CC BY
318
МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕПРИЖИМНОГО ПРИБОРА ГГКП В МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗЦАХ
Марат Шаукатович Урамаев
НГУ, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, магистрант, тел. 8923-177-70-27, e-mail: uramaevmsh@gmail.com
Александр Александрович Власов
ИНГГ СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник, e-mail: vlasovaa@ipgg.nsc.ru
В статье описан неприжимной прибор плотностного гамма-гамма каротажа, разработанный НПП ГА «Луч», и представлены результаты компьютерного моделирования прибора в метрологических образцах (SiO2, CaCO3, H2O) с помощью Geant4.
Ключевые слова: скважинный каротаж, плотностной гамма-гамма метод,
неприжимной прибор, численное моделирование, Geant4.
NON-PRESSING GAMMA-GAMMA DENSITOMETER SIMULATION IN METROLOGICAL SAMPLES
Marat Sh. Uramaev
Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova, student, tel. 8923-177-7027,
e-mail: uramaevmsh@gmail.com Alexander A. Vlasov
A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, 630090, Russia, Novosibirsk,
3 Koptuga, Junior Researcher, e-mail: vlasovaa@ipgg.nsc.ru
The article describes the construction of non-pressing gamma-gamma densitometer (prod. by SPE of geological equipment “LOOCH”). There are the results of non-pressing tool computation simulation into metrological samples (SiO2, CaCO3 and H2O) with the help of Geant4.
Key words: well logging, gamma-gamma logging, non-pressing tool, computation simulation, Geant4.
Плотностной гамма-гамма каротаж является важным методом геофизического исследования скважин, поскольку способен дать информацию о таких свойствах среды, как электронная плотность и пористость, что очень сложно исследовать, например, с помощью электромагнитных методов. Важным моментом в проведении гамма-гамма каротажа является необходимость прижатия прибора к стенке скважины с целью максимального проникновения излучения в породу. Такой подход объясняется контрастностью плотностей бурового раствора и глинистой корки скважины, и с целью избежать «засветки» детекторов гамма квантами, прошедшими через скважину и не попавшими в пласт, прибегают к использованию прижимных механических конструкций. Такой способ имеет
повышенную аварийность и невозможен при проведении каротажа на трубах и каротажа в процессе бурения.
Прибор, разработанный на НПП ГА «Луч» [1], имеет следующее строение (рис. 1). Источник гамма квантов расположен в центре и имеет 5 коллимационных окон, симметрично направленных в разные стороны через каждые 72 градуса. Над каждым коллимационным окном расположены по паре детекторов (длинный и короткий зонды, как и в прижимном приборе). Основная идея такой конструкции заключается в том, что в каждый момент времени прибор лежит на стенке скважины и одна из пяти пар детекторов является прижатой. Таким образом, можно проводить интерпретацию по детекторам, зарегистрировавшим наименьший счет. Данный прибор не нуждается в прижимных конструкциях, что снижает аварийность системы. Одним из существенных недостатков неприжимного прибора является ряд серьезных допущений, которые снижают качество интерпретации. Так, например, значительное влияние на показания прибора оказывают гамма кванты, пришедшие из коллимационных окон, направленных внутрь скважины. Также необходимо понимать, что прибор может быть прижат к стенке скважины не одним, а двумя детекторами, или может быть не прижат вовсе. Таким образом, важным шагом в исследовании эффективности такого прибора является выявление зависимости показаний детекторов от эксцентриситета (положения относительно оси скважины) и угла вращения прибора вокруг собственной оси.
Коллимационные окна
Рис. 1. Схема конструкции неприжимного прибора ГГКП
Моделирование методом Монте-Карло и СеаП;4.
Одним из способов исследования такого прибора является компьютерное моделирование. Исследования переноса гамма квантов в веществе могут быть проведены с помощью метода Монте-Карло [2]. Суть заключается в многократном численном воспроизведении поведения частиц в среде на основе случайных вероятностных процессов и сбором статистических данных. Для полноценной имитации процесса переноса гамма квантов в среде с достаточно высокой точностью требуется воспроизведение большого числа траекторий. По этой причине моделирование одного запуска реального прибора может длиться продолжительное время.
Существует несколько программных средств для компьютерного моделирования. Одним из таких является программный продукт Geant4, разработанный программистами из CERN и применяемый для моделирования прохождения элементарных частиц через вещество [3]. В данной работе было принято решение использовать именно этот набор библиотек. Удобство применения Geant4 для моделирования неприжимного прибора ГГКП объясняется его возможностью задавать сложные геометрические конструкции.
Экспериментальные образцы
Физический эксперимент по калибровке прибора производился в четырех типах сред: вода, SiO2 с 18,9% содержанием воды, SiO2 с 33,8% содержанием воды, CaCO3 с 0,8% содержанием воды. В метрологические кубы, имитирующие скважину, наполненную водой и пласт с соответствующим составом, опускался прибора и прижимался к стенке каждой парой детекторов поочередно. Таким образом, каждая из пяти пар побывала в положении, когда она прижата к стенке скважины.
Результаты моделирования
Моделирование проводилось с помощью программных библиотек Geant4. Была воспроизведена подробная геометрия прибора и рассчитаны показания детекторов в соответствующих типах сред. На гистограммах приведены отношения показаний ближнего детектора к дальнему и отношение экспериментальных данных и данных моделирования (рис. 2, 3, 4, 5).
Показания в воде
3,8
Показания
эксперимента среднее по 5ти детекторам
Показания
моделирования
Позиция
1
2
3
4
5
Рис. 2. Отношения показаний детекторов в воде. Эксперимент и моделирование
Показания в песке (33.8% воды)
12
11
10
9
8
7
6
5
4
Г7
г | ш
II
■■ >. II
і і і
11 детектор
2 детектор
3 детектор
4 детектор
5 детектор Среднее значение
I Моделирование
Позиция
1
2
3
4
5
Рис. 3. Отношения показаний детекторов в песке с содержанием воды 33.8%.
Эксперимент и моделирование
Показания в песке (18.9% воды)
18
16
14
12
10
8
6
4
1 детектор
2 детектор
3 детектор
4 детектор
5 детектор Среднее значение Моделирование
Позиция
1
2
3
4
5
Рис. 4. Отношения показаний детекторов в песке с содержанием воды 18.9%. Эксперимент и моделирование
Также приведены погрешности моделирования для каждой пары детекторов в разных средах (отношения ближнего к дальнему) (рис. 6). По оси абсцисс отложены номера позиций, в которых побывал каждый детектор при эксперименте. Номер 1 соответствует положению, когда детектор прижат к стенке, номера 3 и 4 - положениям, направленным в скважину. Вращение прибора при калибровке в воде не проводилось из соображений симметрии системы.
Таким образом, в первой позиции отношение показаний ближнего детектора к дальнему имеют наибольшее значение, потому что среда, через которую проходят гамма кванты является более плотной, чем для детекторов, направленных в скважину. Также из-за того, что плотность пласта выше плотности скважины, вероятность попадания в прижатый детектор ниже, чем в остальные. Именно поэтому погрешности моделирования прижатых детекторов ниже, чем у детекторов направленных в скажину.
Показания в мраморе (0.8% воды)
20
18
16
14
1 детектор
2 детектор
3 детектор
12 4 детектор
10 5 детектор
Среднее значение Моделирование
Позиция
8
6
4
1
2
3
4
5
Рис. 5. Отношения показаний детекторов в мраморе. Эксперимент и моделирование
Погрешность моделирования
0,1
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
I Вода
Песок 18,9%
Песок 33,8%
Мрамор
0,8%
5 Позиция
1
2
3
4
Рис. 6. Погрешность моделирования
Отклонение результатов моделирования и эксперимента не превышает 10% и точность может быть увеличина за счет проведения большего числа испытаний во время моделирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. НПП ГА «Луч». Режим доступа <www.looch.ru>
2. Алгоритмы Монте-Карло в ядерной геофизике. Хисамутдинов А. И., Стариков В. Н. Морозов А. А., -Новосибирск: Академия Наук СССР Сибирское отделение, Изд-во «Наука»,1985.
3. Geant4. Режим доступа <www.geant4.web.cern.ch>
© М. Ш. Урамаев, А. А. Власов, 2014
