скважинном применении этого излучателя нет, хотя ранее такие сведения публиковались.

В литературе имеются упоминания о применении генераторов нейтронов и современных спектрометрических каналов регистрации (германат висмута BGO и скважинный полупроводниковый детектор (ППД)). Примеры применений будут приведены ниже.


II. Экспериментально-методическая проработка ИНК; экспериментальная проработка, вопросы метрологии и примеры применений ИНК.

Разработка нового поколения аппаратуры ИНК в США традиционно сопровождалась значительными объемами экспериментального моделирования (на моделях пластов, эталонных скважинах и на образцах), причем и процесс моделирования и полученные результаты настолько поучительны, что заслуживают отдельного рассмотрения.

Старейший американский геофизик С.Титтл в работе [26] отмечает следующие системы контрольно-калибровочных и градуировочных мероприятий, желательные, по его мнению, в США (в нашей терминологии называемые метрологией):

1. Полная система моделей, охватывающая основные типы литологии (известняк, песчаник, доломит), основные номиналы диаметров, наличие и отсутствие обсадки, возможность менять заполнение в скважине;

2. Эталонные скважины с полным отбором керна при наличии детального анализа литологии, коллекторных свойств и насыщения;

3. Исследования в действующих скважинах с полным отбором и анализом керна и последующей привязкой керна и каротажа (многими возможными способами), или использованием различных вариантов опорных пластов.

Далее описана история развития модельного полигона коллективного пользования в г. Хьюстоне (Университет и Американский нефтяной институт (API) г. Хьюстона, Техас, США). Полигон построен на средства группы ведущих нефтяных компаний США, причем 1-я очередь сооружена в 1959 г. Далее построены 4 модели для спектрометрического ГК и набор нейтронных моделей. Перед проектированием нейтронных моделей выполнены расчеты глубинности (различными группами), чтобы определить минимальные размеры модельных блоков и отражателей. Модели сооружены в грунте (отражатель), причем внешний диаметр модели равен 183 см, высота каждого блока также 183 см, имеется емкость с пресной водой (над модельными блоками, что гарантирует одинаковое насыщение). Блоки выполнены из мрамора свиты Carthage (1.9% пористости),известняка свиты Индиана (19%), известняка (мела) свиты Остин (26%). Диаметр скважины - 200 мм. Плотность матрицы этих пород равна соответственно 2.694; 2.688; 2.707 г/см ,(что ниже нормативной величины 2.71

г/см ). В качестве недостатка С. Титтлом отмечено, что при сооружении моделей (30 лет назад) не были отобраны образцы для последующего определения макросечения захвата (МЗ или сигма-пласта). Имеются также модели насыпного песка свиты Оттава. Все модели имеют большой зумпф (несколько метров) для калибровки нейтронных приборов каротажа в процессе бурения (в последних нейтронный зонд расположен на буровой трубе в 2-3 м над долотом).

Принята программа расширения модельного парка API (промежуточные значения пористости, более широкий набор литологии) применительно как раз к задачам ИНК. На этот счет имеются соответствующие рекомендации метрологического комитета API.

Интересно заметить, что многократные и многочисленные попытки применить для моделирования теорию подобия, несмотря на широкую рекламу на начальном этапе, нигде не дали удовлетворительных результатов [26]. В этой работе содержится анализ погрешностей измерений на моделях, полученных различными авторами.

При проведении серии модельных измерений ИНК (также впрочем, как и прецизионных измерений двухзондового ННК)) выявились неустранимые различия результатов измерений и расчетов, в которые был заложен состав моделей, основанный на полуколичественных спектральных анализах.

Оказалось, что измеренная в мраморе величина сигма отличалась от расчетной примерно на 10%. Было проведено несколько серий прецизионных измерений, затем выполнено несколько серий расчетов с помощью различных программ, используемых в ядерной физике, но различия для первой среды устранить не удалось (в двух других средах все результаты оказались в хорошем согласии). Был выполнен тщательный повторный анализ состава моделей (включая реакторный активационный анализ), который выявил в мраморе 0.003% бора. Новая серия расчетов по независимым программам (Монте-Карло, дискретные ординаты) с учетом бора обнаружила совпадение расчетов между собой и с экспериментом.

* * *

По моему субъективному ощущению, этот факт самым существенным образом отразился на изменении подходов английских и, особенно, американских специалистов к расчетной проработке новых методов и средств проведения каротажа нефтегазовых скважин.

1. Резко возросло количество расчетных работ, отражающих различие стороны компьютерного сопровождения разработки (решение прямых задач, оптимизация аппаратуры, решение обратных задач, создание интерпретационных алгоритмов и т.д.). Если в 1970-80гг. общее количество теоретических работ вряд ли превышало 15-20, то только в 1984-91 гг. количество работ, имеющих отношение к компьютерному моделированию, превысило 150 (более точные цифры назвать затруднительно). Мною подготавливается специальный обзор на эту тему. [Лухминский Б.Е. Компьютерное моделирование в развитии импульсных и спектрометрических исследований скважин. Аналитический обзор по зарубежным данным за 1984-91 гг.]

2. Осознано, что количественная интерпретация ИНК на хорошем количественном уровне (1-2%) невозможна без детального знания макросечения породы и ее насыщения. А эту величину невозможно получить расчетным путем, и требуется экспериментальное ее определение на малых образцах. Количество публикаций по различным приемам определения МЗ малых образцов продолжает нарастать.

3. При проектировании новых моделей пластов развивается "новая философия моделирования", которая для создания новых моделей предполагает использование химически чистых аналогов горных пород (известняка, песчаника и т.д.) в технологически удобном виде

(например, в форме кирпичей) с произвольной пористостью, допускающей смену любого насыщения. Предполагается разумное сочетание экспериментального моделирования (которое неизбежно будет дорогим) и компьютерного моделирования методом Монте-Карло, которое с каждым годом становится все более дешевым [22-25].

Следует сказать, что эту программу никак нельзя назвать полностью оригинальной. Во ВНИИЯГГ до 70 гг. существовало мощное компьютерное сопровождение ядерно-геофизических задач, метод оценки сигма-образцов пород был также разработан во ВНИИЯГГ (но потом заброшен), синтез модельных и расчетных методов применялся и ранее (ТЭП и др.). Соответствующие ссылки легко найти в трудах последней конференции по ядерной геофизике (г. Обнинск 1990 г.).

* * *

Развитие применений ИНК в Европе, главным образом на Северном море, также потребовало сооружения модельного полигона.

Вначале был сооружен так называемый демонстрационный полигон в Winfrith под наблюдением Агенства по атомной энергии Англии [25]. Полигон SPARTAN расположен рядом с исследовательским реактором NESTOR. Сооружены 4 емкости размерами 3 м (высота) х 2.2 м (диаметр). Одна из моделей герметизирована и допускает смену насыщения под вакуумом (в течене 100 часов). Предварительно выполнена обширная серия расчетов по различным программам, которая позволила выбрать двухслойный тип моделей (внутри блок породы диаметром 200 см, снаружи вода в качестве отражателя). В качестве материалов выбраны песчаники свиты Оттава и Clashach мрамор свиты Carthage (два различных блока).

С помощью реактора определены макросечения ,и концентрации различных нейтронных поглотителей (бор, гадоний, самарий). Одна из моделей построена из огнеупорного кирпича (кварцевого состава) с сильно меняющейся пористостью (22; 30; 55%). Сопоставительный анализ экспериментов и расчетов дан в работе [22].

В обзоре [16] сообщено о строительстве большого модельного полигона EUROPA в Абердине (Шотландия), реализуемого по заказу консорциума ведущих геофизических и нефтяных компаний США и Англии. Они также допускают измерения различными нейтронными зондами (включая каротаж в процессе бурения). Предполагается широкий набор литологий.

В обзоре [16] появилось сообщение о новом типе гетерогенных нейтронных моделей компании Atlas: набор стеклянных пластин (толщина не сообщается) может иметь меняющийся зазор, что позволяет моделировать переменную пористость (и насыщение). Заметим также, что гетерогенные модели обязательно потребуют больших объемов прецизионных расчетов Мщнте-Карло для различных ядерных методов (ННК, ИННК, ИНГК, ГГК), чтобы обосновать эффективные параметры (пористость, плотность). Подобные расчеты были выполнены во ВНИГИК (В.А. Велижанин), чтобы обосновать гетерогенные модели слоистого типа.

Экспериментальная петрофизика ИНК в настоящее время включает определение МЗ (сигма породы на образцах, длины замедления Ls в моделях и пористости (коэффициента диффузии (D)), с погрешностью не хуже 2-3%).

Уже давно у нас в стране было найдено [28], что количественная геологическая интерпретация ИНК невозможна без экспериментального определения сигма-породы (МЗ) на образцах. Этот вывод подкреплялся двумя главными соображениями:

1. В породе всегда присутствуют микроколичества (иногда макроколичества) сильных нейтронных поглотителей (бор, кадмий, редкие земли и т.д.), суммарный вклад которых в сигма превышает 2-3%. Их раздельное экспериментальное определение представляет собой чрезвычайно трудную и дорогую задачу, так как геохимический анализ требует предварительного знания группы элементов. Реакторный активационный анализ постоянно дорожает из-за закрытия исследовательских реакторов.

2. Невозможно заранее оценить минеральные формы для этих элементов, а следовательно, и размеры минеральных зерен и эффекты самоэкранирования, влияющие на сигма-пласта.

При определении же сигма на образцах все эти эффекты автоматически учитываются, причем в требуемой форме, адекватно задаче. После первой работы В.В. Миллера [29], в которой разработаны основные методики, советские публикации практически прекратились, тогда как поток зарубежных публикаций постоянно нарастает. Среди них наиболее важными являются американские и польские публикации, обзор которых содержится в работах Я.Чубека [31,32].

Хорошо известно следующее [27]: при измерениях нестационарных полей в ограниченных объемах вещества имеет место разложение

Дарделла:

-1 2 4

= + Do B - C B + ...,

-1

где - дектемент с , Do - коэффициент диффузии тепловых нейтронов, С - коэффициент диффузионного охлаждения, В - геометричес-

-2

кий фактор [см ] указанного объема, который для объемов простой

формы (цилиндр, параллелепипед) имеет аналитическое выражение.

2

Знание величины Do, B , C (часто полагают С = 0) и измерение

позволяет определить . Для измерений , как правило, обра-

зуют ряд наблюдений (или меняют размеры замедлителя, или изменя-

ют коэффициент диффузии "отравлением" модели ). Как правило, для

оптимизации установки проводят серию компьютерного моделирова-

ния, адекватно воспроизводя геометрию.

Сейчас стало очевидным, что для таких установок (как и остальных ядерно-геофизических лабораторных приборов) нужна своя метрология (стандартные образцы состава). Из обзора [30] следуют средние значения погрешностей измерений (в единицах захвата

-3 -1

ед.= 10 см ):

абсолютный метод 0.8 - 1.8 ед.

относительный метод 0.5 - 0.9 ед.

Те же методы, примененные к оценке насыщения пористого образца,

дают:

абсолютный метод 0.5 - 1.0 ед.

относительный метод 0.3 - 0.5 ед.

В этом же обзоре сопоставляется большое количество разнородных измерений различных авторов. Недавно появилась еще одна работа этой польской группы [32], в которой предпринята обширная серия измерений стандартных образцов различных стран мира (включая образцы ВНИИЯГГ), чтобы сопоставить точности различных лабораторных групп.

Вообще говоря, для определения МЗ могут быть привлечены и стационарные методы [27], дающие меньшую точность. В качестве примера расширения географии ядерно-геофизических приложений, упомянем вьетнамскую работу [33], в которой для определения МЗ используется стационарный источник. Как и следует из теоретических соображений [27], погрешность измерений оказалась значительной (ё 12%), что неприемлемо для современного уровня ИНК.


* * *

Экспериментальные работы, сопровождавшие процесс создания генератора TDT-P (Schlumberger), состояли в следующем. Были созданы две модели песчаника с пористостью 15 и 33%, пересеченные необсаженной скважиной диаметром 203 и 305 мм. Для этих же моделей использованы также различные конструкции обсадки: 158 мм и 140 мм в первом случае и 244.5 мм во втором. Были созданы специальные модели песчаника с пористостью 14.6 и 33.3% для моделирования процессов со сменой насыщения (каротаж-воздействие- каро-

таж). Использованы два раствора (25 и 120 г/кг, сигма соответственно 30.74 и 66.51 c.u.). Конструкция скважины: диаметр - 254мм, диаметр обсадки - 193.7 мм. Помимо этого выполнены измерения МЗ на образцах кварцевых песчаников (7 образцов, сигма 5.04ё0.1c.u.), песчанистых известняков (7 образцов, сигма 7.92ё0.76 c.u.), доломитов (4 образца, 6.0ё0.2 c.u.), кварца (3 образца, 5.56ё0.34 c.u.), известняка (4 образца, 11.73ё0.23 c.u.), чистого кремния (8 образцов, 63ё0.17 c.u., теория дает 8.57 c.u.).

Расчеты Монте-Карло охватывали пористость песчаника 0,7,15,23,33%, причем совпадение расчетов и измерений в точках 15 и 33% было хорошим. Далее предпринята серия расчетов в рамках диффузионной модели, причем сигма-пласта выбиралась равной

10,25,40 c.u., а сигма-скважины 60,90,120 c.u.

Совокупность измерений а также расчетный набор петрофизических параметров образует базу данных Schlumberger по ИНК, содержащую 2000 единиц информации [5-7].


В литературе описано применение генератора нейтронов с двухзондовой регистрацией гамма-излучения в комплексе с калифорниевым источником (cf-252) и спектрометрическим детектором естественного гамма-излучения [1,2,42]. Прибор позволяет измерять концентрации Si, Ca, Fe, S, Ti, Gd спектрометрией НГК, концентрации K, U, Th спектрометрией ГК и концентрацию Al посредством НАКТ с калифорниевым источником. Для этого используется дальний зонд генератора и специальный режим скорости измерений. Количественная интерпретация основана на точном определении Gd, исключении вклада активационного излучения Al и использовании каталога стандартных спектров. Прибор получил название Geochemical Logging Tool (GLT). Из приведенных результатов измерений в одной из скважин Северного моря следует, что прецизионный учет всех факторов позволяет получить удовлетворительное согласие каротажа GLT и керна. В частности, удается определить Gd на уровне концентраций до 10**-4 %, титана до 1%, кальция до 5% и т.д.

Следует заметить, что идея использования каталога эталонных спектров СНГК для количественного определения ряда элементов по разрезу скважины реализована во ВНИИЯГГ более 20 лет назад на рудных объектах.

В работе [43] сделана попытка использовать этот прибор для решения по результатам каротажа геологической задачи классификации песчано-глинистых пород по классам. Принятая в седиментологии классификация Петтиджона разбивает песчаники на кварцарениты, аркозы, граувакки и т.д. Выделяются песчаники и глины, обогащенные Fe. Для классификации используются петрохимические отношения SiO2 /Al2 O3 , FeO /K2O, причем последние получены комбинацией различных спектральных отношений активационного, захватного и естественного гамма-излучения. Приведен пример обработки материалов каротажа по геотермальной скважине Санта-Фе (Калифорния), который выполнен с помощью комплекса интерпретации Sand Class.

В работе [44] представителей Schlumberger of Canada приведена сводка применений генератора нейтронов в сборке со спектрометром GLT в обсаженных скважинах. В частности, продемонстрирована хорошая воспроизводимость кривых концентрации Fe, Ca, H, Cl, Si.

ИНГК комплексируется с акустическим цементомером для оценки технического состояния колонны.

Не имея возможности перечислить все возможные применения ИНК, отметим оригинальное применение метода для локализации зон аномально высоких пластовых давлений (АВПД), характерных, например, для Мексиканского залива. Одним из распространенных приемов является построение линии нормального уплотнения глин. Для этих целей традиционно используются КС, АК, ГГК. Сделана попытка аналогичные построения провести по ИНК (сигма-пласта).

Специалист корпорации Chevron [39] анализирует примеры применений ИНК на нефтяных месторождениях Луизианы (США). Проведены измерения в действующих эксплуатационных скважинах (на шельфе и суше) с помощью аппаратуры PDK-100, TDT-M, TMD в режиме активации быстрыми нейтронами (кислородный каротаж). Для измерения активации использовали как дальний детектор генератора, так и детектор гамма-излучения, расположенный на расстоянии 4.73-5.80 м от мишени генератора. Решалась задача определения интервалов обводнения и, по возможности, величины притока воды. Измерения проводили через насосно-компрессорные трубы в действующих скважинах в непрерывном и точечном режимах. Показано, что при проведении непрерывных измерений следует учитывать скорость подъема воды. При этом можно оценивать дебит. Приведены количественные соотношения и примеры, показывающие возможность локализации зон притока измерениями на двух зондах.

Специалисты Halliburton описали пример применения генератора TMD для сопровождения процесса интенсификации нефтеотдачи. Одно из месторождений Луизианы с 1983 г. переведено в режим интенсификации, в котором заводнение сопровождается закачкой CO 2. Проведение режимных повторных измерений ИНК методом кислородной активации в сочетании с трехфазной дебитометрией позволяет оценить эффективность процесса интенсификации и заложить основы количественной интерпретации измерений.

В работе [40] специалистов Dresser Atlas описано применение спектрометрического генератора NLL. Режим измерений позволяет записывать спектральное отношение C/O и Ca/Si для гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов, а также спектральное отношение Si/Ca для радиационного захвата. Использование опорных значений этих отношений в пластах с известной литологией и насыщением позволяет построить систему количественной интерпретации, позволяющую оценить текущую и остаточную нефтенасыщенность при измерениях в обсаженных скважинах. Оценки, выполненные на месторождениях Техаса, подтверждены затем измерениями на кернах, полученных боковыми грунтоносами.