Содержание

Введение 4

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ_ 6

Радиоактивный каротаж_ 6

Импульсный нейтронный каротаж_ 9

Аппаратура импульсного нейтронного каротажа 14

Область применения метода 22

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ_ 23

Заключение 27

Список литературы_ 29

Введение 

Прогресс в нефтедобывающей промышленности связан с применением все более сложных систем разработки нефтяных месторождений, основанных на заводнении и других способах воздействия на пласт. Высокая эффективность таких систем, имеющих целью повышение нефтеотдачи пласта и темпов разработки месторождений, достигается регулированием процесса добычи нефти. Такое регулирование в свою очередь немыслимо без соответствующего контроля за разработкой месторождений, основанного на применении различных промыслово-геофизических методов исследования скважин. Требования нефтепромысловой практики и науки стимулировали быстрое развитие промыслово-геофизических методов контроля.

Промыслово-геофизические методы исследования скважин с целью изучения вскрытого скважиной геологического разреза и выявления в нем полезных ископаемых называют каротажем.

Каротаж заключается в измерении вдоль ствола скважины при помощи специальной установки какой-либо величины, характеризующей физические, химические или другие свойства горных пород, вскрытых скважиной. Общим для всех разновидностей каротажа является объект исследования – разрез скважины и, следовательно, сравнительно небольшая глубина (от сантиметров до единиц метров).

Данные каротажа оказывают существенную помощь при оценке характера пройденной скважиной пород и последовательности их залегания и позволяют обнаруживать полезные ископаемые.

Контроль за разработкой нефтяных месторождений промыслово-геофизическими методами в последние годы развился в крупное самостоятельное направление промысловой геофизики со своей специфической методикой исследований, комплексом методов, аппаратурой и оборудованием. Усилиями научно-исследовательских, конструкторских и производственных организаций были созданы новые методы и аппаратура, позволяющие решать ряд задач по контролю за разработкой нефтяных месторождений. Широкое применение получили методы ядерной геофизики, в том числе наиболее эффективный из них — импульсный нейтронный каротаж (ИНК). Принципиально новыми являются способы изучения действующих скважин через лифтовые трубы и по межтрубному пространству малогабаритными приборами нейтронного каротажа, гамма-плотномерами, механическими и термоэлектрическими дебитомерами, высокочувствительными термометрами, а также методы меченого вещества Важное значение приобретают многократные повторные измерения, требующие специальной методики и привязки по глубине.

Наиболее информативные результаты дает каротаж нефтяных и газовых скважин. Обычно по данным каротажа удается выделить пласты, которые могут содержать нефть и газ и наметить перспективные для опробования и эксплуатации объекты, а в ряде случаев определить величины, необходимы для подсчета запасов нефти и газа разведываемого месторождения.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

Радиоактивный каротаж 

Совокупность геофизических методов исследования скважин, основанных на измерении интенсивности естественной и искусственно созданной радиоактивности горных пород.

Явление радиоактивности обладает большими возможностями для применения в геофизических исследованиях скважин. Природные радиоактивные изотопы тория, урана, радия и актиния превращаются в более устойчивые элементы. В процессе радиоактивного распада излучаются альфа-(α), бета-(β) и гамма-(γ) частицы. Альфа- и бета-частицы несут заряд и довольно быстро поглощаются окружающей средой. Гамма-излучение же проникает глубоко, поэтому оно используется для исследования скважин.

Естественное гамма-излучение вызывается главным образом радиоактивными изотопами урана, тория, калия и различными продуктами их распада. Радиоактивность измеряется при помощи медленно перемещаемого прибора, заключающего гамма-детектор, обычно это сцинтилляционный счетчик. Гамма-лучи, достигающие счетчика, вызывают в кристалле-сцинтилляторе слабую вспышку света, которая перехватывается фотоэлектронным умножителем, посылающим электрический ток в находящееся на поверхности регистрирующее устройство. Сила принимаемого электрического тока пропорциональна радиоактивности пород, пересекаемых скважиной. Поскольку гамма-излучение радиоактивных изотопов — случайное явление, точность отсчета возрастает, если прибор находится в данном положении длительное время.

Каротаж с использованием естественного гамма-излучения применяется для корреляции геологических разрезов скважин и их диалогической интерпретации. Особенно ценен этот вид каротажа для скважин, обсаженных трубами, так как металл незначительно влияет на излучение. Каких-либо универсальных правил интерпретации литологических данных гамма-каротажа не существует, однако опыт ограниченных районов позволяет создавать региональные критерии интерпретации этих данных. Повышенную гамма-активность имеют сланцы, обогащенные органическим веществом. Очень высокой гамма-активностью могут обладать риолитовые туфы и некоторые типы песчаников. Глинистые сланцы, сланцевые известняки и сланцевые песчаники имеют умеренную гамма-активность. Низкая гамма-активность обычно свойственна песчаникам, известнякам и доломитам.

Естественный нейтронный поток имеет очень малую плотность, поэтому для каротажа скважин могут быть использованы искусственно продуцированные нейтроны, что не требует введения поправок на естественный радиоактивный фон. Наиболее удобными источниками искусственного нейтронного излучения служат бериллий и такие активные альфа-излучатели, как плутоний, полоний и радий. Испускание нейтронов происходит в результате поглощения бериллием альфа-частиц. Вылетая из источника, нейтроны обладают большой скоростью, которая благодаря воздействию окружающей среды постепенно замедляется до скорости, когда нейтроны становятся тепловыми, после чего они поглощаются. Особенно сильно движение нейтронов замедляется под воздействием ядер атома водорода, входящего в состав молекул воды, минералов и углеводородов. В природных средах, окружающих скважину, нейтроны поглощаются ядрами калия, железа, хлора и других элементов. Процесс захвата нейтронов ядрами атомов сопровождается образованием гамма-излучения. Нейтронный каротаж основан на измерении искусственно вызванного гамма-излучения либо на регистрации медленных нейтронов. Счетчик экранируется от источника излучения, поэтому большая часть нейтронов или гамма-лучей, поступающая в счетчик, проходит через изучаемую среду. Если среда состоит преимущественно из водорода, вызывающего замедление и захват нейтронов около источника, счетчик зарегистрирует низкий уровень активности. При небольшом содержании природного водорода в окружающей среде нейтроны проникнут к счетчику, который зарегистрирует высокий уровень активности. Поскольку природный водород заключен главным образом в воде, активность, отражаемая на каротажной диаграмме, будет обратно пропорциональна водосодержанию природной среды, окружающей скважину. Если окружающие породы полностью насыщены водой, можно считать, что регистрируемая активность обратно пропорциональна пористости пород.

Импульсный нейтронный каротаж 

Импульсный нейтронный каротаж — это один из видов нейтронного каротажа, при котором в породу фор­мации испускают нейтронные импульсы и регистрируют воз­вращающиеся гамма-лучи. Он позволяет в коллекторе отли­чить газ или нефть от воды и используется для обнаружения нефти или газа за обсадной колонной.

Главным достоинством метода является возможность прозрачного исследования пласта через обсадную колонну и насосно-компрессорные трубы.

Первые исследования возможностей применения методов нейтронной фи­зики для анализа характеристик горных пород в условиях их естественного залегания и первая практическая реализация метода нейтронного каротажа на нефтяных скважинах были выполнены Б.М.Понтекорво (1941 г.) в пе­риод его работы в одной из нефтедобывающих компаний США. Этому способствовали десятилетние опыт и информация, накопленные в процессе экспериментальных и теоретических исследований ядерных реакций, иници­ируемых нейтронами, проводимых в лабораториях Западной Европы, СССР и США. Особую роль при этом сыграли работы Э.Ферми и других ученых но замедлению и радиационному захвату нейтронов в водородосодержаших средах.

Суть метода состояла в облучении горной породы нейтронами, которые после замедления захватывались ядрами составляющих ее элементов с последующим испусканием γ-квантов. Повышенное содержание водорода в пласте приводит к быстрому замедлению нейтронов до тепловых скоростей, при ко­торых эффективно протекают реакции радиационного захвата. Причем в сум­марное макроскопическое сечение геофизической среды значительный вклад вносит реакция Н(n,γ)D. Таким образом, при облучении нейтронами нефтяных, газовых и водоносных пластов, характеризуемых повы­шенным содержанием водорода, в скважине формируется более интенсивное γ-поле по сравнению с пластами, не содержащими указанных компонентов. Следовательно, появляется возможность идентифицировать фтюидосодержащие пласты по интенсивности вторичного γ-излучения.

До реализации указанного метода нейтронного каротажа в нефтяной гео­физике использовались в основном методики, основанные на измерении элек­тродинамических характеристик пласта, в частности его проводимости. Такой каротаж невозможно осуществлять в добывающих скважинах, обсаженных стальной колонной, полностью экранирующей пласт. Поэтому при решении задач контроля состояний продуктивных пластов в процессе эксплуатации скважин нейтронный каротаж не имеет достойной альтернативы.

К сожалению, рассмотренная методика нейтронного каротажа, как и лю­бая новая методика, оказалась не лишенной определенных недостатков. Глав­ным из них, как показал опыт, является сложность дифференцирования флюидосодержащей горной породы (насыщенного коллектора) но продуктивным углеводородам и воде, так как формирование γ-полей радиационного захвата в этих геофизических средах происходит примерно одинаково.

Попытки повышения информативности и контрастности метода за счет увеличения активности используемых изотопных источников столкнулись со сложностями обеспечения радиационной безопасности в полевых условиях.

Решение этого комплекса проблем лежало на пути использования для идентификации коллекторов, насыщенных продуктивными углеводородами или водой нестационарных нейтронных полей, создаваемых управляемым ис­точником излучения. Эта идея была выдвинута Г. Н.Флеровым и интенсивно разрабатывалась под его руководством в 1955-1958 гг. коллективом ученых (Д. Ф. Беспалов. Л. Р. Войцик, Б. Г. Ерозолимский, К). С. Шимелевич и др.) из спецлаборатории Московского нефтяного института и Института атомной энергии.

Новый метод получил название импульсный нейтронный каротаж (ИНК). В нем используется известный факт экспоненциального спада во времени плотности нейтронов в импульсном потоке, распространяющемся в поглоща­ющей среде. Указанный спад характеризуется декрементом λ, который ста­новится важным параметром исследуемого флюидонасыщенного коллектора. Он определяет минерализацию флюида и поэтому позволяет выделять пласты, насыщенные продуктивным углеводородом, на фоне пластов, насыщенных во­дой с растворенной в ней поваренной солью, содержащей ядра хлора, которые обладают аномально высоким сечением радиационного захвата тепловых ней­тронов. Другим, независимым от λ, параметром становится коэффи­циент диффузии нейтронов, определяющий водородосодержание коллектора. Таким образом, метод дает возможность дифференцированно изучать процессы замедления и поглощения нейтронов в геофизической среде.

Эти факторы позволили более детально и с большей степенью достовер­ности исследовать особенности поглощения нейтронов в горных породах и существенно повысить контрастность выделения пластов, насыщенных про­дуктивными углеводородами.

Из частных выступлений участников начального этана работ Д. Ф. Беспалова и Ю. С. Шимелевича известно, что сначала в качестве источника не­стационарного нейтронного ноля предполагалось использовать изотопный ис­точник α-частиц и бериллиевую мишень, которые механическим образом пе­риодически сближались и удалялись по отношению друг к другу. Однако, как показали эксперименты, такой нейтронный источник не позволял обеспечи­вать необходимую для ИНК временную структуру нейтронного поля. Поэтому от него решили отказаться.

В конечном итоге было решено использовать для получения нейтронов запаянную ускорительную трубку (УТ) на базе малогабаритного ионного диода. В пространстве между его анодом и катодом осуществлялось ускорение дейтронов к титановой мишени, насыщенной тритием, где в результате ядерной реакции T(d,n)⁴Не образовывались нейтроны. Такая трубка была разработана и изготовлена в короткие сроки.

Для получения дейтронов в УТ использовался ионный источник на основе разряда Кауфмана со скрещенными электрическим и магнитным полями. Дейтронный ток, а следовательно, и поток нейтронов модулировались напряже­нием на аноде ионного источника. Высокое напряжение на диодном зазоре (~ 100 кВ) создавалось с помощью источника переменного напряжения и повышающего трансформатора.

Такое простое техническое решение скважинного генератора нейтронов (СГН) стало возможным благодаря идее Б.Г. Ерозолимского, предложив­шего включить последовательно с УТ в цепи ее мишени электрическую ем­кость. В результате происходило удвоение напряжения на диодном зазоре и таким образом легко снималась проблема высоковольтной изоляции вто­ричной обмотки трансформатора. В противном случае потребовалось бы в качестве источника ускоряющего напряжения использовать каскадный или электростатический генераторы, что, несомненно, затянуло бы сроки созда­ния эксплуатационного прибора ИНК и его первые полевые испытания.

Перечисленные выше работы завершились созданием первого в мире при­бора ИНК, который был испытан на нефтяных скважинах Башкирии уже в 1959 г. В результате испытаний была успешно решена задача определения положения водонефтяного контакта, т.е. разделения пластов, насыщенных нефтью и водой.

После этого события в течение трех лет было проведено сначала производственное освоение малогабаритных УТ на специализированном оборонном предприятии в пос. Запрудня Московской области, а затем и самой аппаратуры ИНК на заводе в Киеве. Первая серия приборов была выпушена уже в 1963 г. В начале 1960-х гг. импульсные нейтронные методы стати осваивать американские и французские компании (Wells Service Incorporation. Dresser Atlas. Slumberger и т.д.).

Дальнейшее развитие метода ИНК шло по пути усовершенствования ме­тодик и аппаратуры применительно к задачам разведки месторождений про­дуктивных углеводородов, подсчета их запасов и контроля за разработкой месторождений.

В настоящее время различают две основные разновидности ИНК. Это ИНК с измерением нестационарного импульсно-периодического поля тепловых нейтронов, названный импульсный нейтрон-нейтронный каротаж (ИННК), и ИНК с измерением нестационарных нолей γ-квантов радиационного захвата, неупругого рассеяния или нейтронной активации, получивший общее название импульсный нейтрон-γ-каротаж (ИНГК). В некоторых лите­ратурных источниках ИНГК с регистрацией γ-квантов нейтронной активации выделяют в отдельный вид каротажа под названием импульсный нейтронный активационный каротаж (ИНАК).

Подводя итог описанию различных методик ИНК, следует заметить, что эффективность их применения сильно зависит от геологической обстановки на скважине. При этом получаемые с помощью различных методик информа­тивные поля взаимно дополняют друг друга, повышая достоверность значений исследуемых параметров геофизического объекта. Это обстоятельство убеди­тельно иллюстрирует приведенный выше пример сопоставления данных ки­слородного каротажа и ИНГК. На основании этого можно сделать вывод о це­лесообразности комплексирования различных методик ИНК в рамках единой каротажной системы. В частности, как следует из рассмотренного примера, комплексирование метода ИНГК с кислородным методом делает метод ИНК более универсальным и независимым от минерализации пластовых вод при использовании единого каротажного прибора, позволяющего одновременно и дифференцированно снимать временные спектры γ-квантов радиационного захвата и осуществлять интегральный счет γ-квантов нейтронной активации кислорода.

Аппаратура импульсного нейтронного каротажа 

Рассмотрим проблемы, связанные с наиболее важным узлом каротажного комплекса – СНГ.

СГН состоит из малогабаритной запаянной УТ с нейтронообразующей мишенью и источника высокого напряжения, прикладываемого между катодом и анодом трубки. В современной аппаратуре ИНК используются два типа УТ — вакуумные и газонаполненные. В вакуумных УТ рабочее давление в объеме трубки не превышает величину ~ 0.01 Па, а в газонаполненных су­щественно выше этого значения.

Схематический разрез типичной вакуумной УТ, используемой в СГН. представлен на рис.1.

Первые трубки такого типа были разработаны и освоены во ВНИИ ва­куумной техники под руководством С.Б.Овсянникова. В настоящее время эти изделия прошли технологическую доработку и выпускаются серийно на предприятиях атомной промышленности РФ.

Вакуумная УТ представляет собой малогабаритный импульсный ионный диод с электродной системой 3, состоящей из полых цилиндрических элек­тродов (анода и катода), в которой ускоряются дейтроны к мишени 1, распо­ложенной внутри катодного электрода. При этом диаметр катода примерно в два раза превышает диаметр анода. Мишень — это пленка металла, хорошо растворяющего водород (титан или скандий), напыленная на металлическую подложку, роль которой может исполнять торцевая часть корпуса трубки, и насыщенная тритием.

Для образования дейтронов используется вакуумно-дуговой ионный ис­точник, который состоит из соосно расположенных поджигающего 5, катодного 4 и анодного 5 электродов. При этом анодный электрод выполнен в виде цилиндра, охватывающего кольцеобразные поджигающий и катодный электроды. Между анодом и катодом ионного источника прикладывается постоянное напряжение (несколько киловольт) от конденсатора, заряжаемого через выпрямитель. На внутреннюю поверхность анода наносится пленка металла, хорошо растворяющая водород (титан, цирконий, скандий), насышенная дейтерием. Катод также выполнен из аналогичного металла и насы­щен дейтерием на всю глубину. Катод и поджигающий электрод разделены кольцевым диэлектрическим изолятором.

Запуск ионного источника осуществляется путем подачи на поджигаю­щий электрод слаботочного высоковольтного импульса с амплитудой                        ~ 10 кВ. В результате по поверхности диэлектрического изолятора происходит про­бой, приводящий к разогреву участка катода с последующей десорбцией из него дейтерия. Из-за этого происходит локальное повышение давления в пространстве между катодом и анодом, приводящее к возникновению искры, переходящей в вакуумную дугу. При этом ее электродные пятна, возникающие на катоде и аноде, непрерывно десорбируют дейтерий, создавая в меж­электродном пространстве давление, необходимое для поддержания дугового разряда.

Длительность этого процесса составляет несколько микросекунд и опре­деляется временем разряда накопительной емкости в анодно-катодной цепи. За это время в области электродных пятен происходит пинчевание тока ва­куумной дуги, сопровождаемое выделением больших плотностей энергии и нагревом областей пинчевания до температур образования высокоионизованной металло-дейтериевой плазмы, разлетающейся в свободное пространство со скоростью ударной волны (10⁴ — 10⁵ м/с).

Часть дейтронов из разлетающейся плазмы попадает в полость анодного ускоряющего электрода. В цепи диодной системы 2 синхронно с запус­ком ионного источника формируется высоковольтный импульс с амплитудой ~ 100 кВ. В результате в межэлектродном пространстве возникает электри­ческое иоле, с помощью которого осуществляется извлечение дейтронов из плазмы, заполняющей полость анода, и последующее ускорение к мишени, где в результате реакции T(d,n)⁴Не происходит генерация нейтронов.

Для обеспечения электрической прочности формирование ускоряющего импульса осуществляется с помощью двух биполярно соединенных высоко­вольтных трансформаторов, на первичные обмотки которых происходит раз­ряд накопительных емкостей, заряжаемых до напряжения в несколько ки­ловольт. Коммутация разрядных цепей, включая цепь ионного источника, обеспечивается единым управляемым разрядником через специальную схему делителей напряжения, что при соответствующем подборе ее параметров обеспечивает оптимальную синхронизацию запуска ионного источника и вы­соковольтной цепи. СГН на базе вакуумной УТ с указанной схемой запуска может работать в импульсно-периодическом режиме с частотой срабатывания трубки 10-50 Гц.

Первые эксплуатационные СГН подобного типа были разработаны во ВНИИ ядерной геофизики и геохимии под руководством Д. Ф. Беспалова, который работал в группе Г.Н.Флерова в период создания основ ИНК. В настоящее время во ВНИИА им. Н. Л. Духова с учетом современных технологических достижений под руководством Е.П.Боголюбова разработаны и серийно выпускаются новые СГН на базе вакуумных УТ с потоком в полный телесный угол до 10⁹ с^-1, а также аппаратурные комплексы ИНК на их основе.

Излучатели современных СГН изготавливаются в виде отдельных герме­тичных моноблоков, заполненных изолирующей жидкостью. Диаметр моно­блока составляет величину от 30 до 50 мм, а мощность питания не превышает 100 Вт.

СГН на базе вакуумных УТ принципиально не могут работать в режиме повторения нейтронных вспышек с частотой > 100 Гц. Это связано с боль­шим энерговыделением в объеме и возникающими в связи с этим проблемами теалоотвода. Для реализации подобных частотных режимов необходимо применять газонаполненные УТ.

Схематический разрез типичной газонаполненной УТ, используемой в СГН. представлен на рис.2.

Прототипом современной газонаполненной УТ является трубка, исполь­зовавшаяся в нервом экспериментальном приборе ИНК. Ее принцип действия был применен в первых серийных газонаполненных УТ, разработанных на Запрудненском электровакуумном заводе под руководством А.З.Минца. Существенным отличием этих трубок от прототипа было использование бо­лее эффективного ионного источника на основе разряда Пеннинга с тер­мокатодом. Дальнейшее усовершенствование газонаполненных УТ проводи­лось во ВНИИ ядерной геофизики и геохимии, ИЯИ АН Украины и ВНИИА им. Н. Л. Духова. Эти усовершенствования коснулись оптимизации ускоряющей системы, конструкции изоляторов, использования ионного ис­точника Пеннинга с холодным катодом и тритий-дейтериевой газовой смесью, а также современных электровакуумных технологий. В настоящее время усо­вершенствованные изделия подобного типа выпускаются серийно во ВНИИА им. Н. Л. Духова и мелкими сериями в ИЯИ АН Украины по отдельным зака­зам.

Газонаполненная УТ представляет собой слаботочный ионный диод с электродной системой 3 типа иммерсионной линзы, в которой ускоряются дейтроны и тритоны к мишени 1. расположенной внутри катодного элек­трода. Как и в вакуумной УТ, мишень представляет собой пленку титана или скандия, напыленную на металлическую подложку и насыщенную смесью дейтерия и трития.

Для образования дейтронов и тритонов используется ионный источник Пеннинга с холодным катодом, который состоит из торцевых катода 6 и антикатода 4, между которыми соосно расположен цилиндрический анод 5. При этом в рабочем объеме ионного источника с помощью соленоида или кольцевых магнитных элементов создается постоянное продольное магнитное поле. Для запуска источника на анод от усилителя мощности подается импульс напряжения с амплитудой 1-3 кВ. В результате в рабочем объеме ионного источника загорается электрический разряд. Разрядной средой при этом является смесь дейтерия и трития, выделяемого из геттерного газохра­нилища 7. Оно может быть выполнено из пористого титана, насыщаемого изотопами водорода. При пропускании через него заданного электрического тока создается определенная температура газохранилища, при которой реа­лизуется баланс давления в объеме УТ и концентрации изотопов водорода в хранилище, необходимый для эффективной работы ионного источника.

Величина магнитного поля подбирается таким образом, чтобы обеспе­чить магнитную изоляцию анодного электрода ионного источника и свести к минимуму энерговыделение на его электродах.

Введение антикатода, находящегося под потенциалом катода, позволяет сформировать продольную потенциальную яму, в которую попадают элек­троны, эмитируемые катодами под действием ионной бомбардировки и обра­зованные в объеме источника при неупругих столкновениях. Электронные траектории существенно удлиняются за счет продольных колебаний в указан­ной потенциальной яме, дрейфа по азимуту в скрещенных электрическом и магнитном нолях и винтового движения вокруг силовых линий магнитного поля. В результате происходит эффективная ионизация дейтерий-тритиевой смеси электронным ударом с образованием дейтронов и тритонов. Послед­ние через отверстие в антикатоде попадают в полость анодного электрода ускоряющей системы трубки.

На ускоряющий зазор подается постоянное ускоряющее напряжение ве­личиной 100-150 кВ от малогабаритного каскадного генератора. При этом в межэлектродном зазоре формируется электрическое поле, с помощью которого осуществляется вытягивание дейтронов и тритонов из плазмы, заполня­ющей полость анода, и их ускорение к мишени 1.

Использование дейтерий-тритиевой смеси в газохранилище и мишени предотвращает деградацию последней в результате замещения трития дей­терием. Это позволяет существенно увеличить ресурс изделия, который для лучших образцов УТ может достигать ~ 1000 ч при обеспечении нейтронного потока в полный телесный угол на уровне, превышающем 10⁸ с^-1.

Стабильность работы СГН на базе газонаполненных УТ обеспечивается специальными системами автоматического регулирования, предусматриваю­щими контроль токов в цепях ускоряющей системы и ионного источника, с последующей коррекцией режимов работы газохранилища и каскадного ге­нератора. Контроль за режимом работы УТ можно осуществлять и путем мониторирования нейтронного потока, например, с помощью α-детектора. располагаемого в объеме трубки вблизи мишени.

Дальнейшие работы в части совершенствования СГН с газонаполненными УТ направлены на повышение их термоустойчивости. Ориентиром следует считать температуру = 150°С в связи с увеличением глубины исследуемых промысловых нефтегазовых скважин.

Говоря о современных СГН, используемых в серийной аппа­ратуре ИНК, следует обратить внимание на проблему подавления тока ионно-электронной эмиссии с мишени УТ. Этот паразитный ток может в несколько раз превышать значение ионного тока, попадающего на мишень, и отрица­тельно влиять на работу источника высокого напряжения, перегружая его и уменьшая в несколько раз его энергетический КПД. В описанных выше УТ эта проблема решается путем отрицательного электрического смещения ка­тодного ускоряющего электрода относительно мишени. При этом величина создаваемого таким образом потенциального барьера для электронов должна составлять ~ 10² — 10³ эВ.

В настоящее время имеются значительные успехи в части создания экс­периментальных образцов УТ с вакуумно-дуговыми и лазерными источниками дейтронов, позволяющие генерировать в полный телесный угол поток нейтронов > 10¹⁰ с^-1 с частотой 10-50 Гц.

Опыт эксплуатации подобных УТ с вакуумно-дуговыми источниками ио­нов выявил существенную нестабильность импульсного нейтронного выхода, связанную с особенностями работы источника дейтронов. Это неизбежно тре­бует, как отмечалось выше, введения в состав аппаратуры монитора импульс­ного нейтронного потока, что существенно усложняет каротажный комплекс.

Указанные выше недостатки могут быть устранены при использовании в УТ лазерно-плазменного источника дейтронов, диодной системы с радиаль­ным ускорением и магнитной изоляцией ускоряющего зазора. На рис.5 приводится схематический разрез такой УТ.

Высоковольтные источники на основе генераторов Аркадьева-Маркса или специальных формирующих линий позволяют получать на диодном зазоре УТ импульсы ускоряющего напряжения (длительность ≤ 100 нс) с амплиту­дой до 500 кВ. При этом за счет малой длительности импульса в сочетании с магнитной системой подавления электронной проводимости диодной системы можно существенно снизить требования к высоковольтной изоляции.

Подобное повышение амплитуды ускоряющего напряжения дает возмож­ность подойти к созданию СГН, использующего ядерную реакцию D(d,n)³Не. При этом отпадает потребность использования в УТ трития и снимается про­блема падения нейтронного выхода во времени при его замещении в мишени дейтерием. Кроме того, изменение энергетического спектра нейтронов за счет повышения энергии дейтронов может привести к увеличению сечения акти­вации для ряда породообразующих элементов.

Другой неотъемлемой частью аппаратурных комплексов ИНК является система регистрации нейтронов или γ-квантов с последующим кодированием и передачей на поверхность каротажных сигналов. Эти аппаратурные узлы не отличаются принципиально от современных устройств для анализа радиаци­онных полей, используемых в ядерной физике, если не считать особенностей компановки электронных узлов внутри баростойкого корпуса протяженной длины, а также жестких требований к термоустойчивости аппаратуры. От­метим только, что в качестве детекторов медленных нейтронов применяются в основном газоразрядные счетчики типа СНМ, заполненные изотопом ³Не. В качестве детекторов γ-квантов — блоки на основе кристаллов Nal(Tl), Csl, германата висмута, оксиортосиликата лютеция и т.д. Их энергетическое разрешение в условиях эксплуатации в скважине составляет от 6 до 10%.

Запоминание, кодирование и декодирование информации в современных аппаратурных комплексах ИНК осуществляется с помощью термостойких ми­кропроцессоров, а при передаче ее на поверхность используются специальные помехоустойчивые биполярные коды.

Область применения метода 

Импульсный нейтронный каротаж (ИНК) — метод ра­диоактивного каротажа при контроле за разработкой, ис­пользуемый: в неперфорированных интервалах — для опре­деления положения ВНК, ГНК, ГВК, оценки текущей и оста­точной нефтегазонасыщенности, интервалов обводнения, пе­ретоков нефти и газа; в перфорированных интервалах — для оценки остаточной нефтенасыщенности, выявления интерва­лов, обводненных высокоминерализованными водами, выяв­ления интервалов прорыва газа.

Метод ИНК применителен к задачам разведки месторождений про­дуктивных углеводородов, подсчета их запасов и контроля за разработкой месторождений. Он позволяет в коллекторе отли­чить газ или нефть от воды и используется для обнаружения нефти или газа за обсадной колонной.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 

ИНК в интегральной модификации основан на облучении скважины и породы быстрыми нейтронами от импульсного источника и измерении распределения во времени интегральной плотности тепловых нейтронов или гамма-квантов, образующихся в результате ядерных реакций рассеяния и захвата нейтронов. Для ИННК и ИНГК измеряемыми величинами являются скорости счета во временных окнах, основными расчетными — макросечение S_а захвата тепловых нейтронов в единицах захвата (е.з.), равных 10^-3 см^-1, и водонасыщенная пористость пород, в процентах.

Измерительный зонд (ИНК) содержит излучатель быстрых (14 МэВ) нейтронов, один или два детектора тепловых нейтронов или гамма-излучения. Точка записи — середина расстояния между излучателем и детектором, для двухзондовых приборов — середина расстояния между детекторами.

Модуль ИНК обычно комплексируют с модулями ГК и ЛМ.

Калибровка скважинных приборов

К проведению скважинных исследований допускают только каротажные станции и скважинные приборы, прошедшие калибровку в метрологической службе геофизического предприятия, аккредитованной на право проведения калибровочных работ. При отсутствии на предприятии аккредитованной метрологической службы калибровку технических средств должна выполнять метрологическая служба другого юридического лица, аккредитованная на право проведения калибровочных работ с техническими средствами ГИС, например, базовая организация метрологической службы, метрологический центр, НИИ, КБ и т.п.

Калибровку выполняют с использованием образцовых технических средств, указанных в эксплуатационной документации на приборы и оборудование, в соответствии с требованиями действующих стандартов на данный тип приборов или оборудования.

Первичную калибровку выполняет изготовитель (поставщик) скважинных приборов и/или наземного оборудования. Результаты первичной калибровки являются составной частью эксплуатационной документации поставляемых технических средств.

Периодическая калибровка приборов в стационарных условиях (на базах геофизических предприятий) должна проводиться с периодичностью, указанной в эксплуатационной документации, но не реже одного раза в квартал, при вводе в эксплуатацию и после каждого ремонта. Результаты периодической калибровки хранятся в банке данных метрологической службы предприятия и переносятся в базу данных каротажной лаборатории, предназначенной для проведения исследований этими приборами. Они используются для придания цифровым показаниям скважинных приборов масштабов в физических единицах и для контроля совместно с результатами полевых калибровок достоверности измеренных цифровых данных.

Периодические калибровки выполняют с использованием калибровочных установок, указанных в эксплуатационной документации на приборы и оборудование.

Измерения при калибровках необходимо проводить с использованием наземного оборудования (геофизический кабель, регистратор и др.), соответствующего по своим характеристикам тому, которое будет применяться при проведении скважинных исследований.

Калибровки скважинных приборов в полевых условиях выполняют перед каждым спуском и после каждого подъема приборов из скважины, если это предусмотрено эксплуатационной документацией на отдельные приборы. В других случаях при работе с цифровыми приборами используют файлы периодических калибровок.

1. Требования к измерительным зондам ИНК:

- нормируемыми метрологическими характеристиками являются макросечение захвата тепловых нейтронов (S_а) и коэффициент водонасыщенной пористости (k_n), которые рассчитывают по измеренным скоростям счета импульсов;

- диапазоны определения S_а и k_n - 7,4-22,2 е.з. и 1-40 % соответственно;

- среднеквадратические случайные погрешности определения S_а не более ±2,5 %, k_n - не более ±2,0 % (абс.);

- систематические погрешности определений S_а не более ±2,5 %, k_n - не более ±1,5 % (абс.);

- дополнительные погрешности определений макросечения захвата, вызванные изменением нейтронного выхода излучателя, температуры окружающей среды и напряжения питания - не более ±2 % для каждой изменяющейся величины;

- дополнительные погрешности определений пористости при изменениях тех же величин

- не более ±1 % (абс.).

2. Минимальные требования к методическому и программному обеспечению заключаются в наличии алгоритмов и зависимостей: калибровочных, устанавливающих связь между макросечением захвата и пористостью, с одной стороны, и скоростью счета, с другой; поправочных, учитывающих отклонение условий измерений от стандартных; программное обеспечение должно сопровождать регистрацию и обработку данных до получения конечных характеристик — S_а и k_n.

3. Первичную, периодические и полевые калибровки проводят согласно требованиям эксплуатационной документации.

3.1. Периодические калибровки проводят через каждые 3 месяца эксплуатации и после ремонта прибора, включающего замену излучателя быстрых нейтронов и детекторов, с использованием трех стандартных образцов, воспроизводящих значения макроскопического сечения захвата и водонасыщенной пористости в диапазонах измерений.

В качестве одного из стандартных образцов используют емкость с пресной водой (минерализация менее 0,5 г/л), размеры которой исключают влияние среды за ее стенками и составляют не менее 1,5 м в диаметре и 2 м по высоте.

3.2. Полевые калибровки выполняют в емкости, заполненной пресной водой, перед выездом на скважину и по возвращении со скважины.

4. Скважинные исследования включают два этапа: оценочный и основной.

4.1. Оценочные измерения проводят в нижней части разреза в водонасыщенном пласте с целью проверки работоспособности прибора и наземной панели, определения скорости проведения основных измерений в зависимости от статистической погрешности измерения. Время накопления одного кванта по глубине подбирают скоростью проведения каротажа таким образом, чтобы статистические погрешности измерения S_а и k_n не превышали заданный уровень, регламентируемый эксплуатационной документацией на конкретную аппаратуру.

В случае, если подъемник не обеспечивает требуемую скорость подъема прибора, определяют количество необходимых рейсов основных измерений. При однократном измерении скорость каротажа не должна превышать 150 м/ч.

4.2. Основные, повторные и контрольные кривые должны повторяться по конфигурации, а систематические погрешности не должны превышать ±2,5 % (отн.) для макросечения захвата нейтронов и ±1,5 % (абс.) для пористости.

Заключение 

Метод ИНК, основы которого были заложены 50 лет назад под научным руководством Г.Н.Флерова, продолжает непрерывно развиваться с ис­пользованием современных достижений в области ядерной и математической физики, прикладной математики, ускорительной, высоковольтной и вычи­слительной техники. При этом в процессе развития сформировались такие направления, как ИНК с анализом временных спектров тепловых нейтронов или γ-квантов радиационного захвата с использованием одного или двух де­текторов. ИНК с анализом энергетических спектров γ-квантов радиационного захвата и неупругого рассеяния, а также нейтронно-активационный каротаж.

По меткому выражению Г.Н.Флерова, комплексы ИНК стали «спутниками в глубь Земли».

В процессе разработки теоретических основ ИНК и анализа результатов модельных физических и компьютерных экспериментов на полуэмпирическом уровне были установлены закономерности, определяющие пространственно-временную структуру нейтронного ноля в геофизической среде, пересеченной скважиной, основанные на модели двух экспоненци­ально спадающих во времени нейтронных потоков, распространяющихся по стволу скважины и перпендикулярно ее направляющей. Эти закономерности с использованием специального аппарата математической обработки дают эф­фективный аппарат для определения физических параметров исследуемого объекта (полное сечение поглощения нейтронов и коэффициент диффузии) по показаниям системы детектирования. Эти параметры позволяют, в свою очередь, оценивать минерализацию и водородосодержание пласта, определя­ющие характер его насыщенности продуктивным флюидом или водой.

ИНК, в отличие от других методов, позволяет исследовать состояние геофизической среды через стальную обсадную колонну эксплуатационной действующей скважины. Поэтому он стал незаменимым при решении таких задач промысловой геофизики, как контроль за разработкой месторождений продуктивных углеводородов, уточнение их запасов на действующих и законсервированных скважинах, включая пласты малой мощности. Эти задачи становятся особенно актуальными в настоящее время, так как резкое повы­шение цен на нефть сделало рентабельным освоение и расконсервирование скважин с низкой нефтеотдачей, а также разработку пластов малой мощности (~ 1 м). При этом метод может эффективно использоваться и при исследо­вании необсаженных и бурящихся скважин, где он успешно конкурирует с классическими электродинамическими и акустическими методами каротажа.

Разработка месторождений с низкой минерализацией пластовых вод потребовала создания модификаций метода ИНК с прямым определением содержания углерода и кислорода. Для этой цели были использованы достижения современной ядерной физики в области γ-спектрометрии излучения неупругого рассеяния и радиационного захвата. В настоящее время успешно развивается и внедряется в практику геофизических исследований метод С/О-каротажа. при котором определяется отношение концентраций углерода и кислорода (С/О-индекс) путем анализа спектров γ-квантов неупругого рас­сеяния. Этот параметр позволяет характеризовать характер насыщенности пласта (вода или продуктивный углеводород).

Для повышения достоверности исследования геофизических объек­тов методом ИНК необходимо комплексировать различные методики ИНК в рамках единых каротажных комплексов на базе СГН.

Дальнейшее развитие и повышение эффективности различных модификаций ИНК немыслимо без совершенствования аппаратурных комплексов.

Список литературы 

1.  Алаева Н.Н. Промыслово-геофизические методы и приборы: Методические указания к выполнению курсовых работ (проектов) по дисциплине «Промыслово-геофизические методы и приборы», Альметьевск: АГНИ, 2010. – 48 с.

2.  Брагин Ю.И., Вагин С.Б., Гутман И.С. Нефтегазопромысловая геология и гидрогеология залежей углеводов. М.: Недра, 2004. - 399 с.

3.  Замятнин Ю.С., Шиканов А.Е. 50 лет импульсному нейтронному каротажу (1955-1958 гг., Г.Н. Флеров) Дубна: Объединение института ядерных исследований, 2007. – 35 с.

4.  Норман Дж. Хайн Геология, разведка, бурение и добыча нефти. М.: ОЛИМ БИЗНЕС, 2004 – 752 с.

5.  Руководство по применению промыслово-геофизических методов для контроля за разработкой нефтяных месторождений. М.: Недра, 1978. - 256 с.

6.  РД 153-39.0-072-01 Техническая инструкция по проведению геофизических исследований и работ приборами на кабеле в нефтяных и газовых скважинах

7.  http://www.geohydrology.ru/radioaktivnyiy-karotazh.html