Апаратура й методи досліджень ІНК.

Для проведення ІНК використовують апаратуру, в свердловинному приладі якої є генератор нейтронів, який продукує потік швидких нейтронів з енергією 14,1 МеВ, і детектор теплових нейтронів або γ-квантів, встановлений на відстані 30 – 40 см від точки надходження нейтронів. У наземній апаратурі розміщуються часовий аналізатор, що розділяє рахункові і маркерні імпульси, і схема реєстрації рахунку імпульсів за хвилину.

Генератор нейтронів працює в імпульсному режимі з частотою проходження імпульсів від 10 до 500 Гц. (такі імпульси повторюються 10–10³ разів у секунду). Тривалість кожного імпульсу (∆τ) від 1 мкс до 100 – 200 мкс. Реєстрація випромінювання здійснюється не безперервно, а лише на протязі інтервалу часу ∆τ_вим при фіксованому часі затримки τ_з (проміжок часу між імпульсом і початком реєстрації). Час затримки не може перевищувати час існування теплових нейтронів. При збільшенні часу затримки зменшується вплив свердловини на результати каротажу. Це є першою перевагою імпульсних методів. Друга їх перевага полягає у підвищеній чутливості до вмісту у породі елементів, які аномально поглинають нейтрони.

Після закінчення часу затримки τ_з включається наземна вимірювальна апаратура, і впродовж часу ∆τ_вим (час реєстрації випромінювання) вимірюється щільність теплових нейтронів або інтенсивність випромінювання γ-квантів радіаційного захоплення (залежно від того, по яких елементарних частинках досліджуються імпульсні нейтронні поля: нейтронах у імпульсному нейтрон-нейтронному каротажі (ІННК) або γ-квантах в імпульсному нейтронному гамма-каротажі (ІНГК).

Вимірювальний зонд (ІНК) може мати один або два детектори теплових нейтронів або гамма-випромінювання. Точка запису – середина відстані між випромінювачем і детектором, для двозондових приладів – середина відстані між детекторами.

Як джерело використовують свердловиний генератор швидких нейтронів, основну частину якого складає нейтронна трубка (рис.10.1). Ця трубка є скляним балоном, заповненим дейтерієм при низькому тиску порядка 0,02 – 0,05 Па. Усередині трубки з одного боку розташовується катод, з іншої – високовольтний електрод, усередині якого знаходиться титанова мішень, насичена тритієм. На високовольтний електрод подають негативну напругу порядка 150 кВ. Між катодом і високовольтним електродом розташовується порожнистий циліндровий анод, на який подають позитивну напругу в декілька сотень вольт. Навколо анода розташовується котушка індуктивності.

Електрони, емісовані катодом, прискорюються полем анода і іонізують атоми дейтерію в трубці. Одночасна дія електростатичного поля анода і магнітного поля котушки індуктивності примушують електрони рухатися по спіралі, що збільшує довжину їх шляху і підсилює їх іонізуючу дію. Позитивно заряджені іони дейтерію притягуються полем негативного високовольтного електроду, прискорюються і бомбардують мішень, насичену тритієм. В результаті ядерної реакції:

₁Н²+₁Н³=₂Не⁴+₀п¹ (10.1)

утворюється потік нейтронів з енергією до 14 МеВ. Вихід нейтронів 10⁶–10⁹ нейтр/с. Тривалість потоку залежить від часу подачі напруги на анод і складає зазвичай від 10 до 20 мкс. Витрата дейтерію компенсується за рахунок його виділення із сховища (рис. 10.1) при пропусканні через нього електричного струму.

Рис.10.1. Будова нейтронного генератора

Частота проходження імпульсів від 10 до 500 Гц. Через деякий час після випускання імпульсу (час затримки τ_з) проводять вимірювання щільності потоку нейтронів або продуктів їх взаємодії з речовиною в середовищі протягом якогось інтервалу часу виміру (∆τ_вим) (рис. 10.2).

Змінюючи час затримки τ_з при постійному часі виміру (∆τ_вим),можна отримати залежність щільності нейтронів (теплових або надтеплових) або інтенсивності радіаційного γ-випромінювання від часу затримки. Таким чином, ІНК дозволяє досліджувати не тільки просторово-енергетичний, але і тимчасовий розподіл нейтронів в середовищі і, отже, більш повно вивчити нейтронні характеристики гірських порід.

Рис. 10.2. Графік зміни густини повільних нейтронів в часі при імпульсному нейтронному каротажі.

Як видно з рис. 10.2. щільність потоку теплових нейтронів спочатку збільшується за рахунок уповільнення швидких нейтронів і через 10–100 мкс досягає максимуму, а потім зменшується за рахунок того, що теплові нейтрони починають дифундувати уздовж осі свердловини, а зі свердловини – в пласт і поглинатися. Кількість їх убуває згідно із законом

(10.2)

де τ_п –середній час життя теплових нейтронів (від моменту уповільнення до моменту поглинання).

Час уповільнення швидких нейтронів (10–100 мкс) характеризує уповільнюючі властивості, тобто вміст водню в гірській породі, а час дифузії теплових нейтронів (10² –10⁴ мкс) визначається і вмістом водню, і наявністю ядер з великим перетином захоплення теплових нейтронів (наприклад, Сl у водах пластів).

Застосування імпульсного нейтронного каротажу

Імпульсний нейтронний каротаж можливий у декількох модифікаціях. Найбільшим розповсюдженим є імпульсний нейтрон-нейтронний каротаж за тепловими нейтронами (ІННК-Т)

Найбільш ефективний спосіб застосування ІНК – виконання повторних вимірювань в часі в процесі зміни насиченості колекторів. Такі зміни можуть бути викликані природним розформуванням зони проникнення, обводненням пластів в ході їх вироблення, цілеспрямованими технологічними операціями, що включають закачування в породи розчинів речовин з аномальними нейтронно-поглинаючими властивостями.

Кількісна оцінка насиченості колекторів за даними ІННК базується на залежності середнього часу життя теплових нейтронів в породах від характеру і вмісту насичуючих флюїдів. Зменшення щільності теплових нейтронів в часі в однорідному середовищі відбувається по експоненціальному закону з інтенсивністю, що визначається нейтронопоглинаючими властивостями середовища.

При ІННК-Т нафтових свердловин використовують як безперервні, так і поточкові вимірювання. При безперервних записують одночасно, як мінімум, дві діаграми щільності потоку теплових нейтронів з різним часом затримки при постійному ∆τ_вим. Каротаж проводять при переміщенні свердловинного приладу від низу до верху із швидкістю порядку 120 м/год і з постійною часу приладу 12 с.

По відношенню даних в двох каналах судять про середній час життя теплових нейтронів τ_п. Чим сильніше відрізняються ці значення, тим менше τ_п. Кількісно τ_п розраховують по формулі:

(10.3)

де τ₁, τ₂ – час затримки для 1 і 2 каналів;

N₁ , N₂ –(швидкість рахунку) покази в тих же каналах.

При виборі часу затримки τ ₃ і часу виміру ∆τ_вим виконують умову

τ ₃ < τ_п > ∆τ_вим (10.4)

Зараз є апаратура, яка автоматично розраховує τ_п, і видає цей параметр на реєстратор. Середній час життя теплових нейтронів залежить від вмісту водню і вмісту поглиначів нейтронів (хлору) в середовищі. Для пластів, насичених нафтою або прісною водою, τ_п = 0,3 – 0,6 мс; для пластів, насичених мінералізованою водою τ_п =0,11–0,33 мс; для газонасичених пласт τ_п = 0,6 – 0,8 мс.

Таким чином, по параметру τ_п пласти, насичені мінералізованою водою, добре відрізняються від нафто-газонасичених. На цій відмінності засновано застосування методу ІННК для дослідження змін положення ВНК і ГВК в процесі розробки родовищ нафти і газу (рис. 10.3).

При великій мінералізації вод пластів (більше 100 г/л) розділення водонасичених і нафтонасичених частин пласта можливо навіть по одній кривій ІННК з великим часом затримки.

Над водонасиченою частиною інтенсивність аномалії ІННК значно нижче, ніж на нафтонасиченою, як це видно по рис. 10.4, де разом з діаграмою ІННК-Т на часі затримки

τ_з =780 мкс приведена для порівнянь діаграма методу ННК-Т з постійним джерелом, на якій ВНК не відбивається зовсім, але найбільш інформативні точкові дослідження.

Відстань між точками спостереження усередині нафтоносних пластів складає від 0,4 до 0,8 м, у водоносних – 0,8 – 1,0 м. На кожній точці проводять по декілька вимірів, міняючи час затримки при постійному ∆τ_зам , і таким чином детально досліджують залежність щільності потоку теплових нейтронів від часу. Оскільки час життя теплових нейтронів в пласті більший, ніж в свердловині через більшу кількість водню в свердловині, то, через деякий час після випускання імпульсу, кількість теплових нейтронів в свердловині стає менше, ніж в пласті, і вони починають дифундувати із пласта в свердловину. Із збільшенням часу затримки детектор реєструє все меншу кількість теплових нейтронів, але ці нейтрони представляють найбільший інтерес, оскільки вони йдуть з найбільшої глибини пласта.

Рис. 10.3. Визначення поточного положення водонафтового контакту по даним імпульсного нейтронного каротажа в експлуатаційній свердловині (по В.Н.Моісеєву)

Рис. 10.4. Визначення положення водонафтового контакту по діаграмі ІННК-Т з великим часом затримки

При поточкових вимірюваннях будують графік залежності логарифма значень lnNi від часу затримки τ₃. Такий графік (рис. 10.5) дозволяє точніше визначити значення τ_п, пласта як величину котангенса кута нахилу кривоїпри великих τ_з.

При малих τ_з нахил кривої залежить, окрім τ_п, також від діаметру свердловини і властивостей середовища, що її заповнює. При великих τ_з такий вплив поступово зникає. Зменшення впливу свердловини є великою перевагою імпульсних нейтронних методів перед стаціонарними. Ще одна перевага – вища чутливість до вмісту елементів, що сильно поглинають нейтрони.

Вплив свердловини на покази приладу

Із збільшенням діаметру необсадженої свердловини диференціація кривих ІННК і глубинність досліджень, як і у разі стаціонарних методів НК, знижуються. Проникнення прісної рідини в пласт позначається на показах ІННК так само, як збільшення діаметру свердловини, заповненої таким же розчином. При глибині проникнення фільтрату, що перевищує глубинность ІННК, визначення нейтронних параметрів пласта виключається. Безпосередньо після закінчення опромінювання щільність теплових нейтронів в свердловині більша, ніж в пласті. Починаючи з деякого так званого асимптотичного часу, коли нейтрони розподіляються, як в однорідному нескінченному середовищі в свердловині спостерігаються два основні потоки нейтронів: з пласта в свердловину і по пласту уздовж свердловини. З цієї миті зміна визначається нейтронопоглинаючими властивостями пласта.

Рис.10.5. Залежність щільності потоку теплових нейтронів від часу затрим і визначення середнього часу життя теплових нейтронів в середовищі

Інтенсивність рахунку при реєстрації діаграм ІННК істотно змінюється у разі наявності хлору і положення приладу щодо осі свердловини.

Мінералізованна вода, що оточує прилад, є екраном для потоку теплових нейтронів, направлених з пласта в свердловину, і її вплив може бути ототожнене з впливом колони. Заміна нафти або прісної води в колоні солоною водою при затримках 500 мкс приводить до істотного зменшення значень ІННК, в той же час як покази ІНГК при цьому зменшуються лише на десятки відсотків. Таке сильне зниження показів ІННК в порівнянні зі значеннями ІНГК пояснюється тим, що довжина пробігу γ-квантів у воді значно більше довжини пробігу нейтронів.

У випадку, коли прилад притиснутий до стінки свердловини відбувається зростання значень ІНГК на 10 – 15 %, а значень ІННК в 2 – 3 рази, що є результатом екранного впливу шару рідини в свердловині.

Додатково

За допомогою ІННК вивчають процес спаду щільності теплових нейтронів в часі при декількох фіксованих затримках τз_, протягом часу ∆ τ і незмінній довжині зонда L.

Щільність теплових нейтронів в загальному випадку залежить від уповільнюючих і поглинаючих властивостей середовища і визначається довжиною уповільнення Lз, коефіцієнтом дифузії D і часом життя τ_п теплових нейтронів. Щодо великого часу затримки (2000 > τ _з > 1000 мкс), вживаних в ІННК, процес спаду щільності теплових нейтронів практично не залежить від Lз, і визначається тільки параметрами D і τ_п. Літологічнооднорідні пласти з близькою по величині пористістю, насичені нафтою і минералізованною водою, можуть розглядатися як середовища з приблизно рівним вмістом водню.

Таким чином, дані ІННК несуть в собі інформацію, пов'язану в основному з середнім часом життя теплових нейтронів Тср., визначуваним нейтронопоглощаючими властивостями порід.

Уповільнення швидких нейтронів і їх перетворення на теплових відбувається за декілька мікросекунд (10 мс), тоді як процеси дифузії і захоплення теплових нейтронів (середній час життя теплових нейтронів) триває сотні мікросекунд. У зв'язку з цим час затримки t _з, що використовується в ІННК, приймається в інтервалі 300 – 2000 мкс. Цей відрізок часу практично охоплює весь період життя нейтронів в породах, що складають нафтові і газові родовища. Мінімальне τ_з вибирається з умов τ_з > τ_поч, де τ _поч – час, починаючи з якого щільність потоків теплових нейтронів і гамма – квантів затухають залежно від нейтронопоглинаючих властивостей породи і присвердловинної частини пласта по експоненціальному закону.

Визначення Т в свердловині проводять при зупинці приладу в досліджуваному інтервалі за допомогою декількох вимірювань при різних тимчасових затримках τ_з, від 600 до 1200 мкс. Отримані дані використовують для побудови графіка залежності спаду щільності теплових нейтронів від часу в напівлогарифмічному масштабі. При вказаних затримках залежність виходить лінійною і час Т визначається по куту нахилу прямих.

Час затримки вибирається з таким розрахунком, щоб основна частина захоплень нейтронів доводилася на породу, а ранній вплив свердловини був виключений.

При ІНГК реєструється зміна по розрізу свердловини інтенсивності гамма-випромінювання радіаційного захоплення теплових нейтронів в часі при фіксованих затримках τ_з. При ІНГК, як і при ІННК, провідними процесами перенесення є нестаціонарна дифузія і поглинання повільних нейтронів.

Інтенсивність гамма-випромінювання радіаційного захоплення, як і у разі ІННК, пропорційна щільності нейтронів. Унаслідок більших, ніж для теплових нейтронів, довжин пробігу γ-квантов і швидкостей їх дифузії поле радіаційного гамма-випромінювання виявляється більш рівномірно розміщено в порівнянні з полем теплових нейтронів і охоплює значно більший об'єм порід. Отже, покази ІНГК в порівнянні із показами ІННК відображають процес повнішого поглинання теплових нейтронів. Як і при ІННК, основним критерієм розділення колектора по нафтоводонасиченню служить час життя теплових нейтронів.

Одним з недоліків ІНГК є наявність фонового гамма-випромінювання, викликаного природним гамма-випромінюванням гірських порід і їх наведеною гамма-активностью. Реєстрація діаграм ІНГК може поєднуватися із записом кривий ГК. Щоб уникнути впливу фону наведеної активності запис ГК випереджає запис ІНГК.