Способ одновременного определения плотности и пористости горной породы
METHOD FOR SIMULTANEOUS DETERMINATION OF DENSITY AND POROSITY OF ROCK

Изобретение относится к способам определения геофизических параметров пластов горных пород с использованием аппаратуры импульсного нейтрон-гамма-каротажа и может быть использовано для одновременного определения плотности и пористости горных пород в процессе бурения нефтегазовых скважин или их исследования.
Известен «Импульсный нейтронный метод каротажа для определения нескольких параметров горных пород», включающий облучение породы импульсами быстрых нейтронов, регистрацию энергетического спектра гамма-квантов, по крайней мере, на одном расстоянии от источника нейтронов во время нейтронных импульсов и в течение определенного времени после, по крайней мере, одной группы нейтронных импульсов, а также регистрацию энергетического спектра и временной зависимости скорости счета после последнего нейтронного импульса. Канадский патент изобретение CA 2896051 A1, МПК G01V 5/10, 07.01.2016.
Недостатком аналога является относительно низкая точность определения нейтронной пористости горной породы при наличии кристаллизационной воды, примесей, поглощающих тепловые нейтроны, а также при минерализации бурового раствора и/или пластовой воды, которые влияют на интенсивность гамма-квантов радиационного захвата.
Известен способ измерения «Нейтронной пористости, основанный на использовании нескольких гамма-детекторов и импульсного нейтронного источника», включающий облучение породы группами нейтронных импульсов определенной длительности, регистрацию гамма-квантов, по крайней мере, на двух расстояниях от источника в сгруппированные интервалы времени, содержащие ранние и поздние счета гамма-квантов, вычисление взвешенной суммы счетов гамма-квантов, зарегистрированных в каждом интервале времени, вычисление отношения взвешенной суммы для первого детектора к взвешенной сумме для второго детектора, использование отношения для определения водородного индекса (пористости) породы. Заявка на изобретение WO 2013/148998 A1, МПК G01V 5/10, 03.10.2013.
Недостатком аналога является относительно низкая точность определения нейтронной пористости горной породы при наличии кристаллизационной воды, примесей, поглощающих тепловые нейтроны, а также при минерализации бурового раствора и/или пластовой воды, которые влияют на интенсивность гамма-квантов радиационного захвата.
Известны «Метод и устройство определения плотности горной породы с помощью импульсного нейтронного излучения», включающий коррекцию количества зарегистрированных гамма-квантов неупругого рассеяния с учетом эффекта переноса нейтронов. Заявка на изобретение CA № 2657591 A1, МПК G01V 1/40, 06.03.2008. Прототип.
В этом методе на первом этапе вычисляется скорректированное отношение скоростей счета ближнего и дальнего зондов согласно соотношению (1):
k
CINEL=RIN - Z⋅RNF,     (1)
где:
CINEL – скорректированное отношение скоростей счета ближнего и дальнего зондов;
RIN – отношение скоростей счета гамма-квантов неупругого рассеяния ближним и дальним детекторами;
RNF – отношение скоростей счета гамма-квантов радиационного захвата ближним и дальним детекторами;
k и Z – калибровочные коэффициенты, которые подбираются из условия минимальной чувствительности CINEL к пористости с помощью калибровочных измерений и модельных расчетов.
k зависит от угловой чувствительности гамма-детектора (для экранированного гамма-детектора 0,75>k>0,5).
Плотность породы в указанном методе вычисляется из выражения (2):
ρ =M⋅ln(CINEL) + N    (2)
где:
ρ – плотность породы;
M и N – калибровочные коэффициенты, которые подбираются с помощью калибровочных измерений и модельных расчетов.
Недостатком прототипа является невозможность одновременного определения плотности и пористости горной породы.
Техническим результатом изобретения является возможность одновременного определения плотности и пористости горной породы.
corr
corr
Технический результат достигается тем, что в способе одновременного определения плотности и пористости горной породы, заключающемся в том, что облучают горную породу импульсным источником быстрых нейтронов, регистрируют гамма-излучение ближним и дальним, относительно импульсного источника быстрых нейтронов, гамма-детекторами раздельно во время нейтронных импульсов и в промежутках между ними, находят отношения счетов ближнего и дальнего гамма-детекторов раздельно для счетов, полученных во время нейтронных импульсов RIN и в промежутках между ними RRC, производят коррекцию отношения счетов ближнего и дальнего детекторов во время нейтронных импульсов с использованием RIN и поправки в виде функции от RRC, получают скорректированное значение RIN, предварительно находят калибровочные функции для плотности RIN(ρ) в виде:
corr
1
RIN(ρ) = [RIN(ρ) + f(RRC(ρ))]   (3)
corr
и пористости RRC(p) в виде:
corr
2
RRC(p)=[RRC(p) + f(RIN(p))],(4)
1
2
corr
corr
функции f(RRC(ρ)) и f(RIN(p)) находят таким образом, чтобы калибровочные функции RIN(ρ) и RRC(p) были линейными функциями, соответственно, от плотности ρ и пористости p:
corr
RIN(ρ) = k⋅ρ + a     (5)
corr
RRC(p) = m⋅p + b     (6)
где k и m - калибровочные коэффициенты, a и b –константы,
corr
corr
определяют калибровочные коэффициенты k и m, а также константы a и b, вычисляют значения RIN и RRC путем коррекции RIN и RRC с использованием полученных калибровочных функций, находят плотность ρ и пористость p горной породы согласно выражениям:
corr
ρ = (RIN – a)/k      (7)
corr
p = (RRC – b)/m      (8)
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 схематично показаны основные элементы и их взаимное расположение для одной из возможных конструкций скважинного устройства, предназначенного для реализации предлагаемого нейтрон-гамма метода, где:
1 – охранный корпус скважинного устройства,
2 – импульсный источник быстрых нейтронов,
3, 4 – ближний и дальний гамма-детекторы,
На фиг. 2 приведена зависимость 5 – отношения счетов гамма-квантов неупругого рассеяния от плотности RIN(ρ),
На фиг. 3 приведена зависимость 6 отношения счетов гамма квантов радиационного захвата от плотности RRC(ρ),
corr
1
На фиг. 4 приведена зависимость 7 калибровочной функции от плотности RIN(ρ) при f(RRC(ρ)) =  – RRC(ρ)/12,
На фиг. 5 приведена зависимость 8 отношения счетов гамма квантов радиационного захвата от пористости RRC(p),
На фиг. 6 приведена зависимость 9 отношения счетов гамма квантов неупругого рассеяния от пористости RIN(p),
corr
2
3
На фиг. 7 приведена зависимость 10 калибровочной функции от пористости RRC(p) при f(RIN(p)) = - (RIN(p))/9 ,
Цилиндрический охранный корпус 1 выполняется из стали толщиной в несколько миллиметров.
Импульсный источник 2 быстрых нейтронов может быть выполнен в виде генератора нейтронов с энергией 2,5 МэВ или 14 МэВ, расположен соосно с охранным корпусом 1 и служит для облучения горной породы импульсами быстрых нейтронов.
Ближний 3 и дальний 4 гамма-детекторы нейтронов служат для регистрации гамма-квантов, поступающих на них из окружающей среды. В качестве ближнего 3 и дальнего 4 детекторов могут использоваться сцинтилляционные детекторы. Детекторы 3 и 4 могут быть выполнены в виде кассет, содержащих несколько сцинтилляционных детекторов, и расположенных соосно с охранным корпусом 1.
Приведенные на Фиг. 2, 3, 5 и 6 зависимости рассчитаны в модельных описаниях скважины, скважинного прибора и породы при различной плотности ρ и пористости p, при расстояниях ближнего и дальнего детекторов от импульсного источника 2 (14 МэВ нейтронов), равных 30 см и 60 см, соответственно.
corr
corr
На Фиг. 4 и 7 приведены зависимости калибровочных функций от плотности 7 - для RIN(ρ) и пористости 10 - для RRC(p).
Зависимости 5 и 6 хорошо описываются выражениями (9) и (10):
2
RIN(ρ) = 3,5854 + 1,9042⋅ρ – 0,3571⋅ρ   (9)
2
RRC(ρ) = -14,4506 + 18,1883⋅ρ – 4,5658⋅ρ,   (10)
а зависимости 8 и 9 - выражениями (11) и (12):
2
RRC(p) = 1,6246 + 0,0978⋅p – 0,0012⋅p    (11)
-4
-4
2
RIN(p)=6,1218 + 2,2446⋅10⋅p -1,0036⋅10⋅p  (12)
1
2
3
В рассматриваемом примере зависимости 7 и 10 имеют вид прямых линий при f(RRC(ρ))=-RRC(ρ)/12 и f(RIN(p))=-(RIN(p))/9.
При добыче нефти и углеводородов желательно знать вместе и плотность ρ, и пористость p горной породы (коллектора), содержащей углеводороды. Совместное определение этих характеристик необходимо для подсчета объема пластовой нефти в коллекторе. Знание плотности и пористости также важно в случае старых нефтяных скважин, для которых информация о плотности или пористости либо недостаточна, либо вообще отсутствует.
Одним из методов, используемых для определения плотности и пористости горной породы, является метод импульсного нейтрон-гамма- каротажа. При реализации этого метода горную породу облучают импульсами быстрых (14 МэВ) нейтронов и регистрируют гамма-излучение, возникающее в породе, гамма-детектором, находящимся на некотором расстоянии от источника быстрых нейтронов.
При облучении горной породы быстрыми нейтронами гамма-излучение возникает в основном в результате двух типов ядерных реакций. К первому типу относится неупругое рассеяние быстрых (с энергией, примерно, более 1 МэВ) нейтронов. Второй тип реакций – это захват надтепловых и тепловых нейтронов. Излучаемые при этом гамма-кванты называются, соответственно, гамма-квантами неупругого рассеяния и радиационного захвата.
Использование импульсного источника быстрых нейтронов позволяет регистрировать отдельно гамма-кванты неупругого рассеяния и гамма- квантов радиационного захвата. Во время нейтронного импульса (как правило, длительностью <10 мкс) детектор гамма-излучения в основном регистрирует гамма-кванты неупругого рассеяния, а после его окончания - гамма-кванты радиационного захвата.
Измерения плотности или пористости породы традиционно проводят с использованием двух детекторов гамма-излучения. При этом показания ближнего детектора используются для учета влияния скважины, скважинного устройства и его положения в скважине. Кроме того, схема с двумя детекторами обеспечивает коррекцию отношения показаний ближнего и дальнего детекторов на флуктуации интенсивности импульсного источника быстрых нейтронов.
В том случае, когда вода и углеводороды содержатся только в поровом пространстве породы, количество регистрируемых гамма-квантов неупругого рассеяния и радиационного захвата определяются плотностью и пористостью породы, соответственно. При этом между плотностью и пористостью породы существует взаимно однозначная обратная связь. Это связь проявляется в том, что с увеличением плотности (уменьшением пористости) отношение счетов на двух детекторах гамма-квантов неупругого рассеяния растет, а отношение счетов гамма-квантов радиационного захвата падает. Рост одного отношения и падение другого взаимозависимы, поскольку происходят за счет взаимодействия гамма-квантов с одной и той же породой.
Обратная связь между указанными отношениями позволяет скорректировать и превратить в линейные функции зависимость от плотности отношения счетов на двух детекторах гамма-квантов неупругого рассеяния с учетом отношения счетов гамма-квантов радиационного захвата, а также зависимость от пористости отношения счетов гамма-квантов радиационного захвата с учетом отношения счетов гамма-квантов неупругого рассеяния.
Факторами, затрудняющими измерение пористости нейтрон-гамма- методом, являются присутствие в породе существенных количеств не содержащейся в порах кристаллизационной воды, примесей, поглощающих тепловые нейтроны, а также минерализация бурового раствора и/или пластовой воды.
Наличие этих факторов изменяет интенсивность гамма-квантов радиационного захвата. В этом случае взаимно однозначная связь между измеренными плотностью и пористостью отсутствует.
Причина расхождения может быть установлена с использованием имеющейся информации о литологии породы и/или спектра регистрируемого гамма излучения.
Способ реализуют следующим образом.
Предварительно определяют калибровочные коэффициенты k и m, а также константы a и b с помощью измерений калибровочных функций на геофизических моделях пород с известной плотностью и пористостью в отсутствие кристаллизационной воды в породе, минерализации воды в скважине и в порах, а также примесей, поглощающих тепловые нейтроны.
Включают импульсный источник 2 на генерацию импульсов быстрых нейтронов. Быстрые нейтроны выходят из импульсного источника 2 и попадают в промывочную (скважинную) жидкость, обсадную колонну, а затем в горную породу вокруг скважины (на Фиг. 1 не показаны), в которых быстрые нейтроны испытывают упругие и неупругие столкновения с ядрами, входящих в их состав химических элементов, вследствие чего теряют энергию, становятся с течением времени эпитепловыми, а затем и тепловыми.
Гамма-кванты, возникшие в окружающей среде во время и в промежутках между нейтронными импульсами, частично попадают в гамма- детекторы 3 и 4. Электрические импульсы, возникающие под действием гамма-квантов в каждом из гамма-детекторов 3 и 4, поступают в электронную схему (на Фиг. 1 не показана), обеспечивающую усиление импульсов, их счет и передачу в наземную аппаратуры после каждого импульса источника 2.
Повторяют процесс регистрации для N≥1 нейтронных импульсов, количество которых определяется установленной точностью измерений.
corr
corr
corr
corr
С помощью наземной аппаратуры определяют отношения RIN, RRC. Вычисляют скорректированные отношения счетов ближнего и дальнего детекторов во время нейтронных импульсов RIN и в промежутках между нейтронными импульсами RRC с использованием соотношений (3) и (4). Для рассматриваемого примера RIN и RRC составляют:
corr
RIN = RIN - RRC/12    (13)
corr
3
RRC = RRC - RIN/9    (14)
Находят плотность ρ и пористость p горной породы с помощью калибровочных коэффициентов k и m, а также констант a и b согласно выражениям:
corr
ρ = (RIN – a)/k     (15)
corr
p = (RRC – b)/m    (16)
Калибровочные коэффициенты k, m, a и b находят из калибровочных зависимостей, полученных для рассматриваемой горной породы, примеры которых представлены на Фиг. 4 и Фиг. 7. В рассматриваемом случае k=0,497; a=4,665; m=9,792; b=-23,8886.
corr
corr
3
Пусть в измерениях плотности и пористости горной породы отношение счетов ближнего зонда к дальнего зонда во время импульсов составляет RIN=6,115, а между импульсами RRC=2,5. Согласно выражениям (13) и (14) этим значениям RIN и RRC соответствуют RIN=5,907 и RRC=-22,907. Вычисления ρ и p с использованием выражений (15) и (16) и приведенных выше значения калибровочных коэффициентов дают для них значения: ρ =2,50 г/см и p=10%.
3
3
Далее вычисляется значение пористости горной породы при полученном значении плотности с учетом того, что поры заполнены водой. В том случае, когда горная порода составлена из кальцита, плотность которого при нулевой пористости составляет 2,71 г/см, измеренное значение плотности 2,50 г/см означает, что водонасыщенная пористость горной породы должна составлять 12%. Таким образом, расхождение между измеренным и вычисленным значениями пористости составляет 2%. Известно (Техническая инструкция по проведению геофизических исследований и работ приборами на кабеле в нефтяных и газовых скважинах. РД 153-39.0-072-01. Москва, 2001), что абсолютная погрешность измерения пористости при значениях пористости около 10% не должна превышать 1,3%. Таким образом, наблюдаемое расхождение между измеренным и вычисленным значениями пористости, превышающее допустимую погрешность, указывают на наличие одного или нескольких факторов, влияющих на измерения: связанной (кристаллизационной) воды, примесей, поглощающих тепловые нейтроны, минерализации воды в скважине или в порах.
Приведенные выше выражения (15) и (16) для вычисления плотности и пористости работают и в общем случае. При этом калибровочные коэффициенты  a, k,  b, m определяются отдельно для каждой измеряемой породы путем проведения калибровочных измерений.
corr
corr
Таким образом, заявленный технический результат - возможность одновременного определения плотности ρ и пористости p горной породы достигается за счет предварительного нахождения калибровочных функций путем измерения RIN и RRC во время и в промежутках между нейтронными импульсами на геофизических моделях горных пород, коррекции RIN во время нейтронных импульсов, а RRC - в промежутках между нейтронными импульсами, обеспечивающей линейность калибровочных функций от плотности ρ и пористости p, соответственно, определения калибровочных коэффициентов k и m, а также констант a и b, облучения горной породы импульсным источником 2 быстрых нейтронов, находящемся в прочном корпусе 1, и регистрации гамма-излучения ближним 3 и дальним 4 гамма- детекторами, также находящимися в прочном корпусе 1, раздельно во время нейтронных импульсов и в промежутках между ними, нахождении отношения счетов ближнего 3 и дальнего 4 гамма-детекторов раздельно для счетов, полученных во время нейтронных импульсов RIN, а также в промежутках между ними RRC, вычисления скорректированных значений RIN и RRC с использованием калибровочных функций (3) и (4), определения плотности ρ и пористости p горной породы согласно выражениям (15) и (16).