Научные основы помехоустойчивых информационно-измерительных систем импульсного нейтронного каротажа Амурский, Андрей Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность работы. При решении ряда геолого-геофизических задач, таких как оценка коэффициента текущего нефтегазонасыщения, коэффивдента остаточной нефтенасыщенности, определение емкостных свойств пласта на различных стадиях его выработки, выделение интервалов газонасыщения и др., в комплексе с другими геофизическими методами применяются методы стационарного и импульсного нейтронного каротажа (ИНК). В этом комплексе весьма перспективно применение метода многозондового ИНК (или его наиболее простой модификации -двухзондовой - ДИНК). позволяющего получать всю информацию, которую могут дать применяемые методы стационарного и импульсного нейтронного каротажа и с помощью которого можно оценивать одновременно несколько независимых геофизических параметров, что существенно повышает достоверность результатов интерпретации данных каротажа. ДИНК позволяет заменить в комплексе ГИС методы, использующие изотопные источники нейтронов и. таким образом, повысить радиационную безопасность ведения работ. Производительность ИНК, ранее ограниченная малой мощностью управляемых излучателей нейтронов, в настоящее время может быть повышена благодаря использованию более совершенных скважинной аппаратуры и алгоритмов обработки данных измерений. Вследствие этого появляется возможность его применения на стадии поиска и разведки нефтегазовых месторождений.

По мере усложнения геолого-технических условий требования к точности оценки геологических параметров пласта по данным ГИС постоянно растут. Однако данные, получаемые этими методами при решении задач в таких сложных условиях, оказываются недостаточно достоверными. Это обусловлено рядом факторов: высокой нестабильностью шпаратуры. особенно при повышении температуры, малой мощностью ірослоев в слоисто-неоднородных пластах, изменчивостью строения жважины вдоль ствола скважины (каверны, локальные изменения пара-іетров цементного камня, муфты, коррозия обсадных колонн и др.).

Несмотря на большие потенциальные возможности и глубокую про->аботку физических основ метода, практическое использование ДИНК в ;ашей стране было существенно ограничено. Так, для оценки нейтрон-1ых параметров при существующем уровне технических средств необхо-дамо, чтобы мощность прослоев или пластов была не менее 1.5+2.0 м, [ то при условии использования высокостабильных или контролируемых ю времени и при изменении температуры детекторов и излучателей іейтронов. Это требование существенно ограничивает область приме-;ения ДИНК по сравнению со стационарными нейтронными методами. В ложных условиях измерений удавалось получать характеристики плас-'ов только лишь на качественном уровне. Фактически, применение ;вухзондовой аппаратуры сводилось к замене устаревшего парка одно-

- г -

зондовой модификации аппаратуры ИНК.

Принципиальная возможность повышения эффективности ДИНК (достоверности результатов интерпретации данных измерений, производительности каротажа) в сложных геолого-технических условиях связана с разработкой помехоустойчивых информационно-измерительных систем. Такие системы включают аппаратуру ДИНК, построенную по специально выбранной схеме расположения источников и детекторов излучений, и соответствующее программно-методическое обеспечение, которое должно позволять оценивать основные нейтронные параметры пластов ограниченной мощности. Возможность создания и эффективного применения этих более сложных измерительных комплексов основывается на достигнутом в последнее время усовершенствовании их основных элементов: излучателей нейтронов с повышенным ресурсом, цифровой телеметрии, модульное исполнение узлов скважинной аппаратуры, компьютеризированные каротажные станции и др. Для обоснования возможности создания таких систем необходимо было провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований помехоустойчивости различных измерительных схем ДИНК, их анализ и оптимизацию, а также разработку соответствующих алгоритмов и программ для определения нейтронных параметров.

Цель работы: разработка научных основ помехоустойчивых информационно-измерительных систем ДИНК, позволяющих повысить эффективность ГИС при изучении горных пород в сложных геолого-технических условиях.

Основные задачи работы:

1. Теоретические и экспериментальные исследования, включающие математическое и физическое моделирование нейтронных полей, для изучения влияния помех, вызванных вертикальной неоднородностью строения скважины, слоистой неоднородностью строения пластов и аппаратурной нестабильностью, возникающих при измерениях параметров горных пород методом многозондового ИНК.

2. Разработка научно-исследовательского образца измерительного комплекса ДИНК повышенной помехоустойчивости.

3. Разработка и исследование методических возможностей информационно-измерительной системы (ИИС) ДИНК повышенной помехоустойчивости.

4. Разработка новых и модификация известных алгоритмов и методик измерения нейтронных параметров, их обобщение для аппаратуры ДИНК различного типа, с целью повышения достоверности интерпретации результатов каротажа.

Научная новизна:

1. Теоретически и экспериментально обоснован новый тип инфор-

мационно-измерительных систем (ИИС) ДИНК повышенной помехоустойчивости на основе аппаратурного комплекса "Двойной симметричный зонд ИНК" (ДСЗ ИНК).Он отличается:

низкими требованиями к стабильности излучателей нейтронов и детекторов излучений (допустимы вариации в нескольких раз);

возможностью измерять по методике двухзондового ИНК параметры пластов мощностью > 0.4 м (по сравнению с 1.5+2.0 м для известных модификаций).

При этом точность параметров пластов получают не хуже, чем для комплекса однозондового ИНК и многозондового нейтронного каротажа -со стационарным источником нейтронов (погрешность 1_а менее 2-4% отн., погрешность водородосодержания менее 1.5-2.5% абс. при его значениях 15-25%).

Показано, что наиболее точно параметры пластов можно получить при использовании схемы ДСЗ ИНК с расположением источников нейтронов между детекторами излучений.

2. Предложены и опробованы методика измерений и алгоритмы обработки данных двухзондового ИНК, обеспечивающие получение нейтронного параметра - средней длины миграции тепловых нейтронов, а также усовершенствованы известные алгоритмы оценки нейтронных диффузионных параметров Х_а и D, что позволяет для типичных условий нефтегазовых скважин измерять нейтронные параметры для разных "типов скважинной аппаратуры: внешний диаметр 42+90 мм, длина малого зонда z1=20+60 см, большого - z₂=60+90 см, длина детекторов < 30 см.

3. Установлено, что с ростом длины малого зонда уменьшается влияние неоднородности пластов по нейтронно-поглощающим свойствам на характеристики пространственного распределения излучений, измеряемых с аппаратурой, построенной по схеме источник-источник-детектор или двойной-симметричный зонд ДСЗ ИНК. Показано, что уровень таких помех снижается в 2-4 раза с увеличением размера малого зонда от 20 до 40 см и соответствует, например, ошибке 0.5+1.0% абс. при оценке водородосодержания в диапазоне К_п=15+25%.

4. Установлена взаимосвязь между частотой следования импульсов-на входе системы передачи импульсов (канала телеметрии), имеющей конечное "мертвое время" произвольного типа, и параметрами распределения временных интервалов между ними на выходе этой системы, что позволило предложить для ИНК новый способ восстановления частоты следования импульсов, искаженных просчетами в канале телеметрии, с погрешностью, не превышающей 1-2%, независимо от типа "мертвого времени" (авторское свидетельство № 1599823).

Основные защищаемые положения: помехоустойчивая информационно-измерительная система ИНК, научно обоснованная и опробованная.

включающая аппаратурно-методический комплекс "Двойной-симметричный зонд", алгоритмическое и методическое обеспечение измерения нейтронных параметров горных пород, которая позволяет получать на количественном уровне по методике двухзондового ИНК геофизические параметры маломощных пластов (>0.4 м) в условиях, осложненных неоднородностью строения скважины вдоль ее оси, относительно высокой нестабильностью излучателей и детекторов излучений, нелинейными искажениями в канале телеметрии и ограниченной статистической точностью измерений.

Практическая значимость работы.

Обоснованы параметры нового помехоустойчивого аппаратурно-ме-тодического комплекса, позволяющего повысить эффективность применения ИНК при исследовании пластов ограниченной мощности. Предлагаемое решение позволяет реализовать количественные измерения геофизических параметров в интервалах скважины, осложненных ее' вертикальной неоднородностью, а также при относительно невысоких требованиях к стабильности излучателей нейтронов и детекторов излучений. Создан и опробован прототип аппаратурного комплекса, на базе которого разработан проект технического задание для аппаратурного комплекса типа "Двойной симметричный зонд ИНК". Разработанные алгоритмы и методики определения нейтронных параметров горных пород обеспечивают единство и точность метрологического обеспечения существующих и новых комплексов двухзондового ИНК. Отдельные результаты работы вошли в методические руководства по проведению измерений и лбработки их результатов с аппаратурой ИНК-7 и ИНК-9.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на Всесоюзном совещании "Состояние и перспективы развития скважинной ядерной геофизики (проблемы теории)", Москва, 1984; на Всесоюзной научной конференции "Проблемы и перспективы ядерно-геофизических методов в изучении разрезов скважин", Обнинск, 1989; на международной научной конференции "Геофизика и современный мир¹', секция "Ядерная геофизика", Москва, 1993.

Публикации. По теме работы имеется двенадцать публикаций, в том числе два авторских свидетельства.

Личный вклад автора:

теоретическое исследование влияние неоднородности вертикальногс строения пластов на показания различных измерительных комплексов многозондового ИНК;

сравнительный анализ помехоустойчивости различных, измерительных схем двухзондового ИНК, оптимизация зондов и режимов обработки результатов измерений для исследований в слоисто-неоднородном разрезе;

разработка алгоритмов и программы обработки данных ДИНК;

предложение идеи учета влияния нелинейности системы детектиро-:ания и телеметрии ИНК по данным о распределении временных интер-алов между зарегистрированными импульсами, которая реализована в пособе, защищенном авторским свидетельством;

- участие в составлении технических заданий на аппаратуру ДИНК,
разработке методического обеспечения и в проведении скважинных

спытаний аппаратурно-методических комплексов разного типа, обра-отке данных модельных и скважинных измерений.

Автор глубоко признателен научным руководителям - доктору из.-мат. наук Кантору С.А. и кандидату техн. наук Школьникову .С. за совместную плодотворную работу и всестороннюю помощь в ра-оте над диссертацией. Автор также не может не вспомнить с благо-арностью доктора физ. -мат. наук, проф. Шимелевича Ю. С.. оказавше-о поддержку в исследованиях по теме диссертации. Автор благодарен воим коллегам Дыдычкину В.Н., Моисееву С. А., Шапошниковой Т. А. частие их в совместной работе по теоретическому моделированию, азработке и испытанию аппаратуры позволило выполнить большой объ-м исследований и решить задачи работы. Реализация работ стала эзможна, также, при содействии и поддержке со стороны Воронкова .Н., Мартьянова И.А.. Мельчука Б. Ю, Старинского А.А., Шипунова .В.. Цейтлина В.Г. и многих других. Большая помощь оказана при эоведении исследований на Самотлорском месторождении Марковым .Ф.. Теленковым В.М. Автор признателен Блюменцеву А. М. и Полячен-d А. Л. за помощь в подготовке работы к защите.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и

іключения. которые изложены на страницах текста, содержит

ісунка и список литературы, включающий наименований.