Реферат: Развитие импульсного нейтронного каротажа (инк) за рубежом

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