Способ исследований скважин гамма-методами ядерной геофизики

 

Использование: при исследовании скважин гамма-методами, а именно методом естественной радиоактивности во всех модификациях, гамма-гамма-методом, методами спектрометрии гамма-излучения неупругого рассеяния, активации и поглощения нейтронов. Сущность способа: по величинам радиальной чувствительности скважинной аппаратуры и геометрического фактора полупространства с учетом скважинных условий измерений находят геометрические факторы промежуточных зон и пласта, по которым вводят коррекцию за радиальную неоднородность системы прибор-скважина-пласт. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области ядерной геофизики и может быть использовано при исследовании разрезов обсаженных и необсаженных скважин методами: естественной радиоактивности во всех модификациях (мало- или многоканальной спектрометрической, а также интегральной), гамма-гамма-методом (в плотностной и литолого-плотностей модификациях), спектрометрии гамма-излучения неупругого рассеяния, активации и поглощения нейтронов.

Способ может найти применение при решении широкого комплекса геолого-геофизических задач изучения разрезов скважин, связанных с определениями массовых содержаний естественных радиоактивных элементов (калия, урана, тория), их суммарного содержания (в единицах уранового эквивалента), объемной плотности, элементного состава горных пород, руд других природных сред.

Известны способы радиометрических исследований скважин с целью определения содержаний естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ) или их суммарного содержания, предусматривающие исключение влияния радиальной неоднородности системы прибор-скважина-пласт на определение содержаний естественных радионуклидов путем приведения результатов измерений к стандартным скважинным условиям.

Также известен способ радиометрического исследования скважин с целью количественного определения объемной плотности пород, основанный на измерении рассеянного гамма-излучения, в котором интерпретация данного гамма-гамма-метода производится с помощью вычислительных алгоритмов, получаемых на основе эмпирического обобщения результатов физического (натурного) или математического (по методу Монте-Карло) моделирования [1] Способы получения соответствующих поправочных зависимостей очень сложны и трудоемки, поскольку предусматривают обширный комплекс исследований для каждого типа скважинного прибора, то есть в известных способах исследований скважин методами, в которых измеряется интенсивность естественного или вызванного гамма-излучения, коррекция показаний за радиальную неоднородность системы прибор-скважина-пласт основана на использовании поправочных кривых для приведения к стандартным или типовым скважинным условиям, или на использовании эмпирических алгоритмов.

Из известных способов радиометрических исследований скважин наиболее близким к предлагаемому является способ исследования, включающий измерение интенсивностей гамма-излучения горных пород естественного или искусственного происхождения, определение концентрационных чувствительностей и коррекцию показаний за радиальную неоднородность системы "прибор-скважина-пласт", которая основана на использовании поправочных кривых для приведения к стандартным или типовым скважинным условиям.

Например, для аппаратуры СПК используются поправочные кривые для приведения к следующим типовым условиям: пласт известняка с плотностью σ 2,71 г/см³, диаметр скважины d_c 200 мм, плотность бурового раствора s_p 1,2 г/см³, раствор неактивен, глинистая корка отсутствует, прибор прижат.

Однако поправочные зависимости справедливы только для того типа аппаратуры и детектора излучения (спектрометра), с которым были получены. При внесении каких-либо конструктивных изменений или перенастройке аппаратуры требуются новые трудоемкие исследования. Кроме того, поправочные зависимости имеют погрешности, характер которых зависит от используемого метода каротажа.

Например, при гамма-спектрометрии для учета влияния промежуточных зон по существующим палеткам поправочных факторов из показаний отдельных каналов предварительно необходимо удалить вклады неодноименных (с каналами) излучателей; эти вклады, в свою очередь, зависят от условий измерений и не могут быть определены заранее. Характер и степень влияния промежуточных зон определяются соотношениями содержаний излучателей в породе и промежуточных зонах. Этого в принципе не может учесть методика приведения к стандартным скважинным условиям, так как эти же величины являются искомыми параметрами.

При использовании плотностного гамма-гамма метода основная проблема интерпретации данных ГГМ сводится к учету влияния промежуточной зоны, в качестве которой обычно предполагается глинистая корка. Используемые эмпирические алгоритмы недостаточно точно учитывают влияние глинистой корки, так как линеаризуют реальные кривые. Кроме того, в действительности промежуточная зона может включать не только глинистую корку или зону искусственной трещиноватости (зона разуплотнения), но и зону уплотнения (образующуюся вследствие проникновения частиц бурового раствора в пласт и внутренней глинизации кольматации пласта), чего в принципе не может учесть эмпирически полученный алгоритм. Вследствие этого, например, закольматированные пласты, обладающие хорошими коллекторскими свойствами, могут диагностироваться как плотные неколлекторы (в случае искусственной трещиноватости наоборот).

Задачей настоящего изобретения является создание способа исследований скважин гамма-методами, обеспечивающего количественный учет радиальной неоднородности, системы прибор-скважина-пласт и, соответственно, исключение влияния технических условий измерений при интерпретации результатов скважинных измерений, что, в свою очередь, обеспечивает сопоставимость результатов интерпретации измерений с разнотипной скважинной аппаратурой и позволяет повысить точность определения свойств и состава горных пород.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе радиометрических исследований скважин, включающем измерения интенсивностей гамма-излучения горных пород, определение концентрационных чувствительностей скважинной аппаратуры и коррекцию показаний за радиальную неоднородность системы прибор-скважина-пласт, согласно изобретению, дополнительно определяют радиальные чувствительности скважинной аппаратуры, по их значениям с учетом скважинных условий измерений определяют геометрические факторы промежуточных зон пласта, по которым судят о величинах вклада отдельных зон системы прибор-скважина-пласт в показания, и коррекцию последних осуществляют по указанным величинам вклада. При спектрометрических измерениях интенсивностей естественного и нейтронного гамма-излучения дополнительно определяют геометрические факторы полупространства и геометрические факторы промежуточных зон определяют по значениям радиальных чувствительностей и геометрических факторов полупространства с учетом скважинных условий измерений.

В предпочтительном варианте: радиальные чувствительности a_ij скважинной аппаратуры метода естественной или нейтронной гамма-спектрометрии, а также интегрального гамма-метода, определяют путем измерений интенсивностей гамма-излучения в сухой и заполненной водой скважине при расположении прибора на оси скважины и последующего вычисления по формуле: a_ij = - (2/σ_pΔD)·ln[I_ij(x,0)/I_ij(0,0)]; где I_ij(0,0), I_ij(Х,0) показания (имп/мин) i-го канала аппаратуры в j-ой модели в сухой и заполненной водой скважинах при расположении прибора в центре скважины; σ_p электронная плотность флюида (г/см³), заполняющего модель; ΔD- разность диаметров скважины и прибора (см); радиальную чувствительность скважинной аппаратуры гамма-гамма метода, измеряющей интенсивность рассеянного гамма-излучения, определяют путем измерения интенсивностей гамма-излучения на метрологическом образце с имитатором глинистой корки и последующего вычисления по формуле: a_i= -(1/T)·ln[(σ^*_i-σ)/(σ_Δ-σ)], (2) σ^*_i = σ-(1/S_i)·ln(I_i), i=1,2, (2') где σ^*_i- эффективные плотности (г/см³); σ плотность метрологического базового образца, в котором проведены измерения с имитатором промежуточной зоны (глинистой корки) (г/см³); s_Δ- средняя плотность (г/см³) промежуточной зоны толщиной h_Δ[см]; T = σ_Δ·h_Δ- массовая толщина этой зоны (г/см²); S_i чувствительность аппаратуры к плотности (см³/г); I_i текущие показания i-го зонда в метрологическом образце базовом (МОБе) с плотностью s с имитатором глинистой корки, нормированные на показания в МОБе с плотностью s; геометрический фактор полупространства X_ij определяют путем измерения интенсивностей гамма-излучений в сухой и заполненной водой скважине при расположениях прибора на оси и стенке скважины и последующего вычисления по формуле:

I_ij(0,0), I_ij(X, 0) показания i-го канала аппаратуры в j-ой модели в сухой и заполненной водой скважинах при расположении прибора в центре скважины (имп/мин), I_ij(X, l), I_ij(0,1) то же при расположении прибора на стенке скважины (имп/мин).

Сущность предлагаемого способа заключается в разработке и использовании новых метрологических характеристик скважинной аппаратуры радиальной чувствительности и геометрического фактора полупространства (при использовании методов гамма-спектрометрии), которые учитывают радиальную неоднородность системы прибор-скважина-пласт.

Построенная автором интерпретационная модель методов гамма-спектрометрии описывает показания прибора при фиксированных условиях измерений как сумму вкладов отдельных зон системы скважина-пласт с определенными весовыми коэффициентами, зависящими от геометрии измерений и характеристик аппаратуры - геометрическими факторами k-ой зоны для j-го излучателя в i-ом канале (G_kij). Интерпретационная модель определяет статическую амплитуду показаний прибора J_i в i-ом канале для пласта, насыщенного по мощности, при фиксированных условиях измерений следующим образом:
(4)
где X совокупность переменных и параметров, характеризующих текущие условия измерений; k номер зоны; j номер излучателя; С_ij - концентрационная чувствительность i-го канала прибора для j-го излучателя (имп/мин%); G_kij интегральные радиальные геометрические факторы k-х зон для j-х излучателей в i-м канале; q_ki массовые содержания j-х излучателей в k-х зонах (%). Суммирование в (1) распространено на все зоны и все излучатели.

C_ij метрологические характеристики скважинного прибора, определяемые при отсутствии промежуточных зон между прибором и горной породой.

Величины G_kij имеют смысл относительных вкладов j-го излучателя k-й зоны в результирующие показания i-го канала аппаратуры.

При заполнении скважины буровым раствором и наличии других промежуточных зон (глинистая корка, зона кольматации, обсадная колонна и др.) необходимо учитывать влияние этих зон на величину геометрического фактора пласта. Степень влияния зависит от метрологических характеристик аппаратуры. Такими метрологическими характеристиками прибора являются радиальные чувствительности (a_ij) и геометрические факторы полупространства (X_ij).

При произвольном расположении прибора в необсаженной скважине (0<е<1) геометрический фактор пласта определяется выражением:
G_ij(x,e)=exp[-x/2]2X_ijsinh(xe/2)+exp[-xe/2] (5)
где X X_ij безразмерная переменная, равная
X = X_ij= a_ij·σ_p·ΔD = 2a_ij·T, (6)
где σ_p- электронная плотность раствора (г/см³), ΔD- разность диаметров скважины и прибора (см), Т массовая толщина, е эксцентриситет скважинного прибора, определяющий положение прибора в скважине:
e = 2Δr/ΔD, (7)
где Δr расстояние между осями прибора и скважины (см). В случае обсаженной скважины выражения для геометрического фактора пласта (и других зон) также имеют простую безынтегральную форму.

Параметр а_ij радиальная чувствительность скважинного прибора, определяющая относительное изменение чувствительности показаний i-го канала к изменению содержания j-го излучателя на единичное изменение массовой толщины промежуточной зоны и характеризующая относительное изменение геометрического фактора пласта для j-го излучателя (см²/г).

Величина X_ij имеет смысл геометрического фактора полупространства для j-го излучателя в i-том канале (безразмерная величина).

Для определения новых метрологических характеристик (а_ij, X_ij) аппаратуры, измеряющей гамма-излучение естественного происхождения, измерения выполняют не менее, чем в четырех моделях пластов - "фоновой", "калиевой", "урановой" и "ториевой" в воздушно-сухой и заполненной водой скважинах. Аналогично для нейтрального гамма-излучения измерения выполняют в моделях с теми элементами, содержания которых подлежат определению в скважинах. Для определения a_ij прибор располагают в центре скважины (табл.1), для определения X_ij измерения проводят при двух положениях прибора в центре и на стенке скважины (табл.2).

Полученные значения (J_ij) исправляют за влияние фона. В случае различия плотностей фоновой и других моделей вводят поправки за различие плотностей.

По исправленным значениям (I_ij) последовательно для каждого канала определяют радиальные чувствительности аппаратуры (а_ij) и геометрические факторы полупространства (X_ij) по следующим зависимостям:
a_ij = - (2/σ_pΔD)·ln[I_ij(x,0)/I_ij(0,0)]; (1)

Выражения (4) (7) справедливы для всех модификаций метода гамма-спектрометрии, при этом i=0 для интегральной, i=0, 1, 2, 3. N для многоканальной.

С использованием новых метрологических характеристик становится возможным переход к беспоправочной технологии интерпретации данных гамма-методов во всех модификациях.

Для интегрального гамма-метода, по показаниям которого невозможно отделить вклады различных излучателей, физически обоснованным интерпретационным параметром является суммарное массовое содержание ЕРЭ в единицах уранового эквивалента еU (Добрынин В.М. Вендельштейн Б.Ю. Кожевников Д.А. Петрофизика. М. Недра, 1993, с.236 240), параметры а и Х не зависят от j.

Урановый эквивалент еU определяет такое массовое содержание равновесного урана (вместе с продуктами распада в условиях радиоактивного равновесия), при котором показание прибора в однородной безграничной среде такое же, как при данном содержании ЕРЭ в их естественной смеси:
(8)
Величина eU для породы находится по формуле:
eU [I I_min[1 G(X)]/C_u G(x), (9)
где C_u концентрационная чувствительность канала ГМ к содержанию урана (в равновесии с продуктами распада) (имп/мин/ur] I_min - минимальные показания аппаратуры при данных скважинных условиях (имп/мин).

Определяемая выражением (8) величина eU является петрофизической характеристикой породы, связанной с объемными содержаниями компонент соотношением:

где σ_i, σ минералогическая плотность i-й компоненты и объемная плотность породы соответственно (г/см³); eUi, eU урановые эквиваленты суммарного содержания ЕРЭ в i-й компоненте и породе [ur] Ki объемные содержания компонент.

Для спектрометрического гамма-метода массовые содержания нуклидов находятся решением системы уравнения (4).

Для двухзондовой аппаратуры плотностного ГГМ метрологическими характеристиками являются чувствительности короткого и длинного зондов к плотности (S_1,2) и к влиянию промежуточных зон радиальные чувствительности (a_1,2). Определение метрологических характеристик производится следующим образом:
1. Для определения радиальных чувствительностей a_i проводят измерения на любом из указанных образцов с имитатором глинистой корки. Для исключения влияния натурального фона проводят измерения без источника.

2. Один из образцов принимается за эталонный (σ_o).. Показания в нем, исправленные за влияние фона, определяют цену условной единицы. Зафиксированные отсчеты (J_i) исправляют за влияние фона и выражают в условных единицах (I_i):
(13)
где J_i(σ_oj) показания i-го зонда в j-ом МОБе без и с имитатором глинистой корки (имп/мин), J_if результаты измерений натурального фона (имп/мин), i номер зонда.

3. Радиальная чувствительность i-го зонда представляет собой относительное изменение геометрического фактора породы на единичное изменение массовой толщины промежуточной зоны и определяется по следующему алгоритму:
(2)
(2')
где эффективные плотности (г/см³); σ плотность метрологического базового образца, в котором проведены измерения с имитатором корки (г/см³); s.- средняя плотность (г/см³) промежуточной зоны толщиной h (см); T = σ·h- массовая толщина этой зоны (г/см²); S_i - чувствительность аппаратуры к плотности (см³/г); I_i текущие показания i-го зонда в МОБе с плотностью σ с имитатором глинистой корки, нормированные на показания в МОБе с плотностью s. При алгоритмической интерпретации данных ГГМ используется производный от а_1,2 метрологический параметр К а₁/a₂.

Объемная плотность породы определяется выражением
(14)
где σ. плотность глинистой корки (г/см³).

Примеры конкретного выполнения.

В табл. 3 приведены рассчитанные по результатам измерений в ГСО-ЕРЭ метрологические параметры A и Х для каналов интегрального ГМ аппаратуры двух типов.

В гамма-спектрометрии для жесткого гамма-излучения X_ij const 1/2 и при фиксированном эксцентриситете зависимость G_ij(X,e) является универсальной ("автомодельной") для различных элементов-излучателей, скважин и приборов различного диаметра, различных спектральных каналов, промывочных жидкостей различной плотности и состава. Эта универсальная зависимость для центрированного (е=0) и прижатого к стенке скважины (е=1) прибора приведена на рис.1 (рассчитана автором по экспериментальным данным П.А.Курочкина, причем диаметры скважин менялись от 10 до 60 см с шагом 10 см, плотности раствора в скважине принимали значения 1.0, 1.2, 1.4 г/см³; значения эксцентриситета от 0 до 1 с шагом 0,1).

В таблице 4 приведены значения метрологических характеристик аппаратуры ГГМ типа РКС-1, рассчитанные по экспериментальным данным. Таблица характеризует также реальный разброс значений параметров, обусловленный всевозможными "шумами" измерений. Радиальные чувствительности определены по измерениям в МОБе с плотностью 2,71 г/см при наличии промежуточной зоны с плотностью 1,35 г/см толщиной 20 мм.

На рис. 2 показана диаграмма типа "хребет ребра", рассчитанная для прибора ГГМ фирмы Western Atlas (США) по метрологическим характеристикам (определены нами). Расчетная кривая сравнивается с результатами измерения [Minette D. C. Gilchrist W.A.Jr. Hubner B.G. Gamma-Gamma Density Measurements: Basic response and Environments Corrections. IEEE Nucl. Sci. Symp. 1988] в скважинах различного диаметра при наличии глинистых корок различной плотности (обычных, образующих зону разуплотнения, и утяжеленных баритом, образующих зону уплотнения) и различной толщины. Прекрасное согласие результатов подтверждает эффективность использования параметра радиальной чувствительности и универсальность заявляемого способа учета скважинных условий измерений для аппаратуры любого типа.

С использованием новых метрологических характеристик и построенных на их основе интерпретационных моделей становится возможным переход к беспоправочной технологии интерпретации данных гамма-методов во всех модификациях.

В нефтегазовой геологии, где содержания ЕРЭ характеризуются кларковыми и надкларковыми концентрациями, вопрос о повышении точности обработки результатов измерений стоит особенно остро. При исследовании низкоактивных разрезов со смешанной природой активности относительная погрешность воспроизводимости интерпретационного параметра не должна превышать 5%
Интерпретационная модель гамма-метода во всех модификациях при соответствующей метрологической настройке обеспечивает:
количественный учет (исключение) влияния изменений технических условий измерений, включая обсаженные скважины;
получение алгоритма количественного определения содержания ЕРЭ в горных породах в физически обоснованных единицах;
абсолютную сопоставимость результатов измерений с разнотипной скважинной аппаратурой;
сопоставимость результатов интерпретации данных интегрального и спектрометрического (трех- или многоканального) ГМ;
абсолютную сопоставимость измерений интегральной радиоактивности пород в лабораторных и скважинных условиях.

Интерпретационные модели позволяют с высокой точностью учитывать любые геолого-технические условия измерений и справедливы для скважинной аппаратуры любого типа. Использование строгих петрофизических моделей гамма-методов делает ненужным введение гипотехнических эмпирических связей. В результате точность определения петрофизических характеристик и элементного состава горных пород существенно повышается.

Формула изобретения

1. Способ исследований скважин гамма-методами ядерной геофизики, включающий измерение интенсивности гамма-излучения горных пород, определение концентрационных чувствительностей скважинной аппаратуры и коррекцию показаний на радиальную неоднородность системы прибор скважина пласт, отличающийся тем, что дополнительно определяют радиальные чувствительности скважинной аппаратуры a_ij, по их значениям с учетом скважинных условий измерений определяют геометрические факторы промежуточных зон и пласта, по которым судят о величинах вкладов отдельных зон системы прибор скважина - пласт в результирующие показания и коррекцию последних осуществляют по указанным величинам вклада.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при спектрометрии естественного или нейтронного гамма-излучения дополнительно определяют величины геометрических факторов полупространства x_ij, геометрические факторы промежуточных зон находят по величинам радиальных чувствительностей a_ij и величинам x_ij с учетом скважинных условий измерений.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что радиальную чувствительность аппаратуры, измеряющей естественное или нейтронное гамма-излучение горных пород, определяют путем измерений интенсивностей в сухой и заполненной водой скважине при расположении прибора на оси скважины и последующего вычисления по следующей зависимости:
a_ij = - (2/σ_pΔD)·ln[I_ij(X,0)/I_ij(0,0)], (1)
где I_ij /0,0/, I_ij /X, 0/ показания (имп/мин) i-го канала аппаратуры в j ой модели в сухой и заполненной водой скважинах при расположении прибора в центре скважины;
б_р электронная плотность флюида заполняющего модель; г/см³;
ΔD разность диаметров скважины и прибора, см.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что радиальную чувствительность скважинной аппаратуры, измеряющей интенсивность рассеянного гамма-излучения искусственного происхождения, определяют путем измерения интенсивностей гамма-излучения на метрологических образцах с имитатором глинистой корки и последующего вычисления по следующей зависимости:
a_i= -(1/T)·ln[(σ^*_i-σ)/(σ_Δ-σ)] (2);
σ^*_i = σ_o-(1/S_i)·ln(I_i) (3),
где σ^*_i- эффективные плотности, г/см³;
σ плотность метрологического базового образца, в котором проведены измерения с имитатором корки, г/см³;
s_D средняя плотность г/см³ промежуточной зоны (имитатора глинистой корки) толщиной h_Δ[см], T = σ_Δ·h_Δ массовая толщина этой зоны, г/см²;
S_i чувствительность аппаратуры к плотности, см³/г;
I_i текущие показания i-го зонда в метрологическом образце базовом с плотностью s с имитатором глинистой корки, нормированные на показания в метрологическом образце базовом с плотностью s_o.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что геометрический фактор полупространства определяют путем измерения интенсивностей гамма-излучения в сухой и заполненной водой скважине при расположениях прибора на оси и стенке скважин и последующего вычисления по следующей зависимости:

где I_ij (0,0), I_ij (X,0) показания i-ого канала аппаратуры в j-ой модели в сухой и заполненной водой скважинах при расположении прибора в центре скважины, имп/мин, I_ij (X, 1), I_ij (0,1) то же при расположении прибора на стенке скважины, имп/мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3