Способ импульсного нейтрон-нейтронного каротажа

 

Использование: для исследования скважин при поисках, разведке и эксплуатации нефтяных, рудных и угольных месторождений. Сущность изобретения: облучают исследуемую среду импульсным потоком быстрых нейтронов и регистрируют кривые спады потока тепловых нейтронов в функции времени на минимальном 20-30 см и максимальном 60-80 см расстояниях от импульсного источника быстрых нейтронов, рассчитывают длину диффузии, коэффициент диффузии и время жизни тепловых нейтронов. 1 табл.

Изобретение относится к прикладной ядерной геофизике и может быть использовано для исследования скважин при поисках, разведке и эксплуатации нефтегазовых, рудных и угольных месторождений.

Известен способ определения нейтронных параметров (время жизни тепловых нейтронов, длина диффузии, коэффициент диффузии), заключающийся в облучении среды быстрыми нейтронами и измерении потоков тепловых нейтронов на нескольких (обычно 4-6) расстояниях от стационарного источника нейтронов. По результатам измерений рассчитывают нулевой и первый моменты пространственного распределения нейтронов соответственно при m 0 и m 1. В подынтегральной функции N(z)-поток тепловых нейтронов на расстоянии z от источника нейтронов, R эффективный радиус бесконечности. При расчете нейтронных параметров интегрирование осуществляется по радиусу-вектору, совпадающему с осью скважины, с умножением на весовой множитель 4πz², который приводит результаты линейных измерений к сферической геометрии, при этом сама операция интегрирования заменяется суммированием по n измеренным дискретным потокам. Соответственно расчет времени жизни тепловых нейтронов проводится по формуле , где z_i расстояние от n-го детектора до источника нейтронов; τ_э время жизни тепловых нейтронов в эталонной среде; n число точек измерений.

Таким образом, для определения времени жизни тепловых нейтронов необходимо сложить потоки N(z_i) с интенсивностью, возрастающей по квадратичному закону. Длина диффузии /Ld/ выражается через первый и нулевой моменты пространственного распределения тепловых нейтронов. Коэффициент диффузии определяется аналитически по формуле D=L²d/τ (А. С. Школьников, О. С. Барсуков, А.Г. Амурский. Отсчет по теме 96-5/702-81 "Разработка и опробование новых методов количественной оценки при ГИС ядерных параметров горных пород". М. НПО "Нефтегеофизика", ВНИИЯГГ, 1982 первый аналог).

Предложенный способ определения нейтронных параметров горных пород в общем случае применим для исследований однородных сред, что приближенно выполняется в скважинах малого диаметра. В нефтегазовых скважинах, имеющих диаметр более 100-150 мм, и при соотношении диаметра скважины к диаметру скважинного прибора более 1,5 ед. квазиоднородность нарушается, что приводит к большим погрешностям определения искомых нейтронных параметров.

Другой известный способ радиоактивного каротажа заключается в облучении исследуемых сред потоком быстрых нейтронов нескольких стационарных ампульных источников, расстояние которых до детектора тепловых нейтронов возрастает равномерно, а их мощность подбирается так, чтобы суммарный регистрируемый поток был пропорционален соответствующему моменту распределения. То есть в отличие от рассмотренного во втором способе используются источники нейтронов и один детектор (Ю.Б. Давыдов, В.Ф. Кузин. Основы теории и методики опробования медных руд по данным радиоактивного каротажа. Иркутск: Изд. Иркутского университета, 1986, с.11-12 второй аналог).

Возможности этого способа тождественны первому. И здесь основным недостатком является сильное влияние скважины, исключающей возможность высокоточных определений нейтронных параметров горных пород непосредственно в условиях скважин.

Наиболее близким по физической сущности и технической реализации является способ определения нейтронных параметров, состоящий в облучении исследуемой среды импульсным потоком быстрых нейтронов и регистрации кривых спада потоков тепловых нейтронов в функции времени в промежутках между импульсами нейтронов одновременно на двух расстояниях (z₁) от импульсного источника быстрых нейтронов (В. П. Иванишин, С.А. Кантор, В.В. Миллер, А.Б. Спасский, Ю. С. Шимелевич, А.С. Школьников. Современное состояние вопроса о количественном определении нейтронных диффузионных параметров горных пород импульсным нейтронным методом. Состояние и развитие ядерно-географических методов поисков и разведки полезных ископаемых. М. Недра, 1969, с.28-55 прототип).

По результатам измерений рассчитывается временная зависимость отношения плотности нейтронов при двух длинах зондов, используя которую, строят функцию
Затем по построенной функции в асимптотической области определяется тангенс угла наклона зависимости σ²(t), который соответствует величине коэффициента диффузии исследуемого пласта (D_пл. Асимптотическая область зависимости соответствует такой области времени t > t_ас, в которой влияние скважины ослабляется настолько, что вносимое ею в поток нейтронов искажение не превышает заданной величины, например 5-10% Длина диффузии в прототипе определяется значением σ²(t) при t 0, т.е. точкой пересечения зависимостью оси ординат σ²(t=0). Время жизни тепловых нейтронов определяется либо непосредственно по одной из кривых спада потока N(z_i, t) как тангенс угла наклона зависимости в асимптотической области при оптимальном размере зонда, либо по тангенсу угла наклона зависимости γ(t)=t/τ+κ, где k постоянная, не зависящая от t, величина;

где V_o коэффициент, не зависящий от z и очень слабо зависящий от t;
M эффективная "длина замедления" в неоднородной среде.

Для более надежного определения диффузионных параметров длину первого зонда z₁ выбирают минимальной, исходя из конструкции прибора, а второго максимальной, исходя из обеспечения заданной статистической точности измерения потока N(z₂, t). По результатам измерений на физических моделях пластов предложенный способ обеспечивает удовлетворительную точность определения нейтронов диффузионных параметров. Однако в реальных скважинах расхождения между данными каротажа и истинными значениями L_d, D и τ, рассчитанным по химическому составу горных пород, резко возрастают и могут достигать 50 и более процентов. Часто вообще не удается построить линейную зависимость вида σ²(t)=L²+Dt. Отмеченное обусловлено рядом причин и, в частности, приближенной оценкой параметров V_o и М при расчете времени жизни тепловых нейтронов, влиянием скважины, экранирующим влиянием ближней зоны, измерениями в соотношениях нейтронных параметров пласта и скважины и некоторых других факторов. Поэтому, несмотря на фундаментальное теоретическое обоснование физических основ способа (прототипа), он не получил широкого применения в практике промыслово-геофизических работ.

Изобретение решает задачу повышения точности определения нейтронных диффузионных параметров горных пород в условиях скважин. Поставленная задача решается путем облучения исследуемой среды импульсным потоком быстрых нейтронов и регистрации кривых спада потоков тепловых нейтронов в функции времени на минимальном z_o 20-30 см и максимальном z₂ 60-80 см расстояниях от источника нейтронов, соответственно определяемых конструкцией прибора и заданной статистической погрешностью измерения при длине зонда z_m, с последующим расчетом длины диффузии (L_d), коэффициента диффузии (D) и времени жизни (τ) тепловых нейтронов по величине потоков N(z_o, t) и N₂(z_m) и их отношению, определяемых в асимптотической по времени области зависимостей, и отличается тем, что для повышения точности определения нейтронных диффузионных параметров за счет уменьшения влияния скважины дополнительно в интервале z_o-z_m с шагом квантования 5-10 см осуществляют регистрацию в функции времени 3-6 кривых спада потоков тепловых нейтронов, для чего используют многозондовую систему регистрации с 5-8 детекторами тепловых нейтронов, для каждой кривой спада в асимптотической области рассчитывают декременты затухания

где t₁, t₂ первый и второй моменты времени регистрации потока нейтронов;
N(z_i, t₁), N(z_i, t₂) поток тепловых нейтронов, измеряемый на расстоянии z_i, в моменты времени t₁ и t₂,
по величине которых определяют начальные скорости счета

и асимптотические интегральные потоки

затем по значениям N(z_i) рассчитывают нулевой и первый моменты пространственного распределения тепловых нейтронов

соответственно при m 0 и m 1, а нейтронные диффузионные параметры определяют по формулам


D=L²d/τ,
где τ_эт время жизни тепловых нейтронов в эталонной среде;
момент пространственного распределения потока тепловых нейтронов в эталонной среде.

Физическая сущность способа может быть понята из нижеследующего теоретического обоснования. Пространственно-временное распределение плотности тепловых нейтронов от импульсного источника нейтронов в горных породах описывается выражением

где S так называемая "Функция влияния скважины".

Известно (Поляченко А. Л. Кантор С.А. Асимптотическое по времени распределение нейтронов при импульсном нейтронном каротаже. Ядерная геофизика. Гостоптехиздат, 1963), что S _→ 0 при t _→ ∞.. То есть при больших временах задержки регистрируемый поток тепловых нейтронов выходит на асимптоту, что в полулогарифмической системе координат проявляется в виде линейной обратной зависимости от t. В пределах этого интервала влиянием скважины можно пренебречь, а пространственное распределение интегрального (от t=0 до t = ∞) асимптотического потока оказывается тождественным пространственному распределению потока тепловых нейтронов от стационарного ампульного источника.

Для доказательства последнего предложения достаточно проинтегрировать выражение (1) по t в пределах от 0 до ∞:

При выполнении интегрирования воспользуемся известным соотношением (Градштейн И. С. Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М. Физматиздат, 1965, с.1100).

где K_ν(z) модифицированная функция Бесселя порядка n.

Цилиндрические функции, порядок которых равен половине нечетного целого числа, выражаются через элементарные функции. В нашем случае функция Бесселя подсчитывается по формуле

После интегрирования (1) по t с учетом (3) и (4) получаем
N(z)=Q·e^-z/Ld/4πDz. (5)
Это пространственное распределение интегрального асимптотического потока от импульсного источника быстрых нейтронов полностью подобно пространственному распределению потока тепловых нейтронов от точечного стационарного источника тепловых нейтронов.

Тождественность математических моделей пространственного распределения потоков тепловых нейтронов от импульсного и стационарного источника нейтронов является необходимым и достаточным условием для расчета нейтронных диффузионных параметров горных пород через нулевой и первый моменты.

Поскольку в асимптотической области спад потока тепловых нейтронов с хорошей точностью может быть представлен зависимостью
,
то интегральный асимптотический поток может быть найден из соотношения

Для расчетов N(z_i) необходимо знать величину N(z_i, t 0) и λ на n расстояниях от импульсного источника нейтронов. При использовании стационарного источника измерения осуществляются на 5-10 расстояниях. Такую же дискретность измерений можно принять и для предлагаемого импульсного способа. При этом для каждого детектора, расположенного на расстоянии z_i от импульсного источника нейтронов, значение l_i и N(z_i, t 0) могут быть найдены в простейшем случае по измерениям в асимптотической области в моменты времени t₁ и t₂, т.е.

Из системы уравнений


Тогда для интегральных асимптотических потоков расчетная формула примет вид

При известных значениях B(z_i) для каждого из n детекторов, расположенных на расстояниях z_i от импульсного источника нейтронов, расчет нейтронных диффузионных параметров может быть выполнен через нулевой и первый моменты пространственного распределения тепловых нейтронов по формулам

где индекс "эт" относится к эталонной среде с известным временем жизни тепловых нейтронов τ_эт

Для повышения точности определения диффузионных параметров измерения потоков тепловых нейтронов каждым из n детекторов предлагается выполнять в функции времени до полного затухания потока с дискретностью 20-40 мкс. Поскольку время жизни тепловых нейтронов для типичных горных пород не превышает 1000-1200 мкс, то число уровней квантования по времени может быть ограничено 128-64 каналами. При этом кривые спада тепловых нейтронов будут зарегистрированы в интервале от 0 до 2560 мкс. При таком способе регистрации представляется возможным надежно выделить асимптотические области зависимостей N_i(t_i) и таким образом максимально исключить влияние скважины. Кроме того, регистрация информации от каждого из детекторов в виде временных спектров позволяет использовать на стадии предварительной обработки методы фильтрации исходных данных, что существенно повышает точность определения потоков N(z_i, t₁) и N(z_i, t₂), используемых для последующих расчетов детекторов затухания λ_i, начальных скоростей счета N(z_i, t 0) и интегральных асимптотических потоков N(z_i). После фильтрации исходных данных асимптотические области каждой из n кривых спада аппроксимируются линейной зависимостью вида
lnN(z_i,t_i)/N(z_i,t_ac)=λ_i(t_i-t_ac), (14)
где t_ас время задержки, соответствующее началу асимптотической области.

Наиболее достоверное определение λ_i достигается по методу наименьших квадратов, минимизирующего случайные статистические погрешности измерений. По полученным зависимостям (14) выбираются временные интервалы, в которых определяются значения N(z_i, t₁) и N(z_i, t₂). Для обеспечения статистической точности определения λ_i первый временной интервал для определения N(z_i, t₁) выбираются в начале асимптотической области. Второй временной интервал выбирается исходя из условия минимума среднеквадратической относительной погрешности определения λ_i, т.е.
Значения λ_i также могут быть найдены как тангенсы углов наклона зависимостей N(z_i, t_i).

Возможности способа исследованы с макетным образцом аппаратуры импульсного нейтрон-нейтронного каротажа на стандартных образцах пористости и состава. Нейтронные диффузионные параметры образцов рассчитаны по данным химанализа по программе "NERPA", учитывающий начальную энергию нейтронов 14 мэВ, зависимости сечений рассеяния нейтронов на ядрах породообразующих элементов и др. факторы, влияющие на процессы замедления, термализации и диффузии быстрых, промежуточных, надтепловых и тепловых нейтронов.

С целью исключения влияния эффективности детекторов, в качестве которых использовались гелиевые источники типа СНМ-56, измерения временных спадов тепловых нейтронов на расстояниях 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70 и 80 см выполнены с использованием двух счетчиков, работающих в режиме плато. Изменение расстояний до источника осуществлялось смещением счетчиков. По результатам физического моделирования рассчитаны нулевой и первый моменты пространственного распределения потоков тепловых нейтронов в различных средах. В качестве эталонной среды принята пресная вода с временем жизни тепловых нейтронов, равным 215±10 мкс. Результаты испытаний предполагаемого объекта изобретения в сравнении с рассчитанными данными и 2-х зондовой методикой ИННК (прототип) представлены в таблице 1. Анализ табличных данных показывает, что предложенный способ обеспечивает определение нейтронных диффузионных параметров с точностью ±10-15% в средах различного состава при диаметре скважин от 60 до 190 мм. Расхождения базового объекта (прототипа) с расчетными данными удовлетворительные в карбонатных пластах различной пористости для скважин диаметром 190 мм. В физических моделях малого диаметра расхождения достигают 50 и даже 100%
Приведенные данные со всей очевидностью свидетельствуют о преимуществах предложенного способа перед прототипом и др. известными техническими решениями. Для широкого практического внедрения способа необходима разработка специализированной многозондовой аппаратуры с расположением счетчиков на 6-8 фиксированных расстояниях от импульсного источника нейтронов.

Экономический эффект от предложенного способа заключается в возможности количественного определения нейтронных диффузионных параметров горных пород неизвестного элементного состава в скважинах различного диаметра. Это, в частности, создает необходимую предпосылку для определения нефте-, газо- и влагонасыщенности пластов, контроль за которыми имеет чрезвычайно важное значение на стадиях эксплуатации месторождений. Анализ фактических материалов комплексов ГИС, используемых при контроле за разработкой нефтяных месторождений, показывает, что применение предложенного способа может существенно повысить достоверность заключений по обводненности пластов и таким образом сократить дополнительные малоинформативные или трудоемкие методы геофизических исследований скважин.

Формула изобретения

Способ импульсного нейтрон-нейтронного каротажа, заключающийся в облучении исследуемой среды импульсным потоком быстрых нейтронов и регистрации кривых спада потоков тепловых нейтронов в функции времени на минимальном Z₀ 20 30 см и максимальном Z_m 60 80 см расстояниях от импульсного источника быстрых нейтронов, соответственно определяемых конструкцией прибора и заданной статистической погрешностью измерений на расстоянии Z_m, с последующим расчетом длины диффузии (L_d), коэффициента диффузии (D) и времени жизни (τ) тепловых нейтронов по величине потоков N(Z₀,t) и N_z(Z_m,t) и их отношению, определяемых в асимптотической по времени области зависимостей, отличающийся тем, что дополнительно в интервале Z₀-Z_m с шагом квантования 5 10 см осуществляют регистрацию в функции времени 3 6 кривых спада потоков тепловых нейтронов, для чего используют многозондовую систему регистрации с 5 8 детекторами тепловых нейтронов, для каждой кривой спада в асимптотической области рассчитывают декременты затухания

где t₁, t₂ первый и второй моменты времени регистрации потока нейтронов;
N(Z_i, t₁), N(Z_i, t₂) поток тепловых нейтронов, измеряемый на расстоянии Z_i, в моменты времени t₁ и t₂,
по величине которых определяют начальные скорости счета

и асимптотические интегральные потоки за время от 0 до ∞

затем по значениям N(Z_i) рассчитывают нулевой и первый моменты пространственного распределения потоков тепловых нейтронов

соответственно при m 0 и m 1, а нейтронные диффузионные параметры τ, L_d и D по формулам
K

РИСУНКИ

Рисунок 1