СПОСОБ ОЦЕНКИ НАСЫЩЕНИЯ КОЛЛЕКТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕНЕРАТОРА НЕЙТРОНОВ И СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF ASSESSMENT OF RESERVOIR BED SATURATION WITH IMPLEMENTATION OF NEUTRON GENERATOR AND SPECTROMETRIC REGISTRATION OF GAMMA RADIATION

Изобретение относится к каротажу нефтегазовых скважин радиоактивными методами, в частности к каротажу скважин с использованием генератора нейтронов и спектрометрической регистрации гамма-излучения, вызванного взаимодействием нейтронов с горной породой (раздельно гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) и гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ)), и может быть использовано при оценке насыщения нефтегазового коллектора путем выделения в указанных спектрах сигналов, пропорциональных содержанию углерода, кислорода, кремния и кальция и формирования из них синтетических трехкомпонентных сигналов для каждого из зондов прибора, по совокупности которых оценивают насыщение коллектора, в частности, нефтенасыщенность коллектора нефти.
Известны способы оценки нефтенасыщенности коллектора в открытом стволе (необсаженной скважине), например, боковой или индукционный электрокаротаж. Задача оценки переменной нефтенасыщенности за колонной (в обсаженной скважине) в процессе эксплуатации коллектора является значительно более трудной. Для ее решения электрическими методами используют, например, специальные стеклопластиковые колонны, прозрачные для электромагнитного излучения, или специальные высокоточные стационарные электрические измерения через стальную колонну. Оба решения являются весьма затратными.
Известны ядерные методы решения задачи оценки нефтенасыщенности коллектора за обсадной колонной, свободные от указанных выше недостатков, поскольку могут осуществляться непрерывно.
Известен, в частности (US, патент 4937446), способ каротажа скважин с использованием генератора нейтронов и спектрометрической регистрации гамма-излучения, вызванного взаимодействием нейтронов с горной породой (раздельно гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) и гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ)). Согласно известному способу регистрируют спектры ГИНР на ближнем и дальнем детекторах, выделяют в этих спектрах отношения сигналов от углерода и кислорода (С/О отношение) и по совокупности этих величин судят о насыщении коллектора.
Известен также (US, патент №5045693) способ каротажа скважин с использованием генератора нейтронов и спектрометрической регистрации гамма-излучения, вызванного взаимодействием нейтронов с горной породой (раздельно гамма-излучения неупругого рассеяния (ГИНР) и гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ)). Согласно известному способу также регистрируют спектры ГИНР на ближнем и дальнем детекторах и выделяют в этих спектрах отношения сигналов от углерода и кислорода (С/О-отношение). Затем по совокупности этих величин судят о насыщении коллектора, используя функциональные соотношения, описывающие влияние различных мешающих факторов.
Недостатком этих способов является низкая помехоустойчивость. Это обусловлено небольшим динамическим диапазоном полезного сигнала: относительный диапазон изменения сигнала С/О равен 8-10% при изменении нефтенасыщенности от 0 до 100%. Другими словами, полезный сигнал С/О составляет небольшую долю излучения, регистрируемого спектрометром. Основную часть сигнала составляют всевозможные помехи. Источники помех для этого способа достаточно разнообразны (переменная пористость, плотность, карбонатность, глинистость, параметры обсадки) и генерируемые ими сигналы намного превышают величину полезного сигнала, достигая 60-80%. Использование накопления полезного сигнала (проведение повторных каротажных измерений) не устраняет этого недостатка, поскольку повторные измерения добавляют свои собственные погрешности.
Использование двухзондовой регистрации С/О-отношения частично увеличивает помехоустойчивость путем исключения углерода из ближней зоны (скважины). Однако полностью устранить влияние помех не удается.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного технического решения, состоит в разработке нового способа оценки насыщенности коллектора с использованием перевода визуализации, регистрации и представления сигнала из плоскости (двумерное пространство 2Д) в трех- и более мерное пространство (3Д).
Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в повышении точности и надежности оценки насыщенности коллектора.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ оценки насыщения горных пород, пересеченных скважиной, с использованием генератора нейтронов и спектрометрической регистрации вызванного гамма-излучения, включающий облучение горной породы импульсами быстрых нейтронов от скважинного нейтронного генератора, раздельную регистрацию гамма-излучения неупругого рассеяния и гамма-излучения радиационного захвата спектрометрическими (ближним и дальним детекторами) детекторами, расположенными в скважинном приборе, регистрацию сигналов, пропорциональных концентрации углерода С и кислорода О в горной породе путем использования в спектре гамма-излучения неупругого рассеяния спектральных окон 3-4.6 МэВ и 4.9-6.6МэВ около характеристических линий 4.43 МэВ и 6.1 МэВ, формирование сигнала, равного отношению сигналов от С и О, образование сигналов, пропорциональных концентрации кальция Са и кремния Si в горной породе путем использования в спектре гамма-излучения неупругого рассеяния спектральных окон 2.5-3.3 МэВ и 1.5-1.9 МэВ около характеристических линий 2.8 МэВ и 1.78 МэВ, с последующим формированием сигнала отношения Si/Ca или SiCa, образование сигналов, пропорциональных концентрации кальция Са и кремния Si в породе, путем использования в спектре гамма-излучения радиационного захвата спектральных окон 4.9-6.6 МэВ и 3.2-4.6 МэВ, содержащих характеристические захватные линии Са и Si, с последующим формированием сигнала отношения Si/Ca или SiCa гамма-излучения радиационного захвата, формирование для каждого из используемых детекторов скважинного прибора синтетического трехкомпонентного сигнала, компоненты которого представляют собой спектральные отношения СО гамма-излучения неупругого рассеяния, SiCa гамма-излучения неупругого рассеяния, SiCa гамма-излучения радиационного захвата, сравнение сформированного скважинного синтетического трехкомпонентного сигнала с эталонными трехкомпонентными сигналами, полученными предварительно аналогичным прибором в водо- и нефтенасыщенных моделях, в эталонных метрологических скважинах или расчетами методом Монте-Карло для аналогичных условий, и определение по результатам этого сравнения коэффициентов нефтеводонасыщенности коллектора, пересеченного скважиной. Для повышения надежности оценки предпочтительно дополнительно образуют суммарный синтетический трехкомпонентный сигнал СТС_МЗ(СО_ГИНР, SiCa_SiCa_ГИРЗ)+СТС_БЗ(SiCa_ГИНР, SiCa_ГИНР, SiCa_ГИРЗ) от всех детекторов скважинного прибора, сравнивают его с суммарным эталонным трехкомпонентным сигналом и по нему определяют насыщение коллектора.
Для реализации способа может быть использован любой известный из литературы (см., например, «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе» Сборник ВНИИА, Москва, 2004, стр.316-323) двухзондовый так называемый СО генератор нейтронов, например, генератор МАРКА. Скважинный прибор содержит излучатель быстрых нейтронов с энергией 14.1 МэВ и два спектрометрических детектора гамма-излучения любого известного типа, например, германат-висмута (BGO). Для формирования спектров гамма-излучения, их преобразования, образования спектральных окон и более сложных функционалов использован блок электроники, содержащий известные цифровые средства регистрации и преобразования спектров: многоканальные амплитудно-временные анализаторы, сигнальные процессоры, буферную память и необходимые известные средства управления, описанные в литературе (там же, стр.303-315). Гамма-излучение неупругого рассеяния (ГИНР) регистрируют в момент импульса быстрых нейтронов (в течение нескольких наносекунд после вылета нейтрона из мишени), а гамма-излучение радиационного захвата (ГИРЗ) регистрируют после выключения импульса (поскольку время замедления нейтронов в разных средах составляет 1-50 мкс). Поскольку длительность нейтронного импульса составляет несколько мкс (10-20), регистрируют смешанный сигнал ГИНР+ГИРЗ (фиг.1), который затем известными средствами разделяют на чистые спектры ГИНР и ГИРЗ, показанные на фиг.2 и 3.
Для реализации способа важен выявленный в процессе разработки способа эффект приближенного подобия формы этих спектров на малом и большом зонде (МЗ, БЗ). Из указанных спектров образуют сигналы, пропорциональные содержанию углерода, кислорода, кремния и кальция С, О, Si, Ca. Это можно сделать, например, вырезанием спектральных окон из спектра ГИНР, как показано на фиг.4. Окна вырезают таким образом, чтобы они содержали гамма-линии неупругого рассеяния соответствующих элементов. В одних интервалах разреза (чисто терригенных) может отсутствовать кальций, в других интервалах (карбонатных) может отсутствовать кремний, однако сигнал в окнах Si, Ca всегда ненулевой, что отражает присутствие этих элементов в цементе, а также вклад рассеянного гамма-излучения. Аналогичным образом вырезают спектральные окна в спектрах ГИРЗ, как показано на фиг.5. Окна содержат характеристические линии радиационного захвата Si, Ca, а также, возможно, других элементов. Выбор спектрального окна в спектре регистрируемого излучения выполняют путем указания амплитудному анализатору нижнего и верхнего значения энергии. Рациональный выбор величины спектральных окон реализуют на моделях: узкое спектральное окно увеличивает отношение полезного сигнала к фону, однако уменьшает общую скорость счета. При этом растет погрешность измерений. Таким образом, для каждого типа детекторов существуют оптимальные спектральные окна (в которых отношение полезного сигнала к шуму является наилучшим). Далее из этих сигналов с использованием сигнальных процессоров любого типа формируют три различных сигнала, пропорциональные спектральным отношениям СО_ГИНР, SiCa_ГИНР, SiCa_ГИРЗ. Первые два отношения образованы из спектра ГИНР, а последнее - из спектра ГИРЗ (о чем говорят обозначения). Далее из упомянутых трех сигналов (СО_ГИНР, SiCa_ГИНР, SiCa_ГИРЗ) формируют синтетический трехкомпонентный сигнал (СТС), соответствующий измерениям на ближнем (малом) зонде (СТС_МЗ). Аналогичным образом с помощью такой же аппаратуры, обеспечивающей регистрацию спектров на дальнем (большом) зонде, формируют сигнал СТС_БЗ. Он представляет собой триаду положительных чисел, которой соответствует точка в декартовой системе координат.
Сущность предлагаемого способа можно продемонстрировать на примере измерений, выполненных по указанному способу в одной из скважин Западно-Сибирского региона.
Фрагмент обработки каротажной записи, выполненной двухзондовым прибором МАРКА, приведен в Таблице 1. Этот фрагмент получен вырезанием спектральных окон из исходных спектров ГИНР и ГИРЗ, показанных на фиг.8. По этому фрагменту можно построить известные интерпретационные кроссплоты, как показано на фиг.6 и 7. При этом разделение водоносных и нефтеносных интервалов неполное благодаря свойствам проекций пространственных объектов.
Однако согласно разработанному способу можно построить синтетический трехкомпонентный сигнал отдельно для малого и большого зонда. Пример таких СТС_МЗ и СТС_БЗ, полученных по тем же скважинным материалам, приведен на фиг.9. Каждой точке (кванту) глубины соответствуют две тройки значений СТС (как показано в Таблице 1). Далее эти тройки значений (СТС_МЗ и CTC-БЗ) визуализируют с использованием любых средств компьютерной трехмерной (или 3Д) визуализации. Пример такой визуализации (с использованием известного пакета МАТЛАБ 6.5) приведен на фиг.9. Из графика видно, что нефтеносные и водоносные пласты хорошо разделены в пространстве. Причина состоит в том, что эти пласты различаются не только величиной отношения СО_ГИНР, но также и величинами SiCa_ГИНР и SiCa_ ГИРЗ. Ранее эти различия использовали для интерпретации с использованием кроссплотов (2Д-интерпретации фиг.6, 7). Однако предлагаемая 3Д-интерпретация максимально увеличивает эти различия, как показано на фиг.9. Это обстоятельство увеличивает надежность разделения водо- и нефтенасыщенных интервалов и является принципиальным отличием способа от аналогов.
Для такого разделения можно использовать уравнение симплекса следующего вида:
где все численные коэффициенты являются константами, определяемыми на моделях, эталонных скважинах или расчетами (Монте-Карло). Это уравнение плоскости, разделяющее два множества точек (нефтенасыщенные и водонасыщенные). Для первого случая
,
а для второго случая (водонасыщенный интервал)
Уравнения (1) и (2) легко программируются на любом сигнальном процессоре и могут быть использованы для автоматической классификации. Для ближнего и дальнего зонда уравнения различаются лишь коэффициентами К, из-за подобия спектров. Возможны и более сложные приемы разделения водо- и нефтенасыщенных объектов (например, нелинейные), вытекающие из существа изобретения. Количественная оценка текущей нефтенасыщенности также выполняют в рамках 3Д-визуализации. Для этого находят центр каждого массива N точек, который имеет координаты
.
Далее отрезок, соединяющий эти центры, делят линейно на равные доли, пропорциональные коэффициенту нефтенасыщенности. Этот отрезок используют для оценки коэффициента нефтенасыщенности. Эта процедура реализуется независимо для каждого зонда, что увеличивает надежность оценки насыщения и является дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с аналогами и прототипами. Все эти процедуры обработки легко программируются как на универсальных, так и на спецпроцессорах или сигнальных процессорах (например, DSP56000 или МАТЛАБ6.5 DSP Blockset Library 2.0).
Использование разработанного способа позволяет повысить точность оценки С\О отношения на 20-30% (относительных).
Таблица 1
СКВ№***38 *******ского месторождения Западной Сибири (Когалымский регион)
Фрагмент скважинных материалов, полученных двухзондовым СО-генератором
Глубина
Малый зонд МЗ_SS
Большой зонд БЗ_LS
СО
SICA_ГИНР
SICA_ГИРЗ
CO
SICA_ГИНР
SICA_ГИРЗ
20232022.92022.82022.72022.62022.52022.42022.32022.22022.120222021.92021.82021.72021.62021.52021.42021.32021.22021.12021
1.2711.2781.2801.2721.2691.2651.2601.2681.2661.2621.2521.2421.2371.2401.2481.2501.2551.2481.2391.2411.239
1.5141.5161.5131.5061.5061.5011.5061.5071.5031.4951.4991.5011.4991.5061.5071.5121.5081.5081.5061.5121.524
1.0281.0231.0171.0171.0211.0231.0271.0241.0251.0271.0201.0171.0181.0221.0181.0141.0111.0081.0101.0071.008
1.1961.2021.2021.1961.2031.2061.2051.2061.2031.2051.2061.2091.1981.1951.1871.1871.1861.1851.1891.1941.189
1.5221.5331.5531.5491.5551.5621.5401.5441.5171.5241.5371.5371.5381.5271.5211.5271.5211.5171.5271.5281.521
1.1041.1011.1081.1041.1011.0971.0971.0891.0901.0881.0831.0791.0781.0841.0881.0871.0911.0921.0971.0871.082
Примечание: SICA_ГИНР=SI/CA(INEL)=1/CASI(INFL)