СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТОСТИ И НАСЫЩЕННОСТИ ПЛАСТОВ ОДНОВРЕМЕННО ПО ТЕПЛОВЫМ И НАДТЕПЛОВЫМ НЕЙТРОНАМ Российский патент 2012 года по МПК G01V5/04 

Изобретение относится к области ядерно-геофизических исследований скважин импульсными нейтронными методами и может быть использовано в геологии, геофизике, атомной промышленности и в других областях народного хозяйства.

Известен способ импульсно-нейтронного каротажа (ИНК). При ИНК горную породу облучают прерывистым потоком быстрых нейтронов и в перерывах облучения на фиксированном расстоянии от источника регистрируют плотность тепловых нейтронов (импульсный нейтрон-нейтронный каротаж) или вызванных ими γ-квантов радиационного захвата (импульсный нейтрон-гамма каротаж). После обработки этих временных спектров получают нейтронные параметры исследуемого продуктивного пласта: ∑ - макросечение поглощения тепловых нейтронов, L3 - длину замедления быстрых (14 МэВ) нейтронов и Д - коэффициент диффузии тепловых нейтронов. Так как нейтронные параметры контролируются соответствующими петрофизическими параметрами, а именно, ∑_н - нефтенасыщенностью (при достаточной минерализации пластовой воды), L₃ и Д - общей пористостью пласта, то при измерении нейтронных параметров определяют общую пористость и нефтенасыщенность продуктивного пласта. Существуют разновидности однозондового и многозондового ИНК [1, 2].

В описанных выше методах предполагается регистрация только тепловых нейтронов или надтепловых нейтронов. Это является недостатком, так как известно, что при низкой минерализации пластовых вод для определения пористости рекомендуется регистрировать плотность тепловых нейтронов, а при значительной и переменной минерализации вод в пласте и скважине - надтепловые нейтроны, количество которых слабо зависит от поглощающих нейтроны элементов [2, 3].

Наиболее близкими к заявленному изобретению являются СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТОСТИ КОЛЛЕКТОРА В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРЕХЗОНДОВОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА, для определения пористости коллектора в горизонтальных скважинах. Сущность заключается в том, что осуществляют облучение породы потоком быстрых нейтронов от расположенного в скважинном приборе источника быстрых нейтронов, раздельную регистрацию медленных нейтронов, замедлившихся в породе и скважине, тремя детекторами, расположенными вдоль оси скважинного прибора [4].

Недостатком указанного технического решения является то, что осуществляется регистрация только медленных (тепловых) нейтронов. Так как, при значительной и переменной минерализации вод в пласте и скважине, рекомендуется регистрировать надтепловые нейтроны, количество которых слабо зависит от поглощающих нейтроны элементов (хлор и редкоземельные элементы).

Другим близким к заявленному изобретению является ПРИБОР НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН МНОГОЗОНДОВЫЙ, расширяющий функциональные возможности за счет одновременного использования зондов для тепловых и надтепловых нейтронов. Положительный эффект: повышение качества получаемой информации и расширение функциональных возможностей метода, в результате чего достигается технический эффект, заключающийся в увеличении эффективности исследований за счет послойного изучения пород [5].

Недостатком указанного технического решения является то, что используется постоянный источник нейтронного излучения, который создает мощность нейтронного излучения значительно ниже, чем управляемый импульсный излучатель нейтронов. Кроме этого источник постоянного излучения является опасным для обслуживающего персонала, в отличие от управляемого источника, не излучающего без подачи на него электрического напряжения.

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

Поставленная задача решается тем, что в способе определения пористости и насыщенности пластов исследуемую породу облучают быстрыми нейтронами, периодически переключая частоту следования импульсов с высокой (от 5 кГц до 13 кГц) на низкую (от 20 Гц до 2000 Гц) и обратно. При этом в цикле, когда излучатель работает на высокой частоте следования импульсов, одновременно регистрируют плотность поля надтепловых и тепловых нейтронов в одной или более точках пространства, а в цикле, когда излучатель работает на низкой частоте следования импульсов, регистрируют плотность поля тепловых нейтронов в одной или более точках пространства. Плотность поля надтепловых и тепловых нейтронов регистрируют в промежутках следования импульсов излучения на различных временных задержках после окончания импульса излучения быстрых нейтронов.

Получаемые независимые многоканальные временные распределения тепловых и надтепловых нейтронов по нескольким зондам используются в дальнейшем для определения пористости и насыщенности пластов на основе многоканальной методики определения ∑ - макросечения поглощения нейтронов. Комплексная интерпретация получаемых данных увеличивает информативность и точность проводимых исследований.

Поставленная задача также решается тем, что устройство для определения пористости и насыщенности пластов одновременно по тепловым и надтепловым нейтронам содержит импульсный излучатель быстрых нейтронов, поглотитель нейтронов, блок цифровой обработки, один или более детекторов надтепловых нейтронов, один или более детекторов тепловых нейтронов, усилители-дискриминаторы импульсов. При этом детекторы тепловых нейтронов установлены на тех же расстояниях от излучателя, что и детекторы надтепловых нейтронов. В блок цифровой обработки входит модуль формирования импульсов запуска импульсного источника быстрых нейтронов и задержек для импульсов, запускающих регистрацию поля нейтронов. Входы усилителей-дискриминаторов соединены с выходами детекторов тепловых или надтепловых нейтронов, выходы усилителей-дискриминаторов подсоединены ко входам счетчиков импульсов, которые соединены с блоком цифровой обработки, выход которого через одножильный геофизический кабель соединен с наземным оборудованием.

Предлагаемые способ и устройство позволяют определять водородосодержание и насыщенность исследуемых пластов с повышенной точностью и меньшим влиянием на показания поглощающих нейтроны элементов, содержащихся в пласте (хлор, редкоземельные элементы). Комплексная интерпретация получаемых данных увеличивает информативность и точность проводимых исследований.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

Фигура 1 - временная диаграмма, описывающая режим работы управляемого генератора быстрых нейтронов и формируемые временные окна для подсчета тепловых и надтепловых нейтронов.

Фигура 2 - блок-схема устройства определения пористости и насыщенности пластов одновременно по тепловым и надтепловым нейтронам.

Фигура 3 - общий вид устройства определения пористости и насыщенности пластов одновременно по тепловым и надтепловым нейтронам.

Фигура 4 - общий вид устройства определения пористости и насыщенности пластов одновременно по тепловым и надтепловым нейтронам с децентраторами в скважине.

Фигура 5 - пример исследования устройством определения пористости и насыщенности пластов одновременно по тепловым и надтепловым нейтронам скважины в республике Татарстан.

Устройство для проведения исследования состоит из детектора надтепловых нейтронов (6 и 9 фиг.2), который состоит из газонаполненных счетчиков медленных нейтронов, окруженных кадмиевым экраном, через который преимущественно проходят только надтепловые (надкадмиевые) нейтроны, и детектора тепловых нейтронов (4 и 8 фиг.2), который состоит из газонаполненных счетчиков медленных нейтронов без кадмиевого экрана. В детекторах энергия нейтронов преобразуется в электрические импульсы. Выходы детекторов соединены с входом четырех усилителей-дискриминаторов (5.1 фиг.2), (5.2 фиг.2), (7.3 фиг.2), (7.4 фиг.2). Два усилителя-дискриминатора (5.1 фиг.2) и (7.3 фиг.2) усиливают и пропускают импульсы от детекторов надтепловых нейтронов, расположенных на расстоянии 30 см и 60 см соответственно от мишени излучателя, другие два усилителя-дискриминатора (5.2 фиг.2) и (7.4 фиг.2) усиливают и пропускают импульсы от детекторов тепловых нейтронов, расположенных на расстоянии 30 см и 60 см соответственно от мишени излучателя. Выходы усилителей-дискриминаторов соединены с входом четырех счетчиков, расположенных в блоке цифровой обработки БЦО (2 фиг.2). В блоке цифровой обработки (БЦО фиг.2) происходит временное накопление импульсов, распределение их по временным окнам, преобразование накопленных данных в кодовую посылку для передачи и осуществляется передача по одножильному геофизическому кабелю на поверхность. Блок цифровой обработки (2 фиг.2) управляет работой излучателя нейтронов (10 фиг.2), а именно входящий в его состав модуль формирует импульсы запуска работы излучателя нейтронов. Также этот модуль формирует импульсы запуска системы регистрации поля нейтронов. Кроме этого в состав скважинного прибора входит основной блок питания (3 фиг.2), который преобразует напряжение 200 В, поступающее с поверхности, в напряжения 15 В, 12 В и 2кВ, необходимое для питания блоков прибора. Излучатель нейтронов (10 фиг.2) необходим для генерации нейтронов с энергией 14 МэВ. Фильтр (1 фиг.2) необходим для фильтрации питающего напряжения 200 В.

Способ с помощью устройства осуществляют следующим образом. На диаграмме (фиг.1) изображен полный временной цикл работы генератора нейтронов. В течение временных окон №1 и №18 генератор излучает быстрые нейтроны, в течение временных окон с №2 по №17 и с №19 по №69 генератор не излучает. Во всех временных окнах с №1 по №69 отдельно производится подсчет и накопление импульсов, поступивших от детектора тепловых и надтепловых нейтронов. На диаграмме видно, что вначале генератор работает на высокой частоте следования импульсов излучения, циклы с 1 по 20, а затем на низкой частоте цикл 21. Таким образом, независимо накапливаются многоканальные временные распределения плотности тепловых и надтепловых (надкадмиевых) нейтронов, набранные за определенные кванты глубины, пройденные прибором.

Для примера ниже приведен список вычисляемых по результатам измерений параметров:

1. - интегральный счет надтепловых (надкадмиевых) нейтронов ближней зоны (БЗ), в коротких временных интервалах между импульсами излучения, на некоторой временной задержке после окончания импульса излучения.

2. - интегральный счет надтепловых (надкадмиевых) нейтронов дальней зоны (ДЗ), в коротких временных интервалах между импульсами излучения, на некоторой временной задержке после окончания импульса излучения.

3. - интегральный счет тепловых нейтронов БЗ, в длинном временном интервале, на некоторой временной задержке после окончания импульса излучения.

4. - интегральный счет тепловых нейтронов ДЗ, в длинном временном интервале, на некоторой временной задержке после окончания импульса излучения.

5. - отношение интегральных счетов медленных нейтронов БЗ к ДЗ в длинном временном интервале между импульсами излучения.

6. - отношение интегральных счетов надтепловых (надкадмиевых) нейтронов БЗ к ДЗ, в коротких временных интервалах между импульсами излучения.

7. - отношение интегральных счетов надтепловых (надкадмиевых) нейтронов БЗ к интегральному счету тепловых нейтронов на этом же зонде, в коротких временных интервалах между импульсами излучения.

8. - отношение интегральных счетов надтепловых (надкадмиевых) нейтронов ДЗ к интегральному счету тепловых нейтронов на этом же зонде, в коротких временных интервалах между импульсами излучения.

Исходя из предположения, что временное распределение нейтронов в в длинном интервале N_дл(t) приблизительно описывается формулой:

9. N_дл(t)=А*ехр(-t/τ_1дл)+В*ехр(-t/τ_2дл), где

10. - время жизни нейтронов в коротких временных интервалах по надтепловым нейтронам на зонде (30).

11. - время жизни нейтронов в коротких временных интервалах по надтепловым нейтронам на зонде 60).

12. - тау по 1-й экспоненте в длинном интервале по медленным нейтронам на зонде (30).

13. - тау по 2-й экспоненте в длинном интервале по медленным нейтронам на зонде (30).

14. - тау по 1-й экспоненте в длинном интервале по медленным нейтронам на зонде (60).

15. - тау по 2-й экспоненте в длинном интервале по медленным нейтронам на зонде (60).

Новым является то, что в скважинном устройстве обеспечивается одновременная и независимая многоканальная регистрация плотности поля тепловых и надтепловых нейтронов на расстоянии 30 см и 60 см от управляемого импульсного нейтронного генератора. Благодаря большей интенсивности излучения управляемого генератора нейтронов по сравнению с постоянным источником нейтронов, увеличивается скорость проведения каротажа. Предлагаемый скважинный прибор объединяет в себе возможности следующих типов скважинной аппаратуры, используемой на сегодня: аппаратура типа ННКт, ННКнт, 2ИННКт (двухзондовый по тепловым нейтронам) и 2ИННКнт (двухзондовый по надтепловым нейтронам), что позволит уменьшить суммарную стоимость необходимого оборудования. А одновременная запись и дальнейшая комплексная интерпретация получаемых данных должны увеличить информативность и точность проводимого исследования. Так же важным преимуществом разрабатываемого прибора является использование управляемого генератора нейтронов. Это позволит улучшить экологическую безопасность использования по сравнению с постоянными источниками нейтронов и отсутствие защитных контейнеров для перевозки излучателей.

Предлагаемый способ был опробован в многоцелевом аппаратно-программном комплексе импульсного нейтрон-нейтронного каротажа, разработанном в Научно-Техническом Управлении ООО «ТНГ-Групп». На моделях ООО «ТНГ-Групп», имеющих сертификат государственного стандартного образца пористости и плотности горных пород, пересеченных скважиной (комплект СО-НК №8632-2004), допущенный к применению на территории РФ. А также на нескольких реальных скважинах в республике Татарстан (см. Фиг.5).

ЛИТЕРАТУРА

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

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

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

4. Патент РФ №2351963, G01V 5/10, СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТОСТИ КОЛЛЕКТОРА В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРЕХЗОНДОВОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА, Патентообладатель: ПетроАльянс Сервис Компани лимитед (Кипр) (CY).

5. Патент РФ на полезную модель №46367, G01V 5/00, ПРИБОР НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН МНОГОЗОНДОВЫЙ. Патентообладатель: ОАО НПФ «Геофизика» (RU) г.Уфа.

6. Патент РФ №2396579, G01V 5/10, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ УТОЧНЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОРОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВ. Патентообладатель: БЕЙКЕР ХЬЮЗ ИНКОРПОРЕЙТЕД (US).

7. Патент РФ №2262124, G01V 5/10, СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ПРОВЕДЕНИЯ, Патентообладатель: ЗАО НПФ «Каротаж» (RU), г.Тверь.

8. SU 1147163, G01V 5/10, УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОЗОНДОВОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА, Заявитель: ВННИЯГ г.Москва.

9. EP 2245483, G01T 3/06; G01V 5/10, HERMETICALLY SEALED PACKAGING AND NEUTRON SHIELDING FOR SCINTILLATION-TYPE RADIATION DETECTORS, Заявитель: SCHLUMBERGER TECHNOLOGY BV [NL]; PRAD RES & DEV LTD [VG]; SCHLUMBERGER SERVICES PETROL [FR]; SCHLUMBERGER HOLDING [VG]. Опубл. 2010-11-03.

Использование: для ядерно-геофизических исследований скважин импульсными нейтронными методами. Сущность: заключается в том, что выполняют облучение пласта импульсным источником нейтронов, регистрацию излучения в стволе скважины в нескольких точках и определение соответствующего значения плотности и насыщенности, при этом исследуемую породу облучают быстрыми нейтронами, периодически переключая частоту следования импульсов с высокой (от 5 кГц до 13 кГц) на низкую (от 20 Гц до 2000 Гц) и обратно, при этом в периоды времени, когда излучатель работает на высокой частоте следования импульсов, одновременно регистрируют плотность поля надтепловых и тепловых нейтронов в одной или более точках пространства, а в периоды времени, когда излучатель работает на низкой частоте следования импульсов, регистрируют плотность поля тепловых нейтронов в одной или более точке пространства, причем плотность поля надтепловых и тепловых нейтронов регистрируют в промежутках следования импульсов излучения на различных временных задержках после окончания импульса излучения быстрых нейтронов. Технический результат: повышение точности и достоверности получаемых результатов исследования. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения пористости и насыщенности пластов одновременно по тепловым и надтепловым нейтронам, включающий облучение пласта импульсным источником нейтронов, регистрацию излучения в стволе скважины в нескольких точках и определение соответствующего значения плотности и насыщенности, отличающийся тем, что исследуемую породу облучают быстрыми нейтронами, периодически переключая частоту следования импульсов с высокой (от 5 кГц до 13 кГц) на низкую (от 20 Гц до 2000 Гц) и обратно, при этом в периоды времени, когда излучатель работает на высокой частоте следования импульсов, одновременно регистрируют плотность поля надтепловых и тепловых нейтронов в одной или более точках пространства, а в периоды времени, когда излучатель работает на низкой частоте следования импульсов, регистрируют плотность поля тепловых нейтронов в одной или более точках пространства, причем плотность поля надтепловых и тепловых нейтронов регистрируют в промежутках следования импульсов излучения на различных временных задержках после окончания импульса излучения быстрых нейтронов.

2. Устройство для определения пористости и насыщенности пластов одновременно по тепловым и надтепловым нейтронам, содержащее импульсный излучатель быстрых нейтронов, поглотитель нейтронов, блок цифровой обработки, один или более детекторов надтепловых (надкадмиевых) нейтронов, один или более детекторов тепловых нейтронов и четыре усилителя-дискриминатора импульсов, отличающееся тем, что в блок цифровой обработки входит модуль формирования импульсов запуска импульсного источника быстрых нейтронов и задержек для импульсов, запускающих регистрацию поля нейтронов, а детекторы тепловых нейтронов установлены на тех же расстояниях от излучателя, что и детекторы надтепловых нейтронов.