СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ ТРЕЩИНЫ ПОДЗЕМНОГО ПЛАСТА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРЕЩИНЫ ПОДЗЕМНОГО ПЛАСТА
METHOD FOR DETERMINING GEOMETRY OF UNDERGROUND FORMATION FRACTURE (VERSIONS), AND SIMULATION METHOD OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF UNDERGROUND FORMATION FRACTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам определения геометрии трещин в подземных пластах, обнаруженных в пробуренных скважинах для добычи нефти и природного газа.
Уровень техники
Выход углеводородов, таких как газ и нефть, из подземных пластов можно увеличить за счет образования трещин в пласте, чтобы стимулировать стекание этих углеводородов в пласте. Ныне используются различные методы образования трещин в пласте, такие, например, как гидравлический разрыв, при котором жидкости, газы и (или) их комбинации нагнетают в пласт под высоким давлением (обычно с расклинивающего агентами).
Гидравлический разрыв часто используется в промышленности для улучшения добычи нефти и природного газа из подземных пластов. Во время операции гидравлического разрыва текучая среда, именуемая в общем «жидкость разрыва без расклинивающих агентов», закачивается в скважину под достаточным давлением для образования растрескивания пласта или раскрытия трещины в пласте, окружающем скважину. Когда создан разлом, начинается накачивание жидкости разрыва вместе с суспензией твердых частиц в жидкости, которая содержит жидкость и расклинивающий агент, до тех пор, пока достаточный объем расклинивающего агента не будет перенесен суспензией в эту трещину. После подходящего времени операция накачивания прекращается, и в это время расклинивающий агент поддерживает открытой трещину в пласте, предотвращая ее закрывание. В результате разлома уловленным углеводородам обеспечивается более удобный путь к стволу скважины, за счет чего увеличивается добыча из скважины. Помимо создания глубоко проникающих трещин процесс образования трещин является полезным для преодоления повреждения ствола скважины, для вторичных операций и для ввода или удаления пластовой воды либо материала промышленных отходов из пласта.
Во время процесса образования трещин трещины распространяются по пласту. Вертикальное распространение этих трещин полезно при определении величины покрытия трещин, если оно относится к нефтеносному интервалу. Измерение высоты трещин помогает эксплуатационному персоналу скважины определять успешность операции трещинообразования и при необходимости оптимизировать будущие работы для других скважин месторождения. Помимо этого информация о высоте трещин может помочь в диагностике проблем стимуляции, таких как низкая величина добычи или неблагоприятная обводненность. Данные о высоте трещин могут указывать, установлено ли сообщение между продуктивным пластом и прилегающей водой или неуглеводородными зонами продуктивного пласта. Измерения высоты также обеспечивают проверку точности проектных моделей разрывов, использованных до работы, чтобы предсказать геометрию трещин. Если определяется чрезмерный рост высоты трещин, это будет означать, что длина трещин короче проектной величины.
Как установлено выше, одной причиной для слежения за вертикальным распространением трещины является беспокойство по поводу трещинообразования вне определенной углеводородной продуктивной зоны, внутрь смежной водонесущей зоны. Когда это произойдет, вода потечет в углеводородную продуктивную зону, и в результате скважина будет давать воду вместо желательных углеводородов. Кроме того, если все еще желательно продолжать добычу углеводородов из скважины, операторы должны решить серьезную проблему безопасного отведения нежелательной воды. Обращение к этим проблемам, возникающим из-за внезонных трещин, добавит расходов в работе. Кроме того, если трещины распространяются в смежный неуглеводородный продуктивный пласт, то материалы, используемые для поддержания трещин после того, как давление текучей среды снижено, могут тратиться впустую в областях вне области продуктивного пласта. Вкратце, эффективная работа скважины, которая имеет трещины вне углеводородной продуктивной зоны, является дорогостоящей.
Из-за серьезных проблем, которые могут возникнуть в результате внезонных разрывов, желательно определять развитие трещин в пласте. Известны несколько методов для слежениия и оценивания развития трещин в пласте, такие как радиоактивные индикаторы в жидкости гидроразрыва, температурный каротаж, скважинные телевизионные сканеры, пассивные акустический каротаж и каротаж гамма-излучением. Большинство методов обеспечивают некоторые прямые оценки высоты зоны разрыва в скважине.
Один известный способ, используемый для определения увеличения высоты трещин в пласте, применяет радиоактивный индикатор. В этом способе жидкость гидроразрыва, содержащая радиоактивный индикатор, нагнетается в пласт для создания и расширения трещин. Когда используются эта радиоактивная жидкость и эти радиоактивные индикаторы расклинивающего агента, каротаж с помощью гамма-излучения после разрыва показывает более высокие уровни активности против тех, когда индикатор осаждался, что позволяет операторам оценивать вертикальное увеличение расклиненных трещин.
Другой подход для определения высоты трещин использует температурный каротаж и каротаж с использованием гамма-излучения. Температурные каротажи, проведенные до и после стимуляции, сравниваются для определения интервала, охлажденного закачиванием жидкости гидроразрыва, и тем самым обеспечивают оценку зоны разрыва. Однако этот метод имеет ограничения и неоднозначности. Например, температурный каротаж может быть затруднен для интерпретации из-за низкого температурного контраста, обратного потока из пласта до и после воздействия, либо движения жидкости за обсадной трубой. Помимо этого использование радиоактивных индикаторов может вызвать рост проблем, связанных с окружающей средой, таких как загрязнение подземных вод и тому подобное, а следовательно, они нежелательны.
Прочие известные способы оценивания геометрии трещин включают в себя использование скважинного телевизионного сканера или использование акустических способов. Применение скважинного телевизионного сканера ограничено в том, что его можно использовать только для оценки высоты трещин в необсаженных стволах. Помимо того, применение скважинного телевизионного сканера ограничено вследствие условий экстремальных температур и давлений при более глубоком бурении. Акустические способы затруднены из-за неоднородного импеданса пласта и (или) необходимости в накачивании, когда инструмент находится в скважине.
В дополнение к проблемам, связанным с каждым из известных способов контроля, имеются проблемы, присущие технологии гидроразрыва. Во время процесса разрыва жидкость гидроразрыва обычно накачивается в пласт под высоким давлением для создания разлома, и возрастающая доля песка добавляется в эту жидкость, чтобы поддерживать открытыми образующиеся трещины. Одна проблема с существующей технологией состоит в том, что способы определения того, разломан ли пласт вне продуктивной зоны, опираются на измерения после обработки (т.е. после того, как произошло образование разрыва). В таких системах осуществляется обработка гидроразрывом, эта обработка прекращается, тестируется скважина и анализируются данные. Кроме того, в существующих системах обнаружения ожидание данных после разрыва пласта может занимать значительное время, даже до нескольких дней, что может задерживать операции завершения, приводя к более высоким расходам по завершению и работе.
Другая проблема, связанная с существующими «после-каротажными» или измерительными устройствами, состоит в том, что расходы, связанные с прерыванием работы по трещинообразованию для того, чтобы провести измерение трещин, непрактичны и нецелесообразны. Из-за того, что в процессе гидроразрыва жидкость для гидроразрыва накачивается в пласт под высоким давлением, временная остановка накачивания во время операции гидроразрыва приведет к возникновению давления на жидкость для гидроразрыва со стороны стенок пластовых трещин. Это может приводить к таким нежелательным результатам как закрытие трещин, что вызовет реверс потока жидкости обратно в скважину или сосредоточение песка в скважине. Помимо этого после проведения измерений и завершения процесса каротажа операторы не могут вновь запустить насосное оборудование с точки, соответствующей процессу гидроразрыва непосредственно перед прерыванием. Вместо этого операторам придется повторить всю работу по гидроразрыву с дополнительными расходами и с нежелательными результатами.
Система контроля трещин, которая не требует прерывания работы по гидроразрыву, могла бы решить вышеописанные проблемы и позволить скважинным операторам контролировать процесс гидроразрыва, управлять размерами трещин и эффективно подавать более высокие концентрации расклинивающих агентов в желаемое место в пласте. Помимо того, если имеется информация, что трещина готова выйти за желаемую зону, операторы могут немедленно прекратить работу по гидроразрыву. Анализ непрерывной процедуры обработки даст возможность оператору определить, когда нужно закачивать более высокие концентрации расклинивающего агента в зависимости от таких факторов как близость контактов нефти и воды в вертикальном или боковом направлениях по отношению к скважине, наличие или отсутствие водоносных пластов и горизонтальные изменения физических свойств породы-резервуара.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение решает существующие проблемы техники за счет обеспечения способа для анализа результатов процесса дробления путем сбора и анализа данных скважинного каротажа, причем способ содержит этапы, на которых: размещают в трещинах пласта расклинивающий агент и (или) жидкость гидроразрыва, которые содержат радиационно-чувствительный материал; облучают этот радиационно-чувствительный материал нейтронами во время единственного спуско-подъема каротажного зонда; измеряют гамма-излучение, испускаемое из радиационно-чувствительного материала; и обрабатывают данные измеренного гамма-излучения в соответствии с математической моделью на основе метода Монте-Карло для получения оцененной геометрии трещин (к примеру, высоты трещины и (или) ширины расклиненной трещины возле ствола скважины).
В соответствии с вариантом осуществления предлагается способ моделирования геометрических параметров заполненных расклинивающим агентом трещин в подземном пласте, обнаруженных по собранным данным гамма-излучения, стимулированного источником нейтронов, включающий в себя этапы, на которых: получают данные переноса нейтронов путем применения параметров источника нейтронов и параметров подземного пласта к моделированию по методу Монте-Карло; получают профильные данные нарастания-спада гамма-излучения путем интегрирования упомянутых данных переноса нейтронов; генерируют модель транспортного/спектрометрического отклика на гамма-излучение за счет применения моделирования по методу Монте-Карло к упомянутым профильным данным нарастания-спада гамма-излучения; и создают базу данных транспортного/спектрометрического отклика на гамма-излучение, связывающую спектры гамма-излучения с геометрическими параметрами заполненных расклинивающим агентом трещин подземного пласта. Мы также основываемся на способности генерировать путем моделирования по методу Монте-Карло данные спектрометрического отклика от других нуклидов, которые активируются при облучении. Эти данные необходимы для определения того, какой вклад из экспериментально наблюдаемого спектра сделан не меткой, и тем самым отделить от комплексного спектра ту часть, которая получена от активации метки.
В соответствии с другим объектом изобретения предложен способ определения геометрии трещин подземного пласта по излучению, испускаемому из трещин в упомянутом пласте, включающий в себя этапы, на которых: измеряют гамма-излучение, испускаемое из трещин; вычитают фоновое излучение из упомянутого измеренного гамма-излучения для получения измерения пиковой энергии; сравнивают упомянутое измерение пиковой энергии с моделью транспортного/спектрометрического отклика на гамма-излучение; и определяют геометрию трещин пласта упомянутых трещин в соответствии со значениями, связанными с упомянутой моделью отклика. Сначала измеряют все излучение. Вычитают фон от верхнего детектора, затем учитывают мешающие характеристики от других продуктов активации для определения вклада меток. Когда вклад от меток известен, он может быть связан с количеством наличного расклинивающего агента, а тем самым и с шириной трещины. Наблюдаемый спектр получается как комбинация характеристических спектров, где каждый продукт активации (в том числе - но без ограничения - метка) имеет свою собственную характеристику. Этот «характеристический» подход представляет собой то, что мы называем архивными наименьшими квадратами, и мы называем «характеристики» архивными спектрами. Архивный спектр для метки количественно проиндексирован путем применения полного моделирования NT7RBD/GRT-DR, так что результат архивных наименьших квадратов обеспечивает количественную оценку наиболее вероятной концентрации меток, которая породила бы этот наблюдаемый спектр.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает примерный вариант осуществления расклинивающего агента, содержащего твердое ядро, на которое нанесено органическое покрытие, содержащее радиационно-чувствительный материал, в соответствии с изобретением.
Фиг.2 показывает примерный инструмент скважинного каротажа для использования со способом и расклинивающим агентом по настоящему изобретению.
Фиг.3 показывает блок-схему способа для анализа измеренных данных нейтронной активации из скважинной трещины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 показывает вид в поперечном сечении трехмерного входа для модели вычисления переноса нейтронов в соответствии со способом по настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
В соответствии с настоящим изобретением способ определения геометрии трещин использует экологически чистые материалы. Эти экологически чистые материалы являются нерадиоактивными до тех пор, пока их не бомбардируют нейтронами, и они называются радиационно-чувствительными материалами. В одном варианте осуществления способ включает в себя этап, на котором определяют геометрию (т.е. показания высоты и ширины упакованных расклинивающих агентов) трещин, созданных в пласте с помощью целевых элементов, которые содержат радиационно-чувствительные материалы. Эти радиационно-чувствительные материалы имеют короткий период полураспада, который преимущественно позволяет использовать их в пласте, минимизируя в то же время любое нежелательное воздействие на окружающую среду как при транспортировке, так и при выводе расклинивающего агента из скважины во время очистки или когда скважину возвращают в режим добычи.
Радиационно-чувствительные материалы определены здесь как материалы, которые становятся радиоактивными при бомбардировке нейтронами. Радиационно-чувствительные материалы могут преимущественно находиться в жидкости для гидроразрыва либо в покрытии, нанесенном на расклинивающий агент, который находится в жидкости для гидроразрыва, или как часть ядра самого расклинивающего агента. Жидкость гидроразрыва или расклинивающий агент, которые содержат радиационно-чувствительный материал, можно использовать во время обработки путем создания гидравлического разрыва. Жидкость гидроразрыва и (или) расклинивающие агенты, которые содержат радиационно-чувствительные материалы, нагнетаются в пласт во время создания трещины. После нагнетания в пласт радиационно-чувствительные материалы облучаются нейтронами из источника нейтронов, находящегося в каротажном инструменте. Гамма-излучение, испускаемое из радиационно-чувствительных материалов, подсчитывается детекторами, находящимися в каротажном инструменте. Поскольку радиационно-чувствительные материалы имеют короткий период полураспада, эти материалы становятся радиоактивными только на короткий период времени. Местоположение гамма-излучения используется для определения дислокации радиационно-чувствительных материалов в трещине, а также используется для определения геометрических показателей заполненных расклинивающим агентом трещин, таких как высота трещины и ширина расклиненной трещины.
В общем, детектор излучения генерирует «спектр» при наличии излучения с различной энергией, т.е. пиковой, рассеянной и фоновой, а также радиационное излучение различных изотопов. Когда фотон сталкивается с детектором, его энергия преобразуется в электрический сигнал, который обрабатывается. Фотоны различных энергий будут генерировать электрические сигналы разных значений. Их суммирование даст результат в виде энергетического спектра. В общем, по меньшей мере два детектора способны не только подсчитывать число лучей, которые сталкиваются с детектором, но также определять энергетический уровень, связанный с конкретным излучением.
Как правило, применяется известная и подходящая концентрация радиационно-чувствительного материала (называемого также «метка») для облегчения вычисления ширины расклиненной трещины. Предпочтительно, метка может быть либо в покрытии, либо в массе расклинивающего агента.
Данный способ имеет преимущество в том, что фоновое излучение, полученное во время активации радиационно-чувствительного материала, может быть собрано за единственный проход каротажного зонда и его можно вычесть из излучения с пиковой энергией. Все прочие коммерчески доступные процессы обычно используют два или более спуско-подъемов, чтобы определить геометрию трещин подвергнутого гидроразрыву пласта, где первый спуско-подъем каротажного зонда, предназначенный для измерения фона, выполняется, как правило, перед началом обработки гидроразрывом, поскольку в известных способах используют радиоактивные индикаторы, которые добавляются в расклинивающий агент и жидкость гидроразрыва, когда выполняется обработка гидроразрывом, и таким образом, когда присутствует расклинивающий агент, фон больше нельзя измерить. Полученное фоновое излучение в общем случае складывается из множества вкладов от нескольких источников. Первый вклад можно, в общем, получить от залегающих природных радиоактивных элементов, таких как уран, калий и (или) торий. Со временем мелкозернистые породы могут захватывать минералы и жидкости, содержащие эти природные радиоактивные элементы. Когда радиационно-чувствительные материалы в пласте активируются нейтронами, эти природные радиоактивные материалы также будут испускать радиацию, которая получается как фоновая радиация.
Второй вклад в фоновое излучение индуцируется нейтронной радиацией, используемой в данное время для активации радиационно-чувствительных материалов. Эта радиация исходит главным образом от алюминия и кремния, присутствующих в пласте и (или) расклинивающем агенте. Фоновая радиация от железа/марганца, используемых в обсадных трубах, также может быть частью этого третьего вклада. В соответствии с одним объектом изобретения в скважине, содержащей радиационно-чувствительный материал, который подвергнут воздействию от источника нейтронов, каротаж проводится с нехарактерно медленной скоростью, такой как порядка 2 фута в минуту. Каротаж на этой медленной скорости дает время для снижения любых стимулированных нейтронами излучений от залегающих природных элементов по отношению к излучению от радиационно-чувствительной метки. Это помогает выделять энергетические пики, связанные с залегающими природными элементами, от пиков радиационно-чувствительного индикатора. Это делает анализ данных каротажа более легким, а результаты более точными.
Желательно удалять все следы фонового излучения из излучения с пиковой энергии перед вычислением геометрии трещин. В одном варианте измерения излучения с пиковой энергии, а также измерения фонового излучения выполняются в одном спуско-подъеме каротажного зонда, и измерения фонового излучения вычитаются из измерений излучения пиковой энергии в единственном спуско-подъеме. Это предпочтительно делается в помощью двух детекторов спектра в каротажном инструменте. Как поясняется ниже, верхний детектор используется для измерения природного фонового излучения, а инструмент должен опускаться как можно быстрее, чтобы предотвратить появление сильной активации на пути вниз. Это в особенности верно для радиоизотопов с длинными периодами полураспада.
Радиационно-чувствительные материалы могут размещаться в расклинивающем агенте, который вводится в трещину, чтобы способствовать открытию трещины. В одном варианте расклинивающий агент может содержать основу, на которую нанесено покрытие, содержащее радиационно-чувствительный материал. В другом варианте основа может содержать радиационно-чувствительный материал. Когда расклинивающий агент и (или) жидкость гидроразрыва содержат радиационно-чувствительный материал, говорится, что они помечены радиационно-чувствительным материалом. Термин «помечены», как используется здесь, подразумевает, что расклинивающий агент и (или) жидкость гидроразрыва содержат радиационно-чувствительные материалы. Таким образом, когда покрытие, нанесенное на основу, содержит радиационно-чувствительные материалы, говорят, что расклинивающий агент помечен радиационно-чувствительным материалом.
Фиг.1 показывает примерный вариант осуществления расклинивающего агента 10. Этот расклинивающий агент содержит основу 2, имеющую нанесенное на нее покрытие 4, которое содержит радиационно-чувствительный материал 6. Покрытие 4 может содержать органический или неорганический материал. Основа 2 может содержать органический материал и (или) неорганический материал и (или) металл. Покрытие 4 может быть неотвержденным, частично отвержденным или полностью отвержденным до использования в подземном пласте. Это отверждение может происходить внутри и (или) снаружи подземного пласта. Альтернативно, радиационно-чувствительный материал 6 может наноситься на тело расклинивающего агента без покрытия.
Покрытие 4 может опционально содержать по желанию порошковые расклинивающие агенты или волоконные расклинивающие агенты 8. Расклинивающий агент 10 содержит металлическую и (или) неорганическую основу 2, которая, в общем, содержит единственную частицу или является агломератом, содержащим множество частиц. Примерами металлов, которые можно использовать в основах, являются сплавы с памятью формы. Сплавы с памятью формы проявляют «эффект памяти формы». Этот эффект памяти формы обеспечивает обратимую трансформацию между двумя кристаллическими состояниями, т.е. мартенситное состояние в аустенитное и наоборот. Обычно, при низкой температуре, или в мартенситном состоянии сплавы с памятью формы можно пластически деформировать, а при приложении более высокой температуры будут трансформироваться в аустенитное состояние, благодаря чему возвращаются к своей первоначальной форме перед деформацией.
Подходящим примером сплава с памятью формы является никель-титановый сплав, такой как NITINOL. Желательно, чтобы сплавы с памятью формы были вспенены. В одном варианте осуществления основа, изготовленная из сплава с памятью формы, может быть твердой перед введением в трещины, но может расширяться в пену после введения в трещины, что, в общем, имеет место при более высокой температуре, чем температура над землей. Это расширение обеспечит лучшую проходимость нефти и газа из трещин.
Встречающиеся в природе органические и неорганические материалы, которые впоследствии видоизменяются, также могут использоваться в качестве основы. Подходящими примерами органических и неорганических материалов, которые видоизменены при использовании в основе, являются расслаивающиеся глины (к примеру, вспученный вермикулит), расслаивающийся графит, выдувное стекло или кремнезем, полые стеклянные сферы, вспененные стеклянные сферы, ценосферы, спеченный боксит, спеченный глинозем или тому подобное, либо комбинация, содержащая один из вышеприведенных органических и неорганических материалов. Примерные неорганические основы могут извлекаться из песка, молотых стеклянных шариков, спеченного боксита, спеченного глинозема, встречающихся в природе минеральных волокон, таких как циркон и муллит, или тому подобного, либо из комбинации, содержащей одну из встречающихся в природе неорганических основ. Полые стеклянные сферы можно коммерчески получить от Diversified Industries Ltd.
Радиационно-чувствительный материал, который включен в покрытие на основе или в основу расклинивающего агента, является чувствительным к нейтронам, так что он сразу реагирует на нейтроны, например, поглощая тепловые нейтроны, демонстрируя довольно большое атомное сечение. За счет такой чувствительности к нейтронам радиационно-чувствительный материал выдает характеристическое гамма-излучение или поглощение нейтронов, что выявляется из характеристик материалов в окружающем пласте. Эти радиационно-чувствительные материалы сначала также являются нерадиоактивными, так что с ними можно безопасно работать без опасения или риска радиоактивного облучения или загрязнения на поверхности скважины до тех пор, пока они не введены в систему, посредством которой они перемещаются в скважину. Такой материал, кроме того, возвратится к своему естественному (нерадиоактивному) состоянию за короткое время, порядка минут после активации.
Хотя радиационно-чувствительный материал изначально нерадиоактивен, изотопом этого радиационно-чувствительного материала является тот, который либо становится радиоактивным, благодаря чему созданный радиоактивный изотоп распадается и испускает гамма-излучение, обнаруживаемое подходящим детектором, либо иным образом подвергается ядерной или атомной реакции, такой как простое поглощение одного или нескольких нейтронов в большей степени, чем материалы окружающего пласта. Такая реакция может происходить в ответ на внешние нейтроны, испускаемые из ускорителя. Если исходное вещество должно реагировать путем формирования радиоактивного изотопа, этот радиоактивный изотоп предпочтительно имеет известный период полураспада от приблизительно нескольких секунд и до примерно 30 минут, так что длительного облучения ускорителем не требуется для того, чтобы происходила реакция, и существует достаточное время детектирования, когда произошло преобразование. Выгодно то, что чувствительный материал распадается в нерадиоактивное состояние вскоре после того, как выполняется каротажный процесс, что позволяет вернуть скважину в режим добычи без опасения получить радиоактивный материал.
В одном варианте осуществления радиационно-чувствительные материалы имеют период полураспада от примерно 5 секунд до примерно 20-30 минут. В другом варианте осуществления радиационно-чувствительные материалы имеют период полураспада от примерно 10 секунд до примерно 50 минут. В еще одном варианте осуществления радиационно-чувствительные материалы имеют период полураспада от примерно 12 секунд примерно 7 минут. Примерный период полураспада для радиационно-чувствительного материала составляет менее или равный примерно 5 минут. Ванадий имеет период полураспада 3,8 минут, тогда как индий имеет период полураспада 14,1 секунд. В общем, желательно, чтобы период измеряемой радиации был такой длительности, чтобы материал более не испускал излучения, когда из скважины начинают добывать углеводороды. В общем, желательно, чтобы радиационно-чувствительный материал прекратил испускать заметное излучение перед тем, как скважина возвращается к добыче. Благоприятно также, что после того, как период полураспада радиационно-чувствительного материала истек, скважину можно снова подвергнуть каротажу столько раз, сколько желательно, путем повторного облучения радиационно-чувствительного материала.
Для измерения гамма-излучения, полученного от радиационно-чувствительного материала после его бомбардировки нейтронами, можно использовать подходящий спектральный гамма-лучевой каротажный инструмент. По меньшей мере часть этого инструмента, к примеру, по меньшей мере, гамма-лучевой детектор, помещается в скважину, чтобы обеспечить желательный каротаж. Инструмент может быть таким, чтобы генерировать желательные соотношения вниз по скважине, либо спектры гамма-излучения могут передаваться на поверхность и соотношения определяются из спектральных данных. Можно использовать либо детектор с низким разрешением, к примеру Nal(Tl) или эквивалентный (такой как кристалл BGO), либо детектор с высоким разрешением, к примеру германий с собственной проводимостью, Ge(Li) или эквивалентный. Nal имеет некоторые преимущества, которых нет у BGO при практическом применении. Они включают в себя его температурную зависимость для достижения стабильности и его несколько лучшее разрешение, коль скоро необходим количественный анализ. За счет использования подхода архивных наименьших квадратов (LLS), только качественный анализ требует детекторы с хорошим разрешением, чтобы можно было идентифицировать пики. Количественный анализ за счет использования всего спектра с подходом LLS практически независим от разрешения, поскольку точность этого подхода зависит лишь от «общей формы» архивных спектров, а не от остроты пиков. Весьма важно, чтобы детектор был стабильным (по отношению ко времени и температуре), дабы собранные подсчеты были связаны с должным уровнем энергии. При детекторе BGO это означает помещение кристалла в температурную колбу, которая конкретно спроектирована для поддержания температуры кристалла в оптимальном диапазоне показателей в процессе всей каротажной операции. Данные каротажа могут генерироваться либо при непрерывном режиме перемещения инструмента, либо при стационарном режиме, в котором инструмент останавливается в выбранных местоположениях в обсадной трубе.
Пример подходящего каротажного инструмента показан на Фиг.2. Этот инструмент включает в себя верхний спектральный гамма-лучевой детектор 21, источник 22 нейтронов и нижний спектральный гамма-лучевой детектор 23. Если желательно, можно использовать коллиматор на детекторе. В одном варианте осуществления используется вращающийся коллиматор для измерения ориентации трещин. Такие коллиматоры способствуют увеличению чувствительности измерения, поскольку такие устройства снижают число гамма-лучей, попадающих в детектор из местоположений выше или ниже буровой скважины, т.е. гамма-лучей от расклинивающего агента, который находится за обсадной колонной, но выше или ниже текущего местоположения детектора. В одном варианте осуществления можно использовать детектор без коллиматора.
В одном способе определения высоты трещин меченые расклинивающие агенты и (или) меченая жидкость гидроразрыва вводятся в пласт. Меченые расклинивающие агенты и (или) меченая жидкость гидроразрыва содержит в общем индий и (или) ванадий, однако и другие метки также могут быть пригодны. Меченые расклинивающие агенты и (или) меченую жидкость гидроразрыва затем бомбардируют нейтронами из источника 22 нейтронов во время спуско-подъема каротажного зонда. Спуско-подъем каротажного зонда представляет собой такой проход, в котором каротажный инструмент вводится в скважину и в котором инициируется нейтронная бомбардировка трещин пласта. Затем выполняется гамма-лучевая спектроскопия над облученным радиационно-чувствительным материалом, таким как индий и ванадий, чтобы получить скорости счета гамма-излучения как выше, так и ниже пиковых энергий (называемых также внепиковыми энергиями), поступающего от ванадия и (или) индия. Скорости счета гамма-излучения измеряются также на пиковых энергиях для индия и (или) ванадия. При работе верхний детектор используется для измерения фонового излучения в скважине перед активацией радиационно-чувствительного материала. Полный спектр (все испускания энергии) измеряется как до, так и после воздействия источника нейтронов. Затем два измеренных спектра накладываются один на другой пиками, которые не идентифицированы как нулевые в процессе вычитания. После этого идентифицируются излучения метящих элементов с характеристическими уровнями энергии.
В соответствии с настоящим изобретением анализ данных гамма-излучения, собранных каротажным инструментом, выполняется путем приложения собранных данных к системе математической модели. Как показано на Фиг.3, модельная система основана на трех главных составляющих: модель переноса нейтронов, модель радионуклидного нарастания-спада и модель транспортного-спектрометрического отклика на гамма-излучение.
Назначение модели состоит в том, чтобы получить скорости реакции нейтронов как функцию от положения реагирующего материала по отношению к положению источника нейтронов. Скорости реакции, которые получаются, представляют собой те реакции, где получаются желательные нуклиды, испускающие гамма-излучение, - иными словами, скорости получения для любых радионуклидов, испускающих гамма-излучение, в которых был бы заинтересован аналитик.
Модель переноса нейтронов является важной и потенциально сложной составляющей модельной системы. Вследствие природы переноса нейтронов к проблеме переноса нейтронов предпочтителен подход по методу Монте-Карло, и в одном варианте осуществления изобретения для моделирования поведения переноса нейтронов используется весьма гибкий и широко известный код переноса N-частиц по методу Монте-Карло, версия 5 (MCNP5). Геометрия и состав каротажного инструмента моделируются вблизи источника нейтронов в трех измерениях, и в моделирование также вводят атомный состав буровой скважины и окружающего пласта. Симметричная трещина определяется как идеализированная пластина, содержащая атомный состав, отличный от окружающего пласта.
Фиг.4 иллюстрирует вид в поперечном сечении трехмерного геометрического входа в модель переноса нейтронов. Как показано, этот вход включает в себя параметр внутреннего помещения инструмента, параметр корпуса инструмента, параметр скважинной жидкости, параметр обсадной трубы скважины, параметр трещины и параметр окружающей пласт области.
Данный подход позволяет использовать непрерывные данные поперечного сечения энергии. Это позволяет избежать многих проблем, которые встречаются при применении диффузионных или дискретных кодов переноса нейтронов по методу ординат (или некоторому методу Монте-Карло), таких как необходимость определять групповую структуру энергии. Результат использования многогруппового подхода состоит зачастую в неспособности количественно определить достоверность или надежность в полученных результатах, т.к. поперечные сечения для большинства нейтронных реакций (скорости которых мы хотим получить) в высокой степени зависят от энергии нейтрона. В соответствии с подходом непрерывного поперечного сечения энергии мы просто применяем значение соответствующих поперечных сечений в качестве текущей энергии нейтронов по методу Монте-Карло, когда бы он не проходил через интересующую нас область. Путем дискретизации большого числа нейтронных следов мы получаем оценку совокупного поведения нейтронов. Особое внимание уделяется получению V-52 (если в качестве радиационно-чувствительного материала используется ванадий), и какой угодно иной изотоп считается уместным. Затем получают оценки скоростей соответствующих реакций в конечных объемах с индексированными положениями. Они по существу представляют собой скорости получения нейтронов как функция от положения относительно источника, который будет использоваться в составляющей модели радионуклидного нарастания и спада. Для понимания подробностей модели радионуклидного нарастания и спада важно отметить, что в этом случае все конечные объемы установлены на 1 см в вертикальном направлении. Модель переноса нейтронов является ключевой для нахождения количественного соотношения между концентрацией меток и шириной трещины. Важно также определить пространственные распределения других продуктов активации, чтобы мы могли получить хорошие характеристики для вычисления LLS. Отметим, что архивные спектры изменяют форму - особенно на низких энергиях - когда они пространственно распределены различными путями.
Основное предположение модели переноса нейтронов состоит в том, что установившийся поток нейтронов просто следует вдоль за движением источника вверх к поверхности, и более сложная временная регулировка не нужна. Это предположение можно сделать, потому что зависящие от времени эффекты плотности нейтронов не будут важны, если желательная скорость каротажа не превышает 250 см/сек, что в большинстве случаев не имеет места, т.к. скорости, которые быстрее, не будут пригодны из-за недостаточного воздействия нейтронами на радиационно-чувствительный расклинивающий агент.
Коэффициенты потерь для радионуклидов являются произведением постоянной распада и мгновенной плотности; именно этот закон приводит к знакомым характеристикам экспоненциального спада. Модель радионуклидного нарастания и спада использует неявный или обратный способ Эйлера для численного интегрирования переменной в проблеме активации источника нейтронов. Пусть элемент конечного объема индексируется радиальным и осевым индексами / и j. Концентрация C(t) заданного нуклида в объемном элементе i,j получается численным интегрированием переменной в уравнении активации источника нейтронов:
i,j
{Nσϕ)(t) представляет скорость образования в объемном элементе i,j с учетом концентрации целевого нуклида, зависящего от энергии оперечного сечения нейтронов и зависящего от энергии потока нейтронов. Скорость получения выделяется из результатов модели переноса нейтронов. λ представляет постоянную распада радионуклида, концентрация которого равна С.
По мере прохождения источника мимо объемного элемента i,j скорость образования меняется. Таким образом, значение С получается для момента, когда источник нейтронов удален настолько далеко, что образование больше незначительно. В нашей первой итерации это расстояние было принято в 20 см. Так что вышеприведенное уравнение численно интегрируется за 40 секунд воздействия на переменный источник нейтронов. Эти 40 секунд покрывают 20 см выше и 20 см ниже источника при скорости каротажа 1 см/с.Время воздействия равно расстоянию, поделенному на скорость каротажа (переменная «vel»). Неявный метод Эйлера можно применить, например, с помощью следующих строк в коде ФОРТРАН:
DO i-0,13
DO k=19,0,-1
ic0(i)=ic0(i)+n_sig_phi(i,k)/vel-lam*ic0(i)/vel
ENDDO
DOk=0,19,1
ic0(i)=ic0(i)+n_sig_phi(i,k)/vel-lam*ic0(i)/vel
ENDDO
ENDDO
Переменная «ic0» представляет собой концентрацию в момент, когда скорость образования более не считается важной. Она является функцией только радиального расстояния, поскольку все осевые индексы на одном и том же радиальном расстоянии будут иметь одну и ту же мгновенную концентрацию в этот момент, но момент, в который каждый осевой индекс достигает этой концентрации, не происходит в одно и то же время. Переменные «n_sig_phi» и «laт» представляют скорости образования и постоянные распада, соответственно. Чтобы получить концентрации, окружающие спектрометр, можно использовать следующие строки кода ФОРТРАН:
DO k=0,39
decfac(k)=exp(-lam*(sd/vel+20.-REAL(k)/vel))
DO i=0,13
c(i,k)=ic0(i)*decfac(k)
IF(k<=19) THEN
WRITE(*,*)"x=", xyz(l,i), "z=", xyz(3,k)-sd, "c=", c(i,k), "dec=", decfac(k)
ELSE
WRITE(*,*)x="xyz(l,i), "z=", xyz(3,k-20)+20-sd, "c=", c(i,k), "dec=decfac(k)
ENDIF
ENDDO
ENDDO
Где переменная с представляет концентрацию как функцию положения, но индексы положения теперь относятся к положению относительно положения спектрометра, а не положения источника. Это вычисление очень похоже на неявный метод Эйлера, использованный для получения ic0, но с нулевой скоростью образования. Переменная sd является разнесением источник-детектор, принятым сначала за 526,8 см.
Концентрации радионуклидов, которые присутствуют, когда нижний спектрометр каротажного инструмента достигает заданного положения, получаются затем (численным) интегрированием мгновенных скоростей образования и скоростей потери по мере того, как источник нейтронов перемещается мимо этого заданного положения. Концентрации радионуклидов, окружающих детектор, преобразуются в выражение источника гамма-лучей, использующего базовые ядерные данные для испускания гамма-лучей. Выражение источник гамма-лучей используется в вычислении переноса фотонов, чтобы определить отклик спектрометра. Чего мы достигаем всеми этими преобразованиями и вычислениями, представляет собой оценку отклика нижнего детектора для предполагаемой среды буровой скважины.
Здесь опять-таки используется MCNP5 для решения проблемы переноса излучения, только теперь с помощью источника гамма-лучей, выделенного из зависимых от положения концентраций, вычисленных в модуле радионуклидного нарастания и спада, вместо источника нейтронов. Распределение энергии подсчитывается в спектрометре для каждой моделируемой истории, чтобы получить оценку совокупного поведения, которое определяет наблюдаемый спектр. Однако вычисление по методу Монте-Карло не учитывает многие присущие спектрометру несовершенства. Чтобы получить менее идеализированный и более реалистический спектр, может быть также необходимо применить модель отклика для спектрометра, в частности для расширения спектра, чтобы получить реалистически широкие пики, которые точно моделируют поведение, наблюдавшееся в физическом спектрометре.
Конечный результат модельной системы предоставляет ожидаемый спектр для данной окружающей буровую скважину среды и размера трещин. Путем сравнения наблюдавшегося спектра с базой данных ожидаемых предсказанных вычисленных спектров для условий, аналогичных условиям трещин при измерении, можно получить точную оценку геометрии трещин.
Хотя изобретение описано со ссылкой на примерные варианты осуществления, специалистам понятно, что можно делать различные изменения, и эквиваленты могут заменяться для их элементов без отхода от объема изобретения. Помимо этого можно делать много модификаций для приспособления конкретных ситуаций или материала к предмету изобретения без отхода от его существенного объема. Поэтому подразумевается, что изобретение не ограничено конкретным вариантом осуществления, раскрытым как наилучший режим, намеченный для осуществления данного изобретения, но что изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, попадающие в объем приложенной формулы изобретения.