МАЛОГАБАРИТНЫЙ МУЛЬТИМЕТОДНЫЙ МНОГОЗОНДОВЫЙ ПРИБОР ИМПУЛЬСНОГО НЕЙТРОННОГО КАРОТАЖА НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН
SMALL MULTI-METHOD MULTI-PROBE DEVICE FOR PULSE NEUTRON LOGGING OF OIL AND GAS WELLS

Изобретение относится к области ядерно-геофизических методов исследований нефтегазовых скважин, включая исследования через насосно-компрессорные трубы (НКТ), малогабаритным прибором с диаметром не более 48 мм, обеспечивающим проведение мультиметодного многозондового импульсного нейтронного каротажа (ММНК-И) в широком диапазоне вариаций геолого-технических условий, и предназначено для решения расширенного круга задач на всех этапах жизни нефтегазовых скважин.
Известны устройства, в которых применяется импульсный генератор нейтронов (Амурский А.Г., Боголюбов Е.П., Кошелев А.П. и др. Сравнение характеристик скважинных приборов нейтронного каротажа на основе генераторов нейтронов разной энергии // НТВ «Каротажник», №291, 2018 г.).
Известные устройства реализуют метод исследований, основанный на изучении пространственно-временного распределения потоков тепловых нейтронов или гамма излучения радиационного захвата тепловых нейтронов (ГИРЗ) после облучения породы потоком быстрых нейтронов. Определение элементного химического состава горных пород производится по анализу спектрального распределения ГИРЗ.
Недостатком известных устройств является частичная реализация аналитических возможностей импульсных нейтронных методов для оценки пористости и насыщения коллекторов горных пород на основе методов 2ИННК-Т (двухзондовый импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам) или 2ИНГК (двухзондовый импульсный нейтронный гамма каротаж) и определения элементного химического состава горных пород по ИНГК-С (спектрометрический импульсный нейтронный гамма-каротаж), в результате которого осуществляется анализ спектрального распределения ГИРЗ. Другим недостатком является незащищенность нейтронного генератора и ФЭУ (фотоэлектронный умножитель) от влияния намагниченности обсадных колон и НКТ, приводящая к искажению истинных результатов измерений, связанных с изучением горных пород и насыщающих ее флюидов.
Известны приборы аналогичного назначения (Перелыгин В.Т., Машкин К.А., Коротченко А.Г., и др. Опыт развития и применения комплекса методов импульсного спектрометрического нейтронного каротажа в различных геолого-технических условиях //НТВ «Каротажник», №264, 2016 г.), которым присущи выше приведенные недостатки.
Известна аппаратура двухзондового импульсного нейтронного каротажа АИНК-43-600 (Амурский А.Г., Бармаков Ю.Н., Боголюбов Е.П и др. Повышение информативности импульсного нейтрон-нейтронного каротажа при измерении пористости горных пород // НТВ «Каротажник», №302, 2019 г.), с помощью которой реализуется метод 2ИННК-Т, основанный на регистрации зондами временного спектра потока тепловых нейтронов с задержкой 200-300 мкс после окончания импульса облучения породы потоком быстрых нейтронов, и метод 2ИННК-НТ (двухзондовый импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам), основанный на регистрации зондами потоков надтепловых нейтронов во временном окне 208 мкс, равном длительности времени облучения импульсным потоком нейтронов.
Недостатком аппаратуры является неполная реализация аналитических возможностей импульсных нейтронных методов. Другим недостатком является не защищенность нейтронного генератора и ФЭУ от влияния намагниченности обсадных колон и НКТ, приводящего к искажению истинных результатов измерений, связанных с изучением горных пород и насыщающих ее флюидов.
Известна комплексная спектрометрическая аппаратура нейтронного каротажа по пат. РФ №2672783, приор. 28.12.217, опубл. 19.11.2018.
Известная аппаратура содержит установленные в охранном кожухе по его оси общий источник нейтронов, два детектора гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов спектрометрического нейтронного гамма-каротажа НГК-С, два детектора тепловых нейтронов, формирующие малый и большой зонды нейтрон-нейтронного каротажа по тепловым нейтронам (ННК-Т), и дополнительно содержит два детектора надтепловых нейтронов, формирующие малый и большой зонды нейтрон-нейтронного каротажа по надтепловым нейтронам (ННК-НТ), детекторы НГК-С разделены между собой свинцовым экраном и помещены в общий экран-конвертор из кадмия, а детекторы зондов ННК-НТ помещены в кадмиевые экраны и отделены от детекторов зондов ННК-Т экранами из полиамида, и зазоры между экранами пропитаны высокотемпературным силиконовым герметиком, при этом все зонды НГК-С, ННК-Т и ННК-НТ расположены по одну сторону от источника нейтронов.
Недостатками известного прибора являются усложненная конструкция зондового устройства и незащищенность нейтронного генератора и ФЭУ от влияния намагниченности обсадных колон и НКТ, приводящая к искажению истинных результатов измерений, связанных с изучением горных пород.
Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является расширение круга решаемых задач на всех этапах жизни нефтегазовых скважин на основе использования практически всех основных видов взаимодействия нейтронов с породой и насыщающих их флюидов при облучении их потоками нейтронов от управляемого генератора нейтронов, работающего как в импульсном, так и в стационарном режимах, с возможностью переключения режимов через интерфейс программы и регистрации данных измерений, связанных с процессами замедления нейтронов, поглощения тепловых нейтронов, гамма-активностью химических элементов при поглощении тепловых нейтронов.
За счет применения дополнительных защитных экранов обеспечивается снятие влияния намагниченности обсадных колон и НКТ на результаты измерений, связанных с изучением горных пород, что повышает достоверность исследований.
Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритном мультиметодном многозондовом приборе импульсного нейтронного каротажа нефтегазовых скважин, содержащим установленные в охранном корпусе по его оси общий источник нейтронов, детектор гамма-излучения радиационного захвата нейтронов спектрометрического нейтронного гамма-каротажа (НГК-С), детекторы нейтронов, формирующие малый (МЗ) и большой (БЗ) зонды нейтрон-нейтронного каротажа (ННК), при этом зонды НГК-С и ННК расположены по одну сторону от источника нейтронов, в отличие от известного, 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 НГК-С размещен между БЗ и МЗ зондами нейтрон-нейтронного каротажа и защищен от прямого нейтронного и нейтронного гамма излучения со стороны генератора нейтронов и ствола скважины комбинированным экраном, состоящим из чередующихся полиамидных и свинцовых пластин, расположенных по длине экрана, нейтронная трубка генератора нейтронов и фотоэлектронный умножитель зонда НГК-С помещены в экраны из магнитомягкого железа для исключения влияния намагниченности эксплуатационной колоны или НКТ на показания нейтронных методов, кроме того, МЗ ННК защищен со стороны источника генератора нейтронов и ствола скважины полиамидным экраном, а охранный корпус выполнен из борсодержащего материала.
Малый зонд МЗ ННК выполнен в виде кассеты длиной 30-35 см, внутри которой размещены три высокоэффективных счетчика медленных нейтронов Гелий-Т-13/180-6,3/Л с высоким временным разрешением («эффективное мертвое время менее 1 мкс). Большой зонд БЗ ННК с длиной 75-80 см содержит счетчик медленных нейтронов типа СНМ-18. В качестве сцинтиллятора в зонде НГК-С (длиной 55-60 см) используют кристалл бромид лантана (LаВr3) с высокой разрешающей способностью менее 3%.
Корпус прибора может быть выполнен из магнитомягкого материала, а сцинтилляционный детектор ИНГК-С помещен в экран из борсодержащего материала.
В качестве источника нейтронов может быть использован химический источник нейтронов.
Прибор выполнен с диаметром не более 48 мм.
На прилагаемой фигуре представлено схематичное расположение зондов в малогабаритном приборе мультиметодного многозондового импульсного нейтрон-нейтронного каротажа, при этом зонды ННК обозначены как зонды-МЗ ИННК и БЗ ИННК, работающие в импульсном режиме генератора нейтронов, а зонд НГК-С (спектрометрического нейтронного гамма каротажа) - как ИНГК-С (зонд спектрометрического импульсного нейтронного гамма каротажа). Такой вариант обозначения принят ввиду того, что основное и наиболее информативное измерение происходит при работе генератора нейтронов в импульсном режиме.
В корпусе 1, выполненном из материала, содержащего бор, размещены: управляемый импульсный генератор нейтронов 2 в нейтронной трубке 3, по одну сторону от которого расположены детекторы нейтронов, формирующие малый зонд (МЗ ИННК) 4 и большой зонд (БЗ ИННК) 5, при этом МЗ ИННК 4 защищен со стороны мишени генератора нейтронов 2 и от ствола скважины (на фиг. не показано) полиамидным экраном 6. Спектрометрический детектор зонда ИНГК-С 7 длиной 55-60 см помещен между детекторами 4 МЗ и 5 БЗ зондов ИННК и защищен от прямого нейтронного и нейтронного гамма излучения со стороны генератора нейтронов 2 и ствола скважины комбинированным экраном 8, состоящим из чередующихся полиамидных 9 и свинцовых пластин 10 в равных соотношениях по длине экрана 8.
Нейтронная трубка 3 генератора нейтронов 2 и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 11 зонда ИНГК-С 7 помещены в экраны из магнитомягкого железа 12 и 13, соответственно, для исключения влияния намагниченности эксплуатационной колоны (ОК) или НКТ (на фиг. не показаны, ввиду их общеизвестности) в скважине на показания нейтронных методов.
Малый зонд МЗ ННК 4 выполнен в виде кассеты длиной 30-35 см, внутри которой размещены три высокоэффективных счетчика медленных нейтронов Гелий-Т-13/180-6,3/Л с высоким временным разрешением («эффективное мертвое время менее 1 мкс). Большой зонд БЗ ННК 5 с длиной 75-80 см содержит счетчик медленных нейтронов типа СНМ-18. В качестве сцинтиллятора в зонде СНГК 7 (длиной 55-60 см) используют кристалл бромид лантана (LаВr3) с высокой разрешающей способностью менее 3%.
В корпусе 1 также располагают электронный блок 14 для регистрации и передачи данных на поверхность по кабелю 15 на компьютер 16.
Во время работы прибора происходит преобразование световых вспышек детекторов 3, 4 и 7 в пропорциональные энергии гамма-квантов амплитуды импульсов тока посредством фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и преобразование потока нейтронов в амплитуды импульсов тока посредством счетчика нейтронов. Далее осуществляются усиление и оцифровка по амплитуде импульсов, выходящих с ФЭУ и оцифровка импульсов со счетчиков нейтронов и передача накопленной информации по каротажному кабелю 15 на регистратор и далее на компьютер 16 каротажной станции.
Экраны 6, 8 обеспечивают для детекторов 3, 4 и снижение влияния мешающих геолого-технических факторов, осложняющих связь между регистрируемыми показаниями нейтронных методов и геологическими параметрами насыщения, что значительно повышает достоверность исследований.
Нейтронная трубка генератора нейтронов 2 и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) зонда ИНГК-С 7 помещены в экраны из магнитомягкого железа 11 и 12, соответственно, для исключения влияния намагниченности эксплуатационной колоны или НКТ (на фиг. не показаны, ввиду общеизвестности) в скважине 5 на показания нейтронных методов.
Для исключения активации сцинтилляционного детектора ИНГК-С 7 тепловыми нейтронами и формирования фотопика бора с энергией 478 кэВ, и установки масштаба энергетической шкалы спектрометра ГИРЗ, корпус прибора выполнен из борсодержащего материала.
Возможен вариант, когда корпус прибора 1 выполнен из магнитомягкого железа, а сцинтилляционный детектор ИНГК-С 7 помещен в экран 12 из борсодержащего материала.
Во время подъема аппаратуры проводится облучение быстрыми нейтронами околоскважинного пространства от управляемого генератора нейтронов 2, при этом в импульсном режиме работы генератора реализуется комплекс мультиметодного многозондового нейтронного каротажа (ММНКи), включающего в себя следующие методы:
2ИННК - двухзондовый импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам,
2ИННК-НТ - двухзондовый импульсный нейтрон-нейтронный каротаж по надтепловым нейтронам,
ИНГК - импульсный нейтронный гамма-каротаж,
ИНГК-С - спектрометрический импульсный нейтронный гамма-каротаж.
В стационарном режиме работы генератора реализуется комплекс мультиметоднго многозондового нейтронного каротажа (ММНКс), включающего в себя следующие методы:
2ННК-Т - двухзондовый стационарный нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам,
НГК - стационарный нейтронный гамма-каротаж,
НГК-С - спектрометрический стационарный нейтронный гамма-каротаж.
Реализация нейтронных методов, входящим в состав комплексов ММНКи и ММНКс, 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 3 и 4, и потока гамма излучения радиационного захвата (ГИРЗ) с регистрацией его спектрального распределения по энергии гамма квантов детектором зонда спектрометрического нейтронного гамма каротажа (ИНГК-С) 7.
В импульсном режиме работы генератора 2 по результатам обработки кривых временного спада потоков нейтронов на МЗ 3 и БЗ 4 по малым временам задержки после окончания облучения породы потоком нейтронов во временном окне 200-300 мкс определяют интенсивности потоков надтепловых нейтронов БЗ ИННК-НТ и МЗ ИННК-НТ (2ИННК-НТ) с компенсацией просчета импульсов за счет перегрузки измерительного канала.
На временных задержках более 200-300 мкс по результатам обработки показаний МЗ 3 и БЗ 4 определяют интенсивности потоков тепловых нейтронов БЗ ИННК-Т и МЗ ИННК-Т (2ИННК-Т), а по спаду интенсивностей потоков нейтронов во времени определяют время жизни тепловых нейтронов или декремент затухания.
В качестве источника нейтронов 2 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, поэтому аппаратура может работать как в импульсном так и в стационарном (с постоянным выходом нейтронов) режимах нейтронного генератора, что значительно расширяет аналитические возможности аппаратуры по вычислению геологических характеристик разрезов в нефтегазовых скважинах, в первую очередь пористости коллекторов и их характера насыщения.
С точки зрения решения геологических задач, результат применения технологий с использованием генератора нейтронов или химических нейтронных источников примерно одинаковый, благодаря этому возникает возможность объединения этих технологий на базе одного прибора.
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 на скопления углеводородных флюидов целесообразно проводить исследования с генератором, работающим в стационарном режиме.
Замена вставок, содержащих химический источник, на трубку генератора нейтронов, позволяет проводить нейтронный каротаж в сложных горно-геологических условиях (горизонтальные скважины), когда высока вероятность прихвата прибора или возникают проблемы с доставкой химического источника нейтронов на скважину, повышая тем самым безопасность проведения работ.