CC BY
99
Л.Н. Воронков, В.А. Лифантьев, Р.И. Юсупов, В.В. Баженов, Д.И. Киргизов
АО "Татнефтегеофизика ", г. Бугульма ntung@vkptus. т
НОВЫЕ ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АППАРАТУРЫ АИНК36-3Ц ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАЗРАБОТКИ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СКВАЖИН
Управляемые импульсные источники нейтронов (генераторы нейтронов) широко используются при геофизических исследованиях нефтяных и газовых скважин для решения различных геолого-промысловых задач. Рассматриваемый в докладе аппаратно-программный комплекс (АПК) предназначен для каротажных исследований продуктивных нефтегазосодержащих горных пластов с целью оценки их текущей нефтенасы-щенности, определения водонефтяного контакта, определения интервалов обводнения в добывающих скважинах и оценки удельных расходов воды в нагнетательных скважинах. Сверхминиатюрный каротажный зонд диаметром 36 мм реализует импульсный нейтронный гамма каротаж (ИНГК) тремя детекторами гамма-квантов (у-квантов) и нейтронно-активационный каротаж у-квантов. Благодаря оригинальной геометрии зонда, с использованием рассматриваемого АПК удается в добывающих и нагнетательных скважинах выявлять встречные потоки водосодержащих флюидов и оценивать их интенсивности (расходы).
1. Введение
Импульсные источники нейтронов, выполненные в виде каротажных зондов, начиная с 60-х годов широко используются при каротаже нефтяных и газовых скважин. Обычно они являются основой каротажных зондов ИНК, в которых используются, как правило, 2-х детекторные установки для регистрации временных спектров у-квантов радиационного захвата тепловых нейтронов.
После обработки этих временных спектров получают нейтронные параметры исследуемого продуктивного пласта:
X - макросечение поглощения тепловых нейтронов;
L3 - длину замедления быстрых (14 МэВ) нейтронов;
Д - коэффициент диффузии тепловых нейтронов.
Так как нейтронные параметры контролируются соответствующими петрофизическими параметрами, а именно, X - нефтенасыщенностью (при достаточной минерализации пластовой воды), L3 и Д - общей пористостью пласта, то при измерении нейтронных параметров определяют общую пористость и нефтенасыщенность продуктивного пласта.
Рис. 1. Режимы измерения аппаратуры АИНК36-3Ц.
Второе полезное использование каротажного зонда на основе импульсного источника нейтронов - нейтронно-активационный каротаж, прежде всего, регистрация наведенной активности ядер кислорода (КНАМ). Этот метод с конца 60-х годов используется для определения интервалов обводнения в нефтедобывающих скважинах и выявления возможных заколонных перетоков воды к интервалам перфорации.
Разработанный в 1999 г. АПК АИНК36-3Ц (аппаратура импульсного нейтронного каротажа с каротажным зондом диаметром 36 мм, содержащим три детектора у-излучения), который рассматривается в настоящей статье, оптимально реализует КНАМ и на достаточно современном уровне - ИНГК.
2. Режимы работы АИНК36-3Ц
Аппаратура АИНК36-3Ц функционирует в одном из трех режимов (рис. 1), выбираемых оператором каротажной лаборатории:
а) режим ИНК;
б) режим ГК;
в) режим работы в точке по определению перетоков.
Этот режим отличается от предыдущих тем, что здесь
совмещены оба режима работы. Оператор определяет время работы нейтронной трубки, а также длительность временных окон суммирования и количество циклов повторения замеров, т.е. по сигналу с бортового компьютера на время, заданное оператором, подается питающее напряжение по 3 жиле (НГК). Затем оно снимается (ГК) и в зависимости от длительности выбранного временного окна (0,1^0,9 с) происходит регистрация информации в 60 временных окнах с выводом на экран монитора. В зависимости от полученных результатов, оператор, варьируя длительностью работы нейтронной трубки, длительностью временного окна и количеством циклов регистрации, добивается получения качественной информации о скорости движения жидкости в колонне и заколонных перетоков.
3. Физические и технологические принципы использования АПК АИНК36-3Ц
3.1. Определение общей пористости и нефтенасы-щенности по ИНГК
Как рассматривалось выше (см. Раздел 2), в аппаратно-программном комплексе АИНК36-3Ц используется импульсный источник нейтронов, обеспечивающий "вспышки" быстрых (14 МэВ) нейтронов длительностью 1-2 мкс с периодом повторения 50 мс. В интервале времен от 100 до ~ 3000 мкс измеряются временные спектры g-излучения радиационного захвата, зарегистрированные детекторами Д1 и Д2. Затем, используя математическую гипотезу вида:
г
N,(г) = а]¥,, х ехр(--) + ас . х ехр(--),
=1,2 (1)
Рис. 2.
Графики
зависимости
счёта гамма-
квантов от
расхода
жидкости.
36
32
28
24
20
12
Т
Т
4.2
3.8
3.4
3.0
2.6
1.3
1.4
1.0
-*
МрбО N0(60. У=0)
МрЗС / Но(ЗС . У=0)
/
О, куб/с ут
20
60
60
100 120
где а№Г тт - соответственно амплитуда и время жизни скважинной компоненты для г-го детектора;
а ., Т . - то же для пластовой компоненты, определяют времена жизни пластовой компоненты т 1 и Тс 2.
При обработке результатов измерений график зависимости Т от глубины для прямого зонда (зонд 60) можно получить следующим образам. Произвести соответствующий сдвиг по глубине к одной точке записи исходных данных (счета) по прямому и обратному зонду (зонд 60 и зонд 60 обратный). И по полученным данным произвести расчёт Т. Поканальное сложение данных прямого и обратного зондов 60, приведённых к одной точке записи, эквивалентно увеличению объёма сцинциляци-онного детектора примерно в два раза. Изменение технологии регистрации и обработки позволяет повысить точность определения Т и, соответственно, связанных с ним петрофизических параметров пласта-коллектора.
Затем по известным алгоритмам определяют общую пористость и нефтенасыщенность.
А1
нейтронная вспышка
активационный эффект/
Б1
1-ый детектор у-квантов
Б2
2-ый детектор у -квантов
8
Источник нейтронов Б3
3-ый детектор у -квантов
Рис. 3. Измерение встречных потоков методом КНАМ в нагнетательной скважине.
3.2. Определение расходов воды и перетоков ее за колонной в нефтяных добывающих и нагнетательных скважинах по кислородному нейтронно-активацион-ному методу (КНАМ)
При облучении быстрыми нейтронами сред, содержащих кислород 16О, в результате реакции 16О(пр)16К образуется искусственная радиоактивность. Порог реакции равен 10.2 МэВ, период полураспада изотопа 16К равен 7.35 сек. В результате бэта-распада ядер азота 16К испускаются гамма-кванты с энергией 6.13 МэВ и 7.10 МэВ.
Если путем временной селекции (блокировки входа временного канала в интервале времен от 0 до 6 мс относительно импульса посылки быстрых нейтронов) исключить возможность регистрации жесткого гамма-излучения радиационного захвата и регистрировать гамма-кванты с энергией более 3 МэВ, то регистрируемое гамма-излучение будет полностью обусловлено активационным эффектом на ядрах 16О.
Кислородный активационный эффект, регистрируемый детектором гамма-квантов, расположенным на некотором расстоянии от источника нейтронов, зависит от этого расстояния и очень сильно от скорости движения активируемой среды, которая движется по направлению от источника к детектору отностительно прибора. Графики зависимости относительного счёта гамма-квантов от расхода жидкости на разных детекторах показаны на рис. 2.
Величина активационного эффекта, регистрируемого каждым зондом в аппаратуре АИНК36-3Ц прямо пропорционально зависит от интегрального потока нейтронов, излучаемых генератором. Для того, чтобы исключить влияние нестабильности потока нейтронов на измерения активацион
ных эффектов, в качестве параметров интерпретации можно выбрать отношения активационных эффектов, зарегистрированных детекторами Д1, Д2, Д3:
^(60)/ТС(30);
П 1,2 =
П23 =
N(30)/N(-60);
N13 = N(60)/N(-60).
Эти параметры также очень чувствительны к скорости движения воды в колонне нефтяной скважины. Так, если прибор расположен на стенке колонны с внутренним диаметром 127 мм (5"), то динамический диапазон П12 в интервале расходов воды от 5 до 60 м3/сут. составляет ~ 6. В том случае, если регистрируемый активаци-онный эффект на обоих зондах обусловлен, в основном, движущимся кислородом, существует аналитическая связь между параметром п1 2 и расходом Q:
= е(60)/е(30) exp - a/Q (4)
или
ln n12 = - a/Q + ln e(60)/ e(30) (5) где e(60) и e(30) - эффективности детекторов зондов 60 и 30 см, соответственно,
a = XxAZxS, X - постоянная распада 16N, равная 0,1 с-1,
AZ - расстояние между детекторами, равное 30 см,
S - сечение, через которое происходит движение жидкости.
Зависимость ln n 12 (1/Q) хорошо приближается линейной, т.е. Inn = a/Q + b, при расходах более 12 м3/сут, причем параметр а для данного диаметра колонны 5" составляет 30,15 м3/сут. и является
постоянным для аппаратуры, тогда как параметр b зависит, в основном, от установки энергетических порогов дискриминации.
Рассмотренная выше "равновесная" модификация кислородного нейтронно-активационного метода КНАМ может быть реализована как при каротаже со скоростью движения каротажного зонда 30^120 м/час, так и при измерениях на точках. Эта модификация имеет чувствительность к расходу воды в колонне (5") - 3 м3/сутки и к расходу за колонной - 0.7 м3/сутки. Недостатки этой модификации КНАМ:
- небольшая верхняя граница измерений расхода, составляющая 70 м3/сутки;
- искаженные оценки при наличии встречных потоков (например, поток вниз в колонне нагнетательной скважины и заколонный переток вверх).
В АПК АИНК36-3Ц реализована также "импульсная" модификация кислородного нейтронно-активационного метода КНАМ. Эта модификация реализуется при измерениях на точках и свободна от недостатков, которыми обладает "равновесная" методика КНАМ.
В частности, "импульсная" модификация КНАМ обеспечивает не только выявление встречных потоков, но и оценку их интенсивностей.
Такие возможности демонстрируются на рисунках 3 и 4. На рис. 3 представлен случай измерения в нагнетательной скважине, когда в интервале исследований имеются два встречных потока воды: нисходящий поток в колонне и восходящий поток в заколонном пространстве в зоне некачественного цементного кольца.
Средняя скорость (У1) и расход нисходящего потока ^ = V1 х Бк) оцениваются по времени прихода максимума активационной метки, регистрируемой детектором Д3 (Т3). Средняя скорость заколонного перетока определяется по времени переноса активационной метки (ДТ) от детектора Д2 к детектору Д1.
нейтронная вспышка
аьгтивэционный эффект/
1-ый детектор у -квантов
Б2
2-ый детектор у -квантов
8
Источник нейтронов Б3
3-ый детектор у-квантов
Рис. 4. Измерение встречных потоков методом КНАМ в добывающей скважине.
Сечение Б , по которому происходит заколонное движение воды, оценивается по интегралам интенсивностей активационных меток Б1 и Б2, т.е. Бн = (Б1, Б2). Вид функции ^ определяется по результатам эмпирической настройки на физических моделях.
Возможен случай измерений в добывающей нефтяной скважине, когда в интервале исследований имеются 2 встречных потока: восходящий водонефтяной поток в колонне и нисходящий поток воды в заколонном пространстве. Средняя скорость движения водной фазы в колонне определяется по времени переноса активацион-ной метки (ДТ) от детектора Д2 к детектору Д1. Доля воды в водонефтяной смеси К определяется как функция интегралов интенсивностей активационных меток Б1 и Б2, ^ = ^ (Б1,Б2). Вид функции ^ устанавливается либо по результатам математического моделирования, либо по результатам эмпирической настройки на физических моделях.
Разработанный комплекс АПК АИНК36-3Ц (аппаратура импульсного нейтронного каротажа с каротажным зондом диаметром 36 мм, содержащим три детектора у-излучения) в настоящее время проходит промышленное опробование на месторождениях нефти Республики Татарстан.
