Спосіб багатозондового нейтронного каротажу для одночасного визначення пористості і коефіцієнта нафтонасиченості колекторів та пристрій для його здійснення

1. Спосіб багатозондового нейтронного каротажу для одночасного визначення пористості і коефіцієнта нафтонасиченості колекторів, що полягає в опроміненні гірських порід стаціонарним джерелом швидких нейтронів, реєстрації швидкості лічби повільних нейтронів на двох різних зондових відстанях від джерела, визначенні пористості породи-колектора за допомогою відношення швидкості лічби повільних нейтронів на цих двох відс C2 2 (19) 1 3 визначати параметри k п і а , тобто пористість і нафтонасиченість колектора. Багатозондовий спосіб ННКт полягає в опроміненні досліджуваних порід-колекторів стаціонарним джерелом швидких нейтронів, реєстрації (на кількох відстанях від джерела) повільних (теплових плюс надтеплових) нейтронів, що утворилися в результаті взаємодії нейтронів джерела з гірською породою. Використання відношення показань двох зондів різної довжини для визначення пористості дозволяє значно зменшити похибки при її визначенні шляхом компенсації несприятливих технічних і геологічних факторів (спосіб компенсованого нейтронного каротажу (КНК) [1]). Прототипом даного винаходу вибрано спосіб [3] двозондового нейтрон-нейтронного каротажу 2ННКт, призначений для одночасного визначення як пористості, так і макроскопічного перерізу поглинання, тісно пов'язаного з коефіцієнтом нафтонасиченості. Останній характеризує об'ємний вміст нафти в порах колектора. Згідно патенту [3], відношення швидкості лічби теплових нейтронів на двох зондових відстанях, що більшою мірою визначається параметрами сповільнення (які залежать від вмісту водню), ніж параметрами дифузії та поглинання нейтронів, забезпечує визначення пористості. Швидкість лічби на кожній зондовій відстані, що фіксується показаннями окремих (індивідуальних) зондів, визначається як параметрами, що залежать від вмісту водню, так і макроскопічним перерізом поглинання, пов'язаним з вмістом в порах мінералізованої води, нафти чи їх суміші. Співставлення вказаного відношення, яке тісно пов'язане з пористістю, з показаннями принаймні одного індивідуального зонда, пов'язаними з макроскопічним перерізом поглинання а , дозволяє отримати за відомими (встановленими) залежностями значення а і, відповідно, коефіцієнт нафтонасиченості [3]. Основою такого підходу до визначення коефіцієнту нафтонасиченості є зниження показань (швидкості лічби) індивідуальних зондів 2ННКт зі зменшенням нафтонасиченості (зі зростанням водонасиченості) пласта певної пористості, внаслідок поглинання теплових нейтронів хлором - аномальним поглиначем нейтронів, який міститься в мінералізованій воді. Фактично в способі [3] використані спосіб КНК для визначення пористості та однозондовий спосіб ННКт у застосуванні його до визначення параметра, пов'язаного з поглинанням нейтронів ( а або C ). Істотним недоліком підходу [3] є занижена інформативність по поглинанню внаслідок того, що використовувані в сучасних приладах 3Недетектори реєструють не тільки теплові, а й надтеплові нейтрони (тобто разом - повільні нейтрони). Внаслідок використання показань детектора повільних нейтронів, тобто фактично способу ННКп, надтепловий компонент якого є неінформативним у відношенні поглинання, відбувається зменшення чутливості способу до вмісту хлору і, відповідно, до відносного вмісту мінералізованої води в суміші з нафтою. 74972 4 Способу [3] при використанні його для визначення нафтонасиченості притаманні і інші недоліки: зменшення чутливості зі збільшенням перерізу поглинання теплових нейтронів (при високій мінералізації C пластового флюїду); нелінійність градуювальної залежності, тобто залежності інтерпретаційного параметра від макроскопічного перерізу поглинання (або від коефіцієнту нафтонасиченості). Для підвищення чутливості стаціонарних нейтронних методів (СНМ) до поглинальних властивостей порід існує спосіб та пристрій для його здійснення [4]. Цей підхід, названий способом двоканальної інтегральної нейтронної спектрометрії (спосіб ДІНС), має передумовою використання так званої кадмієвої різниці, тобто різниці швидкостей лічби повільних і надтеплових нейтронів, які зареєстровані в однакових умовах вимірювань. Кадмієва різниця в першому наближенні має зміст швидкості лічби чисто теплових нейтронів, що є більш чутливими до поглинання порівняно з повільними нейтронами. Використання вказаної різниці підвищує чутливість СНМ до співвідношення нафти і мінералізованої води в породі-колекторі. Метою винаходу є підвищення чутливості стаціонарного нейтронного каротажу (комплекс 2ННКп + ННКнт + ННКт) до об'ємного вмісту нафти, що знаходиться в порах колектора в суміші з мінералізованою водою, збільшення точності, розширення інформативності і продуктивності ННК шляхом одночасного (поєднаного) визначення пористості та коефіцієнта нафтонасиченості порідколекторів за допомогою багатозондового пристрою, що у певному просторовому порядку обладнаний детекторами повільних і надтеплових нейтронів. Розв'язання задачі досягається тим, що для визначення пористості k п породи-колектора використовують відношення швидкості лічби повільних нейтронів на двох різних зондових відстанях (спосіб КНК), а для визначення коефіцієнта нафтонасиченості (при відомій пористості) - кадмієву різницю. Останню отримують за допомогою додаткового детектора надтеплових нейтронів, який розміщують на такій же відстані від джерела, що і один з детекторів повільних нейтронів (практично - на відстані, рівній довжині меншого зонда). Пропонований підхід має наступне теоретичне і експериментальне обґрунтування. Швидкість лічби повільних нейтронів, що реєструється за допомогою 3Не-детектора, складається з двох компонентів - теплового і надтеплового [5]: Іп L s , a , Z Іт L s , a , Z ІНТ L s , Z , (1) де Іп [імп/сек] - швидкість лічби повільних нейтронів; Іт [імп/сек] - швидкість лічби теплових нейтронів; ІНТ [імп/сек] - швидкість лічби надтеплових нейтронів; L s [см] - довжина сповільнення нейтронів; [см-1] - макроскопічний переріз поглинання теплових нейтронів; a 5 74972 6 Z [см] - довжина зонда (відстань між центром джерела і серединою детектора). Нейтронний параметр L s залежить, в основному, від вмісту водню в породах-колекторах, тобто тісно пов'язаний з пористістю k п : L s L s k п , параметр а залежить від вмісту хлору в поровому флюїді, тобто визначається його мінералізацією С : а а С . Під флюїдом тут розуміється нафта, мінералізована вода, їх суміш. Якщо лічильник повільних нейтронів оточити фільтром із матеріалу, що поглинає теплові нейтрони і пропускає надтеплові (наприклад, кадмієм товщиною ~1 мм), то за допомогою такого детектора реєструють надтеплові нейтрони. Різницю між показаннями відкритого і оточеного кадмієвим фільтром детекторами, отриманими в однакових умовах вимірювань, називають кадмієвою різницею. Кадмієва різниця DCd фактично дає швидкість лічби чисто теплових нейтронів: DCd L s , a , Z Іп L s , a , Z ІНТ L s , Z Іт L s , a , Z (2) Тепловий компонент швидкості лічби нейтронів можна подати у такому вигляді [5]: 1 Іт Ls, a , Z S дет Q0Cth т Z, Ls, a , (3) 4 2 де S дет [см ] - ефективна площа детектора; Q0 [нейтр/сек]- потужність джерела швидких нейтронів, наприклад, Ри-Ве; C th - безрозмірна величина, що визначається спектром теплових нейтронів та ефективністю їх реєстрації 3Не-детектором [4]; Q0 т [сек-1 см-2] - густина потоку теплових нейтронів; т - потік теплових нейронів від джерела одиничної потужності. Швидкість лічби надтеплових нейтронів визначається аналогічно (3): 1 ІНТ Ls, Z S детQ0Cері НТ Z, Ls . (4) 4 Тут Сері - безрозмірна величина, що залежить від спектру надтеплових нейтронів і ефективності їх реєстрації 3Не-детектором, оточеним кадмієвим фільтром; Q0 НТ [сек-1 см-2] - густина потоку надтеплових нейтронів. В умовах, характерних для дослідження колекторів нейтронними методами, довжина дифузії теплових нейтронів є завжди меншою величиною, ніж довжина сповільнення (тобто L d L s , або Ld / Ls 1 ). В цьому разі, використавши двог рупове дифузійне наближення, можна подати вирази для потоків теплових і надтеплових нейтронів в наступному вигляді [5]: Z, L s , т 1 f Z, L s , L d a т 1 Z, Ls 2 1 a q Z, L s , q Z, Ls , s 1 q Z, Ls 4 ZL2 s (5) (6) Z , Ls exp де a - макроскопічний переріз поглинання теплових нейтронів; s - сповільнювальна здатність гірської породи; q Z, L s - густина сповільнення нейтронів для джерела одиничної потужності; f Z, L s , L d - просторовий фактор, що залежить від довжини зонда Z і нейтронних параметрів порід-колекторів: 1 f Z, Ls, Ld 1 exp Z ; (7) Ld L d [см] - довжина дифузії теплових нейтронів: Ld D/ a ; D - довжина дифузії теплових нейтронів. Фактор f Z, L s , L d з ростом Z асимптотично наближається до 1, тобто, починаючи з достатньо великих значень Z Zas , f Z, L s , L d 1 , Zas 4L d / 1 . (8) При Z Zas швидкості лічби теплових, надтеплових і повільних нейтронів мають, згідно формулам (1)-(6) і (8), наступний вигляд: 1 Cth DCd L s , a , Z IT L s , a , Z S дет Q0 q Ls, Z , (9) 4 1 2 a IT Ls, Z Іп Ls, a, Z Cepi 1 S дет Q0 q Ls, Z , 4 s 1 S дет Q0 4 Cepi Cth a 1 2 (10) q Ls, Z , (11) s Для визначення пористості використовують відношення R п швидкостей лічби повільних нейтронів на двох зондах різної довжини Z1 і Z 2 : Іп Z1 , Z2 Z1 . (12) Іп Z2 В однорідних пластах, у відповідності з формулами (11) і (6), відношення (12) має наступний вигляд: Rп Rп k п R0 exp Z / Ls kп , (13) Z Z 2 Z1 , Rп де R 0 , константа, пов'язана з особливостями приладу. 7 74972 8 г/л. Як видно з фіг. 1, крива 2, що відповідає заТаким чином, відношення R п , що визначаєтьпропонованому способу, порівняно з кривою 1 має ся показаннями двох відкритих (без Сd фільтрів ) значно вищу чутливість до коефіцієнта нафтонадетекторів, розташованих на різних відстанях від сиченості k н , особливо в області високих значень джерела, в першому наближенні залежить тільки k н (малі C ), які переважно і становлять практичвід пористості (вмісту водню) і не залежить від мінералізації флюїду. ний інтерес. Крім того, на інтервалі k н 0, 1 криГрадуювальну залежність вимірюваного парава 2 більш диференційована за коефіцієнтом нафметра R п від пористості k п будують шляхом фітонасиченості. зичного або математичного моделювання чи за Згідно залежностям 1 і 2 (фіг. 1) можна викодопомогою їх комбінації. нати кількісну оцінку k н . Більш доцільно для виПри визначеній за допомогою R п пористості значення коефіцієнта нафтонасиченості викорисдля кількісної оцінки коефіцієнта нафтонасиченостати так зване модифіковане кадмієве відношення ті використовують, згідно способу [3], швидкість NCd [5]. Цей параметр визначається як відношенлічби теплових (фактично - повільних) нейтронів, ня швидкості лічби надтеплових нейтронів до кадIп , (див. ф-лу (11)), яку реєструють відкритим (без мієвої різниці (2): Сd фільтрa ) детектором меншого ( Z Z1 ) або Iнт kп, Z . NCd C, kп, Z (16) DCd C, kп, Z більшого ( Z Z 2 ) зонда. В пропонованому способі При достатньо великих значеннях довжини замість Iп беруть кадмієву різницю DCd (2), яку зондів Z кадмієве відношення (16), згідно формуотримують за допомогою віднімання показань делам (9), (10), в першому наближенні не залежить тектора надтеплових нейтронів від показань детевід довжини зонда і визначається нейтронними ктора повільних нейтронів; при цьому детектори параметрами колектора: розміщують на одній і тій же відстані від джерела Cepi 1 2 нейтронів (наприклад, при Z Z1 ). NCd C, kп (17) a. Cth s Фіг. 1, побудована згідно експериментальним Таким чином, кадмієве відношення при зададаним, ілюструє ці два підходи. Експериментальні ній пористості є пропорційним макроскопічному роботи виконано в ВАТ "Дослідно-конструкторське бюро геофізичного приладобудування" (ДКБ ГП, м. перерізу поглинання теплових нейтронів a , яке, Київ) на фізичній моделі пласта вапняку пористісв свою чергу, лінійно залежить від концентрації тю 30%, перетнутій необсадженою свердловиною аномального поглинача (хлору) у флюїді. Звідси діаметром 22 см. Для вимірювань використано витікає, що параметр NCd можна подати у вигляді габаритний макет багатозондового приладу ННК діаметром 90 мм, оснащеного Pu-Be джерелом нейтронів і розміщеними по один бік від нього детекторами повільних нейтронів, а по інший бік, симетрично, - детекторами надтеплових нейтронів. Всі зонди обладнані однотипними лічильниками нейтронів СНМ-56, відповідно оточених кадмієм і без нього. Позначення на фіг. 1: k н - коефіцієнт нафтонасиченості, kн де ( kв 1 kв 1 С / С0 , kв kн коефіцієнт (14) водонасиченості C 0 - наперед відома (задана) мінералізація водонасиченого пласта, С - середньозважена мінералізація флюїду суміші нафти з водою ( 0 C C0 ); B1 - параметр показань детектора першого зонда ( Z Z1 22 см), виражений в умовних одиницях; при цьому крива 2: B1 B1п B1D Іп Z1 / Iвода Z1 (для повільп DCd Z1 / Dвода Z1 Cd (15) (для кадмієвої різниці). Експериментальні залежності B1 від k н побудовані для інтервалу мінералізації 0 C C0 50 (18) Коефіцієнт а при даному k п характеризує чутливість запропонованого способу до мінералізації флюїду. Константа b рівна кадмієвому відношенні при k н 1 (тобто коли пори колектора повністю заповнені нафтою, C 0 ). На практиці в якості інтерпретаційного параметра доцільніше використовувати приведену величину NCd : NCd k н, k п 1 ); крива 1: B1 них нейтронів), лінійної функції від C : NCd C, k п a k п C b . NCd k н, k п NCd 1, k п . (19) Тут k п виступає як заданий параметр породиколектора. З урахуванням (17) і (14) NCd k н, k п 1 k н C0 a k п (20) На фіг.2 показана розрахункова залежність параметра NCd Z1 від коефіцієнта нафтонасиченості при C0 50 г/л (див. формулу (14)). Подані залежності нормовані за експериментальними даними при пористості 30 та 45%, отриманими на фізичних моделях ВАТ "ДКБ ГП". З формули (20) та фіг. 2 випливає, що інтерпретаційний параметр NCd лінійно залежить від коефіцієнта нафтонасиченості на всьому інтервалі значень (від води до нафти) (тоді як залежності, подані на фіг.1, є нелінійними функціями k н . Тому 9 при даній пористості чутливість параметра 74972 NCd до коефіцієнта k н постійна на всьому інтервалі зміни останнього, тоді як чутливість показань В1 падає зі зменшенням k н . Крім того з фіг. 1 та фіг. 2 видно, що відносна диференціація параметра NCd вища, ніж відповідна диференціація параметра В1 . Таким чином, запропонований спосіб дозволяє підвищити чутливість до коефіцієнта нафтонасиченості, збільшити диференціацію порідколекторів по вказаному параметру, а отже і точність його визначення. На фіг. 3 зображена схема зондового пристрою, який конкретно реалізує здійснення запропонованого способу одночасного визначення пористості та оцінки коефіцієнта нафтонасиченості. Пристрій, що знаходиться в свердловині 6 для дослідження порід-колекторів 7, містить замкнені в охоронний кожух 5 стаціонарне джерело швидких нейтронів 1 (наприклад, плутоній-берилієве), два просторово-рознесені на відстані Z1 і Z 2 детектори повільних нейтронів 2 і 3 і один детектор надтеплових нейтронів 4, який розміщений по інший бік від джерела 1 на тій же відстані Z1 , що і ближній детектор 2 повільних нейтронів. В даному варіанті здійснення винаходу всі три детектори оснащені однотипними 3Не-лічильниками нейтронів (наприклад СНМ-56). Показання всіх трьох детекторів по електронних каналах надходять в комп'ютеризовану систему 8, в якій виконується первинна обробка сигналів, реєстрація швидкостей лічби нейтронів на всіх трьох зондах, програмне формування інтерпретаційних параметрів та поточна інтерпретація каротажних даних за заданими алгоритмами. Реалізацію запропонованого способу одночасного визначення пористості і коефіцієнта нафтонасиченості колекторів здійснюють у такій послідовності: 1) реєструють швидкості лічби повільних і надтеплових нейтронів на трьох зондах, Іпов Z1 , 10 Іпов Z2 , Інт Z1 ; 2) програмним шляхом формують інтерпретаційний параметр Rп Z1, Z2 для визначення пористості (див. ф-лу (12)); 3) за допомогою отриманого для даного приладу алгоритму - явною залежністю R п від k п визначають пористість; 4) для визначеної пористості програмним шляхом формують кадмієву різницю DCd Z1 , кадмієве відношення NCd Z1 і приведений параметр NCd Z1 (див. ф-ли (2), (16) і (19)); 5) за отриманим для даного приладу алгоритмом - явною залежністю DCd від k н - оцінюють співвідношення нафти та мінералізованої води в порах колектора (при відомій мінералізації води С 0 ); 6) за отриманим для даного приладу алгоритмом - явною залежністю NCd від k н - визначають коефіцієнт нафтонасиченості. Джерела інформації: 1. Скважинная ядерная геофизика. Справочник геофизика. Под. ред. О.Л. Кузнецова и А.Л. Поляченко. - М.: Недра, 1990. - 318 с. 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. Neutron-neutron logging for both porosity and macroscopic absorption cross section. Alien L.S. US patent №4021666. Mobil Oil Corp., 1977. 4. Спосіб нейтрон-нейтронного каротажу та пристрій для його здійснення. Кулик В.В., Звольський С.Т., Месропян B.C., Майстренко І.О. Патент №42218. Україна, Інститут геофізики НАНУ. 2003, Бюл. № 7. 5. Кулик В.В. Показания газонаполненных детекторов нейтронов в однородных геологических средах // Геофиз. журнал. - 1999. - 21, №5. - С. 1928. 11 Комп’ютерна верстка M. Клюкін 74972 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601