СПОСОБ НЕЙТРОННОГО АКТИВАЦИОННОГО КАРОТАЖА НА ХЛОР Российский патент 1997 года по МПК G01V5/10 

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин с применением источников нейтронного излучения и может быть использовано в геологии, нефтяной и газовой промышленности для бескернового изучения геологических разрезов буровых скважин, в том числе выявления пластов с минерализованным флюидом и соленосных пластов (KCl, NaCl и т.д.).

Известен способ каротажа по хлору [1] предлагающий облучение горных пород потоком нейтронов и регистрацию в области 4,6 6,4 МэВ потока радиационного гамма-излучения от ядер хлора, а с помощью отдельного детектора потока тепловых нейтронов. По соотношению потоков судят о содержании хлора в горной породе или насыщающем ее флюиде.

Недостатком способа является низкая эффективность регистрации детекторами NaI(T1) жесткого гамма-излучения, что снижает точность измерений, особенно в скважинах малого диаметра. Кроме того большое влияние на аналог оказывает мешающее излучение породообразующих элементов, особенно железа, если каротаж проводится в обсадных трубах.

Для исключения влияния железа предложен способ хлорного каротажа, который в отличие от предыдущего предлагает применение в качестве охранного кожуха прибора и обсадных труб алюминия, не создающего высокого уровня фона при измерениях.

Недостаток этого способа очевиден. Такие обсадные трубы нельзя использовать, например, при проходке нефтяных и газовых скважин. Кроме того, алюминиевые трубы уступают стальным по механической прочности. Стоимость алюминиевых труб также значительно выше. Поэтому при бурении алюминиевые обсадные трубы в нашей стране совершенно не применяются.

Известен способ каротажа по хлору, описанный в патенте Франции [2] Способ заключается в облучении исследуемой среды потоком нейтронов и регистрации с помощью полупроводниковых детекторов гамма-излучения радиационного захвата хлора в энергетических областях 1,163 и 1,953 МэВ. Одновременно измеряется интенсивность гамма-излучения водорода в области 2,223 МэВ. Затем определяется отношение интенсивностей потоков от ядер хлора и водорода, по величине которого судят о солености флюида, насыщающего горную породу. При наличии мешающего излучения от ядер кальция (в карбонатном разрезе) поток гамма-излучения радиационного захвата хлора измеряют в области гамма-линии с энергией 1,163 МэВ. В терригенном разрезе хлорную составляющую измеряют в области гамма-линии 1,953 МэВ.

Недостатком способа является его техническая сложность реализации, требующая применения полупроводниковых детекторов. Эксплуатация последних возможна при условии их охлаждения до температуры жидкого азота. Вследствие этого диаметр скважинных приборов обычно превышает 100 мм, что делает невозможным реализацию способа в скважинах малого диаметра или через насосно-компрессорные трубы в газо-нефтяных эксплуатационных скважинах большого диаметра.

Кроме того, в способе используются сравнительно жесткие гамма-линии радиационного захвата хлора в области 1,0 2,0 МэВ, выделение которых от парных и полупарных гамма-линий породообразующих элементов представляет сложную техническую задачу. По этой причине способ не может быть реализован с применением обычных сцинтилляционных детекторов. Отмеченные недостатки резко ограничивают область и масштабы применения способа в практике геологоразведочных работ.

Наиболее близким по физической сущности и достигаемому результату является способ, основанный на облучении исследуемых горных пород потоком нейтронов и регистрации наведенного гамма-излучения от изотопа хлора - Cl-38(3). В основу способа положена ядерная реакция на ядрах хлора Cl³⁷(n, γ)Cl³⁸, протекающая на тепловых нейтронах. Образующийся изотоп имеет период полураспада 38 мин при относительно невысоком макросечении активации исходных стабильных ядер хлора-37 (Σ_a 2,23•10^-6 см²/г). По этой причине для получения статистически устойчивых измерений требуются большие затраты времени на проведение измерений. В частности, время активации составляет 60 120 мин. Таким образом, даже при циклической схеме, когда облучение проводится одновременно с измерением наведенной активности, затраты времени составляют 30 60 минут на точку. Столь низкая производительность является главным недостатком способа, что не позволило внедрить его в практику работ. Кроме того, из-за низкого сечения активации чувствительность к хлору оказывается невысокой. Фактически прототип применим лишь для исследования сред с содержанием хлора, равным нескольким процентам. Например, при минерализации пластового флюида 200 300 г/л и пористости терригенных отложений 30% весовое содержание хлора составляет 4,8 7,3% При минерализации 50 100 г/л и К_п=30% весовое содержание хлора уменьшается до 0,93 и 1,21% соответственно, а при К_п 10% еще втрое, т.е. 0,3 и 0,4% В этих условиях применение способа становится неэффективным.

Техническим результатом является повышение точности и надежности выделения в разрезах скважин хлорсодержащих интервалов и повышение производительности исследований.

Технический результат достигается тем, что в способе, заключающемся в облучении исследуемых горных пород потоком нейтронов и регистрации наведенного гамма-излучения от ядер хлора, в качестве изотопа-индикатора используют короткопериодный изотоп Cl-38m, при этом облучение осуществляют импульсным потоком быстрых нейтронов в процессе непрерывного синхронного перемещения источника нейтронов и детектора гамма-квантов относительно исследуемых горных пород со скоростью от 300 до 700 м/час, наведенное гамма-излучение измеряют в промежутках между импульсами нейтронов со временем задержки от 2 до 5 мксек одновременно в трех энергетических интервалах 570 770 КэВ (N₁), 770 - 1500 КэВ (N₂) и более 2,5 3,0 МэВ (N₃) детектором, размещенным на расстоянии 10 40 см от импульсного источника нейтронов, а о положении хлорсодержащих интервалов судят по интенсивности наведенного гамма-излучения короткоживущей хлорной компоненты с учетом поправок на естественную радиоактивность и наведенное гамма-излучение кислорода.

Указанные отличительные признаки не встречены в известных технических решениях. На основании отмеченного предполагаемый объект изобретения удовлетворяет критерию "существенные отличия". Физическая сущность предложенного способа радиоактивного каротажа может быть понята из нижеследующего анализа активационных характеристик основных изотопов и вещественного состава горных пород. Хлорсодержащие горные породы в природе представлены преимущественно калиевой (KCI) и каменной (NaCI) солями, сильвином, карналлитом, полигаллитом, алунитом и др. Кроме того, в растворенном виде соли хлора, преимущественно NaCI, входят в состав пластового флюида многих нефтяных месторождений. Содержание солей в пластовых флюидах для различных месторождений изменяется от 200 300 г/литр (Башкирия) до 15 20 г/литр (Западная Сибирь). Содержание в горных породах колеблется от нескольких десятков процентов (60,7% в NaCl) до единиц процентов в алуните и десятых долей процентов в хлоритсодержащих геологических образованиях.

Благодаря этому данные о содержании хлора представляют собой практическое значение и используются для оценки качества разведываемых запасов солей, выделения метасоматически измененных горных пород, в частности, оценки их степени хлоритизации, а также для выделения водо-нефтенасыщенных коллекторов в разрезах скважин. Одним из наиболее эффективных способов инструментального определения содержания хлора может быть нейтронный активационный метод. При облучении типичных хлорсодержащих горных пород потоком быстрых нейтронов на ядрах хлора и породообразующих элементов могут протекать различные ядерные реакции (таблица 1).

Однако при небольшой экспозиции облучения(t₀) в горных породах образуются преимущественно короткопериодные изотопы, для которых t T_i, где T_i-период полураспада изотопа. Причем образование искусственно радиоактивных ядер происходит по закону насыщения:
,
где наведенный эффект от i-го изотопа при бесконечном времени облучения;
Σa_i макросечение активации ядер i-го изотопа;
g_i содержание i-го изотопа в исследуемой среде;
Q интегральный поток быстрых нейтронов;
η_i эффективность детектора к гамма-квантам энергии E_i;
R радиус скважины;
K некоторая постоянная, учитывающая ослабление нейтронного потока веществом скважины и горной породы, а также другие физико-геометрические факторы.

Из приведенного соотношения следует, что при прочих равных условиях максимальный наведенный эффект создается от короткоживущих изотопов. В таблице 1 наиболее короткопериодным изотопом является метастабильный изотоп хлора Cl-38m. Период полураспада его составляет 0,74 сек. Относительно высокое макросечение и квантовый выход гамма-лучей с энергией 0,671 МэВ создают исключительно благоприятные условия для его возбуждения потоком быстрых нейтронов и регистрации вторичного гамма-излучения. Другие изотопы имеют значительно большие периоды полураспада. Заметный вклад в наведенное гамма-излучение может внести лишь изотоп азот-16, образующийся по реакции на ядрах кислорода 0¹⁶ (п.р.) N¹⁶ Вследствие высокого содержания кислорода в горных породах (до 52%) вклад его может быть превалирующим при низких концентрациях хлора. Парциальным вкладом других изотопов можно пренебречь из-за невысоких их содержаний в горных породах и существенно больших (на один-два порядка) периодов полураспада. Влияние излучения кислорода может быть исключено путем измерений наведенного эффекта от изотопа Cl-38m в узком энергетическом интервале гамма-линии с энергией 0,671 МэВ и компенсации вклада рассеянного от ядер кислорода путем измерения его чистого эффекта в области более 2,5 3,0 МэВ.

К числу помех относится также излучение естественно радиоактивных изотопов, представленных K-40, элементами уранового и ториевого рядов. Учет их влияния возможен за счет измерения суммарной интенсивности гамма-излучение справа от фотопика хлора, например, в интервале гамма-спектре от 0,77 до 1,5 МэВ. Выбор широкого интервала энергий обеспечивает хорошую статистику отсчетов, а следовательно, и точность учета вклада естественного гамма-излучения в канал хлора (0,570 -0,770 МэВ). При известной величине наведенного эффекта от ядер кислорода чистый наведенный эффект от ядер Cl-38m с учетом фонового гамма-излучения естественной радиоактивности определяется из соотношения:
N(CI)=N₁-K₁(N₂-K₂N₃)- K₃N₃,
где
N(Cl) наведенный эффект от ядер хлора;
N₁ суммарное количество гамма-квантов, зарегистрированных в энергетическом интервале 0,570 0,770 МэВ гамма-линии изотопа Cl-28m;
N₂ суммарное количество гамма-квантов, зарегистрированных в области 0,770 1,5 МэВ, обусловленное излучением естественно-радиоактивных элементов и изотопа N-16;
N₃ количество гамма-квантов, зарегистрированных в энергетической области 2,5 3,0 МэВ от изотопа кислорода N-16;
K₁ коэффициент, учитывающий вклад естественно радиоактивных элементов в энергетическую область 0,570 0,770 МэВ;
K₂ коэффициент, учитывающий вклад излучения от ядер кислорода в энергетическую область 0,77 1,5 МэВ;
K₃ коэффициент, учитывающий вклад излучения от ядер кислорода в энергетическую область 0,57 0,77 МэВ.

Основным преимуществом использования короткопериодного изотопа Cl-38m в качестве индикатора является возможность реализации непрерывных исследований.

На фиг. 1 приведены два гамма-спектра изотопа Cl-38m, зарегистрированные над полупластом каменной соли с экспериментальным образцом скважинного прибора при скорости каротажа (V) 700 и 300 м/час. На обоих спектрах наведенное излучение хлора фиксируется в виде контрастного фотопика с энергией 0,67 МэВ. Максимальная чувствительность к содержанию хлора при измерениях в скважинах по экспериментальным данным наблюдается при скорости каротажа от 300 до 700 м/час и размещении детектора гамма-квантов на расстоянии от 10 до 40 см от источника быстрых нейтронов. При столь малых размерах зондов, соизмеримых с длиной свободного пробега гамма-квантов и быстрых нейтронов, практическая реализация способа возможны только при использовании импульсного источника нейтронов. В этом случае за счет временной задержки представляется возможным исключить фоновую компоненту, обусловленную радиационным захватом тепловых нейтронов ядрами элементов исследуемых сред и конструкционных материалов зонда. Гамма-излучение радиационного захвата наблюдается на временах до 3 μc после окончания импульса облучения, поэтому для детектирования наведенного гамма-излучения короткоживущего изотопа Cl-38m измерения предлагается выполнять во временном интервале между импульсами облучения с задержкой от 2 до 5 μc При использовании генератора нейтронов, работающего с частотой 20 Гц, время измерения наведенного эффекта между импульсами составит 48 45 μc при 96 90% Благодаря достаточно длительной экспозиции измерений достигается хорошая статистическая точность регистрации всех трех спектральных потоков и, следовательно, точность определения содержания хлора. Способ проверен на физических моделях и в нефтяных скважинах Туймазинского месторождения. Пластовые воды последнего имеют высокую минерализацию, достигающую 300 г/л. Измерения в нефтяных скважинах осуществлены с экспериментальным образцом скважинного прибора, включающего импульсный генератор нейтронов на 14 МэВ с выходом 2•10⁷ н/сек и регистрирующе-передающую схему. В качестве детектора гамма-излучения использовался сцинтиблок, состоящий из монокристалла NaI(Tl) размером 50x150 мм и ФЭУ-151. Размер зонда составил 40 см. Частота работы генератора нейтронов с трубкой НТ-16 составляла 20 Гц. Время начальной задержки -3 μc Время измерений 48 μc (от 3 до 50 μc ). Одновременно регистрировались три спектральных потока в области энергий 0,57 0,77 МэВ (N₁); 0,77 1,5 МэВ (N₂) и более 3,0 МэВ (N₃). Чистый наведенный эффект рассчитывался с учетом вкладов гамма-излучения естественной радиоактивности и наведенного гамма-излучения от ядер кислорода.

Измерения осуществляются в следующей последовательности. Скважинный прибор опускается на заданную глубину и после его включения устанавливаются оптимальные энергетические режимы измерений: первый элемент настраивается на регистрацию гамма-квантов в области 0,57 0,77 МэВ, второй 0,77 1,5 МэВ, третий более 3,0 МэВ. При подъеме со скоростью примерно 600 м/час непрерывно регистрируются три потока наведенного гамма-излучения. Коэффициенты K₁, K₂ и K₃ устанавливаются по экспериментальным данным путем измерения спектральных потоков гамма-излучения в трех энергетических областях с отключенными и включенными генератором быстрых нейтронов. При отключении генератора определяется коэффициент K₁ по соотношению:
K₁ A₁/A₂.

При включенном генераторе определяются коэффициенты K₂ и K₃ по формулам:
K₂ (B₂ A₂)/B₃;
K₃ (B₁ K₁A₂)/B₃;
где A₁ и B₁ скорости счета в энергетической области 0,570 0,770 МэВ соответственно при отключенном и включенном генераторе нейтронов;
A₂ и B₂ скорости счета в энергетической области 0,770 - 1500 МэВ соответственно при отключенном и включенном генераторе нейтронов;
B₃ скорость счета при включенном генераторе нейтронов в энергетической области более 3,0 МэВ.

Коэффициенты K₁, K₂ и K₃ корректируются при замене детектора или после ремонта регистрирующе-передающей электронной схемы скважинного прибора. После расчета наведенного эффекта изотопа Cl-38m, осуществляемого с помощью бортового счетно-решающего устройства или на ЭВМ, по аномальным значениям скорости счета определяется положение хлорсодержащих интервалов и, используя переходной коэффициент (m), содержание хлора C(Cl) в нефтеносном пласте или других природных образованиях:
C(Cl) N(Cl)/m.

С целью стандартизации измерений в данные нейтронного активационного каротажа по изотопу Cl-38m вносятся поправки за изменение диаметра скважины, плотность горных пород и влияние обсадных труб толщиной ( Δ d_т ):
C(Cl) = N(Cl)/mP(ρ)P(d_с)P(Δd_т),
где m переходной коэффициент для заданного диаметра скважин, например, d 112 мм;
P(ρ) поправка за влияние плотности горных пород;
P(d_c) поправка за отклонение диаметра скважины;
P(Δd_т) поправка за поглощение излучения изотопа Cl-38m в обсадных трубах.

Данные о плотности исследуемых горных пород и фактическом диаметре скважин снимают с диаграмм плотностью гамма-гамма-каротажа и кавернометрии, входящих в обязательный комплекс геофизических исследований нефтяных и других (рудных, нерудных) скважин. Данные о наличии и толщине обсадных труб известны из документации на строительство скважин.

На фиг. 2 приведен пример применения метода для выделения водо- и нефтенасыщенных коллекторов и границы их раздела по одной из скважин Туймазинского месторождения.

На чертеже приняты следующие обозначения:
1 терригенные отложения;
2 карбонатные отложения;
3 водонасыщенный коллектор;
4 нефтенасыщенных коллектор;
5 водонефтяной контакт;
6 геологическая колонка;
7 диаграмма хлорного каротажа N(Cl);
8, 9, 10 диаграммы спектральных интенсивностей в областях энергий, соответственно равных 0,57 0,77 МэВ (N₁), 0,77 1,5 МэВ (N₂) и более 3,0 МэВ (N₃).

Из анализа фактических материалов видно, что положение водонефтенасыщенных пластов весьма четко фиксируется по диаграмме хлорного каротажа. В данном случае выделяемый на глубине 1142 м нефтеносный коллектор обводнен на 30 40% Контакт вода нефть нечеткий, что следует учитывать при добыче нефти при выборе интервала перфорации обсадных труб. Исходя из полученных материалов, в том числе реальных вкладов естественного гамма-излучения и наведенной активности кислорода в энергетическую область 0,57 0,77 МэВ, оценен порог обнаружения хлора. В условиях терригенного разреза он составляет порядка 0,3% и снижается до 0,2% в карбонатных коллекторах, характеризующихся низкой естественной радиоактивностью. Исходя из этих цифр, предложенный способ может быть эффективно использован для оценки качества различных солей (каменной, калиевой и др. ), а также изучения нефтеносных коллекторов при минерализации пластового флюида более 30 40 г/литр и K_п ≥ 10% или 15 20 г/л и K_п ≥ 20% Точность количественных определений содержаний хлора по экспериментальным данным (фиг. 1) соизмерила с данными геологического опробования и составляет 5 10% в классе содержаний более 1% и 10 20% при содержаниях менее 1% Cl.

Экономический эффект от использования предложенного способа определяется повышением точности, надежности и производительности исследований. Благодаря этому представляется возможным в нефтяных скважинах делать достоверно заключения по интервалам с неясным характером насыщения пластового флюида и, соответственно, вовлекать такие пласты в последующую эксплуатацию. На месторождениях солей данные способы могут быть использованы для количественных определений разведываемого сырья и подсчета запасов, в том числе по интервалам с некондиционным выходом керна.

Использование: геология, геофизика, нефтяная и газовая промышленность, при геофизических исследованиях скважин. Сущность изобретения: исследуемую среду облучают импульсным потоком быстрых нейтронов в процессе непрерывного синхронного перемещения источника нейтронов и детектора гамма-квантов относительно исследуемых горных пород со скоростью от 300 до 700 м/час и регистрируют наведенное гамма-излучение от ядер хлора. При этом в качестве изотопа - индикатора используют короткопермодный изотоп C1-38m. Измерение наведенного излучения осуществляю короткопермодный изотоп C1-38m. Измерение наведенного излучения осуществляют в промежутках между импульсами нейтронов со временем задержки от 2 до 5 мксек. одновременно в трех энергетических интервалах 0,57 - 0,77 МэВ (N₁), 0,77 - 1,5 МэВ (N₂) и более 2,5 - 3,0 МэВ (N₃) детектором, размещенным на расстоянии 10 - 40 см от импульсного источника нейтронов. По интенсивности наведенного гамма-излучения короткоживущей хлорной компоненты с учетом поправок на естественную радиоактивность и наведенное гамма-излучение кислорода судят о положении и качестве хлорсодержащих интервалов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ нейтронного активационного каротажа на хлор, заключающийся в облучении исследуемых горных пород потоком нейтронов, регистрации наведенного гамма-излучения от ядер хлора N₁, фонового гамма-излучения естественной радиоактивности N₂, измерении плотности горных пород ρ и диаметра скважин d с последующим расчетом концентрации элемента по соотношению

где N(Cl) чистый наведенный эффект за вычетом фоновой компоненты излучения;
m переходной коэффициент, численно равный величине наведенного эффекта, приходящегося на единицу содержания хлора;
P(ρ), P(d) и P(Δd_т) - значения поправочных коэффициентов на отклонение от стандартных условий измерения соответственно плотности горных пород, диаметра скважины и толщины обсадных труб в скважинах,
отличающийся тем, что в качестве изотопа-индикатора используют короткоживущий изотоп С1-38m, при этом облучение осуществляют импульсным потоком быстрых нейтронов в процессе непрерывного синхронного перемещения источника нейтронов и детектора гамма-квантов относительно исследуемых горных пород со скоростью 300 700 м/ч, наведенное излучение изотопа и фоновое излучение измеряют в промежутках между импульсами нейтронов с временем задержки 2 5 мкс одновременно в трех энергетических интервалах 0,57 0,77 МэВ (N₁), 0,77 1,5 МэВ (N₂) и более 3 МэВ (N₃) детектором, размещенным на расстоянии 10 40 см от импульсного источника нейтронов, а о положении и качестве хлорсодержащих интервалов судят по интенсивности наведенного гамма-излучения короткоживущей хлорной компоненты N(Cl) N₁ K₁(N₂ K₂N₃) - K₃N₃ и содержанию хлора C(Cl), где К₁ K₃ - спектральные коэффициенты, определяющие соответственно вклад естественно радиоактивных элементов в энергетическую область 0,57 0,77 МэВ, вклад излучения от ядер кислорода в энергетическую область 0,77 1,5 МэВ и вклад излучения от ядер кислорода в энергетическую область 0,57 0,77 МэВ. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед началом исследований проводят определение спектральных коэффициентов К₁ K₃, для чего в интервале скважины, не содержащем хлор, проводят измерения с отключенным и включенным генератором нейтронов, при этом расчет коэффициентов осуществляют по формулам K₁ N₁₀/N₂₀; K₂ N₂ N₂₀/N₃; K₃ (N₁ - K₁N₂₀)/N₃, где N_io интенсивность в i-м энергетическом интервале при отключенном генераторе нейтронов.