litceysel.ru
добавить свой файл
1
Развитие импульсного нейтронного каротажа (ИНК) за рубежом.


Аналитический обзор по состоянию на 1985-1991 г.

Составитель: проф. кафедры ядерно-радиометрических методов и

геоинформатики МГРИ д.ф.-м.н. Лухминский Б.Е.

В обзоре отмечаются главные работы ведущих специалистов фирм в области ИНК, причем по ходу изложения автор будет давать как собственные оценки тех или иных работ, так и сопоставлять их с отечественным уровнем в данной области. Автор обзора будет также комментировать тенденции развития тех или иных направлений ИНК.

Эти соображения требуют пояснений.

1. Библиотечное дело в нашей стране находится в столь вопиюще безобразном состоянии, что работа в отечественных библиотеках весьма затруднительна и для сбора достаточно полной библиографии необходимо выходить через электронные сети в международные биб- лиографические базы данных. В настоящее время это резко подняло бы стоимость обзора (10-20 раз), однако в дальнейшем эта работа планируется.

2. Главными изданиями по указанной тематике являются следующие: Симпозиумы SPWLA (Society of Petroleum Well Log Analysts - проводится ежегодно один американский и несколько региональных симпозиумов), симпозиумы SPE ( Society of Petroleum Engineers - периодичность аналогичная), SEG (Society of Exploration Geophysists - имеется небольшое количество работ по каротажу).

Помимо трудов указанных симпозиумов многие доклады (но не все) печатаются в журналах : Log Analyst, Nuclear Geophysics, Geophysics, SPE leading edge, SPE formation evaluation, Proceeding Am. Nucl. Society и др. Эти издания попадают в Москву эпизодически, реферируются в РЖгеология и РЖгеофизика от случая к случаю, поэтому приходится ограничиваться лишь главными работами, определяющими лицо ИНК в настоящее время. Основные статьи, фирменные материалы, патенты и другая информация, отраженная в обзоре, составляет собственную базу данных автора.

3. Если ранее в зарубежных публикациях ссылки на советские работы были эпизодическими, то сейчас они стали и вовсе случайными. Причины этого прискорбного факта требуют отдельного анализа. Возможно, одна из причин состоит в нашей самоизоляции и представлении на международные семинары показушных обзоров типа [34,35]. Другая причина бесспорно состоит в том, что мы утратили лидирующие позиции в ядерной геофизике.


Поэтому при составлении обзора автор по возможности старался восстанавливать отечественные приоритеты, давать сопоставительный анализ отечественных и зарубежных достижений, что и делает этот обзор аналитическим. Кроме того, такой подход специально оговорен заказчиками обзора.

Обзоры состояния ИНК в предшествующие годы (до 1985 г.) можно найти в монографиях и обзорах [1,2,28].

В данной работе самым существенным образом будут использованы два различных обзора специалистов Mobil Research and Development Corp. за 1990 и 91 гг [3,16] и обзор специалиста исследовательского центра Schlumberger - Doll Research Center [4].

В противоположность устоявшимся стандартам в такого рода обзорах, автор будет следовать такой рубрикации:

I. Генераторы нейтронов нового поколения; параметры, расчетное сопровождение, системы регистрации и преобразования информации.

II. Генераторы нейтронов нового поколения; экспериментальная проработка, вопросы метрологии, примеры применений на нефтегазовых объектах.

III.Резюме. Библиография.

* * *

I. Генераторы нейтронов нового поколения; параметры, расчетное сопровождение, системы регистрации и преобразования информации.

Компания Шлюмберже выпустила новый двухимпульсный двухзондовый генератор нейтронов, реализующий спектральный режим регистрации гамма-квантов (СИНГК), фирменное название Dual-Burst-Thermal Decay Time TDT-P [5,6,7].

Он выпущен на смену генераторам нейтронов этой компании предшествующих поколений: TDT (1970 г.), TDT-K (1974 г. - двухдетекторный прибор для одновременного измерения декремента и пористости), TDT-M (1980 г. - прибор повышенной точности, пригодный для количественных определений со сменой насыщения (каротаж -воздействие - каротаж).

Временной режим измерений с этим генератором следующий. После короткого импульса генератора нейтронов 20 мкс и задержки 18 мкс следует подряд 5 временных окон для регистрации гамма-излучения (мкс) : 22, 28, 50, 97, 153. Затем следует широкий импульс нейтронов 160 мкс и после задержки 60 мкс следует 8 окон увеличивающейся длительности (мкс) : 14, 18, 40, 76, 125, 210, 340, 449. Полный цикл составляет 1880 мкс. После 128 циклов следует пауза 3 мс (полное поглощение излучения радиационного захвата), после которой в окне 15 мс измеряется естественный и активационный фон гамма-излучения для внесения соответствующих поправок. (Во время пауз генератор типа минитрон выключен). Таким образом, частота работы генератора составляет примерно 500 пар имп/сек. Следует заметить, что в статьях [5,6] указаны несколько различные временные параметры, но эти различия незначительны. При этом указано, что временной анализатор прибора имеет всего 16 каналов. Такой выбор режимов регистрации обеспечивает равноточность измерений, облегчает коррекцию просчетов и упрощает алгоритмы обработки информации.


Эта исходная информация (2 набора для каждого из 2-х зондов, фоновые измерения) накапливается в буфере прибора, затем с помощью двухсторонней телеметрии передается на поверхность со скоростью 10 кБод.

На поверхности с помощью бортового процессора с торговой маркой CSU производится архивная запись исходной информации а также обработка ее с целью формирования набора интерпретационных файлов.

Обработка исходит из приближенного представления сигнала в

форме двух экспонент:

(1)

где А - амплитуда ближней и дальней ветви кривой,

- соответствующие времена жизни (early и late).

Развивается и более сложное теоретическое представление, в котором фигурируют время жизни нейтронов в пласте и скважине ,

и соответствующие диффузионные члены N , N ,описывающие диффузионный перенос тепловых нейтронов. В обработке информации участвуют также отношение скоростей счета после широкого W (wider) и короткого S (short) нейтронного импульсов

(2)

а также отношения компонент сигнала скважины и пласта для короткого и широкого импульсов

(3а)


(3b)


(параметр не расшифрован).

Детали алгоритмов не расшифровываются, поскольку они, по-видимому, составляют предмет фирменной коммерческой тайны, и зашиваются в системы компьютерной интерпретации. Аналогичным образом поступают и другие компании.

Из качественных описаний следует, что имеет место соответствующим образом организованный итерационный процесс разделения декрементов для каждого зонда и каждого сигнала с последующей коррекцией диффузионного переноса. Критерием завершения итерационного процесса является выход к предельным (неулучшаемым) значениям.

Проверка качества вычислений в дальнейшем выполняется экспериментально. Например, время жизни оказывается практически независящим от изменения диаметра скважины (229 - 305 мм) и скорости каротажа (да 550 м/ч).


Далее процесс обработки исходных записей на бортовом компьютере состоит в формировании набора файлов, в которых использованы соотношения (1-3). При записи общепринятыми являются величины макросечений захвата в единицах захвата (capture unit =c.u. -3 -1 1 c.u. = 10 cм ). Для пересчета времени жизни теплового нейтрона

в макросечение захвата = МЗ удобна формула

4.545

МЗ = ------- c.u. (4)

(мс)

Формируются следующие файлы (записи):

SIGM - истинное макросечение захвата (МЗ) тепловых нейтронов

в породе (СИГМА), измеренное в единицах захвата (c.u.);

SDSI - стандартное отклонение для SIGM, определяющее погреш-

ность основного измеряемого параметра;

SFFD и SFND - МЗ породы соответственно на дальнем и ближнем

зонде; внесена диффузионная поправка, но влияние скважины не

скомпенсировано;

SIBH - МЗ скважины, исправленное на влияние породы;

SIGC - разность между SFFD и SIGM (диффузионная поправка);

TSCF и TSCN - полная скорость счета соответственно на большом

и малом зонде;

TRAT (=TSCF/TSCN) - отношение этих величин;

TPHI - пористость пласта, вычисленная по совокупности всех

величин;

FBAC - гамма-фон, измеренный на дальнем зонде (включая акти-

вацию);

TCAF - полная скорость счета большого зонда, используемая для

оценки поглотителей, отклонения прибора от стенки скважины, ско-

рости каротажа и т.д.;

TNFD - скорость счета, соответствующая неупругому рассеянию

нейтронов;

ISHU и MMOF - технические характеристики, используемые для

контроля работы и мониторирования генератора нейтронов.

Данный набор файлов позволяет реализовать большинство операций ИНК :1) определить МЗ пласта и диффузионную поправку к этой величине, связанную с пористостью, 2) оценить гамма-фон и активацию, 3) оценить вклад неупругого рассеяния. Помимо этого оцениваются технические параметры работы генератора (мониторирование). Важно заметить, что общепринятым является формирование файла стандартной погрешности МЗ (SDSI) как интегральной характеристики качества записанной информации. Избыточность представляется умышленной, что позволяет осуществлять взаимный контроль и частично восстанавливать утраченные сегменты.


Из представленных рекламных материалов [5,6,7] следует высокая помехоустойчивость системы обработки каротажной информации:

1) смена заполнения обсаженной скважины (вместо пресной воды соленая) не влияет на форму SIGM;

2) увеличение скорости каротажа почти не увеличивает погрешность определения SIGM.

Приведены также примеры выделения газоносных прослоев в обсаженной скважине по кривой SIBH , определение притоков нефти, причем выделение этих интервалов более надежно, нежели с генераторами предшествующих поколений (TDT-MA).

В традициях компании Schlumberger не сообщать деталей о расчетном сопровождении процесса создания аппаратуры. Тем не менее из работ [5,6] следует, что процесс создания генератора TDT-P сопровождался двумерным моделированием в диффузионном приближении (программа DOT), а также высокоточным многомерным моделированием Монте-Карло с помощью реакторной программы MCNP, реализо ванной на компьютере VAX.

При создании системы интерпретации существенным образом учтены результаты группы А.Л.Поляченко [36]. Расчеты опираются на новейшую библиотеку оцененных ядерных данных ENDFB/V, для оценок петрофизических параметров создана специальная программа SNUPAR. Таким образом, расчетная основа процесса создания генератора является самой современной.

* * *


Двухзондовый генератор нейтронов нового поколения компании Western Atlas International (которая, как известно, образована в 1988 г. слиянием Dresser Atlas и Western International) носит фирменное название РDK -100 [8,9].

Его параметры: диаметр 42,8 мм, длина 9.75 м, максимальная температура 150 С, давление 140 МПа. Режим регистрации нестационарных спектров гамма-излучения детально не приведен, однако основные характеристики следующие. Цикл-импульс нейтронов - временная регистрация - занимает 1 мс, после 28 циклов следует пауза длиной 4 мс для измерения фонов гамма-излучения. Частота генератора 1 кГц. Система временного анализа включает 100 канальный временной анализатор с шириной окна 10 мкс, посредством которого формируется 14 измерительных окон различной ширины.


Магнитная запись исходной каротажной информации преобразуется в две системы файлов с условными названиями PRIMARY и SECONDARYPRESENTATIONS.

Первая система содержит следующие файлы (записи):

BKS и BKL - фоновые скорости счета соответственно на малом и

большом зонде, используемые для коррекции скоростей счета, оцен-

ки притоков в эксплуатационной скважине, оценки перетоков за ко-

лонной (например, в случае использования радиоактивных индикато-

ров), оценки активации и т.д.

SGMA ( ) - макросечение захвата (МЗ) пласта, исправленное на

все виды помех.

MSD - измеренное стандартное отклонение для SGMA (показатель

качества каротажа).

G1,G2 - скорости счета в окнах 400 - 700 мкс и 700 - 1000 мкс

как индикаторы пористости и газонасыщенности.

GR и CCL - стандартный канал ГК и локатор муфт для привязки

измерений в обсаженных скважинах.

RATO - отношение скоростей счета на большом и малом зондах.

Этот файл использован для образования производного файла PHI -

пористости пород.

MON - файл для контроля стабильности выхода генератора (изме-

ряемый параметр для мониторирования выхода не указан).

Вторичный набор файлов содержит некоторые из вышеупомянутых файлов (что делается, по-видимому, для создания избыточности информации и возможности ее восстановления): SGMA, MON, GR, CCL .

RBOR - файл гамма-излучения захвата медленных нейтронов, ко-

торый используется для оценки минерализации скважинной жидкости,

оценки контактов жидкостей в скважине, особенностей обсадки и

т.д.

RIN - отношение потоков гамма-излучения неупругого рассеяния

на малом и большом зондах (детальный анализ ближней зоны).

SS, LS - полные скорости счета на малом и большом зондах.


Заметим, что наличие в каждом из наборов файлов GR, CCL по-

нятно. По этим файлам удобно при комплексной интерпретации сов-

мещать различные наборы (комплексы) как в необсаженной, так и в

обсаженной скважине.

Возможности применения разработанной аппаратуры иллюстрируются следующими примерами.

1. Кривая пористости PHI, записанная прибором TDK-100, экви-

валентна кривой, записанной стандартным двухзондовым прибором CN

той же фирмы;

2. Показана возможность определения пористости породы по вре-

мени замедления нейтронов (что требует достаточно короткого ней-

тронного импульса);

3. Каротаж через обсадные трубы, четко фиксирующий башмак об-

садки; каротаж в буровых трубах в осложненных условиях и т.д.

* * *

Двухзондовый генератор нейтронов нового поколения TMD компании Halliburton Log Service (которая образована в 1988 г. слиянием Gearhart Industry и Halliburton Comp.) характеризуется следующими основными характеристиками [10-12]. Частота генератора -1250 Гц, ширина нейтронного импульса 60 мкс, интервал временной регистрации 800 мкс. После 125 импульсов следует пауза шириной 60 мс, из которых 55 мс используются при выключенном генераторе для измерения гамма-фона на малом и большом зонде. Временной режим измерений включает 6-оконную регистрацию, причем 2 первых узких окна находятся в интервале 200 мкс В этом приборе также записывается вся исходная информация, а

затем вычисляется система следующих файлов:

, - вычисленные посредством исключения всех

мешающих факторов сигма-пласта (макросечения захвата тепловых

нейтронов), основанные на измерениях большим LS и малым SS зон-

дами.

- сигма-пласта (МЗ) скорректированное на диффузионный

эффект различий на двух зондах, измеренное в единицах захвата

(c.u.)


- та же величина сигма-пласта, скорректированная на

эффект скважины (c.u.).

(G3-6) SS ,(G3-6) LS - скорости счета в 3-6 временных окнах,

скорректированные на просчеты и фон, и измеренные на малом и

большом зондах.

R - отношение этих величин.

LS-BKS, SS-BKS - фоны гамма-излучения, измеренные во время

пауз.

G4 error - параметр , характеризующий качество разделения

временных кривых на две экспоненты (скважины и пласта).

G4= 1 - G4 calc/ G4 meas, причем G4calc вычисляется, исходя

из вычисленных значений сигма пласта и скважины (сумма экспо-

нент), а G4meas - аналогичная величина (измеренная).

G4 error - должно быть в пределах ё0.04, что свидетельствует

о качественном разделении экспонент. Превышение этого предела

свидетельствует о некачественной работе генератора.

qual = G6 calc / G6 meas - отношение вычисленной и измеренной скоростей счета в последнем (широком) окне, характеризую-

щем сигма-пласта. Этот параметр используется для оценки качества

измерений в условиях низкой минерализации. ( Приемлимые значения

0.95 = qual =1). В разрезах с высокой минерализацией качество

измерений удобнее оценивать с помощью R .

(A ) SS - синтетический параметр, отражающий вклад сква-

жины во временное распределение на малом зонде (имп/с).

CCL - локатор муфт (физическая основа не раскрывается).

GAMMA - канал ГК, калиброванный в единицах API (Amer. Petr.Inst.).

Из этого списка файлов формируются также два набора, исполь-

зуемые как для оценки качества измерений и оперативной интерпре-

тации, так и для последующей комплексной интерпретации.

Первый набор PRIMARY содержит: 1) GAMMA, 2) CCL, 3) qual,

4) R , 5) , 6) G(3-6)SS, 7) G(3-6)LS, 8) .


Второй набор QUALITY содержит: 1) GAMMA, 2) CCL, 3) qual,

4) G4error, 5) R , 6) (A )SS, 7) , 8) ,

9) SS-BKG, 10) LS-BKG.

Как и в предыдущих моделях, GAMMA, CCL - в обоих наборах при-

сутствует для привязки, а избыточность наборов позволяет восста-

новить некоторые характеристики.

Все перечисленные выше типы генераторов относятся к типу ИНГК

(возможно, со спектрометрической регистрацией), а также с реали-

зацией С/О каротажа, активации на быстрых и тепловых нейтронах

(O, Al - каротаж) и т.д.

Приводимые ниже типы приборов реализуют ИННК каротаж и пред-

назначены только для определения пористости.

* * *

Компания Gearhart Industry разрабатывала в 1986 г. специализированный двухзондовый генератор нейтронов для измерения пористости пород с помощью надтепловых нейтронов [12]. Как известно, нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам обладает большей чувствительностью к пористости и подвержен меньшему влиянию нейтронных поглотителей. Однако ННКН имеет меньшую скорость счета и сильнее чем ННКГ зависит от изменений диаметра скважины. Совокупность этих факторов до настоящего времени не давала преимуществ ННКН перед ННКТ.

Использование генератора нейтронов марки CNG-X, по мнению авторов работы [12], дает новые решающие преимущества для надтепловой регистрации нейтронов:

1) увеличение начальной энергии нейтронов до 14 МэВ снижает мешающее влияние скважины до приемлемых величин;

2) увеличение выхода генераторов до 10**8 н/с (безопасное для персонала в отличие от использования стационарных нейтронных источников) компенсирует падение эффективности детекторов в над тепловой области;

3) оптимизация зондового устройства (частичное экранирование от скважины , использование гелиевых счетчиков высокого давления) позволяет получить близкий к линейному градуировочный график, незначительно отличающийся от графика для стационарного прибора (в данном случае прибор CNT-K той же фирмы). В частности, по оценкам авторов прибора, использование Не-3 счетчиков высокого давления, использование детектора большого зонда достаточно большого объема, увеличение выхода источника в 4 раза против выхода аналогичного стационарного прибора приводит к тому, что чувствительность генератора к пористости составляет не менее 2/3 чувствительности CNT-K.


Созданный макет CNG-X имеет следующие основные характеристики. Нейтронный выход составляет (1 – 5)*10 **8 н/с. Сведения о временных режимах и частоте не приведены (по-видимому, частота превышает 1 кГц). Получены модельные измерения влияния отклонения прибора от стенки и влияния диаметра, сопоставленные с расчетами. (Исследовательский центр в Остине, Техас). Приведены также измерения на эталонных скважинах, проведенные на скоростях записи 91.5 м/ч и 549 м/ч (!!!), сопоставленные со стационарными аналогами. Сходимость результатов признана приемлемой. Измерения в обсаженных скважинах не представлены.

* * *

В работах специалистов исследовательской компании Mobil Research and Development Comp [13-18] в течении последних лет развивается направление, основанное на применении генераторов нейтронов для определения пористости с использованием времени замедления нейтронов.

Известно, что среднее время замедления t до некоторой энергии Е(эВ) приближенно определяется замедляющей способностью породы

-1

t = ( V (E ))

s

где - замедляющая способность, V(E) - скорость нейтрона, соответствующая энергии Е.

На этом эффекте было основано одно из первых авторских свидетельств ВНИИЯГГ в этой области от 1965 г.[20]. Метод обладал достаточно высокой чувствительностью к пористости, однако для проведения измерений, по нашим оценкам, требовались короткоимпульсный генератор (5-10 мкс), малые времена задержки (5-10 мкс) и временной анализатор с шириной окна 2-3 мкс. Реализация этих режимов в то время представлялась проблематичной, поэтому метод был ориентирован на рудные объекты (определение нейтронных поглотителей), где встречаются среды с малой влажностью и режимы временных измерений не такие жесткие. Количественные оценки этих эффектов приведены в нашей публикации [19], причем они вызвали интерес специалистов компании Mobil [17]. Последние провели серию экспериментальных работ, в которых показали, что существуют реальные возможности определения пористости по времени замедления надтепловых нейтронов.


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.

Компания Mobil Research and Development сопровождала процесс создания генератора PNP для проведения каротажа ИНК по времени замедления большими объемами экспериментальных работ и расчетами Монте-Карло.

Из приведенных измерений на моделях [13-18], сопоставленных с расчетами Монте-Карло, следует, что измеряемый диапазон времени составляет 4 - 50 мкс. Для измерений использован модельный полигон в Хьюстоне (API) (известняк, песчаник, доломит, с пористостью 1.87; 18.7; 40%), а также малые модельные блоки различной литологии и пористости 40х40х66 см); модельный полигон компании Mobil в Далласе (Техас). Основные особенности выполненных экспериментов содержат новые оригинальные элементы. Кривая распределения медленных нейтронов во времени по аналогии с аналогичной кривой для тепловых нейтронов, распадается на две экспоненты: скважины и пласта. Эффективное время замедления (время жизни надтепловых нейтронов по терминологии авторов) в скважине составило 2.7 мкс (в воде 2.2 мкс),в пласте менялось от 2.7 до 40 мкс (с уменьшением пористости от 100 до 1.8%). Эксперименты выполнены на физической установке, параметры которой отличаются от параметров скважинного генератора PNP. Длительность импульса равна 2 мкс, частота 6.25 кГц (интервал измерения 160 мкс). Использован спектрометр по времени пролета М541 с 256-канальным анализатором Nuclear Data M6613 (ширина окна 0.125 мкс, период измерений 32 мкс).


Для измерений использован сравнительно новый сцинтилляционный детектор-германат висмута (BGO) размерами 51х51 см. Сравнительные характеристики этого детектора и преимущества его использования в спектрометрических каналах регистрации обсуждаются в

подготавливаемом мною обзоре. (Состояние и перспективы спектрометрии скважинных измерений. Аналитический обзор по зарубежным данным).


* * *

Особый интерес вызывает применение в скважинах полупроводниковых детекторов (ППД) в сочетании с генератором нейтронов, поскольку аналогичное направление развивается и в нашей стране в течение 20 лет. Компания Princeton Gamma Tech Inc (PGT), которая теперь называется Princeton Geophysical Service Inc, выпустила третье поколение скважинной аппаратуры [45] с полупроводниковым детектором (ППД) и высокочастотным генератором нейтронов и провела серию непрерывных и точечных измерений на различных моделях для оценки возможности его применения в нефтяной промышленности. С 1970 г. было выпущено три прибора: 1 - для геологической службы США (USGS), 2 - для компании Шлюмберже. Конструкция нового прибора следующая. Детектор из сверхчистого германия имеет размеры 5.1х5.1 см (объем 100 см ). Он расположен в сосуде Дюара вместе с твердым хладоагентом. Предварительно прибор охлаждается и затем выдерживает постоянную температуру (30 град. С) в течение 11 час при внешней температуре 100 С (среднее время фазового перехода хладоагента). В приборе использована высокочастотная (20 кГц) нейтронная трубка нейтронного генератора, представленная Дрессер Атлас. В приборе использованы два 4000 канальных анализатора, аналого-цифровой преобразователь с временем срабатывания 12 мкс и максимальной частотой пропускания 70 кГц. В скважинном приборе размещен также буфер с емкостью 8 бит на канал (всего 64 К). Интервалы опроса скважинной аппаратуры - через 2 сек, причем в наземной части спектры записываются на магнитную ленту.

Аппаратура раздельно регистрирует спектры неупругого рассеяния и радиационного захвата нейтронов. Длительность импульса генератора около 5 мкс, неупругое рассеяние регистрируется в окне 15 мкс, радиационное гамма-излучение - в следующем окне 35 мкс, интервал между импульсами 50 мкс. Приведена серия примеров применения аппаратуры на различных моделях и скважинах. 1) На моделях песчаников, насыщенных пресной и соленой водой, измерены спектры в 5 мин интервалах. Прибор разграничивает пресное и соленое насыщение при концентрации 1 г/л NaCl в модели и 2.5 г/л в реальной скважине, против 20 г/л NaCl для NaJ-детектора. 2) Измерен спектр гамма-излучения неупругого рассеяния в парафиновом блоке толщиной 5 см, окружающем прибор. Четко разграничиваются линии 4.43 МэВ от углерода и линии 6.13 от кислорода. 3) Представлены обе серии спектров, снятые на моделях известняка и песчаника. На основе этих первых измерений предложена схема литологического расчленения пород и их насыщения, предлагающая измерение отношений H/Si, C/O, Si/O, C/Si. 4) Эти и другие отношения проверены в серии экспериментов на моделях мрамора, известняка и писчего мела. Показана расчленяющая возможность метода посредством построения кроссплотов Ca/H=f(C,C/O,C/Ca). 5) Выполнена серия измерений в 8 реальных скважинах в штатах Оклахома и Калифорния в непрерывном и точечном режимах с использованием Сf-252. Представлены спектры НГК в диапазоне 1-8 МэВ и дискретные измерения Cl/H и Si/H в сопоставлении с керном. 6) При проведении измерений с генератором нейтронов приведены точечные спектры в отложениях мела, глин, а также суммарные спектры для интервала мощностью 36м. Кроссплот Ca/Si позволяет расчленять карбонатный интервал разреза.


Компания Chevron Oil Field Research Co [46] провела испытания описанной выше аппаратуры в обсаженных скважинах с целью оценки перспектив этого прибора в сопровождении процессов эксплуатации нефтегазовых месторождений. Проведены методические работы с целью выбора спектральных окон для регистрации линий хлора, а также С/О отношения в обсаженных скважинах. В работе [47] представлена другая конфигурация скважинного генератора нейтронов и ППД детектора, разработанного компанией ARCO Oil and Gas Co (Plano, Texas, USA). Длина прибора 12.46 м, диаметр 90 мм. Генератор Kaman A-320II, частота 1-3 кГц, выход 10**14 n/sec (!?). Детектор сверхчистый германий, эффективность 10-14% по отношению к 7.56х7.56 NaJ кристаллу. Держит температуру 100 С в течение 12час. Анализатор на 4096 каналов, 2 буфера (неупругое рассеяние и радиационный захват), разрешение 12 бит, загрузка канала 255. Скорость передачи данных 19.200 Бод. Приведены результаты измерений на моделях и в скважинах, из которых следует удовлетворительная сходимость кривых, снятых на скорости 60 м/ч, с традиционными измерениями с NaJ детектором.

Заявляется возможность проводить количественное определение Cl, Si, Ca, S, Fe, H, K в обсаженных скважинах при непрерывных измерениях с выдачей полного спектра (4000 каналов) через каждые 61 см. Более точные измерения требуют дискретного режима с экспозицией в каждой точке в течение 15 мин. Среди заявленных геофизических задач упоминается оценка водо-нефтяного контакта остаточной нефтенасыщенности, литологических различий, сопровождение процессов гидроразрыва.

Вопросам практической интерпретации ИНК отдельно и в комплексе с другими методами каротажа посвещено огромное количество работ, полностью перечислить которые нет никакой возможности. Остановимся на обзоре практических приемов интерпретации ИНК, выполненном специалистами Exxon Co. Обзор касается так называемых сложно построенных коллекторов свиты Woodbine, Cockfield Frio (сильно заглинизированные песчаники)[48]. В обзоре отмечено, что такая интерпретация является не только наукой но и искусством (а по мнению автора обзора, только такие случаи двигают интерпретацию вперед). Последнее проявляется в умении найти опорные пласты, базовые линии (минимальные или максимальные опорные параметры в разрезе)и т.д. Описано 5 приемов количественной интерпретации ИНК: 1) правило "правой руки" разграничения пород по насыщению при условии, что глинистость остается постоянной; 2) использование кроссплота "сигма-пористость" для минерализованных пластовых вод без коррекции глинистости; 3-4) коррекция сигма матрицы на глинистость в предположении постоянства свойств глин резервуара и постоянной или переменной глинистости коллектора; 5) коррекция каротажа в предположении постоянства свойств песчанной фракции в пределах резервуара. Записана алгоритмическая реализация этих приемов.


В обширном обзоре [49], содержащем ссылки на 99 работ, дан сопоставительный анализ различных скважинных геофизических методов оценки текущей и остаточной нефтенасыщенности с учетом различий в глубинности методов. Как и другие зарубежные обзоры, этот также демонстративно не содержит ссылок на советские работы.

Приведена сводная таблица рассмотренных методов, которая включает следующие группы методов: 1) анализ керна; 2) каротаж-сопротивлений; 3) диэлектрический и электромагнитный каротаж; 4) ядерно-магнитный каротаж; 5) гамма-каротаж; 6) каротаж неупругого рассеяния по схеме углерод-кислородного отношения; 7) импульсный нейтронный каротаж в традиционной схеме; 8) метод индикаторов в одно- и многоскважинном вариантах; 9) скважинная гравиметрия; 10) дебитометрия. Все методы применены в традиционной схеме, а также в схеме каротаж-воздействие-каротаж с различными реагентами (вода, спецреагенты, хлорированные нефти и т.д.). Приведены парные и множественные сопоставления методов.

Сопоставлены между собой профили остаточной нефтенасыщенности по продуктивным интервалам, полученные разными методами. Выявлены и детально обсуждены различия между системами измерений, причем внимательный читатель легко увидит, что ИНК в различных модификациях (в частности, в сочетании с изотопами и LIL - Log-Injection-Log) выдвигается на центральное место в задачах оценки остаточной нефтенасыщенности. Этим обстоятельством в конечном итоге и определяется расширение масштабов применения ИНК, несмотря на рост стоимости аппаратуры.


Резюме.

Все ведущие зарубежные геофизические компании (Schlumberger, Dresser, Halliburton) выпустили новое поколение генераторов нейтронов (третье или четвертое в зависимости от классификации).

Технические характеристики скважинной аппаратуры характеризуются следующим:

1. Все генераторы являются высокочастотными (1 кГц и выше). Низкочастотных образцов просто нет. С методической точки зрения это исключает необходимость бороться с перегрузками (просчетами) и требует организации измерений в интервале между импульсами, равным 800 мкс и менее (без выхода на асимптотический участок).


2. Основное большинство типов генераторов реализуют двухзондовый принцип измерения. Это означает, что однозондовый принцип не позволяет скорректировать диффузионные поправки и определить макросечение захвата (МЗ) или сигма-пласта с точностью, требуемой современными количественными методами интерпретации ИНК.

3. Однозондовые схемы измерений реализованы только в генераторе PNP (Mobil), где измеряется время замедления, и дифуззионные поправки не важны, и некоторых опытных образцах (PGT, GLT), где спектральные отношения автоматически корректируют диффузионные искажения.

4. Только два генератора используют режим ИННК. (PNP Mobil и DSNT-Halliburton). Остальные аппараты используют режим ИНГК.Явно заявлено и показано на примерах, что генераторы TDT-P, TDT-M Schlumberger и РDK-100 Dresser реализуют спектрометрические режимы неупругого рассеяния и радиационного захвата.

Двухимпульсный двухзондовый генератор TDT-P позволяет более надежно разделить процессы неупругого рассеяния от процессов радиационного захвата. Однако пока еще рано считать этот генератор представителем нового поколения, так как пока неясно, можно ли этим генератором решать новый класс геофизических задач.

5. Временной режим регистрации включает набор окон увеличивающейся ширины. Это обеспечивает примерно равные статистические погрешности, надежное разделение экспоненциальных участков пласта и скважины и определение МЗ пласта и скважины. Для TDT-P и РDK-100 временной режим содержит паузу (выключенный генератор) для определения естественных и активационных гамма-фонов.

6. В большинстве типов аппаратуры мониторируется выход генератора (принцип мониторирования не всегда ясен) и используется компьютерный контроль основных блоков аппаратуры.

7. Скважинные генераторы конструктивно допускают наращивание узлов при создании комплексной аппаратуры (GLT, PGT, ARCO), причем длина скважинного прибора может достигать 9-12 м. При этом проблем с передачей информации не возникает. Полностью передается временной или энергетический спектр для записи на поверхности на магнитные носители. Скорость передачи 10-30 кБод (максимальная частота до 70 кГц). Емкость буфера скважинного прибора до 64 К. Частота опроса 2-3 сек.


8. Продолжается совершенствование скважинных ППД спектрометров для работы с генераторами нейтронов: увеличение термостойкости, выхода генератора, возможность непрерывных измерений. Показана принципиальная возможность решения большинства методических задач нефтегазовых объектов. Однако масштаб практического применения этих приборов не расширяется.

9. Разработка всех новых типов генераторов сопровождается значительными объемами экспериментального моделирования (специально созданные модели, допускающие смену насыщения и различную конструкцию обсадки; эталонные скважины) и большими объемами компьютерного моделирования. Последнее реализуется на рабочих станциях VAX и SUN и в последнее время на мощных РС. Для приближенного моделирования используются конечные разности, для прецизионного моделирования метод Монте-Карло. Оба вида моделирования образуют единую оптимальную систему, которая охватывает весь диапазоп измерения параметров задачи и аппаратуры. При моделировании Монте-Карло используются, как правило, универсальные программы ядерной физики, которые работают существенно медленнее (5-10 раз), чем специализированные геофизические программы.

10. Показано, что количественная интерпретация ИНК невозможна без экспериментального определения МЗ на образцах пород (и флюидов). Появилось много публикаций, описывающих схемы измерения МЗ а также расчет петрофизических параметров пород с использованием новейших библиотек ядерных данных (ENDFB/V) и петрофизических программ (SNUPAR). Средняя погрешность измерений МЗ составляет 0.5 см (относительная), 1.0 c.u. (абсолютная).

11. Система записи измерений ИНК содержит полную магнитную запись исходной информации (архив) и набор вспомогательных файлов (до 15 файлов). Этот набор содержит первичную информацию (скорости света в каналах, фоны, мониторирование) и вторичные файлы (МЗ пласта, скважины на каждом из зондов). В набор обязательно включается какой-либо параметр качества измерений (например, стандартное отклонение для МЗ пласта), по которому программа оценки качества оперативно (на устье скважины) оценивает каротажный материал.


12. Системы обработки и интерпретации ИНК, как правило, теперь не описываются, поскольку по-видимому, составляют коммерческую тайну. Обработка состоит в вычислении МЗ пласта и скважины (с использованием, как правило, итерационных процедур), и обязательной оценки качества (например, с помощью программ "Log Quality Control" для бортового процессора CSU Schlumberger или системы интерпретации PLS Hallburton). Системы комплексной интерпретации каротажа имеют ярко выраженный фирменный характер и являются предметом отдельного разговора.

13. В кратком резюме не представляется возможным подытожить весь спектр применений ИНК на нефтегазовых объектах. Наиболее важный вывод состоит в том, что ИНГК в спектрометрических вариантах демонстрирует явное преимущество перед ИННК, состоящее в многообразии методических возможностей (регистрация спектров, линий, отношений гамма-излучения неупругого рассеяния, радиационного захвата и активации; элементный анализ пород и флюидов, оценка технического состояния, профилей притока в скважинах и т.д.). По этой причине масштаб применений спектрометрии ИНГК несопоставимо шире ИННК.


БИБЛИОГРАФИЯ.

1. Теория нейтронных методов исследования скважин. С.А. Кантор, Д.А. Кожевников, А.Л. Поляченко и др. Недра 1985, 224 с.

2. Достижения в методах и средствах проведения каротажа скважин. Обзоры ВНИИОЭНГ, серия "Геология, геофизика и разработка нефтегазовых месторождений, N 17", С.Б. Денисов, Б.Н. Еникеев,

Б.Е. Лухминский и др. 1988, 69 с.

3. Mills W.R., Allen L.S., Stromswold D.C., Recent Developments in Nuclear Oil Well Logging, IAEA-SM-308/51, Vienna 5-8.06.1990, pp 2-18.

4. Schweitzer J.E. Nuclear Techniques in Oil Industry. Nucl. Geophysics. 5 N1/2,1991, pp 65-90.

5.Steinman D.K., Adolph R.A., Mahdavi M., Preeg W.A. Dual-Burst Thermal Decay Time Logging Principles. SPE Formation Evaluation,june 1988, pp 377-385.

6. Steinman D.K., Adolph R.A., Mahdavi M., Marienbach E., Preeg W.E., Wraight P.D. Dual-Burst Thermal Decay Time Logging Principles, 61-Annual SPE Conf. New-Orlean 1986, SPE - 15487


7. Dual-Burst TDT-Service. Schlumberger, 1988

8. Randall R.R., Oliver D.W., Fertl W.H. The TDK-100 Enhances Interpretation Capabilities for Pulsed Neutron Capture Logs 27-th SPWLA Annual Logging Symposium, june 9-13, 1976, JJJ1-JJJ16.

9. Buckanan J.c., Clearman D.K., Heidbrink L.J., Smith N.D.Jr. Application of TMD Pulsed Neutron Logs in Unusual Downhole Logging Environments. 25-th SPWLA Annual Logging Symp. june 10-13, 1984, KKK1-16.

10. Precision Logging System. Welex, a Halliburton Systems 1985.

11. Quality Curves, Indicator of Excellence. Welex, a Halliburton System, 1988.

12. Gartner M.L., Schnoor C., Sinclair P. An Accelerator-Based Epithermal Neutron Porosity Tool, 27-th SPWLA Ann. Log. Syst., june 9-13, 1986, UU1-UU17.

13. Mills W.R., Allen L.S., Stromswold D.C. Pulsed Neutron Porosity Logging, 29-th SPWLA Ann. Log. Symp.,june 5-8,1988, KK1-KK21.

14. Mills W.R., Stromswold D.C., Allen L.S., Die-away of Epithermal Neutron Capture Gamma-rays Following a Neutron Pulse, Nucl. Geophys. 5, N 1/2, 1991, pp 13-20.

15. Mills W.R., Allen L.S., Stromswold D.C. Pulsed Neutron Porosity Logging Based on Epithermal Neutron Die-away. Nucl. Geophys. 2,N 2, 1988, pp 81-93.

16. Mills W.R., Stromswold D.C., Allen L.S., Advanced in Nuclear Oil Well Logging, Nucl. Geophysics, 5, N 3, 1991, pp 209-227.

17.Mills W.R., Stromswold D.C., Allen L.S., Comment on The Monte Carlo Method in Mining Nuclear Geophysics, 1. Application of Neutron Generators. (Burmistenko and Lukhminsky). ibid pp 373-376.

18. Wilson R.D., Stromsworld D.C., Mills W.R., Cook T.K. Porosity Logging Using Epithermal Neutron Lifetime Monte Carlo Simulations. Nucl. Geophysics 3, N 4, 1989, pp 323-334.

19. Burmistenko Yu.N., Lukhminsky B.E., The Monte Carlo Method in Mining Nuclear Geophysics - 1. The Application of Neutron Generators Nucl. Geophysics 4, N 2, 1990, pp 169-182.


20. А/с N 274252 от 12.06.1965 "Нейтронно-резонансный способ элементного анализа горных пород" (В.Ф. Горбунов, С.А. Денисик, Е.М. Кадисов, Б.Е.Лухминский и др).

21. Shope L.A., Berg R.S., O'Neal M.L., Barnaby B.F., The Operation and Life of the Zetatron Neutron Tube in a Borehole Logging Application, Nucl. Geophysics, Ed. C.Clayton, Pergamon Press, 1983, pp 269-271.

22. Butler J., Clayton C.G., A New Philosophy for Calibrating Oil Well Logging Tools Based on Neutron Transport Codes, SPWLA - 25-th Ann. Symp., june 10-13, 1984, FFF1-FFF26.

23.Sanders L.G., Kemshell P.B., Computer Modelling as an Aid to Neutron and Gamma-Ray Log Interpretation, SPWLA - 25-th Ann Symp., ibid QQQ1-QQQ26.

24. Kemshell P.B., Wright W.V., Sanders L.G. Application of Monte Carlo Perturbation Methods to a Neutron Porosity Logging Tool Using DUCKPOND/McBEND. ibid PPP1-PPP18.

25. Butler J., Locke J., Packwood A. A New Facility for the Investigation of Nuclear Logging Tools and their Calibration. SPWLA- 27-th Ann. Symp., june 9-13, 1986, HHH1-HHH24.

26. Tittle C.W. Model Wells for Nuclear Well Logging, Nucl. Geophysics 3, N 3, 1989, pp 193-202.

27. Бeкурц К., Виртц К., Нейтронная физика, Атомиздат 1966 г., 456 с.

28. Физические основы импульсных нейтронных методов исследования скважин, Недра, 1976 г.,160 с. (Шимелевич Ю.С., Кантор, С.А., Школьников А.С. и др)

29. Миллер В.В. Атомная энергия 22, с. 33.

30. Czubek J.A. Measurement of Macroscopic Neutron Cross-Sections and Other Macroparameters of Rocks. Raport N 1281/AP, Inst. of Nucl. Physics, Kracow, 1985, p 46.

31. Czubek J.A., Drozdowicz K., Krynicka-Drozdowicz E. at al. Measurement of the Thermal Neutron Absorption Cross Section of Rock Samples. Nucl. Geophysics (ed. C.G.Clayton) Pergamon Press,

1983, pp 143-151.

32. Czubek J.A., Drozdowicz K., Gabanska B., et al. Advances in Absolute Determination of the Rock Matrix Absorption Cross Section for Thermal Neutron. Nucl. Geophysics. 5, N 1/2, 1991, pp 101-107.


33. Bang V.D, Dien L.D., Hai N.Q. et al, A New Approach to the Problem of Thermal Neutron Absorption Cross Section Determination for Small Samples, Nucl. Geophysics 5, N 1/2, 1991 pp 95-100.

34. Karus E.V., Shimelevich Yu.S., Nuclear Geophysics in Prospecting, Exploration and Development of Oil and Gas Fields, Nucl. Geophysics, ed. C. Clayton, Pergamon Press, 1983, pp 95-118.

35. Karus E.V. at al, Proc. UNIV Intern. Conf. Geneva, 1978.

36. Dunn K.-J., Diffusion Model for Pulsed Neutron Logging, Geophysics, 54 (100-113) , 1989.

37. Schlumberger Log Interpretation Principles/ Applications. Schlumberger Educational Services, 1989.

38. Schlumberger Historical Charts. Schlumberger Educational Services, 1989.

39. Derosset W.H.M. Examples of Detection of Water Flow by Oxygen Activation on Pulsed Neutron Logs., 27-SPWLA, june 9-12, 1986, pp CCC.

40. Ruhovets N., Wyatt D.F. Quantitative Monitoring of Gas Flooding in Oil Bearing Reservoirs Using Pulsed Neutron Tool. XIII European Formation Evaluation Symp. oct 1990, Hungary, pp W.

41. Lawrence T.D., Scott B., Harris M. Continuons Carbon/ Oxygen and Neutron Lifetime Log Proposed Interpretation for Organic and/or Shaly Depositional Environments. 25-SPWLA, june

10-13, 1983, pp QQ.

42. Grau J.A., Schweitzer J.S. Elemental Concentrations from Thermal Neutron Capture Gamma-ray Spectra in Geological Formations. Nucl. Geophysics 3, N 1, 1989, pp 1-9.

43. Herron M.M. Geochemical Classification of Terrigeneous Sands and Shales from Core and Log Data. Journ. of Sedimentary Petrology 58, N 5, 1988, pp 820-829.

44. Edgson J.J. MacFarlane C.J. Cased Hole Logging Technique to Evaluate Reservoirs in New and Old Wells. Journ. of Canadian Petroleum Technology 27, N 4, 1988, pp 30-43.

45. Baicker J.A., Sayres A., Schladale S., Dudek J., Stone J.M. Carbone/Oxigen Logging Using a Pulsed Neutron Generator and Germanium Cryosonde. 26-SPWLA, june 17-20, 1985, pp BBB.


46. Neuman C.H. Test of a High-Resolution Spectroscopy Log to Measure Chlorine in a Low-Salinity Reservoir. SPE, 1986, paper N 15438.

47. Myers G.D. Practical Pulsed Neutron Spectroscopy Logging with a High Resolution Gamma-ray Detector. 29-SPWLA, june 5-8, 1988, pp RR.

48. Hart P.E., Pohler M.A. Pulsed Neutron Log Analysis Techniques and Results for the Gulf Coast and East Texas Sandstones. 30-SPWLA, june 10-14, 1989, pp Y.

49. Chang M.M., Maerafat N.L., Tomutsa L., Honarpur M.M. Evaluation and Comparison of Residual Oil Saturation Determination Techniques. SPE Formation Evaluation, march 1988, pp 251-262.