КОМПЛЕКСНАЯ АППАРАТУРА ИМПУЛЬСНОГО МУЛЬТИМЕТОДНОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА ДЛЯ ПРОМЫСЛОВО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБСАЖЕННЫХ ГАЗОВЫХ И НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН
INTEGRATED EQUIPMENT FOR PULSE MULTIMETHOD NEUTRON LOGGING FOR PRODUCTION AND GEOPHYSICAL INVESTIGATIONS OF CASED GAS AND OIL AND GAS WELLS

Изобретение относится к области комплексных геофизических исследований обсаженных газовых и нефтегазовых скважин промыслово-геофизическими методами при контроле за разработкой нефтегазовых месторождений и, в частности, обеспечивает исследования через насосно-компрессорные трубы (НКТ).
Известна комплексная аппаратура для исследования обсаженных газовых и нефтегазовых скважин, содержащая набор зондов нейтрон-нейтронного каротажа, в которой применяют радионуклидные (химические) источники нейтронов (пат. РФ №№2672783, 2680102), и комплексная аппаратура подобного назначения, в которой применяют управляемые генераторы нейтронов (патент РФ №2672782). С помощью указанной аппаратуры регистрируют все виды взаимодействия нейтронов с породой и насыщающими ее флюидами.
Недостатком известных устройств является отсутствие контроля за физическими свойствами флюидов, заполняющих ствол обсаженной скважины, а также контроля состояния металлической крепи, включая НКТ, и наличия в них конструктивных особенностей. Отсутствие контроля за заколонными перетоками и составом притока из интервала перфорации при наличии вышеуказанных недостатков приводит к существенным погрешностям при определении характера насыщения коллекторов, особенно в случае применения радионуклидных источников.
Известна разработка ФГУП «ВНИИА» им. Н.Л. Духова: аппаратура двухзондового импульсного нейтронного каротажа АИНК-43-600 (А.Г. Амурский, Ю.Н. Бармаков, Е.П. Боголюбов и др. Повышение информативности импульсного нейтрон-нейтронного каротажа при измерении пористости горных пород.//НТВ «Каротажник», №302, 2019 г. ), позволяющая реализовывать двухзондовый импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (2ИННКт) через 200-300 мкс после окончания облучения породы потоком быстрых нейтронов путем регистрации временного спектра тепловых нейтронов и двухзондовый нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам (2ИННКнт) путем регистрации потока нейтронов во время облучения породы потоком быстрых нейтронов с последующей компенсацией просчета импульсов из-за перегрузок измерительных каналов.
Аппаратура может работать в импульсном режиме нейтронного генератора, что значительно расширяет аналитические возможности аппаратуры по вычислению геологических характеристик разрезов в обсаженных газовых и нефтегазовых скважинах, в первую очередь пористости коллекторов и их характера насыщения. При этом вычисление значений пористости горных пород производится по методу 2ИННКнт, на результаты которого не влияет взаимодействие нейтронов с находящимися в горных породах и насыщающих их флюидах химическими элементами с аномальными поглощающими нейтронными свойствами, что позволяет более надежно выделять газожидкостные и водонефтяные контакты, определять коэффициенты газонасыщенности, нефтенасыщенности и объемные значения газо- и нефтенасыщенности в прискважинной части коллектора. При работе дорогостоящего генератора в импульсном режиме ресурс генератора ограничен 300-500 часами наработки, а при работе в стационарном режиме ресурс возрастает в 2-2,5 раза, ввиду этого, исходя из экономических соображений, исследования в импульсном режиме генератора целесообразно проводить в разрабатываемых залежах углеводородов с применением расширенных аналитических возможностей комплекса импульсных нейтронных методов. В интервале продуктивной толщи или в перспективных интервалах скопления углеводородных флюидов целесообразно проводить исследования с генератором, работающим в стационарном режиме.
Известна комплексная спектрометрическая аппаратура ядерного каротажа (КСПРК-Ш-48), включающая зонд, содержащий детектор естественной радиоактивности (СГК) и детекторы гамма-излучения радиационного захвата (СНГК), и зонд, содержащий детекторы тепловых нейтронов (ННКт). Указанные зонды имеют общий источник нейтронов, при этом детекторы естественной радиоактивности (СГК) и детекторы гамма-излучения радиационного захвата (СНГК) развернуты от детекторов тепловых нейтронов (ННКт) в разные стороны по оси прибора относительно указанного источника, кроме того, охранные кожухи указанных зондов соединены с держателем источника нейтронов (пат.№127487, заявл. 04.12.2012, опубл. 27.04.13).
Известен комплексный прибор определения состояния обсадных колонн, насосно-компрессорных труб и заколонного пространства - ОТСК-ОСЗП, выполненный на основе КСПРК-Ш-48, и содержащий однотипные зондовые установки нейтронного каротажа на базе радионуклидных нейтронных источников, обеспечивающие следующие методы исследования: трехзондовый спектрометрический нейтронный гамма-каротаж широко диапазонный (ЗСНГК-Ш) и двухзондовый нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (2ННКт), а также комплекс технических средств для проведения промыслово-геофизических исследований (ПГИ).
Комплекс ПГИ в аппаратуре представлен следующими методами: термометрия (ТМ), барометрия (БМ), спектрометрия естественного гамма-излучения (СГК). В аппаратуру ОТСК-ОСЗП дополнительно входит метод сканирующей магнитно-импульсной дефектоскопии (МИД-С) (А.В. Кондрашов, А.О. Габбасова, Е.В. Судничникова и др. Многометодная спектрометрическая аппаратура ядерного нейтронного каротажа для исследований газовых скважин./Проблемы ресурсного обеспечения газодобывающих регионов №3 (19), 2014). (Принят за прототип к заявляемому устройству).
Конструктивно комплексный прибор ОТСК-ОСЗП состоит из двух модулей, имеющих возможность как самостоятельной, так и совместной работы.
Верхний модуль скважинного прибора (ОТСК) состоит из зонда СГК, зонда сканирующей магнитно-импульсной дефектоскопии (МИД-С), термометра и индикатора давления.
Нижний модуль скважинного прибора (ОСЗП) состоит из двух зондов нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам (2ННКт), расположенных ниже закрытого радионуклидного источника быстрых нейтронов (ЗРнИ), и трех зондов спектрометрического нейтронного гамма-каротажа широкодиапазонного (СНГК-Ш), расположенных выше ЗРнИ. Во время работы в скважинах прибор центрируется тремя центраторами.
В известном приборе используется стационарный закрытый радионуклидный источник быстрых нейтронов (ЗРнИ), который не имеет возможности работать в импульсном режиме, что ограничивает аналитические возможности нейтронных методов по определению насыщения пластов-коллекторов, основанных на процессах поглощения тепловых нейтронов и гамма-излучении радиационного захвата тепловых нейтронов элементами, входящими в состав флюидов, или фазового состояния углеводородного флюида, насыщающего поровое пространство коллектора. Кроме того, при работе с ЗРнИ сохраняется высокая радиационная опасность.
В приборе не полностью реализован комплекс ПГИ, в частности отсутствуют средства для индукционной резистивиметрии и диэлектрической влагометрии.
Техническим результатом, достигаемым заявляемым изобретением, является расширение круга решаемых задач на всех этапах жизни газовых и нефтегазовых скважин на основе использования практически всех основных видов взаимодействия нейтронов с породой и насыщающими ее флюидами в процессе облучения их потоками нейтронов от управляемого генератора нейтронов, работающего как в импульсном, так и в стационарном режимах с возможностью переключения режима через интерфейс программы для регистрации данных измерений, связанных с процессами замедления нейтронов, поглощения тепловых нейтронов, гамма-активностью химических элементов при замедлении быстрых нейтронов и поглощении тепловых нейтронов.
Использование расширенного комплекса ПГИ, дополненного методами индукционной резистивиметрии и диэлектрической влагометрии, позволяет детально определить состав флюида, поступающего из интервала перфорации, и его распределение по стволу скважины или НКТ.
Указанная задача решается тем, что комплексная аппаратура импульсного мультиметодного нейтронного каротажа (КАИМНК) для промыслово-геофизических исследований обсаженных газовых и нефтегазовых скважин, состоящая из соединенных между собой двух скважинных модулей, корпуса которых снабжены центраторами, при этом в корпусе верхнего модуля установлены средства для проведения промыслово-геофизических исследований (ПГИ), включающие индикаторы температуры и давления, зонды спектрометрического гамма-каротажа (СГК) и сканирующей магнитно-импульсной дефектоскопии (МИД-С), а в корпусе нижнего модуля размещены большой (БЗ) и малый (МЗ) зонды с детекторами нейтрон-нейтронного каротажа, зонд импульсного спектрометрического нейтронного гамма-каротажа (ИНГК-С) и источник нейтронов, в отличие от известного, в аппаратуре в качестве источника нейтронов использован управляемый генератор нейтронов, работающий как в импульсном, так и в стационарном режимах с возможностью переключения режимов через установленный в наземном компьютере интерфейс программы для регистрации данных измерений, при этом зонд ИНГК-С (СНГК в стационарном режиме) размещен между БЗ и МЗ зондами импульсного нейтрон-нейтронного каротажа (нейтрон-нейтронного каротажа в стационарном режиме), все зонды ИНГК-С/СНГК, БЗ и МЗ установлены по одну сторону от источника нейтронов, а в средства для проведения промыслово-геофизических исследований (ПГИ) включены индикаторы индукционной резистивиметрии (ИР) и диэлектрической влагометрии (ВМ).
Центраторы двухмодульного прибора выполнены с механизмом принудительного раскрытия центрирующих рычагов в скважине, управляемым с поверхности по каротажному кабелю.
В качестве источника нейтронов может быть использован химический источник нейтронов.
Кроме того, устанавливаемая в корпусе модуля нейтрон-нейтронного каротажа вставка, содержащая трубку с источником нейтронов, выполнена съемной, с возможностью ее замены.
На прилагаемой фигуре представлена принципиальная схема конструкции комплексной аппаратуры импульсного мультиметодного нейтронного каротажа (КАИМНК).
На прилагаемой фигуре зонды нейтрон-нейтронного каротажа обозначены как зонды МЗ ИННК и БЗ ИННК, работающие в импульсном режиме генератора нейтронов (МЗ ННК и БЗ ННК в стационарном режиме), а зонд спектрометрического нейтронного гамма-каротажа - как ИНГК-С (зонд спектрометрического нейтронного гамма-каротажа СНГК в стационарном режиме). Такой вариант обозначения принят ввиду того, что основное и наиболее информативное измерение происходит при работе генератора нейтронов в импульсном режиме.
КАИМНК представляет собой двухмодульную конструкцию и включает в себя нижний модуль импульсно-стационарного нейтронного каротажа (МИСНК), заключенный в корпус 1, в котором расположены: источник нейтронов, в частности управляемый генератор нейтронов 2, работающий как в импульсном, так и в стационарном режимах с возможностью переключения режимов через интерфейс программы для регистрации данных измерений, установленной в наземном компьютере 3, два зонда нейтрон-нейтронного каротажа, включающие малый зонд импульсного нейтронного каротажа МЗ ИННК (малый зонд нейтронного каротажа МЗ ННК в стационарном режиме) 4 и большой зонд импульсного нейтронного каротажа БЗ ИННК (большой зонд нейтронного каротажа БЗ ННК в стационарном режиме) 5, и зонд спектрометрического импульсного нейтронного гамма-каротажа ИНГК-С (зонд спектрометрического нейтронного гамма-каротажа в стационарном режиме -СНГК) 6, расположенный между МЗ 4 и БЗ 5.
В качестве источника нейтронов может быть использован химический источник нейтронов.
Устанавливаемая в корпусе 1 прибора вставка 7, содержащая трубку с источником нейтронов 2, выполнена съемной, с возможностью ее замены.
В корпусе 8 верхнего модуля КАИМНК расположены: зонд спектрометрического гамма-каротажа (СГК) 9, средства для проведения промыслово-геофизических исследований (ПГИ): детекторы (индикаторы) термометрии (TP) - термометр 10, барометрии (БР) - манометр 11, индукционной резистивиметрии (ИР) - резистивиметр 12, диэлектрической влагометрии (ВМ) -влагомер 13, а также зонд сканирующей магнитно-импульсной дефектоскопии (МИД-С) 14. Корпуса 1 и 8 модулей соединены между собой резьбовым соединением посредством центратора 15 и снабжены верхним центратором 16 и нижним центратором 17, а также соединены каротажным кабелем 18 с компьютером 3 каротажной станции (на фиг.не показана). Центраторы 15,16,17 прибора выполнены с механизмом принудительного раскрытия центрирующих рычагов в скважине, управляемым с поверхности по каротажному кабелю 18. Привод механизма принудительного раскрытия центрирующих рычагов может быть выполнен электромеханического или электрогидравлического типа с общеизвестным принципом работы.
В процессе исследования обсаженных газовых и нефтегазовых скважин во время подъема КАИМНК, используя импульсный режим работы генератора нейтронов 2, реализуют основной комплекс импульсного нейтрон-нейтронного каротажа (ИННК), включающий в себя следующие методы:
2ИННКт - двухзондовый импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам,
2ИННКнт - двухзондовый импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам,
ИНГК - интегральный импульсный нейтронный гамма-каротаж,
ИНГК-С - спектрометрический импульсный нейтронный гамма-каротаж.
В стационарном режиме работы генератора нейтронов 2 реализуется комплекс мультиметодного многозондового нейтронного каротажа (ММНК), включающий в себя следующие методы:
2ННКт - двухзондовый стационарный нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам,
НГК - стационарный нейтронный гамма-каротаж,
СНГК - спектрометрический стационарный нейтронный гамма-каротаж. Верхний модуль 7 комплексной аппаратуры ПГИ обеспечивает реализацию следующих методов:
СГК - спектрометрический гамма-каротаж,
TP - термометрия,
БР - барометрия,
ИР - индукционная резистивиметрия,
ВМ - диэлектрическая влагометрия,
МИД-С - сканирующая магнитно-импульсная дефектоскопия.
Реализация нейтронных методов ИННК или ММНК основана на облучении скважины и пород нейтронами от управляемого нейтронного генератора 2, например, ИНГ-08, и измерении плотностей потоков нейтронов, распределенных в пространстве и времени, идущих со стороны скважины, детекторами зондов 4 и 5, и потока гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) и радиационного захвата (ГИРЗ) с регистрацией его спектрального распределения по энергии гамма-квантов детектором зонда спектрометрического импульсного нейтронного гамма-каротажа (ИНГК-С) 6.
В импульсном режиме работы генератора 2 дополнительно по результатам обработки временного спектрального потока нейтронов во время облучения породы потоком быстрых нейтронов на большом и малом зондах 4 и 5 определяют интенсивности потоков надтепловых нейтронов БЗ ИННКнт и МЗ ИННКнт (2ИННКнт) с компенсацией просчета импульсов за счет переизбытка данных на измерительном канале.
На временных задержках более 200-300 мкс определяют интенсивности потоков тепловых нейтронов, а по спаду интенсивностей потоков нейтронов во времени определяют время жизни тепловых нейтронов или декремент затухания.
Производят одновременную регистрацию распределения нейтронного гамма-излучения (ИНГК) и энергетического распределения гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов (ИНГК-С).
По результатам обработки показаний ИНГК определяют интенсивности потока ГИРЗ и ГИНР и время жизни тепловых нейтронов, а при обработке показаний ИНГК-С определяют содержание радиационно-активных химических элементов по спектральному распределению ГИРЗ (Н, Na, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Fe, Mg, Ti), которые служат основой для литологического расчленения разреза и отношение С/О по спектральному распределению ГИНР, которое служит основой для оценки коэффициента нефтенасыщенности.
При работе генератора нейтронов 2 в стационарном режиме зондами 4, 5 и 6 обеспечивается реализация методов 2ННКт, НГК и СНГК.
Комплекс ПГИ обеспечивает реализацию следующих методов: СГК -спектрометрический гамма-каротаж, TP - термометрия, БР - барометрия, ИР - индукционная резистивиметрия, ВМ - диэлектрическая влагометрия и МИД-С - сканирующая магнитно-импульсная дефектоскопия.
По результатам СГК осуществляют привязку результатов измерений к геологическому разрезу скважины и оценку содержания глинистого материала в горных породах с оценкой литологии глин для последующего ввода поправок от влияния глинистости на результаты интерпретации нейтронных методов, а также оценку зон радио-геохимических аномалий (РГХА), позволяющих прогнозировать обводнение продуктивных отложений, содержащих подвижные углеводороды.
По данным БР определяется энергетика вскрытого перфорацией пласта коллектора и прогнозируется возможность скопления растворенного газа в нефтегазовой залежи при снижении пластового давления ниже давления насыщения нефти газом, и таким образом, дается оценка фазовому составу углеводородов. Стоит заметить, что интерпретация нейтронных методов без учета фазового состояния углеводородов в коллекторе малоинформативна.
По данным МИД-С оценивается состояние металлической крепи скважины и особенности ее конструкции, включая НКТ. Металлическая крепь скважины и особенности конструктивных элементов проявляются через содержание железа, оказывающее существенное влияние на показания нейтронных методов, особенно при измерениях в стационарном режиме работы генератора нейтронов, и характеризуются занижением вычисляемых параметров насыщения коллектора углеводородными флюидами с увеличением содержания железа в конструктивных элементах скважины.
По данным ИР оценивается состав жидкости по стволу скважины или НКТ, который необходимо учитывать при интерпретации нейтронных методов при измерениях в стационарном режиме работы генератора нейтронов.
По результатам ВМ оценивается содержание углеводородных флюидов в жидкости, заполняющей ствол скважины или НКТ, которое необходимо учитывать при интерпретации нейтронных методов при измерениях в стационарном режиме работы генератора нейтронов, особенно если в жидкости имеется свободный газ.
По данным TP контролируются заколонные перетоки пластовых флюидов, что в комплексе с нейтронными методами позволяет повысить достоверность интерпретации последних.
Оптимальными геолого-техническими условиями эффективного применения комплекса ИННК для определения пористости коллектора (Кп), геологических параметров насыщения коллектора углеводородными флюидами - коэффициентов нефте- и газонасыщенности (Кн, Кг) и их объемных значений (Кп * Кн, Кп * Кг), а также литологического расчленения разреза являются:
- для комплекса 2ИННКнт+ИНГК-С - коллекторы с любой пористостью и низкой минерализацией пластовых вод (Спл) и промывочной жидкости (Спж), в том числе и при газовом заполнении ствола скважины в газовых, нефтегазовых и нефтяных скважинах;
- для комплекса 2ИННКт+ИНГК-С - коллекторы с любой пористостью, но с высокими значениями Спл и Спж, в том числе и при газовом заполнении ствола скважины в газовых, нефтегазовых и нефтяных скважинах;
- для комплекса 2ИННКт - коллекторы с средней и высокой пористостью с выдержанным минеральным составом горных пород в газовых и нефтегазовых скважинах с высокими значениями Спл и Спж.
Для решения геологических задач по определению пористости коллектора и оценки его насыщения по комплексу ММНК оптимальными геолого-техническими условиями для применения являются коллекторы со средней и высокой пористостью и с любыми значениями Спл и Спж, в том числе и при газовом заполнении ствола скважины при невысокой каверзности ствола в газовых, нефтегазовых и нефтяных скважинах.
Комплекс ПГИ записывается одновременно с комплексами ИННК или ММНК для повышения надежности геологической интерпретации комплексов нейтронных методов и решения геолого-технических и геолого-промысловых задач, связанных с эксплуатацией газовых и нефтегазовых скважин.
Во время работы аппаратуры КАИМНК датчиками физических полей используемых геофизических методов осуществляется преобразование физических полей в электрические сигналы детекторов зондов 4, 5, 6, которые после усиления и оцифровки передаются по каротажному кабелю 18 на регистратор и далее на компьютер 3 каротажной станции.
Во время исследования модули КАИМНК надежно центрируются внутри скважины принудительно раскрывающимися рычагами центраторов 15, 16, 17, что позволяет существенно снизить влияние неопределенности положения прибора внутри колонны или НКТ, являющейся трудно учитываемой помехой при регистрации данных проводимых комплексных измерений. Кроме того, во время спуска КАИМНК внутри колонны, рычаги центраторов находятся в сложенном состоянии, что значительно облегчает прохождение прибора, особенно в НКТ.