АППАРАТУРА МУЛЬТИМЕТОДНОГО МНОГОЗОНДОВОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА - ММНК ДЛЯ ПОСЕКТОРНОГО СКАНИРОВАНИЯ РАЗРЕЗОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН
MULTI-METHOD MULTI-PROBE NEUTRON LOGGING EQUIPMENT - MMNL FOR SECTOR-SECTOR SCANNING OF SECTIONS OF OIL AND GAS WELLS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, к области ядерно-физических методов исследований скважин и может быть использовано в приборах, осуществляющих в режиме посекторного сканирования диагностику заколонного пространства с целью оценки его заполнения легкими и облегченными цементами, определения пористости коллекторов горных пород и их насыщения углеводородами на разном удалении от стенки (в радиальном направлении) обсадной колонны (ОК) и по периметру скважины.
Известен прибор нейтронного каротажа скважин многозондовый, содержащий герметичный корпус, включающий источник нейтронов, установленный на съемном штоке, двухзондовый измерительный блок, состоящий из детекторов тепловых и надтепловых нейтронов, расположенных по разные стороны от источника нейтронов, фильтров из нейтронно-поглощающего материала, расположенных между источником и детекторами, подключенными к электронному блоку, причем, один из детекторов измерительного зонда выполнен в виде однотипных детекторов, размещенных параллельно оси фильтра и прибора в кольцевой зоне, снабжен вторым двухзондовым измерительным блоком, состоящим из последовательно соединенных фильтров из нейтронно-поглощающего материала и детекторов тепловых и надтепловых нейтронов, и переходником, соединяющим между собой двухзондовые измерительные блоки, помещенные в герметичные охранные кожуха, а в переходнике выполнена перпендикулярно оси прибора герметичная полость, в которую установлен съемный шток с источником нейтронов (пат. РФ на полезную модель №46367, заявл. 21.02.2005, опубл. 27.06.2005, Бюл. №18).
Особенностями известного прибора является то, что в конструкцию введен второй двухзондовый измерительный блок, состоящий из одного зонда надтепловых и одного зонда тепловых нейтронов, включающего последовательно установленные фильтры из нейтронно-поглощающего материала и детекторы тепловых и надтепловых нейтронов, благодаря чему, прибор существенно расширяет свои функциональные возможности, так как все зонды измерительных блоков прибора имеют разную длину, а, следовательно, глубину и область исследования.
Применение в этих зондах по одному (центральному) детектору нейтронов, расположенному по оси прибора, позволяет получить обобщенную усредненную величину измерений по всему периметру скважины, недостаточную для детальной диагностики заполнения заколонного пространства легкими и облегченными цементами, а также - определения пористости коллекторов горных пород и их насыщения по периметру скважины, что снижает информативность измерений.
Известно скважинное устройство с двухсторонним расположением измерительных зондов, содержащее нейтронный источник, расположенный соосно с корпусом скважинного устройства, а также два нейтронных и два гамма-зонда, находящиеся по разные стороны от нейтронного источника, при этом в качестве нейтронного источника применяется нейтронный генератор, каждый нейтронный зонд содержит не менее двух детекторов, которые располагаются между корпусом скважинного устройства и корпусом нейтронного генератора параллельно оси скважинного устройства, одинаково удаленно от оси скважинного устройства и одинаково удаленно от мишени нейтронного генератора, равномерно по углу вокруг оси скважинного устройства, причем детекторы в различных нейтронных зондах повернуты вокруг оси скважинного устройства по отношению друг к другу (пат. РФ №2578050, G01V 5/10, заявл. 25.11.2014, опубл. 20.03.2016).
В известном устройстве детекторы тепловых нейтронов, расположенные по периметру прибора, предназначены для учета влияния случайных положений прибора в скважине, например, отклонение прибора внутри скважины при его движении по стволу скважины, которые в последствие принимаются во внимание при обработке исходных данных.
Прибором не обеспечивается возможность изучения анизотропии горных пород и насыщающих их флюидов в радиальном направлении от стенки скважины, так и по периметру. В результате обработки и интерпретации зарегистрированных данных получают обобщенную, усредненную характеристику по пористости и насыщению горных пород.
С помощью данной зондовой установки изучаются два вида взаимодействия нейтронов с породой: поглощение тепловых нейтронов на двух зондах (метод 2ИННКт-импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам) и нейтронное гамма-излучение от радиационно активных химических элементов с оценкой их содержания по спектральному распределению регистрируемого гамма излучения на дух зондах (метод 2ИСНГК-импульсный спектрометрический нейтронный гамма-каротаж), но не реализована возможность изучения рассеивания нейтронов на ядрах химических элементов горных пород (метод 2ИННКнт-импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам), что не полностью реализует потенциальные возможности нейтронных методов.
Кроме того, при размещении детекторов нейтронов методов 2ННКт и 2ИСНГК по разные стороны от источника нейтронов, на результаты измерений зондов оказывают влияние переходные характеристики показаний детекторов при пересечении нейтронами границы противоположного расположения зондов относительно источника нейтронов, что приводит к возникновению ложных флуктуаций, не связанных с диагностикой заполнения цементом заколонного пространства и пористостью горных пород.
Известна комплексная спектрометрическая аппаратура нейтронного каротажа, включающая установленные в охранном кожухе по его оси общий стационарный источник нейтронов, зонды с первым и вторым спектрометрическими детекторами нейтронного гамма-излучения (СНГК), зонды, содержащие детекторы тепловых нейтронов (ННКт), расположенные по одну из сторон от источника нейтронов, при этом большой зонд СНГК и малый и большой зонды детекторов тепловых нейтронов ННКт развернуты по оси в противоположные стороны относительно источника нейтронов (заявка на изобретение РФ №2017124847, заявл. 11.07.2017, опубл. 11.01.2019, Бюл. №2).
Кроме того, известная аппаратура дополнительно содержит установленные в охранном кожухе восемь экранов, большой и малый зонды детектора надтепловых нейтронов (ННКнт), расположенные по одну сторону от источника нейтронов, а первый и второй спектрометрические детекторы нейтронного гамма-излучения (СНГК) расположены по разные стороны от нейтронного источника, причем детекторы большого и малого зондов тепловых нейтронов (ННКт), установленные по одну сторону от источника нейтронов, расположены на противоположной стороне относительно детекторов надтепловых нейтронов (ННКнт), при этом первый и второй экраны установлены соответственно между источником нейтронов и детекторами надтепловых и тепловых нейтронов (ННКнт) и (ННКт), третий и четвертый экраны - между детекторами надтепловых и тепловых нейтронов (ННКнт) и (ННКт) и спектрометрическими детекторами нейтронного гамма-излучения (СНГК), пятый и шестой экраны защищают детекторы надтепловых нейтронов (ННКнт) от тепловых нейтронов, а седьмой и восьмой экраны спектрометрических детекторов - от сопутствующего гамма-излучения нейтронного источника и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов, идущего со ствола скважины.
При этом первый и второй спектрометрические детекторы нейтронного гамма-излучения (СНГК) выполнены зондами длиной более 60 см.
Третий и четвертый экраны выполнены из свинца, пятый и шестой экраны выполнены из кадмия, а седьмой и восьмой экраны выполнены из капролона с высоким содержанием бора.
Техническим результатом, получаемым от использования известного изобретения, является расширение круга решаемых задач на всех этапах жизни газовых и нефтегазовых скважин на основе использования практически всех основных нейтронных ядерно-физических характеристик пород и насыщающих их флюидов, связанных с процессами замедления нейтронов - 2ННКнт, поглощения тепловых нейтронов - 2ННКт, гамма-активностью химических элементов при поглощении тепловых нейтронов и существенными различиями ядерно-физических свойств жидких и газообразных углеводородных флюидов - 2СНГК.
Недостаток известной аппаратуры заключается в том, что при размещении детекторов нейтронов методов 2ННКнт и 2ННКт по разные стороны от источника нейтронов, на результаты измерений зондов оказывают влияние переходные характеристики показаний детекторов при пересечении нейтронами границы противоположного расположения зондов относительно источника нейтронов, что приводит к возникновению ложных флуктуаций, не связанных с диагностикой заполнения цементом заколонного пространства и пористостью горных пород. Кроме того, аппаратура не обеспечивает осуществление диагностики сред в околоскважинном пространстве по периметру скважины.
Известна аппаратура нейтронного каротажа, включающая установленные в охранном кожухе по его оси общий источник нейтронов, два спектрометрических детектора нейтронного гамма-каротажа (СНГК), два детектора тепловых нейтронов, формирующие малый и большой зонды нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам (ННКт), дополнительно содержит два детектора надтепловых нейтронов, формирующие малый и большой зонды нейтрон-нейтронного каротажа по надтепловым нейтронам (ННКнт), детекторы СНГК разделены между собой свинцовым экраном и помещены в общий экран-конвертор из кадмия, а детекторы зондов ННКнт помещены в кадмиевые экраны и отделены от детекторов зондов ННКт экранами из полиамида, а зазоры между экранами пропитаны высокотемпературным силиконовым герметиком, при этом все зонды СНГК, ННКт и ННКнт расположены по одну сторону от источника нейтронов (пат. РФ №2672783, заявл. 28.12.2017, опубл. 19.11.2018, Бюл. №32, выбран в качестве прототипа к заявляемому устройству).
Технический результат, достигаемый известным изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей нейтронных методов, позволяющих с повышенной достоверностью исследовать просквоженную зону коллектора по флюидному составу углеводородов и содержанию пластовых вод в поровом пространстве коллектора и их распределение в радиальном направлении от стенки ОК скважины.
Известному прибору присущ недостаток, указанный в отношении известного устройства по патенту №46367, заключающийся в том, что из-за применения в зондах по одному (центральному) детектору нейтронов, расположенному по оси прибора, обеспечивается возможность получения обобщенной и усредненной по периметру скважины регистрируемой информации, что не обеспечивает осуществления в сканирующем режиме детальной диагностики сред в околоскважинном пространстве по периметру скважины. Из-за малого диаметра скважинного прибора (менее 50 мм) в пространстве между прибором и стенкой скважины возникает расстояние, которое может быть заполнено разнородной по составу скважинной жидкостью, влияющей на показания зондов, по этой причине предъявляются повышенные требования к однородности скважинной жидкости по стволу скважины, которые трудно обеспечить в производственных условиях.
Техническим результатом, достигаемым применением заявляемой аппаратуры мультиметодного многозондового нейтронного каротажа - ММНК для посекторного сканирования разрезов нефтегазовых скважин, является расширение функциональных возможностей нейтронных методов, позволяющих с повышенной достоверностью осуществлять детальное изучение особенностей заполнения заколонного пространства цементом, включая легкие и облегченные цементы, определять пористость коллекторов и характер их насыщения в сканирующем режиме по периметру нефтегазовых скважин и на разном удалении от стенки ОК.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в аппаратуре мультиметодного многозондового нейтронного каротажа (ММНК), включающей установленные в охранном корпусе скважинного прибора по его оси общий источник нейтронов, детектор спектрометрического нейтронного гамма-каротажа (СНГК), детекторы тепловых нейтронов, формирующие малый и большой зонды нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам (2ННКт), и детекторы надтепловых нейтронов, формирующие малый и большой зонды нейтрон-нейтронного каротажа по надтепловым нейтронам (2ННКнт), при этом указанные детекторы нейтронов экранированы от источника нейтронов, а все зонды СНГК, 2ННКт и 2ННКнт расположены по одну сторону от источника нейтронов, в отличие от известного, детекторы 2ННКнт и 2ННКт выполнены в виде кассет со счетчиками нейтронов, каждая из которых содержит центральный счетчик нейтронов и счетчики нейтронов, равномерно расставленные вокруг центрального счетчика в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора, и которые взаимно экранированы между собой и от центрального счетчика полиамидными экранами, при этом кассеты зондов метода 2ННКнт экранированы со стороны скважины и источника нейтронов кадмиевым экраном, малый зонд метода 2ННКнт со стороны источника нейтронов экранирован полиамидным экраном, кроме того, сами кассеты являются экранами между зондами методов 2ННКнт и 2ННКт, детектор СНГК экранирован со стороны скважины и источника нейтронов борным экраном, а со стороны кассет счетчиков надтепловых и тепловых нейтронов 2ННКнт и 2ННКт - свинцовым экраном.
Все счетчики нейтронов - однотипны с длиной не более 100 мм и диаметром не более 18 мм и установлены соосно друг другу.
Кассеты со счетчиками нейтронов зондов 2ННКнт и 2ННКт могут состоять из одного центрального счетчика и 4-6 счетчиков, равномерно расставленных вокруг центрального счетчика в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора.
Корпус прибора снабжен верхним и нижним центраторами.
Охранный корпус прибора должен иметь диаметр, близкий к диаметру ОК, и обеспечивать свободное прохождение внутри ОК, например, с допуском для прохождения в ОК диаметром 146 мм и 168 мм.
На прилагаемой фигуре представлена принципиальная схема зондовой части заявленного прибора.
В охранном корпусе 1 прибора, диаметр которого должен быть близок к диаметру ОК 146-168 мм и обеспечивать нормальное прохождение по стволу скважины, размещен общий стационарный плутоний-бериллиевый (Pu+Ве) источник нейтронов 2, по одну сторону от которого расположены: малый зонд (МЗ) метода 2ННКнт с детекторами надтепловых нейтронов в виде кассеты с центральным счетчиком 3 нейтронов и счетчиками нейтронов 4 (в количестве от 4 до 6), равномерно установленными в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора (вид по Б-Б) и большой зонд (БЗ) метода 2ННКнт с детекторами надтепловых нейтронов в виде кассеты с центральным счетчиком 5 нейтронов и с несколькими счетчиками нейтронов 6 (в количестве от 4 до 6), равномерно установленными в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора, при этом малый зонд метода 2ННКнт со стороны источника нейтронов экранирован полиамидным экраном 7.
Кассеты зондов метода 2ННКнт экранированы со стороны скважины и источника нейтронов 2 кадмиевыми экранами 8 и 9. Счетчики 4 и 6, расположенные в кассетах в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора, взаимно экранированы между собой и от центрального счетчика 3 и 5 полиамидными экранами 10 и 11.
Большой зонд (БЗ) метода 2ННКт содержит детекторы тепловых нейтронов в виде кассеты с центральным счетчиком 12 и с несколькими счетчиками 13 (в количестве от 4 до 6), равномерно установленными в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора (вид по А-А), малый зонд (МЗ) метода 2ННКт содержит детекторы тепловых нейтронов в виде кассеты с центральным счетчиком 14 и с несколькими счетчиками 15 (в количестве от 4 до 6), равномерно установленными в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора, при этом счетчики 13 и 15 экранированы между собой и от центрального счетчика 12 и 14 полиамидными экранами 16, которые в свою очередь являются экранами между зондами нейтронных методов.
Счетчики нейтронных методов 2ННКнт и 2ННКт 4 и 6, 13 и 15, расположенные в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора, находятся на одних осях по длине прибора (друг против друга). Все счетчики выполнены однотипными с длиной не более 100 мм и диаметром не более 18 мм.
Кассеты детекторов надтепловых и тепловых нейтронов и детектор СНГК большого зонда (БЗ) разделены свинцовым экраном 17.
Детектор СНГК состоит из фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 18, сцинтилляционного кристалла 19, помещенного в борный экран-конвертор 20, и экранирован со стороны источника нейтронов 2 свинцовым экраном 17 для уменьшения влияния прямого гамма-излучения от источника нейтронов 2 и сопутствующего гамма-излучения, не связанного с определяемыми характеристиками исследуемых сред.
Сцинтилляционный кристалл 19 экранирован со стороны скважины и источника нейтронов 2 борным экраном 20, который предотвращает активацию кристалла типа NaI(Tl) (йодистый натрий, активированный таллием) тепловыми нейтронами и служит экраном-конвертором для преобразования потока тепловых нейтронов в поток гамма квантов с энергией 478 кэВ для калибровки энергетической шкалы спектрометра метода СНГК.
Прибор центрируется в скважине при помощи центраторов 21 и 22.
Охранный корпус прибора изготавливается с диаметром, близким к диаметру ОК, для свободного прохождения внутри ОК, например, диаметром 146 мм или 168 мм. Небольшое расстояние между корпусом прибора и стенкой ОК обеспечивает незначительный объем скважинной жидкости между ними, тем самым максимально снижается влияние неоднородного состава скважинной жидкости на показания зондов нейтронных методов.
Прибор спускается в скважину на каротажном кабеле (не показан).
Во время подъема прибора проводится сканирующий мультиметодный многозондовый нейтронный каротаж (2ННКнт+2ННКт+СНГК) обсаженной скважины.
Нейтронный каротаж основан на облучении цементной крепи скважины и окружающих ее пород нейтронами, испускаемыми ампульным источником нейтронов 2, и измерении плотностей потоков надтепловых нейтронов зондами 2ННКнт при помощи кассет со счетчиками 3, 4 и 5, 6 и тепловых нейтронов зондами 2ННКт при помощи кассет со счетчиками 12, 13 и 14, 15.
Все основные виды взаимодействия нейтронов с цементной крепью скважины, породой и насыщающими ее флюидами выполняют с помощью измерительных зондов: БЗ СНГК, БЗ 2ННКт, БЗ 2ННКнт, МЗ 2ННКт, МЗ 2ННКнт, а далее полученную информацию обрабатывают, интерпретируют и представляют в виде количественных оценок заполнения заколонного пространства цементами, определения пористости и насыщения коллекторов горных пород.
Спектрометрическим детектором БЗ СНГК проводится регистрация спектрального распределения гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов (ГИРЗ) химическими элементами горных пород и насыщающих их флюидов по энергии, образующейся в результате ядерных реакций при захвате тепловых нейтронов.
В нейтронных счетчиках методов 2ННКнт и 2ННКт сканирующего устройства нейтронного каротажа во время каротажа потоки нейтронов преобразуются в электрический сигнал, при этом детектор гамма-излучения СНГК преобразует потоки гамма-квантов в световые вспышки, пропорциональные энергии гамма-квантов, а ФЭУ преобразует световые вспышки в амплитуды импульсов тока. Далее в электронной схеме прибора (на фиг. не показана) осуществляется усиление и оцифровка по амплитуде импульсов, выходящих с ФЭУ и оцифровка импульсов со счетчиков нейтронов, и передача накопленной информации по каротажному кабелю на регистратор и далее на компьютер каротажной станции (не показаны).
Экраны обеспечивают снижение влияния мешающих геолого-технических факторов, осложняющих связь между регистрируемыми показаниями нейтронных методов и параметрами, характеризующими заполнение заколонного пространства цементом и геологическими параметрами насыщения коллекторов горных пород.
Аппаратура мультиметодного многозондового нейтронного каротажа (2ННКнт+2ННКт+СНГК) обсаженной скважины позволяет обеспечить «разноглубинность» исследований разрезов нефтегазовых скважин в радиальном направлении от стенки обсадной колонны, при этом определяется характеристика заполнения заколонного пространства цементом, включая легкие и облегченные цементы, вычисляются пористость и насыщение коллекторов горных пород на разном удалении от стенки.
Сканирование заколонного пространства мультиметодными и многодетекторными зондами позволяет детально изучить особенности распределения вышеперечисленных параметров по периметру скважины. Кассетное расположение детекторов, при котором центральный счетчик нейтронов расположен по оси устройства, а остальные счетчики (4-6 штук) равномерно расположены в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора, позволяет производить диагностику анизотропии исследуемых сред путем сопоставления показаний счетчиков, расположенных в кольцевой зоне, приближенной к периметру внутренней стенки прибора и показаний центрального счетчика, исходя из того, что центральный счетчик дает общую усредненную характеристику нейтронных свойств изучаемых сред, а счетчики, расположенные по периметру, - характеристику по отдельным секторам.
Возможны и другие сопоставления показаний счетчиков, расположенных по периметру устройства и показаний центрального счетчика по результатам измерений одного из указанных методов, так и между методами, с вычислением функционалов с применением показаний различных нейтронных методов, что в первую очередь определяется решаемыми задачами и геолого-техническими условиями скважины.
При исследовании скважины проводится детальная оценка в радиальном направлении и по периметру скважины состояния цементной крепи скважины за 1-2 обсадными колонами, пористости и насыщения коллекторов, вычисление коэффициентов газонасыщенности, нефтенасыщенности, объемной газонасыщенности и объемной нефтенасыщености. По результатам исследований также определяется глубина положения газожидкостного и водонефтяного контактов.
Детальная оценка состояния цементной крепи за колоннами производится по малому и большому зондам метода 2ННКнт и малому зонду метода ННКт на основе вычисляемых функционалов с использованием показаний зондов вышеперечисленных методов, как наиболее информативных в конкретных геолого-технических условиях, в зависимости от решаемых задач.
Детальная оценка пористости и насыщения коллекторов, коэффициентов газонасыщенности, нефтенасыщенности, объемной газонасыщенности и объемной нефтенасыщености производится на основе применения всего комплекса нейтронных методов 2ННКнт+2ННКт+СНГК на основе вычисляемых функционалов с использованием показаний зондов вышеперечисленных методов, как наиболее информативных в конкретных геолого-технических условиях, в зависимости от решаемых задач.
Примером использования комплекса нейтронных методов 2ННКнт+2ННКт+СНГК является представленный способ в пат. РФ №2672696. Способ оценки фазового состояния углеводородов в пластах-коллекторах обсаженных газовых и нефтегазовых скважин. (Егурцов С.А., Арно О.Б., Арабский А.К., Иванов Ю.В., Кирсанов С.А., Меркулов А.В., Лысенков А.И., Филобоков Е.И. заяв. 28.12.2017, опуб. 19.11.2018, Бюл. №32).
Предлагаемое устройство реализует практически все имеющиеся аналитические возможности модификаций нейтронных методов по детальному изучению, в радиальном направлении от стенки колонны скважины и по ее периметру, цементной крепи скважин, пористости и характера насыщения коллекторов горных пород, основанных на особенностях процесса замедления нейтронов (2ННКнт), поглощения тепловых нейтронов (2ННКт) и радиационной гамма-активности химических элементов (СНГК), связанных с различием ядерно-физических свойств исследуемых сред.