Петрофізичі параметри порід-колекторів за узгодженим комплексом стаціонарних нейтронних методів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна

УДК 550.832.5

Петрофізичі параметри порід-колекторів за узгодженим комплексом стаціонарних нейтронних методів

04.00.22 - геофізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Бондаренко Максим Сергійович

Київ 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, м. Київ

Науковий керівник кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Кулик Володимир Васильович

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти доктор геолого-мінералогічних наук, професор

Курганський Валерій Микитович

Київський національний університет ім. Т. Шевченка,

професор кафедри геофізики геологічного факультету

кандидат фізико-математичних наук

Миронцов Микита Леонідович

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України,

старший науковий співробітник

Захист відбудеться «9» листопада 2009 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 при Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680, м. Київ, пр. Палладіна, 32.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680, м. Київ, пр. Палладіна, 32.

Автореферат розісланий «8» жовтня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 доктор геологічних наук М.І. Орлюк

нейтрон каротаж петрофізичний

АНОТАЦІЯ

Бондаренко М.С. Петрофізичні параметри порід-колекторів за узгодженим комплексом стаціонарних нейтронних методів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна Національної академії наук України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена розробці нових підходів до вивчення петрофізичних параметрів колекторів в розрізі необсаджених і обсаджених нафтогазових свердловин за допомогою узгодженого комплексу стаціонарних нейтронних методів. Комплекс складається з узгоджених компонентів за повільними і надтепловими нейтронами та компонента за кадмієвою різницею, що отримується програмним шляхом.

Запропоновано нові способи для виділення колекторів і визначення їх петрофізичних параметрів, зокрема, пористості, характеру насичення і коефіцієнта нафтонасиченості.

Розроблено принципові положення інтерпретаційно-методичного забезпечення апаратурного втілення нового комплексу і показано його переваги над серійною апаратурою.

Ключові слова: узгоджений комплекс стаціонарних нейтронних методів, компоненти за повільними і надтепловими нейтронами і за кадмієвою різницею, колектор, пористість, характер насичення, коефіцієнт нафтонасиченості.

АННОТАЦИЯ

Бондаренко М.С. Петрофизические параметры пород-коллекторов по согласованному комплексу стационарных нейтронных методов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Институт геофизики им. С.И. Субботина Национальной академии наук Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена исследованию петрофизических параметров коллекторов в необсаженных и обсаженных скважинах согласованным комплексом стационарных нейтронных методов, разработанном в Украине. Комплекс состоит из согласованных по длине зондов и по детектирующим системам компонентов 2ННКм и 2ННКнт - по медленным (в традиционной терминологии - тепловым) и по надтепловым нейтронам. Такое согласование позволяет программным путем получить третий компонент 2ННКDCd - по кадмиевой разности (близкой к скорости счета чисто тепловых нейтронов). С помощью этого компонента реализовано разработанный в ИГФ НАНУ способ двухканальной интегральной нейтронной спектрометрии, который расширяет возможности нейтронного каротажа при решении задач, связанных с характером насыщения.

На основе теоретических расчетов, экспериментальных измерений в физических моделях пластов горных пород и опытно-методических измерений в нефтегазовых скважинах показаны преимущества аппаратурного воплощения согласованного комплекса стационарных нейтронных методов - прибора СНК-89, над серийной аппаратурой нейтронного каротажа (прибор СРК-89), которые позволяют расширить информативность, область применения и повысить точность нейтронного каротажа.

Разработаны основные положения интерпретационно-методического обеспечения прибора нового типа СНК-89, который обладает расширенным набором интерпретационных параметров и улучшенными геофизическими характеристиками: увеличенной глубинностью исследования, большей чувствительностью к искомым петрофизическим параметрам (в частности, к пористости и нефтегазонасыщенности), повышенной скоростью счета нейтронов, меньшей реакцией на скважинные факторы.

Предложены новые способы определения петрофизических параметров коллекторов и подтверждена возможность их практической реализации.

- Способ определения общей пористости глинистых горных пород в обсаженных и необсаженных скважинах с помощью комплекса нейтронного и гамма-каротажа. Суть способа заключается в том, что общую пористость глинистых горных пород определяют исключительно при помощи комплекса нейтронного и гамма-каротажа (без использования значения водородного индекса глинистых минералов гл), применяя мультипликативную форму двух множителей, одним из которых является «нейтронная» пористость, а другим - поправка за глинистость на основе гамма-каротажа. Возможность обходиться без сведений о минеральном составе глинистого материала повышает оперативность и достоверность определения общей пористости и понижает стоимость работ.

- Способ одновременного определения пористости и коэффициента нефтенасыщенности коллекторов при помощи нейтронного каротажа. Суть способа заключается в том, что определение пористости осуществляется с помощью отношения показаний двух зондов одного из компонентов комплекса, а характера насыщения и коэффициента нефтенасыщенности (при данной пористости) - с помощью новых интерпретационных параметров - кадмиевой разности и кадмиевого отношения. Кадмиевая разность фактически дает скорость счета чисто тепловых нейтронов, которая наиболее чувствительна к содержанию аномального поглотителя - хлора, содержащегося в минерализованной воде и отсутствующего в нефти. Кадмиевое отношение есть отношение скорости счета надтепловых нейтронов к кадмиевой разности, пропорционально макроскопическому сечению поглощения тепловых нейтронов, которое, в свою очередь, линейно зависит от концентрации аномального поглотителя во флюиде. Способ позволяет увеличить дифференциацию горных пород по коэффициенту нефтенасыщенности, повысить чувствительность нейтронного каротажа к этому параметру, а значит и точность его определения.

На материалах скважинных исследований с использованием способа кросплотов:

- показана возможность с помощью согласованного комплекса стационарных нейтронных методов оценивать литологию, выделять коллекторы, разделять газоносные и водоносные пласты;

- установлено, что сопоставление пористости пластов, полученной с использованием прибора нейтронного каротажа нового типа, и пористости по акустическому каротажу, благодаря разной физической основе методов, позволяет различать пласты по типу пористости, оценивать характер насыщения коллекторов, повысить достоверность определения пористости.

Ключевые слова: согласованный комплекс стационарных нейтронных методов, компоненты по медленным и надтепловым нейтронам и по кадмиевой разности, коллектор, пористость, характер насыщения, коэффициент нефтенасыщенности.

SUMMARY

Bondarenko M. S. Petrophysical parameters of reservoirs by the conforming complex of stationary neutron methods. - Manuscript.

Dissertation for a candidate degree in Geology. Speciality 04.00.22 - Geophysics - Subbotin Institute of geophysics of the National academy of sciences of Ukraine, Kiev, 2009.

The dissertation is devoted to development of the new approaches to determination of petrophysical parameters of reservoirs in section of open and cased boreholes with the help of the conforming complex of stationary neutron methods. Complex consists of conforming components on slow and epithermal neutron, and of software-programmable component on cadmium difference.

New methods of discrimination of reservoirs and determination its petrophysical parameters, in particular, fluid saturation, porosity, coefficient of oil saturation are offered.

The basic positions of interpretation-methodical software of hardware embodiment of the conforming complex are developed. It is shown its advantages above the commercial tool.

Key words: conforming complex of stationary neutron methods, components on slow and epithermal neutron and on cadmium difference, reservoir, porosity, fluid saturation, coefficient of oil saturation.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Незважаючи на значні фінансові і кадрові ресурси, що задіяні в розробці і впровадженні нових і вдосконаленні відомих методів геофізичних свердловинних досліджень (ГСД), підвищення інформативності і ефективності каротажу, достовірності визначення петрофізичних параметрів колекторів залишається актуальною проблемою. При цьому сучасні методи ГСД і методики їх інтерпретації переважно складні і дорогі, вимагають високого рівня кваліфікації персоналу.

Стаціонарний нейтрон-нейтронний каротаж (НК) є відносно простим і ефективним методом ГСД та входить до складу обов'язкового комплексу методів дослідження розрізу нафтогазових свердловин.

Однак потенційні можливості НК розкриті недостатньо і використовуються не повністю. Тут можливе не лише вдосконалення апаратури і відповідного інтерпретаційно-методичного забезпечення, але і створення нових способів і пристроїв для їх здійснення. Особливо актуальною така задача стає у зв'язку зі зростаючими потребами дослідження розрізу обсаджених свердловин, де неможливе застосування електричних методів ГСД.

Дисертаційна робота базується на новому підході до НК - використанні узгодженого (за довжиною зондів і детектуючими системами) комплексу НК, який складається з трьох компонентів: двозондового нейтрон-нейтронного каротажу за повільними нейтронами (2ННКп), двозондового нейтрон-нейтронного каротажу за надтепловими нейтронами (2ННКнт) і отримуваного програмним шляхом двозондового нейтрон-нейтронного каротажу за кадмієвою різницею (2ННКDCd). Узгоджений комплекс НК реалізовано за допомогою приладу нового типу, запропонованого в Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України (ІГФ НАНУ) і розробленого спільно з ЗАТ «Київський завод «Геофізприлад».

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дослідження за темою дисертації виконані у відділі математичної геофізики ІГФ НАНУ в рамках 2-х держбюджетних тем НАН України: «Теоретичне обґрунтування і методично-інтерпретаційне забезпечення нових модифікацій нейтронних методів дослідження нафтогазових свердловин» 2001-2005 рр. (№ ДР 0101U000289) і «Визначення петрофізичних властивостей колекторів нафти і газу за допомогою нових модифікацій нейтронних методів свердловинних досліджень» 2006-2008 рр. (№ ДР 0106U000918); 3-х науково-технічних інноваційних проектів: «Технологічний комплекс для інтенсифікації видобутку енергоносіїв. Розділ: Розробка багатозондового приладу нейтронного каротажу і відповідного інтерпретаційно-методичного забезпечення для визначення петрофізичних параметрів колекторів нафти і газу» 2005 р. (№ ДР 0105U006534), «Апаратурно-методичний комплекс для геофізичних досліджень колекторів нафти і газу в обсаджених свердловинах» 2006 р. (№ ДР 0106U006304) і «Нова апаратура нейтронного і акустичного каротажу для дослідження нафтогазових свердловин та її інтерпретаційно-методичне забезпечення» 2007 р. (№ ДР 0107U005193).

Мета дослідження - розробка нових підходів до вивчення петрофізичних параметрів колекторів (літологія, пористість, характер насичення, коефіцієнти нафто- і газонасиченості) в розрізі необсаджених і обсаджених свердловин узгодженим комплексом стаціонарних нейтронних методів (також в комплексі з іншими методами ГСД); розширення інформативності, області застосування і підвищення точності НК.

Задачі дослідження:

- аналіз існуючих модифікацій НК і способів інтерпретації;

- розрахунок і аналіз нейтронних параметрів і швидкості лічби нейтронів 3Не-детектором у основних літотипах з різними пористістю і флюїдонасиченням;

- розробка нових способів визначення петрофізичних параметрів пластів з використанням приладу НК нового типу (також в комплексі з іншими методами ГСД);

- розробка основних положень інтерпретаційно-методичного забезпечення для приладу НК нового типу;

- інтерпретація і аналіз каротажу нафтогазових свердловин серійним приладом і приладом НК нового типу (зокрема у комплексі з іншими методами ГСД) з метою визначення літології, пористості і характеру насичення колекторів.

Об'єкт дослідження - гірські породи в розрізі нафтогазових свердловин.

Предмет дослідження - петрофізичні властивості порід-колекторів: пористість, глинистість, характер насичення (нафта, газ, вода), коефіцієнт нафтогазонасиченості.

Методи дослідження.

Математичне моделювання - розрахунок нейтронних параметрів і швидкості лічби нейтронів 3Не-детекторами на різних відстанях від джерела нейтронів в гірських породах різної літології, пористості і характеру насичення.

Експериментальне вивчення (вимірювання на фізичних моделях пластів гірських порід) геофізичних характеристик приладу, що реалізує узгоджений комплекс стаціонарних нейтронних методів.

Свердловинні вимірювання приладом НК нового типу, порівняння їх з вимірюваннями серійним приладом НК і іншими методами ГСД.

Порівняльний аналіз: 1) характеристик і можливостей приладу нового типу і серійної апаратури нейтронного каротажу за даними експериментальних і свердловинних вимірювань; 2) нових і традиційних способів інтерпретації нейтронного каротажу; 3) результатів інтерпретації НК і інших видів каротажу з метою отримання нових даних про пористість, характер насичення та ін.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше, використовуючи математичне моделювання, експериментальні і свердловинні вимірювання, встановлено розширені можливості і покращені геофізичні характеристики нового комплексу стаціонарних нейтронних методів при дослідженні розрізу нафтогазових свердловин.

2. Запропоновано безкерновий метод визначення загальної пористості глинистих гірських порід в обсаджених і необсаджених свердловинах за допомогою комплексу нейтронного і гамма каротажу (ГК).

3. Запатентовано спосіб одночасного визначення коефіцієнта пористості (за відношенням показань двох зондів повільних нейтронів) і коефіцієнта нафтонасиченості (з використанням нових інтерпретаційних параметрів - кадмієвої різниці і кадмієвого відношення), що значно підвищує інформативність і ефективність НК.

4. Набуло подальшого розвитку комплексування методів нейтронного і акустичного каротажу (АК): запропоновано новий підхід по виділенню газонасичених пластів шляхом побудови кросплотів пористості за НК і АК.

5. Для приладу нейтронного каротажу нового типу, який одночасно реалізує три модифікації НК (за повільними, за надтепловими нейтронами і за кадмієвою різницею), вперше розроблені основні положення інтерпретаційно-методичного забезпечення.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дослідження використовуються при створенні інтерпретаційно-методичного забезпечення нових приладів НК, які ІГФ НАНУ розробляє спільно з ЗАТ «Київський завод «Геофізприлад». Запропоновані підходи індивідуальної (НК) і комплексної (НК + ГК, НК + АК) інтерпретації використовуються в ЗАТ «Укрпромгеофізика» при геофізичних дослідженнях в обсаджених і необсаджених свердловинах Дніпровсько-Донецької западини (ДДЗ). Акти впровадження додаються.

За нашим переконанням, нові прилади нейтронного каротажу, які одночасною реалізують три модифікації НК, завдяки покращеним геофізичним характеристикам, розширеним можливостям і новим способам інтерпретації, прийдуть на зміну використовуваній нині серійній апаратурі НК.

Особистий внесок автора в основні опубліковані роботи за темою дисертаційного дослідження полягають у наступному.

Автор виконав побудову градуювальних залежностей, обробку, інтерпретацію і аналіз результатів каротажу приладом НК нового типу при створенні основних положень інтерпретаційно-методичного забезпечення [1-3, 5-9], приймав безпосередню участь в розробці нових способів і приладів для визначення петрофізичних параметрів пластів за допомогою нейтронного каротажу, а також в підготовці відповідних патентів і формул винаходів [8, 9].

В роботах [2, 5, 8] здобувачем особисто проведено теоретичні розрахунки нейтронних параметрів і швидкості лічби нейтронів для приладу з узгодженими зондами повільних і надтеплових нейтронів (за допомогою розроблених в ІГФ НАНУ програм «NEUPAR» и «CORA») і виконано відповідний аналіз результатів.

За участю дисертанта проведено вимірювання новим і серійним приладами НК на фізичних моделях пластів, виконана обробка і аналіз експериментів [2, 3, 8]. Дисертант також брав участь в моніторингових геофізичних дослідженнях радіоактивними методами в Національному заповіднику «Софія Київська» [4].

На основі дослідно-методичних вимірювань в нафтогазових свердловинах ДДЗ здобувачем показано переваги приладу, який реалізує узгоджений комплекс стаціонарних нейтронних методів, перед серійною апаратурою НК [1, 2, 5, 8, 9].

На базі досліджень, виконаних автором разом з співробітниками ІГФ НАНУ, ЗАТ «Київський завод «Геофізприлад» і Шебелинської польової промислово-геофізичної партії (ЗАТ «Укрпромгеофізика»), обґрунтовано і реалізовано в приладі СНК-89 узгоджений комплекс стаціонарних нейтронних методів для вивчення петрофізичних параметрів колекторів в розрізі нафтогазових свердловин. Прилад пройшов дослідно-методичні випробування і переданий на виробництво.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи на окремих етапах її виконання доповідались на

V-VIII Міжнародних наукових конференціях «Моніторинг небезпечних геологічних процесів і екологічного стану середовища» (Київ, 2004-2007 рр.);

III Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми природокористування, сталого розвитку і техногенної безпеки регіонів» (Дніпропетровськ, 2005 р.);

VII Науково-практичній конференції Міжнародної Асоціації країн СНД з науково-технічного і ділового співробітництва з геофізичних досліджень і робіт в свердловинах («АИС», штаб-квартира в м. Твер, Росія) «Нові технології і техніка дослідження нафтогазових свердловин. Інформаційне забезпечення розвідки і добування» (Київ, 2008 р.);

21-й Міжнародній конференції Комітету з даних для науки і техніки (CODATA, штаб-квартира в м. Париж, Франція) «Наукова інформація для суспільства: від сьогодення в майбутнє» (Київ, 2008 р.).

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 16 наукових робіт, в т.ч. 7 статей в спеціалізованих наукових журналах, 7 матеріалів наукових конференцій і отримано 2 патенти.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків і списку використаних джерел, що налічує 146 найменувань. Загальний обсяг дисертації - 178 с., включаючи 55 рисунків, 11 таблиць і 2 додатки; додатки, рисунки і таблиці, що повністю займають площу сторінки, а також список використаних джерел займають 68 с.

Автор щиро вдячний науковому керівнику, провідному науковому співробітнику ІГФ НАНУ, кандидату фізико-математичних наук, старшому науковому співробітнику В.В. Кулику за постановку задач, постійну увагу і підтримку при виконанні роботи.

Автор вдячний провідному науковому співробітнику ІГФ НАНУ, доктору геолого-мінералогічних наук, старшому науковому співробітнику С.Т. Звольському за корисні поради в процесі роботи над дисертацією, головному геологу ЗАТ «Укрпромгеофізика», кандидату геологічних наук Г.О. Кашубі і голові правління ЗАТ «Київський завод «Геофізприлад» В.В. Кармазенку за співробітництво і неодноразове обговорення результатів досліджень, а також провідним інженерам Т.М. Гусак і О.В. Іваненко, інженеру І категорії Ю.О. Сніжку за допомогу в окремих питаннях.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, формулюються мета і задачі роботи, визначаються предмет і об'єкт наукового дослідження, висвітлюється наукова новизна отриманих результатів, їх практичне значення, описано особистий внесок здобувача, наведено дані про апробацію дисертаційної роботи, подана її структура.

В першому розділі проведено короткий огляд основних методів, які використовуються для визначення пористості, характеру насичення і коефіцієнту нафтогазонасиченості пластів в розрізі як необсаджених (НС) так і обсаджених свердловин (ОС): акустичного каротажу, імпульсних нейтронних методів каротажу, стаціонарного нейтрон-нейтронного каротажу.

Визначення коефіцієнта міжзернової пористості було першою задачею ГСД, яку почали розв'язувати за допомогою акустичного каротажу, застосовуючи при цьому запропоноване Wyllie та ін. рівняння середнього часу для поздовжньої хвилі. Вплив глинистості, яка може суттєво знижувати швидкість хвилі, враховують розширенням рівняння середнього часу, в яке входять також коефіцієнт глинистості kгл та інтервальний час розповсюдження хвилі у глинистому мінералі Дtгл, або за формулою Шлюмберже, в яку входить інтерпретаційний параметр методу самочинної поляризації бПС. Останній спосіб дозволяє обходитися без величин kгл і Дtгл.

Нафто- і газонасиченість завищують пористість kп за акустичним каротажем, що вимагає введення поправочного коефіцієнту, який у випадку нафтонасиченості складає 0,95, а газонасиченості - 0,7-0,8.

Технологія оцінки характеру насичення і відповідних коефіцієнтів за допомогою АК знаходиться в стадії розробки і впровадження.

Стосовно ОС, то і вітчизняні і закордонні дослідники вважають, що дані АК, отримані через обсадну колону, за сприятливих умов вимірювань відповідають даним НС. Задача дослідження розрізу ОС особливо успішно почала розв'язуватися після появи апаратурно-методичних комплексів нового типу (напр., «АМАК-2»), які дозволяють в повному хвильовому пакеті надійно розділити основні типи пружних хвиль, що розповсюджуються по обсадній колоні і по геологічному розрізу.

Основний фонд діючих свердловин складають свердловини, обсаджені сталевою колоною, тому для оцінки коефіцієнтів змінної і залишкової нафтонасиченості найбільш широко застосовують ядерно-геофізичні методи.

Імпульсний нейтронний каротаж (ІНК) має високу ефективність при визначенні інтервалів обводнення пластів в ОС при значно менших мінералізації пластових вод Спл і пористості kп, ніж для традиційних стаціонарних нейтронних методів.

ІНК служить для вивчення процесу затухання поля теплових нейтронів (модифікація ІННК) або вторинного гамма-випромінювання, (модифікація ІНГК). Визначення нафтонасиченості і пористості здійснюється за основними нейтронними параметрами середнім часом життя і коефіцієнтом дифузії теплових нейтронів.

В останні десятиліття ІНК витісняється спектрометричним методом ІНГК-С (для нафтогазових свердловин в варіанті С/О-каротажу), який в принциповому плані ефективніший за ІНК. Нині у світовій практиці С/О-каротаж вважається основним методом для оцінки змінної нафтонасиченості. Однак С/О-каротаж також має недоліки і обмеження, зокрема, малу глибинність (10-15 см).

В цілому, практики відзначають недостатню і навіть низьку достовірність та помітну відмінність реальних і декларованих можливостей С/О-каротажа.

Стаціонарний нейтрон-нейтронний каротаж входить в обов'язковий комплекс ГСД і широко застосовується на практиці. Прилади НК розробляють світові фірми (Schlumberger, Halliburton, Computalog та ін.), ряд російських організацій.

Ідея застосування методів нейтронної фізики при дослідженні нафтових свердловин висунута Понтекорво Б.М., який реалізував її в фірмі “Well Service inc.” на початку 1940-х років.

В СРСР промислове впровадження НК пов'язане з іменами Лапука Б.Б., Ітенберга С.С., Комарова С.Г., Дахнова В.Н., Флєрова Г.Н.

Одночасно з впровадженням у практику розроблялись теоретичні основи НК (Горшков Г.В., Лятковська Н.М., Булашевич Ю.П., Кантор С.А., а за кордоном W. Russel, H. Fearon).

Зусиллями Кантора С.А., Дядькіна І.Г., Булашевича Ю.П., Кожевнікова Д.А., Поляченка А.Л. та ін., а в Україні в ІГФ НАНУ Козачка І.А. і Кулика В.В., теорія НК була достатньо добре розвинута.

До 1970-х років НК застосовувався у однозондовому варіанті. L.S. Allen, C.W. Tittle та ін. з метою «компенсації» впливу свердловинних факторів запропонували двозондовий варіант НК (1967 р.). Ідеї цих авторів стали основою розробки фірмою «Schlumberger» приладів CNL і DNL.

Перші пропозиції щодо двозондового НК в СРСР належать Барсукову О.А. і Гуліну Ю.А. Пізніше в СРСР було розроблено кілька двозондових приладів: РКС-3, СРК та ін. Найбільш розповсюдженими стали прилади типу СРК, які випускаються до сих пір.

НК в двозондовому варіанті залишається методом пористості, яку визначають за способом компенсаційного нейтронного каротажу (КНК). При цьому параметр інтерпретації А виражається у вигляді:

; де , і = 1, 2, (1)

де Аі - (обернені) відносні показання і-того зонда;

Іі - швидкість лічби нейтронів на і-тому зонді в свердловині;

- швидкість лічби нейтронів на і-тому зонді в баку з водою;

і - номер зонда: і = 1 - менший зонд (МЗ), і = 2 - більший зонд (БЗ).

За заздалегідь встановленою залежністю від параметру А визначається нейтронна пористість . Перехід від нейтронної до загальної пористості kп відбувається шляхом внесення поправок. Останнім часом з'являються роботи, в яких поправочна методика зазнає критики; дослідники (Кожевніков Д.А., Коваленко К.В) розробляють адаптивний підхід до інтерпретації НК.

За сприятливих умов однозондові прилади НК в традиційній модифікації за тепловими нейтронами (фактично за повільними нейтронами) можуть бути використані для розв'язання задач, пов'язаних з характером насичення колекторів.

Імпульсом для подальшого розвитку НК в Україні послужили теоретичні і експериментальні науково-дослідні роботи, виконані в ІГФ НАНУ під керівництвом Кулика В.В. В останні роки співробітництво ІГФ НАНУ з заводом "Геофізприлад" привело до створення ряду зразків апаратури НК нового типу, бази для метрологічного забезпечення приладів НК, розробки нових способів визначення властивостей пластів.

У другому розділі приведені основні положення теорії показань 3Не-детекторів нейтронів при дослідженні нафтогазових колекторів, яка розроблена Куликом В.В. і є обґрунтуванням можливості створення узгодженого комплексу стаціонарних нейтронних методів, а також результати розрахунку і аналізу залежностей основних нейтронних характеристик і інтерпретаційних параметрів методу НК від найважливіших петрофізичних властивостей пластів-колекторів.

В приладах НК використовують переважно 3Не-лічильники, що реєструють нейтрони в результаті реакції 3Не(n, p)3Н. Переріз реакції в тепловій і надтепловій області енергій підлягає закону 1/v (v - швидкість нейтрона), а відкритий 3Не-лічильник реєструє повільні Isl(z) (теплові Ith(z) і надтеплові Iepi(z)) нейтрони:

Isl(z) = Ith(z) + Iepi(z). (2)

Якщо 3Не-лічильник оточити кадмієм, що пропускає надтеплові і поглинає теплові нейтрони, то такий детектор (3Не-лічильник + Сd-фільтр) буде реєструвати лише надтеплові (епікадмієві) нейтрони IepiCd(z).

Для підвищення чутливості НК до нейтронопоглинальної здатності в ядерній геофізиці доцільно ввести модифіковану кадмієву різницю DCd, яка за своїм фізичним змістом в першому наближенні може розглядатися як швидкість лічби теплових нейтронів:

DCd(z) = Isl(z) - IepiCd(z), (3)

а також модифіковане кадмієве відношення NCd:

. (4)

Величина NCd пропорційна макроскопічному перерізу поглинання теплових нейтронів а, який, в свою чергу, лінійно залежить від мінералізації С і, відповідно, від концентрації хлору (аномального поглинача теплових нейтронів).

Модифікована кадмієва різниця є основою способу двоканальної інтегральної нейтронної спектрометрії (ДІНС). Для реалізації способу ДІНС вихідні величини - Isl(z) і IepiCd(z) потрібно отримувати на однакових зондових відстанях z і в однакових умовах вимірювань (тобто узгоджено).

В якості розрахункової моделі автором вибрано пласти водо-, нафто- і газонасиченого пісковику. Розрахунки виконано за допомогою програм «NEUPAR» і «CORA», в якості геометричної моделі вибрано нескінченне однорідне середовище, що містить точкове джерело і циліндричний детектор з реальними характеристиками, розташований торцем до джерела на відстані довжини зонда; розрахунок потоку теплових нейтронів виконано в двогруповому дифузійному наближенні, потоку надтеплових нейтронів - в одногруповому дифузійному наближенні.

Результати проведених автором розрахунків дозволяють вибрати інтерпретаційні параметри НК, що найбільш сприятливі для визначення тієї чи іншої петрофізичної величини. Зокрема:

- для визначення пористості kп доцільно використовувати спосіб КНК за повільними нейтронами;

- для розділення водо - і газонасичених пластів і визначення коефіцієнта газонасиченості kг слід використовувати показання індивідуальних зондів (зокрема, за повільними нейтронами), а також відношення показань зондів;

- для розділення водо - і нафтонасичених пластів слід використовувати показання індивідуальних зондів (зокрема, за кадмієвою різницею і повільними нейтронами);

- для визначення коефіцієнта нафтонасиченості kн краще застосовувати модифіковане кадмієве відношення.

Третій розділ присвячений розробці принципових положень інтерпретаційно-методичного забезпечення нового приладу НК з узгодженими зондами СНК-89.

Обидві традиційні модифікації НК (ННКп і ННКнт) переважно використовують у двозондовому варіанті для визначення kп. Однозондові прилади ННКп можуть бути застосовані, за сприятливих умов, і для визначення нейтронопоглинальної здатності, пов'язаної з характером насичення. Однак розв'язок останньої задачі обмежено через недостатню чутливість методу до мінералізації флюїду.

В напрямку підвищення чутливості показань до концентрації хлору можна використати новий підхід - спосіб ДІНС. Спосіб ДІНС є третьою (після ННКп і ННКнт) модифікацією НК, а саме НК за кадмієвою різницею - ННКDCd. Ця модифікація створюється програмним шляхом.

Всі три модифікації НК були реалізовані в дослідному зразку приладу СНК-89, виготовленому у вигляді двох компонентів: 2ННКп та 2ННКнт. Прилад має наступні особливості:

для реалізації способу ДІНС зонди ННКнт і ННКп узгоджені - повільні і надтеплові нейтрони реєструються у відповідних умовах, зокрема на однаковій довжині зондів і однотипними лічильниками;

глибинність дослідження збільшена шляхом мінімізації об'єму водневмісних екранів в зондовій частині приладу;

швидкість лічби нейтронів підвищено для зменшення статистичної похибки (без збільшення потужності джерела або зменшення довжин зондів).

При випробуваннях нового приладу для порівняння використано серійний прилад СРК-89, який в модифікації за повільними нейтронами 2ННКп (в традиційній термінології - за тепловими нейтронами 2ННКт) широко застосовується на виробництві.

Проведені дослідження показали, що прилад СНК-89 має покращені геофізичні характеристики порівняно з СРК-89. Зокрема, для компоненту 2ННКп:

глибинність дослідження збільшена на 10 - 20 % (в залежності від kп);

чутливість параметра інтерпретації А до kп на 25 % вища;

швидкість лічби в прісній воді на більшому зонді в 3 рази вища;

відповідно відносна статистична похибка в 1,6 рази менша;

менша реакція приладу на зміну свердловинних факторів.

Компонент 2ННКнт має збільшену глибинність за рахунок подовжених на 10 см зондів і меншого вмісту водню в зондовому пристрої. Показання в воді на БЗ компонента 2ННКнт сумірні з показаннями БЗ приладу СРК 2ННКп.

Компонент 2ННКDCd, що реалізує спосіб ДІНС, дозволяє значно збільшити чутливість індивідуальних зондів до поглинання порівняно з 2ННКп.

Виконані вимірювання в повномасштабних фізичних моделях пластів-колекторів дозволили отримати метрологічні константи нового приладу і побудувати градуювальні залежності від пористості і коефіцієнта нафтонасиченості.

Визначення загальної пористості є першою задачею кількісної інтерпретації результатів НК і реалізується за способом КНК. При цьому залежність інтерпретаційного параметра А від (нейтронної) пористості kп в робочому інтервалі (0 - 30 %) при заданих умовах вимірювання називається основною і наближено описується рівнянням прямої лінії.

Перехід від нейтронної до загальної пористості здійснюється шляхом внесення поправок, основною з яких є поправка за глинистість.

Традиційний спосіб внесення такої поправки описується рівнянням:

, (5)

де (%) - загальна пористість за даними радіоактивного каротажу (РК НК + ГК) гірської породи з відомим значенням водневмісту глинистого мінералу щгл;

(%) - коефіцієнт об'ємної глинистості, який визначають переважно за ГК.

Основним недоліком способу (5) є те, що крім геофізичних параметрів і , він містить параметр щгл, що потребує дослідження керну. Це погіршує оперативність і збільшує вартість робіт, а при відсутності кернових досліджень збільшує похибку визначень пористості.

В роботі запропоновано новий спосіб визначення загальної пористості виключно за допомогою комплексу НК + ГК без використання величини щгл. Аналогічно підходу, покладеного в основу способу фірми Шлюмберже визначення пористості глинистих колекторів комплексом АК + ПС, запропонований спосіб полягає у застосуванні мультиплікативної форми двох множників, одним з яких є , а іншим - поправка за глинистість на основі ГК:

, , (6)

де (%) - загальна пористість за даними виключно РК;

СГК - поправочний множник за глинистість, отриманий за допомогою емпіричного аналізу каротажних і кернових матеріалів

- числовий фактор підгонки, який залежить від глинистості і від пористості.

За результатами каротажу розглянуто можливі значення, що приймає числовий фактор підгонки в поправці за глинистість способу (6). В кількох досліджених свердловинах для щільних порід і глинистих порід-колекторів, в т. ч. газонасичених, при відомому значенні щгл (0,37 - каолініт, 0,19 - гідрослюда) коефіцієнт приймав значення в межах 0,3-0,7, і в цьому інтервалі вирази (6) слабко залежать від конкретного значення . Тому, надалі ми використовуємо середнє значення = 0,5. Правомірність такого вибору підтвердила близькість результатів визначення kп за способами (5) і (6) у кількох НС і ОС східної частини ДДЗ (див. рис. 1).

Можливість обійтися без інформації про щгл дозволяє підвищити оперативність і зменшити вартість робіт при достатній для практики точності визначення kп.

Розв'язок задачі одночасного визначення коефіцієнтів пористості kп і нафтонасиченості kн досягається поєднанням способу КНК для kп і використанням властивих способу ДІНС інтерпретаційних параметрів - DCd і NCd для підвищення чутливості НК до kн.

На практиці як інтерпретаційний параметр для визначення коефіцієнту нафтонасиченості kн доцільно використовувати приведене кадмієве відношення ДNCd:

ДNCd = NCd(kн) - NCd(kн=1). (7)

На рис. 2 представлено залежності ДNCd від kн для другого зонда, отримані у свердловині (пунктир) і розрахунковим шляхом з нормуванням за експериментом (суцільні лінії).

Для інтерпретації даних ГСД важливою є первинна обробка каротажних матеріалів. На власному досвіді первинної обробки кривих РК автор розробив процедуру узгодження показань зондів приладу РК за глибиною. Вона складається з вибору основної діаграми (зазвичай ГК), пошуку вузлових (характерних) точок, які чітко прослідковуються на всіх діаграмах, встановлення величини зміщення по глибині між основною і іншими діаграмами і його усунення. Для практики буває доцільно не добиватися ідеального ув'язування каротажних кривих різних зондів, а ув'язувати їх лише в достатній мірі для ідентифікації відповідних пластів. Після чого можна переходити до попластової обробки.

Розглянуто також приклади застосування для приладу СНК-89 способу оцінки якості каротажу за допомогою кросплотів для 2ННК. Це дозволяє: на основі об'єктивного критерію - тісноти і конфігурації точок - судити про узгодженість зондів і приладів, а також про якість каротажу в цілому; відрізняти і відбраковувати помилкові записи; оцінити літологію і колекторські властивості пластів.

В четвертому розділі наводяться результати практичного застосування узгодженого комплексу стаціонарних нейтронних методів, що реалізований в приладі нового типу СНК-89, і розробленого інтерпретаційно-методичного забезпечення при дослідженні розрізу свердловин ДДЗ. Для порівняння було використано серійний прилад СРК-89.

За первинними критеріями ефективності приладів НК - швидкістю лічби нейтронів і диференціацією каротажних діаграм, новий прилад значно переважає прототип, зокрема:

- швидкість лічби повільних нейтронів на зондах компонента 2ННКп приладу СНК-89 вища аналогічних показань СРК 2ННКп в 2-3 рази;

- кадмієва різниця на МЗ компонента 2ННКDCd приладу СНК-89 вища показань СРК 2ННКп в 2 рази, а на БЗ ці величини близькі;

- швидкість лічби надтеплових (епікадмієвих) нейтронів на БЗ компонента 2ННКнт приладу СНК-89 в необсадженій свердловині сумірна, а в обсадженій свердловині вища показань СРК 2ННКп;

- порівняно з СРК-89, диференціація каротажних діаграм для зондів компонента 2ННКп приладу СНК-89 значно (в 1,3-2 рази) вища.

Крім того, порівняння вимірювань в різних свердловинах показало, що на показання приладу СНК-89 збільшення діаметра свердловини, наявність обсадної колони і збільшення її діаметра впливає істотно менше, ніж на показання СРК-89.

Визначення загальної пористості глинистих колекторів за комплексом НК + ГК можна виконати за алгоритмами (5) або (6). При цьому коефіцієнт глинистості kгл визначається через подвійний різницевий параметр гамма-каротажу І. Нами на конкретних прикладах встановлено, що параметр І,, отриманий до і після обсадки, практично не залежить від наявності сталевої колони. Це дозволяє використовувати для визначення kгл в умовах обсадженої свердловини ту саму залежність kгл = kгл (І), що і для необсадженої свердловини.

Отримані комплексом СНК-89 значення порівнювались з пористістю (за АК з залученням для врахування глинистості методу ПС або ГК). Таке порівняння для ряду НС і ОС показало можливість оцінити літологію і тип порового простору, вказати на газонасиченість пластів за ознакою < , підвищити достовірність визначення пористості.

Виділення колекторів. Завдяки розширеному набору інтерпретаційних параметрів і покращеним геофізичним характеристикам новий прилад дозволяє виділяти колектори. Для розв'язку цієї задачі можна застосувати розроблений в ІГФ НАНУ спосіб кросплотів для 2ННК.

Серед можливих кросплотів 2ННК найбільш інформативним для кількісного аналізу є кросплот типу А2 - А (див. ф-лу (1)). Найважливішою відмінністю поточкових кросплотів нового і серійного приладів є наступне. Серійний прилад СРК-89 відображає досліджуваний розріз як один об'єкт, витягнутий зліва - направо - вгору зі збільшенням , - весь розріз описується єдиним рівнянням регресії. В тій же свердловині прилад СНК-89 дозволяє отримати кросплот, «розщеплений» на три об'єкти: низькопористі породи (вапняки); пласти-колектори (пісковики); глинисті породи (алевроліти, глини та ін).

Попластове зіставлення пористості , яка визначена компонентом 2ННКп, і параметра (обернені показання БЗ за кадмієвою різницею), дозволяє виділити пласти-колектори, а серед них - водоносні і газоносні (рис. 3а). Газоносні пласти виділились за рахунок підвищеної, порівняно з водоносними пластами, швидкості лічби нейтронів (величина А2 занижена); також, при близькій істинній пористості, газоносні пласти серед всіх колекторів зміщуються в сторону менших пористостей через те, що інтерпретація проводиться за градуювальною залежністю, отриманою для водонасичених пластів.

Виділення газоносних колекторів нормуванням діаграм НК. Прилад СНК-89 за допомогою способу нормування діаграм, отриманих різними компонентами і різними зондами приладу, дозволяє розділити колектори на газоносні і водоносні. Наприклад (рис. 3б), газоносні колектори по нормованому параметру відносно кривої (обернені показання МЗ за надтепловими нейтронами) мають «негативну», водоносні - «нульову», а неколектори - «позитивну» аномалію.

Виділення нафтоносних колекторів. Прилад СНК-89 за допомогою способу кросплотів для 2ННК дозволяє виділити нафтонасичені пласти. Наприклад, побудовані кросплоти для 2ННКп () і для 2ННКDCd () за результатами вимірювань у нафтовій свердловині для трьох пластів пісковику з пористістю kп 16 %, мінералізацією Спл 200 г/л і різним коефіцієнтом нафтонасиченості kн показали, що для кожного з пластів зв'язок А2 - А описується рівнянням прямої лінії. При цьому лінії регресії практично паралельні, а вільний член рівнянь регресії пов'язаний з kн. Останнє дозволяє, зокрема, побудувати градуювальну залежність для визначення kн. Показано, що компонент 2ННКDCd є найбільш чутливим при визначенні коефіцієнту нафтонасиченості kн.

ВИСНОВКИ

1. На основі теоретичних розрахунків, експериментальних вимірювань в фізичних моделях пластів гірських порід і дослідно-методичних вимірювань в нафтогазових свердловинах в ході виробничих геофізичних свердловинних досліджень, розроблено основні підходи до визначення петрофізичних параметрів колекторів в необсаджених і обсаджених свердловинах узгодженим комплексом стаціонарних нейтронних методів; показані переваги цього комплексу над серійною апаратурою НК, які дозволяють розширити інформативність, область застосування і підвищити точність НК.

2. Розроблено спосіб (Заявка на патент України № а200710399) визначення загальної пористості глинистих гірських порід в обсаджених і необсаджених свердловинах за допомогою комплексу НК + ГК, який дозволяє обходитись без даних про мінеральний склад глинистого матеріалу, що підвищує оперативність і достовірність визначення загальної пористості і знижує вартість робіт.

3. Розроблено спосіб і пристрій (Патент України на винахід № 74972) для одночасного визначення пористості і коефіцієнта нафтонасиченості колекторів за допомогою НК; при цьому визначення пористості здійснюється за допомогою відношення показань двох зондів, а характеру насичення і коефіцієнта нафтонасиченості (при даній пористості) - за допомогою кадмієвої різниці і кадмієвого відношення.

4. За матеріалами свердловинних досліджень на нафтогазових родовищах ДДЗ встановлено, що використання приладу нейтронного каротажу нового типу в комплексі з акустичним каротажем, завдяки різній фізичній основі методів, дозволяє розрізняти пласти за колекторськими властивостями, виділяти продуктивні пласти, підвищити достовірність визначення пористості.

5. Розроблено принципові положення інтерпретаційно-методичного забезпечення приладу нового типу СНК-89, який одночасно реалізує три модифікації: 2ННКп (за повільними нейтронами), 2ННКнт (за надтепловими нейтронами) і 2ННКDCd (за кадмієвою різницею). На компонент 2ННКп отримано Патент України на корисну модель № 18497. При цьому, наряду з традиційними, використано нові підходи до інтерпретації: створені в ІГФ НАНУ спосіб кроссплотів для 2ННК і спосіб кадмієвої різниці, а також розроблені в ході дослідження способи визначення пористості і характеру насичення та ін. Інтерпретаційно-методичне забезпечення використовується в розроблюваних технічних умовах і методичних вказівках для приладів нового типу різного призначення. Прилад СНК-89 і його інтерпретаційно-методичне забезпечення результативно використовують в ЗАТ «Укрпромгеофізика» при дослідженні розрізу необсаджених і обсаджених свердловин родовищ ДДЗ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Звольский С.Т., Кулик В.В., Бондаренко М.С., Кармазенко В.В. Разработка новых модификаций ядерно-геофизических методов определения петрофизических и нейтронопоглощающих свойств горных пород // Геофиз. журн. - 2005. - Т. 27, № 4. - С. 563-577.

2. Кулик В.В., Бондаренко М.С. Можливість визначення коефіцієнта нафтонасиченості за допомогою узгодженого комплексу стаціонарних нейтронних методів // Вісник КНУ ім. Т. Г. Шевченка, сер. “Геологія”. - 2005. - Вип. 34-35. - С. 29-33.

3. Месропян В.С., Майстренко И.А., Гольдштейн Л.М., Челокьян Р.С., Кулик В.В., Звольский С.Т., Бондаренко М.С., Снижко Ю.А. Многозондовые приборы нейтронного каротажа с одновременной регистрацией тепловых и надтепловых нейтронов // НТВ «Каротажник», Тверь. - 2005. - Вып. 3-4 (130-131). - С. 193-205.

4. Старостенко В.И., Рыбин В.Ф., Джепо С.П., Звольский С.Т., Кендзера А.В., Кожан Е.А., Корчагин И.Н., Кулик В.В., Левашов С.П., Омельченко В.Д., Скальский А.С., Черний Г.И., Бондаренко М.С., Ситникова В.А. Национальный заповедник “София Киевская”: геолого-геофизический мониторинг и его результаты // Геофиз. журн. - 2005. - Т. 27, № 3. - С. 335-368.

5. Бондаренко М.С., Кулик В.В., Кармазенко В.В., Кашуба Г.О., Сніжко Ю.О. Використання узгодженого комплексу нейтронних методів для визначення петрофізичних властивостей колекторів // Вісник КНУ ім. Т. Г. Шевченка, сер. “Геологія”. - 2006. - Вип. 38-39. - С. 52-56.

6. Кулик В.В., Бондаренко М.С., Кашуба Г.О, Федорів Р.Ф. Спільне використання методів радіоактивного і акустичного каротажу для визначення пористості пластів в обсаджених свердловинах // Вісник КНУ ім. Т. Г. Шевченка, сер. “Геологія”. - 2007. - Вип. 41-42. - С. 103-106.

7. Кулик В., Бондаренко М., Кашуба Г., Стасів О. Адитивний і мультиплікативний способи врахування глинистості порід при визначенні їх пористості за допомогою нейтронного і акустичного каротажу // Вісник КНУ ім. Т. Г. Шевченка, сер. “Геологія”. - 2008. - Вип. 45. - С. 34-38.

8. Пат. на винахід № 74972 Україна, МПК G 01 V 5/00, G 01 N 24/00. Спосіб багатозондового нейтронного каротажу для визначення пористості і коефіцієнта нафтонасиченості колекторів та пристрій для його здійснення / В.В. Кулик, М.С. Бондаренко, В.В. Кармазенко; заявник і патентовласник ІГФ НАНУ. - № а 20040706198; заявл. 26.07.04; опубл. 15.02.06, Бюл. № 2.

9. Пат. на корисну модель № 18497 Україна, МПК G 01 V 5/00. Двозондовий прилад нейтронного каротажу для дослідження колекторів нафти і газу в обсаджених і необсаджених свердловинах / В.В. Кармазенко, В.В. Кулик, М.С. Бондаренко; заявники і патентовласники ІГФ НАНУ і ВАТ “Київський завод “Геофізприлад”. - № u 200604754; заявл. 28.04.06; опубл. 15.11.06, Бюл. № 11.

Размещено на Allbest.ru

...