Спосіб нейтрон-нейтронного каротажу та пристрій для його здійснення

1 Спосіб нейтрон-нейтронного каротажу, що полягає в опроміненні гірської породи стаціонарним джерелом швидких нейтронів і в реєстрації повільних нейтронів, який відрізняється тим, що в умовах, ідентичних реєстрації повільних нейтронів, одночасно здійснюють реєстрацію надтеплових нейтронів, отримують різницю швидкостей лі чби повільних та надтеплових нейтронів, що являє собою швидкість лічби теплових нейтронів, і використовують цю різницю в штерпретаційних параметрах для визначення нейтронно-поглинаючих параметрів досліджуваного середовища 2 Пристрій для нейтрон-нейтронного каротажу, що містить в захисному кожусі стаціонарне джерело швидких нейтронів, розміщений на певній відстані від джерела детектор повільних нейтронів та споряджений комп'ютеризованою системою обробки і інтерпретації каротажних даних, який відрізняється тим, що на такій же відстані від джерела розміщено однотипний детектор, оточений поглинаючим фільтром, для реєстрації надтеплових нейтронів Винахід відноситься до області ядерно-геофізичних досліджень в нафтогазових, рудних, гідрогеологічних та інших свердловинах і призначено для визначення нейтронно-поглинаючих параметрів гірських порід стаціонарними нейтронними методами при розв'язанні задач • промислової геофізики - для визначення характеру насичення колекторів і для знаходження водонафтового контакту (по вмісту хлору в флюїді), для встановлення наявності аномальних поглиначів теплових нейтронів (наприклад, бору) в п о род ах- кол є кто pax, • рудної геофізики - при пошуках мінералів та руд, що містять аномальні або достатньо сильні поглиначі теплових нейтронів (Li, Fe, Ті, V, Сг, Mn, Co, Ni, Cu, Mo, Cd, В, Hg, In, рідкісноземельні та ін елементи) і визначення їх концентрації, • гідрогеологи - для вивчення хлорної та борної мінералізації підземних вод Для визначення нейтронно-поглинаючих властивостей гірських порід в промисловій геофізиці широко використовується відомий спосіб імпульсного нейтрон-нейтронного каротажу (ІННК) [1] Цей спосіб дослідження гірських порід має високу чутливість до присутності в досліджуваному середовищі аномальних поглиначів теплових нейтронів, найбільшу серед нейтронних методів глибинність дослідження Однак, апаратура для реалізації способу ІННК значно дорожча, складніша, менш стабільна, надійна та довговічна в порівнянні з апаратурою стаціонарних нейтронних методів Тому для розв'язання задач, зв'язаних з визначенням ХІМІЧНИХ елементів - аномальних поглиначів теплових нейтронів бажано мати спосіб стаціонарного нейтронного каротажу, який при сприятливих умовах міг би бути використаний замість способу ІННК Відомий спосіб нейтрон-нейтронного каротажу за тепловими нейтронами (ННКт) [1, 2], переважно використовуваний для визначення пористості (водневмісту) гірських порід, застосовується також для розв'язання задач, пов'язаних з поглинанням нейтронів (наприклад, для визначення місцеположення водонафтового контакту (ВНК) при достатньо великій мінералізації пластових вод, для визначення вмісту ряду рудних та інших елементів з відносно великим перерізом поглинання [1, 2] та в інших випадках Спосіб ННКт полягає в опроміненні досліджуваного середовища стаціонарним джерелом швидких нейтронів, реєстрації повільних (теплових плюс надтеплових) нейтронів, що утворилися в результаті взаємодії нейтронів джерела з гірською породою, і в наступному визначенні (у ВІДПОВІДНОСТІ з заздалегідь установленою градуювальною залежністю) шуканого параметра середовища (наприклад, пористості) Істотним недоліком способу ННКт при визначенні нейтронно-поглинаючих властивостей середовища є заниження його інформативності внаслі 00 42218 док зменшення диференціації та чутливості способу із-за використання показань детектора повільних нейтронів, надтепловий компонент яких є неінформативний у відношенні поглинання Способу ННКт при використанні його для визначення нейтронно-поглинаючих властивостей середовища притаманні і ІНШІ недоліки значне зменшення чутливості зі збільшенням перерізу поглинання теплових нейтронів, нелінійність градуювальної залежності, тобто залежності штерпретаційного параметра від макроскопічного перерізу поглинання (або від концентрації аномальних поглиначів теплових нейтронів) Задачею винаходу є підвищення інформативності стаціонарних нейтронних методів при визначенні нейтронно-поглинаючих параметрів досліджуваних геологічних середовищ, розширення області застосування ННК при розв'язанні задач, поєднаних з використанням поглинаючих властивостей Вирішення задачі досягається тим, що, поряд з реєстрацією повільних нейтронів, в ідентичних умовах реєструють надтеплові нейтрони, виконують віднімання швидкості лічби надтеплових нейтронів з швидкості лічби повільних нейтронів і отримують різницю, що являє собою швидкість лічби теплових нейтронів, і використовують цю різницю в штерпретаційних параметрах, що служать для визначення нейтронно-поглинаючих параметрів досліджуваного середовища В сучасних приладах, які реалізують спосіб ННКт, використовуються високоефективні 3Не-детектори, що реєструють не тільки теплові, але й істотну частину надтеплових нейтронів Швидкість лічби нейтронів 3Не-детектором можна подати у вигляді суми двох компонентів теплового і надтеплового, що разом складають швидкість лічби повільних нейтронів (1) де I(Z) - швидкість лічби повільних нейтронів, X макроскопічний переріз поглинання теплових нейтронів, IT(S) - тепловий компонент швидкості лічби повільних нейтронів, Інт - надтепловий компонент Як параметр поглинання середовища можна використовувати і ІНШІ величини x=1/Z - час життя теплових нейтронів, С - концентрація ХІМІЧНОГО елементу - аномального поглинача теплових нейтронів або його з'єднань Тепловий компонент IT(S) ІСТОТНО чутливий до присутності в середовищі аномальних поглиначів теплових нейтронів, тоді як надтепловий компонент Інт практично не залежить від нейтронно-поглинаючих властивостей середовища Інтерпретаційним параметром способу ННКт для розрізнення середовища за його нейтроннопоглинаючими властивостями може служити, наприклад, відносна диференціація показань детектора повільних нейтронів [2] (2) де l(Zmm) і I(S) - швидкості лічби повільних нейтронів при мінімальному (відомому) і поточному (шу каному) значеннях перерізу поглинання теплових нейтронів Переріз поглинання Zmm відповідає відсутності аномальних поглиначів теплових нейтронів в досліджуваному середовищі, переріз Z пропорційний концентрації С аномальних поглиначів З врахуванням (1) параметр відносної диференціації показань способу ННКт по поглинанню теплових нейтронів приймає вигляд l T (Z m m )-l T (Z) "тЮ+'нт (3) Відносний вклад надтеплового компоненту Інт у повну швидкість лічби I(Z) при даній пористості збільшується з ростом перерізу поглинання теплових нейтронів Наприклад, для прісної води цей вклад, тобто, IHT/I(S), складає ~5 %, тоді як при наявності в водному розчині аномальних поглиначів теплових нейтронів - наприклад, бору чи хлору доходить до ЗО % і більше [3] Як випливає з формули (3), надтепловий компонент Інт, ЩО є неінформативним по відношенню до нейтронно-поглинаючим властивостей середовища, може значно зменшити параметр диференціації цього середовища по поглинанню Основна величина пропонованого способу D(Z) - фільтрова різниця, що реалізується, зокрема, як кадмієва різниця - являє собою різницю двох безпосередньо вимірюваних в однакових умовах величин показань відкритого детектора (тобто детектора без поглинаючого фільтру) та показань такого ж (або того ж) детектора, оточеного поглинаючим теплові нейтрони фільтром (наприклад, кадмієвим чи гадолінієвим) Тим самим із показань детектора повільних нейтронів виключають надтепловий компонент, що не залежить від нейтронно-поглинаючих властивостей середовища, і отримують швидкість лічби теплових нейтронів, тісно пов'язану з наявністю в середовищі аномальних поглиначів теплових нейтронів D(S) = - інт, (4) де IT(S) - швидкість лічби теплових нейтронів, I(Z) швидкість лічби повільних нейтронів, Інт - швидкість лічби надтеплових (наприклад, епікадмієвих або епігадолінієвих) нейтронів При цьому, мається на увазі, що величини I(Z) і Інт виміряні при однакових умовах (довжина зондів рівна при обох вимірюваннях, ідентичні детектори, однакові положення обох детекторів відносно границь пласта та ш ) Параметр відносної диференціації по поглинанню теплових нейтронів при використанні кадмієвої різниці D(Z) (швидкості лічби теплових нейтронів) приймає наступний вигляд D(S) I T (S) Співставлення формул (5) і (3) показує, що параметр диференціації AD(S) більший параметра Ai(S) Зв'язок між ними такий AD(S)=AI(S)/[1-M(2;)], (6) 42218 де параметр M(Z)=IHT/I(S) має смисл відносного вкладу надтеплового компоненту в швидкість лічби повільних нейтронів Як випливає з формули (6), позитивний ефект використання різниці D(Z) (швидкість лічби теплових нейтронів) замість показань I(Z) (швидкість лічби повільних нейтронів), складає 10-30 і більше процентів, оскільки значення параметра M(Z) в поглинаючих середовищах лежить в межах 0,1-0,3 і більше [3] Для побудови градуювальник залежностей як штерпретаційний параметр доцільно взяти модифіковане кадмієве відношення N(S)=IHT/D(S), U) замість кадмієвого відношення M(Z)=IHT/I(S) На фіг 1 показана отримана експериментальним шляхом [3] залежність кадмієвих відношень N(Z) і M(Z) від концентрації С борної кислоти НзВОз в водному розчині, яким насичено кварцовий пісок (пористість 35%, Pu-Ве джерело, Недетектор СНМ-17, оточений кадмієвим фільтром і без нього) Із виконаного аналізу та фіг 1 випливає, що - використання штерпретаційних параметрів AD(S) І N(Z) збільшує диференціацію середовища по поглинанню (AD(S)>Ai(S), N(Z)>M(Z) при будь-якій концентрації аномального поглинача теплових нейтронів), - штерпретаційні параметри AD(S) І N(Z) пропорційні перерізу поглинання Z (чи концентрації аномального поглинача) в широкому інтервалі його зміни (тоді ЯК AI(Z) І M(Z) - нелінійні функції £), - чутливість параметрів AD(S), N(Z) ДО поглинання практично постійна на всьому інтервалі зміни Z (тоді ЯК чутливість A|(Z) і M(Z) зменшується з ростом Z) Таким чином, спосіб разом з пристроєм для його здійснення дозволяє збільшити диференціацію гірських порід по нейтронно-поглинаючих властивостях, підвищити точність визначення концентрації аномальних поглиначів теплових нейтронів, підвищити чутливість по поглинанню Розглянутій спосіб можна реалізувати, наприклад, шляхом проведення каротажу двома приладами приладом ННКт, що реєструє ПОВІЛЬНІ нейтрони, та приладом ННКнт, що реєструє надтеплові нейтрони Обидві модифікації входять, наприклад, в комплект апаратури СРКяк незалежні модулі [4] Однак, реалізація пропонованого способу (тобто приведення показань обох приладів до однакових умов вимірювань для отримання швидкості лічби теплових нейтронів) практично неможлива із-за різних довжин ВІДПОВІДНИХ зондів в модулях ННКт і ННКнт та ряду інших відмінностей в конструкції зондів, а також із-за різних умов проведення вимірювань Крім того, виконання каротажу два рази економічно невигідно В зв'язку з цим реалізувати пропонований спосіб необхідно в єдиному пристрої, що дозволяє одночасно і в однакових умовах зареєструвати ПОВІЛЬНІ та надтеплові нейтрони, отримати швидкість лічби теплових нейтронів і використати и для визначення нейтронно-поглинаючих параметрів ВІДОМІ прилади, за допомогою яких реалізується спосіб ННКт, містять замкнені в стальний охоронний кожух стаціонарне нейтронне джерело (наприклад, плутоній-берилієве) та детектор повільних нейтронів (наприклад, на основі гелію-3), розміщений на деякій відстані від нього, показання якого по електронному каналу надходять в комп'ютеризовану систему обробки та інтерпретації каротажних даних Цим умовам задовольняє будь-який із зондів двохзондового модуля 2ННКт апаратури СРК [4], призначеної для дослідження нафтогазових свердловин На фіг 2 подана схема запропонованого пристрою Детектор повільних нейтронів 1 та детектор надтеплових нейтронів 2 розміщено на однаковій відстані від стаціонарного джерела швидких нейтронів 3 Зондовий пристрій поміщено в захисний кожух 4 Пристрій поміщено в свердловині 5 для дослідження гірських порід 6 Показання детектора 1 по каналу 1 і детектора 2 по каналу 2 передаються в комп'ютеризовану систему обробки та інтерпретації даних, в якій для отримання швидкості лічби теплових нейтронів програмним способом здійснюється віднімання показань детектора надтеплових нейтронів (канал 2) від показань детектора повільних нейтронів (канал 1) Технічним результатом реалізації способу та пристрою для його здійснення є збільшення диференціації гірських порід по нейтронно-поглинаючих властивостях, підвищення точності визначення концентрації аномальних поглиначів теплових нейтронів, підвищення чутливості по поглинанню Пропонований спосіб разом з пристроєм для його здійснення фактично є реалізацією методу нейтрон-нейтронного каротажу за тепловими нейтронами, тоді як спосіб, що традиційно називається методом ННКт, по суті є методом нейтроннейтронного каротажу за повільними нейтронами Новий метод може бути використаний також для визначення пористості гірських порід, оцінки їх ЛІТОЛОГІЧНИХ властивостей Джерела інформації 1 Скважинная ядерная геофизика Справочник геофизика Под ред О Л Кузнецова и А Л Поляченко - М Недра, 1990 -318с 2 Ядерная геофизика при исследовании нефтяных месторождений /Ф А Алексеев, И В Головацкая, Ю А Гулин, И Л Дворкин, И Г Дядькин, Д М Сребродольский - М Недра, 1978, 360 с 3 Кулик В В , Звольский С Т , Крутой А А Теоретическое н экспериментальное исследование показаний 3Не-детекторов нейтронов в поглощающих середах // Геоинформатика, 1998, № 1 С 16-28 4 Методические указания по проведению нейтронного и гамма- каротажа в нефтяных и газовых скважинах аппаратурой СРК и обработке результатов измерений / РТ Хаматдинов, Ф Х Еникеева, В К Журавлев, А Ф Зотов, С Ю Головацкий, А М Жуков, Л М Гольдштейн, Е В Семенов - Калинин, Союзпромгеофизика - 1 9 8 9 -82 с 42218 25 С , Г/Л ФІГ. 1 30 42218 "* Канал 2 Комп'ютеризована система обробки та інтерпретації каротажних даних t; і ї Фіг. 2 42218 ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Киів-133, бульв Лесі Українки, 26 (044)295-81-42, 295-61-97 Підписано до друку 2002 р Формат 60x84 1/8 Обсяг обл -вид арк Тираж 50 прим Зам УкрІНТЕІ, 03680, Киів-39 МСП, вул Горького, 180 (044) 268-25-22