НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЩЕСТВО

С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ

"ОКТУРГЕОФИЗИКА"

На правах рукописи

БОРТАСЕВИЧ ВИКТОР СТЕПАНОВИЧ

ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМАЯ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

ИМПУЛЬСНОГО НЕЙТРОННОГО

ГАММА-КАРОТАЖА

Специальность 25.00.10 геофизика, геофизические методы полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Хаматдинов Р.Т.

Тверь 2004 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ АППАРАТУРЫ И

МЕТОДИКИ ИНКГС

1.1. Физические основы метода

1.1.1. Взаимодействие нейтронов с веществом

1.2. История и тенденции развития метода ИНГКС в ведущих зарубежных и отечественных геофизических компаниях

1.2.1. Генераторы нейтронов

1.2.2. Скважинные информационно-измерительные системы, временные режимы, скорости каротажа

1.2.3. Метрологическое обеспечение зарубежной спектрометрической аппаратуры. 1.2.4. Основные измеряемые параметры и особенности первичной обработки.......... 1.2.5. Комплексирование аппаратуры

1.2.6. Спектрометрическая аппаратура с полупроводниковым детектором................ 1.3. Современное состояние аппаратуры и методики ИНГКС

1.4. Геолого-технические условия измерений в скважине

1.5. Постановка задачи. Обоснование основных требований к аппаратуре ИНГКС и наземной системе регистрации

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ ОСНОВНЫХ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ И СТРУКТУРНОГО ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ ИНГКС..

2.1. Экспериментальные исследования по обоснованию основных функциональных узлов

2.1.1. Обоснование выбора источника излучения для реализации методики углероднокислородного каротажа и экспериментальные исследования стабильности работы и температурного режима генератора нейтронов

2.1.2. Обоснование основных элементов блока детектирования

2.1.3. Экспериментальное определение энергетического разрешения кристаллов.... 2.1.4. Экспериментальные исследования влияния температуры на характеристики кристаллов

2.1.5. Обоснование выбора ФЭУ

2.1.6. Исследование влияния магнитного поля на характеристики ФЭУ

2.1.7. Экспериментальные исследования линейности шкалы блоков детектирования. 2.2. Теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию структурного построения аппаратуры ИНГКС

2.2.1. Обоснование числа каналов амплитудного анализатора и ширины канала...... 2.2.2. Экспериментальные исследования по обоснованию требуемого быстродействия амплитудного анализатора

2.2.3. Теоретические и экспериментальные исследования структуры построения информационно-измерительной системы аппаратуры. Обоснование применения скважинного микропроцессора

2.2.4. Экспериментальные исследования различных вариантов автостабилизации энергетической шкалы

2.2.5. Обоснование системы приёма-передачи по ТЛС

2.3. Наземная система регистрации для проведения скважинных измерений аппаратурой ИНГКС

2.4. Сравнительные испытания аппаратуры ИНГКС с различными блоками детектирования

2.5. Физическое моделирование

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМОЙ АППАРАТУРЫ ИНГКС (АИМС) И

ТЕХНОЛОГИИ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТОДОМ УГЛЕРОДНО-КИСЛОРОДНОГО КАРОТАЖА......

3.1. Технические характеристики аппаратуры АИМС

3.2. Конструкция аппаратуры АИМС

3.2.1. Термостатирование блока детектирования

3.2.2. Конструкция импульсного генератора нейтронов ИНГ-06

3.3. Принцип работы скважинной аппаратуры АИМС и основных электронных блоков

3.3.1. Принцип работы информационно-измерительной системы

3.3.2. Устройство и принцип действия основных электронных блоков

3.4. Технология измерений аппаратурой спектрометрического нейтронного гаммакаротажа

3.4.1. Калибровка аппаратуры

3.4.2. Проведение измерений на скважине

3.4.3. Обработка первичной информации и функции качества записи

3.5. Метрологическое обеспечение

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ВНЕДРЕНИЯ АППАРАТУРЫ АИМС....... 4.1. История развития и география проведения опытно-промышленного внедрения.. 4.2. Оценка достоверности результатов измерений

4.2.1. Сравнение результатов скважинных измерений аппаратурой ИНГКС с зарубежными аналогами

4.2.2. Результаты испытаний как косвенное подтверждение достоверности измерений по определению текущей нефтенасыщенности по данным углероднокислородного каротажа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.….………………………………………………………………………….. ЛИТЕРАТУРА..…………………………………………………………...……...……….....

ВВЕДЕНИЕ

В “Основных концептуальных положениях развития нефтегазового комплекса России” рассмотренных на специальном заседании Правительства Российской Федерации в конце 1999 г., отмечалось, что уже в середине 80-х годов советская нефтяная отрасль достигла пика своих возможностей, и чётко наметилась тенденция снижения уровня добычи нефти. По данным официальных источников ТЭК добыча нефти за период с 1990 по 1996 г. снизилась с 516.2 до 301/3 млн. т. и лишь в 2000 г. застабилизировалась на уровне 323.0 млн.т.; вместе с тем, прирост запасов по отношению к добыче с 1991 по 2000 г. снизился с 180.9 до 65% 33. Такое положение дел связано со многими причинами: это и снижение объёмов геолого-разведочных работ, и уменьшение открытий крупных месторождений (не говоря об уникальных), и объективное снижение нефтедобычи ранее крупнейших нефтяных месторождений вступивших в стадию падающей добычи нефти и др. В результате сложившейся геолого-экономической ситуации нефтяные компании России сосредоточили основные усилия на повышении эффективности разработки уже разведанных месторождений, в первую очередь на повышении коэффициента нефтеизвлечения. Правильность выбора этого направления подтверждается опытом зарубежных нефтяных компаний, которые обеспечивают долю прироста запасов (в последнее десятилетие) за счёт доразведки флангов залежей, вовлечения в разработку пропущенных пластов и прослоев, улучшения системы разработки соответственно на 20, 6.2, 68.7 % 20.

Повышению эффективности контроля за разработкой месторождений и повышению нефтедобычи в первую очередь способствует широкое внедрение информационно-измерительных систем и новых технологий ГИС на базе программно-управляемых скважинных приборов. Применение новых технологий исследований, современных мощных компьютеров и программного обеспечения дают нефтяным компаниям реальные возможности повышения нефтедобычи 13, 16, 20, 24.

Для решения задач контроля за изменением нефтенасыщенности коллекторов, применяются различные модификации ядерного, акустического и термического каротажа, гидродинамические методы для измерения расхода и состава скважинного флюида, различные виды каротажа с применением индикаторных жидкостей 1, 12-16, 20, 45, 56. В связи с тем, что основной фонд действующих скважин на эксплуатируемых месторождениях составляют скважины, обсаженные металлической колонной, для оценки коэффициентов текущей и остаточной нефтенасыщенности наиболее широко применяются ядерно-геофизические методы. Одним из таких методов является спектрометрический метод импульсного нейтронного гамма-каротажа (ИНГКС), в модификации С/О (углеродно-кислородный)-каротаж, основанный на различии вещественного состава воды и углеводородов. Величина отношения С/О (углерода к кислороду) является определяющим фактором при определении степени нефтенасыщенности пласта.

Опыт ведущих зарубежных геофизических компаний подтверждает целесообразность применения углеродно-кислородного каротажа для решения задач определения насыщенности в обсаженном стволе в случае пресных и слабоминерализованных пластовых вод.

Таким образом, повышение эффективности изучения продуктивных пластов в процессе их разработки с помощью программно-управляемой спектрометрической аппаратуры импульсного нейтронного гамма-каротажа (ИНГКС) созданной с использованием современной элементной базы, программного обеспечения регистрации, первичной обработки и интерпретации данных ИНГКС, весьма актуальна.

Учитывая современное состояние в техническом, методическом и метрологическом обеспечении ИНК, автор сосредоточил свое внимание на создании промышленного образца программно-управляемой спектрометрической аппаратуры импульсного нейтронного гамма-каротажа, предназначенной для регистрации энергетически-временных спектров гаммаизлучения неупругого рассеяния (ГИНР) и гамма-излучения радиационного захвата (ГИРЗ) с целью последующего определения элементного состава горных пород и насыщающих их флюидов независимо от минерализации пластовых вод.

Основные задачи

исследований. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

обосновать и сформулировать основные технические требования к спектрометрической аппаратуре ИНГКС;

исследовать и обосновать основные функциональные узлы;

разработать принципы построения информационно-измерительной системы аппаратуры на основе применения современной микропроцессорной элементной базы;

разработать технологию проведения измерений методом углеродно-кислородного каротажа;

создать программное обеспечение регистрации и первичной обработки амплитудновременных спектров ГИНР и ГИРЗ;

провести лабораторные и скважинные исследования с целью апробации научнотехнических решений и оценки эффективности метода.

Методы исследования Аналитические и экспериментальные исследования характеристик и параметров программно-управляемых электронных блоков и основных функциональных узлов аппаратуры ИНГКС.

Разработка алгоритмов функционирования информационно-измерительной системы (ИИС) и тестирование программного обеспечения.

Экспериментальные (модельные) и скважинные исследования методом углероднокислородного каротажа.

Исходные материалы исследований:

результаты предыдущих НИОКР и опыт эксплуатации различных модификаций ИНК, в т.ч. программно-управляемой аппаратуры АИНК-42;

каталоги и информационные проспекты отечественных и зарубежных фирм;

патенты по классам GO1V 5/00 06-08; 12-14, литература по УДК 550.832.53.

Научная новизна полученных результатов:

автором, совместно с Черменским В.Г., научно обоснована и разработана программно-управляемая спектрометрическая аппаратура импульсного нейтронного - гамма каротажа (ИНГКС), состоящая из следующих основных функциональных узлов: высокочастотного генератора нейтронов (14 МэВ), блока детектирования, блоков амплитудно-временного анализа, регистрации, управления и приема/передачи информации, позволяющая в процессе проведения скважинных исследований управлять режимами работы, тестировать и контролировать работу нейтронной трубки излучателя, работу детектирующей системы, блоков накопления и приема/передачи данных и на основании этого регистрировать амплитудно-временные спектры ГИНР и ГИРЗ для последующего определения элементного состава горных пород и насыщающих их флюидов;

разработан способ программной автостабилизации энергетической шкалы аппаратуры ИНГКС в реальном масштабе времени;

разработана технология скважинных измерений методом углеродно-кислородного каротажа.

Практическая значимость результатов заключается в повышении эффективности оценки нефтенасыщенности коллекторов, независимо от минерализации пластовых вод, путём использования метода спектрометрического импульсного нейтронного гамма каротажа (т.н. углеродно-кислородного каротажа), получаемой по зарегистрированным амплитудновременным спектрам гамма излучения неупругого рассеяния и радиационного захвата, возможности многовариантной интерпретации данных ИНГКС. Анализ по 80 исследованным скважинам Самотлорского месторождения показал, что средний дебит нефти одной скважины составил 8.2 т/сут. Прирост дебита нефти одной скважины 7.4 т/сут. В 18 скважинах (22.5 % от общего количества анализируемых скважин) прирост дебита составил более т/сут, в 9 из них получены максимальные приросты дебитов нефти от 12.7 до 31.6 т/сут.

Защищаемые научные результаты 1. Программно-управляемая аппаратура спектрометрического импульсного нейтронного гамма-каротажа для исследования нефтегазовых скважин, в составе компьютеризированных каротажных станций, включающая:

программно-управляемые электронные блоки, выполненные на современной микропроцессорной элементной базе, с возможностью тестирования, контроля и управления режимами работы аппаратуры ИНГКС в реальном масштабе времени;

2. Система автостабилизации и идентификации энергетической шкалы спектрометра;

3. Технология проведения измерений методом углеродно-кислородного каротажа, включаящая:

программное обеспечение регистрации и первичной обработки многоканальных амплитудно-временных спектров ГИНР и ГИРЗ, позволяющее реализовать многовариантную обработку данных ИНГКС и последующее определение Кн, в соответствии с интерпретационной моделью объекта.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной Геофизической Конференции сессия “Новые технологии ГИС” (г. Москва, 15-18 сентября 1997 г.), Международной Конференции и Выставке по геофизическим исследованиям скважин сессия “Новые достижения в физических основах методов ГИС” (г.

Москва, 8-11 сентября 1998 г.), Всероссийском научно-практическом семинаре “Ядерная геофизика. Современное состояние и перспективы развития”, (г. Москва, 18-20 мая 1999 г.), научно-практической конференции “Современная ядерная геофизика при поисках, разведке и разработке нефтегазовых месторождений” (г. Бугульма, 18-20 мая 2001 г.).

Сведения о внедрении и эффективности использования результатов Использование результатов исследований позволило разработать и изготовить аппаратуру ИНГКС. В результате опытно - промышленного внедрения аппаратуры ИНГКС в период 1996-2002гг., проведены исследования методом углеродно-кислородного каротажа более чем в 1500 скважин различных нефтегазоносных провинций. Четыре комплекта аппаратуры ИНГКС эксплуатируются в ОАО «Сургутнефтегеофизика» и два комплекта в ОАО «Нижневартовскнефтегеофизика».

По результатам промышленного внедрения технологии ИНГКС на месторождениях Западной Сибири получены следующие практические результаты [35]:

всего по результатам углеродно-кислородного каротажа и переоценке имеющейся электрометрии было выделено более 20 продуктивных пластов, содержащих нефть и впервые на Самотлорском месторождении выделен новый нефтегазоносный комплекс, предварительная оценка запасов нефти в котором составляет около 50 млн. т;

расширен контур нефтегазоносности ачимовской пачки на Белозёрном поднятии;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Личный вклад автора. Анализ современного состояния аппаратуры и методики ИНК;

формулирование основных требований к аппаратуре ИНГКС и наземной системе регистрации; разработка структуры построения и обоснование основных функциональных узлов; разработка программного обеспечения скважинной информационно-измерительной системы;

участие в разработке электронных узлов и алгоритмов системы стабилизации; участие в разработке технологии проведения измерений методом углеродно-кислородного каротажа и её промышленное внедрение.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит список литературы из наименований и 61 рисунка.

Работа над диссертацией выполнялась в 1996-2002 гг. в НП ООО “Октургеофизика”, г.

Октябрьский.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Хаматдинову Р.Т. за постановку темы и помощь в процессе работы над диссертацией. Автор выражает искреннюю признательность Черменскому В.Г. и Велижанину В.А, в тесном сотрудничестве и при непосредственном участии которых выполнялась работа над темой диссертации. Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность своим коллегам Бубееву А.В., Тропину А.Н., Саранцеву С.Н., которые своим участием в совместных исследованиях, ценными советами и замечаниями, внесли неоценимый вклад в разработку данной аппаратуры. Создание аппаратуры ИНГКС было бы невозможным без использования высокочастотного генератора нейтронов (ИНГ-06). Пользуясь предоставленным случаем, автор благодарит коллектив ВНИИАвтоматики, а особенно ген.

директора Бармакова Ю.Н, зам. ген. директора ВНИИА Боголюбова Е.П., Хасаева Т.О. за создание скважинного генератора нейтронов и доведение его до промышленного выпуска.

Опытно-методические работы и промышленное внедрение выполнялось сотрудниками НП ООО “Октургеофизика”. Пользуясь случаем, автор выражает искреннюю признательность Варламову В.П., Алатыреву А.И., Петрову Ю.В, всем сотрудникам производственных партий за ответственное отношение и заинтересованность в реультатах работы.

Во введении показана актуальность работы, сформулирована её цель, основные задачи исследований, защищаемые положения, указаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе кратко рассмотрены физические основы взаимодействия нейтронов с веществом, дан анализ современного состояния скважинной геофизической аппаратуры ИНГКС, предназначенной для решения геолого-промысловых задач при контроле за разработкой эксплуатируемых месторождений. Приведён обзор наиболее известных зарубежных образцов скважинной импульсной спектрометрической аппаратуры. Рассмотрены принципы построения и область применения ИНГКС. На основе анализа геолого-технических условий, соответствующих наиболее оптимальному применению ИНГКС, и в результате критического анализа статей, патентов и каталогов зарубежных фирм сформулированы основные требования к принципам построения и параметрам создаваемой аппаратуры.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям по обоснованию основных функциональных узлов программно-управляемой спектрометрической аппаратуры импульсного нейтронного гамма-каротажа. Рассмотрены варианты построения информационноизмерительной системы аппаратуры ИНГКС с применением высокочастотного (1020 кГц) генератора быстрых (14 МэВ) нейтронов. Аппаратура однозондовая, цифровая, програмноуправляемая, с возможностью регистрации полных амплитудно-временных 256-канальных спектров ГИНР и ГИРЗ. В результате проведённых модельных работ определены основные возможности и параметры аппаратуры по вещественному определению горных пород и насыщающих их флюидов.

В третьей главе приведены результаты разработки аппаратуры и программного обеспечения регистрации и первичной обработки измерений спектрометрической аппаратурой импульсного нейтронного каротажа ИНГКС. Приведены технические характеристики на примере аппаратуры АИМС, её конструкция, состав и принцип действия. Показана технологическая последовательность проведения работ аппаратурой ИНГКС и процедура метрологической поверки.

В четвертой главе показана география опытно-промышленного внедрения и динамика роста объёмов исследуемых скважин. Приведены результаты сравнительных испытаний с зарубежной аппаратурой и оценка достоверности результатов измерений на примере Самотлорского месторождения.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ ИНКГС

В 1947-51 г. коллективом авторов (О.А Барсуков, Д.С. Беспалов, С.А. Кантор, Ю.С. Шимелевич) под руководством чл.-корр. АН СССР Г.Н.Флерова и Б.Г. Ерозолимского была разработана и опробована аппаратура нейтронного гамма-метода, разработаны основы её интерпретации 17, 26, 28, 41, 51, 52. В 1959 г. разработан и испытан в скважинах нефтяных месторождений Башкирии и Татарии первый вариант импульсного генератора нейтронов (Д.Ф. Беспалов, Г.Н. Флеров, В.Г. Ерозолимский, Ю.С. Шимелевич) 28. В процессе развития ИНК была показана его высокая эффективность для определения интервалов обводнения пластов в обсаженных скважинах при значительно меньшей минерализации пластовых вод и меньшей пористости коллектора, чем для стационарных нейтронных методов. В настоящее время выполнены значительные теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых выяснены основные зависимости показаний ИНК от характера насыщения пласта, выявлены и оценены основные факторы, влияющие на результаты измерений [17, 25, 31, 40, 41, 51, 52, 56].

Аппаратура ИНК интегрального типа регистрирует временной спектр затухания потока тепловых нейтронов (модификация ИННК) или временной спектр затухания вторичного гамма-излучения, возникающего при захвате тепловых нейтронов (модификация ИНГК).

Методы ИНК позволяют проводить литологическое расчленение разрезов скважин и исследования коллекторских свойств пластов. Дифференциация пород, определение нефтенасыщенности и пористости осуществляется по основным нейтронным параметрам среднему времени жизни и коэффициенту диффузии тепловых нейтронов. Как известно, нефть и пресная вода обладают близкими значениями времени жизни тепловых нейтронов ( н = 206 мкс, в = 204 мкс), но с увеличением концентрации NaCl, в пластовых водах до 50 г/л среднее время жизни нейтронов в воде уменьшается до 100 мкс 52, на этом различии нейтронных параметров основаны методики определения нефтенасыщенности интегральными ИНК.

Оценка коэффициента нефтенасыщенности Кн пластов интегральными импульсными методами возможна, по оценкам различных авторов 40, 43, 53, 56, при выполнении следующих условий:

минерализация пластовой воды не менее 3070 г/л NaCl; с уменьшением минерализации вод точность определения Кн уменьшается;

отсутствие зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости и восстановление минерализации пластовой воды в этой зоне до первоначального или до известного Уровень минерализации пластовой воды по NaCl является определяющим фактором достоверной оценки насыщенности пластов. По данным различных источников определение Кн методами ИНК осуществляется при Кп=1015 % (если Св=200250 г/л NaCl) и Кп=1520 % (если Св=100150 г/л NaCl). В неглинистых высокопористых коллекторах оценка Кн возможна при минерализации Св=3070 г/л NaCl 28.

В настоящее время Западная Сибирь остаётся ведущим нефтедобывающим регионом России, её доля добычи в годовой добыче нефти страны составляет 70% 20. Известно, что минерализация пластовых вод этого региона меняется от 15 до 24 г/л 39]. В связи с низкой эффективностью, трудоёмкостью и дороговизной были прекращены многолетние попытки по внедрению интегрального метода ИНК по оценке нефтенасыщенности пластов. Мировой опыт показывает, что одним из перспективных методов контроля процесса выработки коллектора на месторождениях с пресными и слабоминерализованными пластовыми водами, является применение спектрометрической модификации (ИНГКС), который направлен на изучение вещественного состава пласта и насыщающей его жидкости независимо от минерализации пластовых вод 12, 15, 26, 65, 67, 71, 76, 81, 89.

Ещё в 1971 г. были опубликованы первые результаты cкважинных исследований, выполненных российскими геофизиками методом неупругого рассеяния с источником нейтронов более 6 МэВ с применением сцинтиляционного детектора NaI(Tl) 44, в 70-х годах группой Миллера В.В. (ВНИИЯГГ) начались работы по созданию современного российского импульсного генератора нейтронов с применением полупроводникового гамма-спектрометра 52. Однако, в 80-х годах обозначилась тенденция отставания российской геофизики в области разработки и использования аппаратуры ИНК от крупнейших западных геофизических компаний. Это было обусловлено как начавшимся спадом в экономике страны, так и техническими проблемами, главными из которых являлись низкие технические характеристики отечественных нейтронных трубок и ненадёжность аппаратуры, всё это непомерно увеличило эксплуатационные расходы, вследствие этого резко снизились объёмы каротажа. В этих условиях продолжается разработка отечественной аппаратуры ИНК 24, 25, 36, 37, 42, 45, 59. В 1994 г. в НПГП "ГЕРС ", под руководством д.т.н. Хаматдинова Р.Т., коллективом авторов: Черменский В.Г., Велижанин В.А., Бортасевич В.С. и др. были начаты работы по созданию программно-управляемой аппаратуры радиоактивного каротажа нового поколения:

АИНК-42ТМ, ИНГКС (углеродно-кислородный каротаж). Создание аппаратуры спектрометрии импульсного нейтронного гамма-каротажа стало возможным благодаря серийному выпуску надёжных нейтронных трубок малого диаметра, а также высокочастотных генераторов нейтронов коллективом авторов ВНИИ Автоматики Минатома России, под руководством д.т.н. Бармакова Ю.Н., (Боголюбов Е.П., Хасаев Т.О, и др.).

Ведущие геофизические фирмы Запада для аппаратуры ИНК используют нейтронные генераторы на высокочастотной нейтронной трубке с источником Пеннинга. Данный тип нейтронных трубок наиболее приспособлен для проведения измерений времени жизни тепловых нейтронов. Однако, режим работы, при частоте излучателя нейтронов 4001400 Гц и длительности нейтронного импульса 20100 мкс, не может обеспечить достаточно уверенную и производительную спектрометрию гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов.

Одним из наиболее динамично развивающихся методов, позволяющим оценивать насыщенность пород независимо от минерализации пластовых вод является спектрометрия гамма-излучения неупругого рассеяния и радиационного захвата нейтронов (ИНГКС), с использованием высокочастотного (1020 кГц) импульсного генратора быстрых нейтронов (14 МэВ). Данная аппаратура, реализующая методику углеродно-кислородного (С/O)каротажа, успешно применяется ведущими зарубежными геофизическими фирмами Shlumberger, Halliburton, Western Atlas, Computalog и др., на различных нефтяных месторождениях мира 12, 15, 22-23, 67, 68, 71-76, 78, 82, 87. Аппаратура ИНГКС обеспечивает количественную оценку пласта в тех случаях, когда минерализация пластовых вод переменна или слишком низка для использования интегральных методов ИННК и ИНГК.

При контроле за разработкой нефтегазовых месторождений применение данного метода позволяет решать следующие геолого-промысловые задачи: отслеживание продвижения водонефтяного (ВНК) и газожидкостного (ГЖК) контактов и закачиваемых вод в неперфорированных пластах, оценка степени заводнения перфорированных пластов. При контроле испытаний в колонне локализация притока и установление характера насыщения приточных прослоев в перфорированном пласте. Кроме этого, подтверждена перспективность изучения разрезов скважин старого фонда методами ИНГКС с целью выявления и оценки пропущенных залежей 20, 24, 36-38.

Сущность метода ИНГКС заключается в следующем. При облучении горных пород быстрыми нейтронами (14 МэВ) в результате взаимодействия последних с ядрами горных пород возникает вторичное гамма-излучение, подразделяющееся на три основных типа:

гамма-излучение неупругого рассеяния (ГИНР);

гамма-излучение радиационного захвата (ГИРЗ);

гамма-излучение наведенной активности (ГИНА).

Энергия гамма-излучения, возникающего в результате этих взаимодействий, характерна для каждого элемента. Так в результате неупругого рассеяния на ядрах углерода (С) образуется ГИНР с энергий 4.43 МэВ, на ядрах кислорода 6.13 МэВ. Причем количество гаммаквантов, зарегистрированных детектором в определенных энергетических областях, пропорционально концентрации элементов, испускающих данные гамма-кванты.

1.1. Физические основы метода 1.1.1. Взаимодействие нейтронов с веществом Как известно 4, 19, 27-28, 41, 52, при облучении горных пород быстрыми нейтронами последние испытывают различные взаимодействия с ядрами вещества, передавая им часть своей энергии. В процессе замедления до энергии теплового движения атомов (Е1·10 -2 эВ), происходят упругие и неупругие рассеяния нейтронов на ядрах атомов, кроме того, тепловые нейтроны участвуют в процессах термализации, процессах диффузии и, наконец, поглощаются ядрами.

В результате первых соударений (1-2 акта) наиболее вероятным взаимодействием является неупругое рассеяние, при этом нейтроны замедляются до энергии ~1 МэВ, передавая большую часть энергии на возбуждение ядра-мишени. Вероятность неупругого рассеяния тем выше, чем выше энергия нейтронов. Возврат ядра-мишени из возбуждённого состояния происходит за 10-14 с и сопровождается вторичным гамма-излучением, которое называется гамма-излучением неупругого рассеяния (ГИНР) [52].

Неупругое рассеяние, пороговая реакция. Данные по энергии порога неупругого рассеяния (Eпор) для некоторых элементов приведены в таблице 1. Для нейтронов с Епор ниже энергии нижнего уровня ядра элемента ГИНР равно нулю. Уравнение реакции для ГИНР:

Спектр ГИНР является индивидуальной характеристикой ядра.

Дальнейшее замедление нейтронов происходит в процессе упругого рассеяния, при котором кинетическая энергия нейтрона до соударения переходит в кинетическую энергию нейтрона и ядра-отдачи после соударения, эти процессы продолжаются до достижения нейтроном тепловой энергии. Наибольшим сечением упругого рассеяния обладает водород, его присутствие в окружающей среде играет основную роль в процессе замедления. Упругое рассеяние не сопровождается гамма-излучением.

Таблица 1 Основные породообразующие элементы и их характеристики гаммаизлучения неупругого рассеяния и радиационного захвата нейтронов Замедлившись до тепловой энергии, нейтроны захватываются ядрами элементов горных пород. Последствием радиационного захвата теплового нейтрона почти всегда является немедленное (10-23 с) излучение гамма-квантов (ГИРЗ).

Спектр ГИРЗ также является индивидуальной характеристикой ядра. Наиболее полный список энергий гамма-квантов радиационного захвата приведён в работах 25, 53. Реже захват тепловых нейтронов приводит к активации ядра оно становится радиоактивным с некоторым периодом полураспада.

Суммарная энергия гамма-квантов (эВ), испускаемых при радиационном захвате тепловых нейтронов 52:

где: Есв энергия связи нейтрона в образовавшемся ядре, Екин кинетическая энергия, переданная исходному ядру нейтроном, А атомный номер.

Энергия связи большинства породообразующих элементов составляет 78 МэВ, следовательно, при радиационном захвате тепловых нейтронов возникает жесткое гамма-излучение. При поглощении одного теплового нейтрона испускаются 34 гамма-кванта 52, 53.

Процесс замедления быстрых нейтронов в результате упругих и неупругих взаимодействий длится порядка нескольких первых микросекунд 28, 52, таким образом, через несколько микросекунд после облучения вещества быстрыми нейтронами (вспышка) возникает излучение радиационного захвата. Время жизни тепловых нейтронов в типичных разрезах нефтегазовых скважин колеблется от 100 до 500 мкс, следовательно, во время вспышки тепловые нейтроны от предыдущих вспышек, а также те нейтроны, энергия которых приблизилась к энергии теплового движения во время вспышки, продолжают генерировать гаммаизлучение захвата. При регистрации спектров ГИНР гамма-излучение радиационного захвата является фоновым (рисунок 1.1). Фоновую составляющую спектров измеряют при выключенном генераторе нейтронов (“фоновая пауза”). Таким образом, для получения “чистых” спектров ГИНР необходимо регистрировать спектр ГИРЗ и вычитать его из измеренных спектров ГИНР.

Рисунок 1.1. Временные интервалы регистрации спектров неупругого рассеяния Ввиду сложности спектров ГИНР и ГИРЗ ограничимся рассмотрением тех элементов горных пород и насыщающих их флюидов, присутствие которых имеет основное значение для решения поставленной задачи, в первую очередь элементы С, О для определения присутствия углеводородов, и Ca, Si как основные элементы, характеризующие состав горных пород (известняк, песчаник). Для основных породообразующих элементов в таблице 1 25, 43, 51 приведены: энергии порога неупругого рассеяния Eпор, нейтронные сечения неупругого рассеяния неупр, сечения поглощения тепловых нейтронов захв, а также наиболее характерные энергетические линии ГИНР и ГИРЗ.

Данные, приведённые в таблице 1, позволяют сделать следующие выводы:

сечение радиационного захвата захв тепловых нейтронов ядрами элементов 12С и 16О очень мало, кроме того, эти элементы не обладают аномальными ядерными свойствами, в связи с этим определение элементов 12С и 16О методом радиационного захвата проблематично. Однако, как видно из таблицы 1, сечение неупругого рассеяния выше названных элементов достигает значительной величины, что создаёт предпосылки для их определения методом спектрометрии неупругого рассеяния;

характерные энергетические линии ГИНР и ГИРЗ основных породообразующих элементов лежат в пределах 18 МэВ это позволяет ограничить диапазон регистрируемых энергий шкалой до 10 МэВ;

пороговая энергия ГИНР для углерода и кислорода составляет 4.8 и 6.44 МэВ, следовательно, для возбуждения реакции неупругого рассеяния необходимо применение излучателя нейтронов с энергией более 6.44 МэВ.

Основой выбора методики углеродно-кислородного каротажа служит различие содержания углерода и кислорода в нефти и воде. Содержание “С” в различных нефтях колеблется от 82 до 87 %, О от 0.02 до 1.65 %. Содержание “О” в воде по массе составляет 85.82 %, при определении нейтронно-активационным анализом проб пластовых вод 53 присутствия углерода обнаружено не было.

Таким образом, основа метода углеродно-кислородного каротажа состоит в том, что энергия ГИНР и ГИРЗ характерна для каждого элемента, содержащегося в скважине. В результате неупругих рассеяний на ядрах углерода (С) образуется ГИНР с энергией 4.43 МэВ, на ядрах кислорода 6.13 МэВ. Вместе с тем, количество гамма-квантов, зарегистрированных детектором в определенных энергетических областях, пропорционально концентрации элементов, испускающих данные гамма-кванты. Следовательно, измерение скоростей счета в различных, характерных для каждого элемента энергетических областях, даёт возможность определения относительного содержания элементов в горных породах.

1.2. История и тенденции развития метода ИНГКС в ведущих зарубежных и отечественных геофизических компаниях Первые работы по исследованию спектрометрии неупругого рассеяния были опубликованы в конце пятидесятых годов 26, в результате проведённых модельных измерений была показана принципиальная возможность определения содержания углерода и кислорода по спектрам ГИНР. С появлением первого высокочастотного скважинного генератора нейтронов в начале 60-х годов началось развитие скважинной спектрометрии неупругого рассеяния.

В середине 1970-х годов, фирма Western Atlas, предшественник Baker Atlas, выпустила первый скважинный прибор углеродно-кислородного каротажа. Этот прибор предназначался для определения нефтеводонасыщения на месторождениях с пресными водами или неизвестной минерализацией пластовых вод. Прибор был снабжен импульсным генератором нейтронов (14 МэВ) и регистрировал энергию и интенсивность возникающего под действием быстрых нейтронов вторичного гамма-излучения в спектрах ГИНР и ГИРЗ. Прибор был аналоговым и для получения достаточной точности и повторяемости C/О отношения, измерения проводились в поточечном режиме в интересующем интервале (Culver и др. 1973, [68]). В 1976 году Dresser Atlas начал эксплуатировать первый непрерывный С/О-каротаж, успешно применив для него принципы импульсной гамма-спектрометрии для определения углеводородов (Heflin и др. 1977, [71]). Непрерывный С/О-каротаж обеспечивал прямое измерение углеводородов в горных породах посредством регистрации отношения С/О со скоростью записи ~30 м/ч.

В результате дальнейшего развития аппаратуры и методики С/О-каротажа фирмой Western Atlas (= Dresser Atlas) была разработана аппаратура MSI C/O серии 2721 XA (Oliver D.W. и др. 1981, [78]). Аппаратура регистрировала 256 каналов гамма-излучения неупругого рассеяния и радиационного захвата и передавала посредством аналоговой системы передачи по семижильному каротажному кабелю предварительные данные в наземную систему.

Наземная система, состоящая из компьютера и 256-канального амплитудного анализатора, принимала и обрабатывала зарегистрированные спектры. Недостатки, присущие аналоговой передаче данных, были исключены применением цифровой телеметрии в многопараметровой спектрометрической системе С/О каротажа – MSI С/О Log (Chace D.M. и др. 1985, 67).

Учитывая опыт применения первых образцов аппаратуры углеродно-кислородного каротажа в 1984 г. компания Шлюмберже (Shlumberger) выпустила свою аппаратуру С/Окаротажа 22, получившей коммерческое название GST. Позднее, в 1991 году, фирма Halliburton также выпустила аналогичную аппаратуру под фирменным названием PSGT, с использованием сцинтилляционного кристалла BGO (германат висмута) [73, 88].

разработки Halliburton Shlumberger Shlumberger Western Atlas (Baker Atlas) Одним из наиболее популярных зарубежных генераторов нейтронов, применяемых в зарубежной аппаратуре ИНК, является генератор фирмы MF Physics Corporation модель A- 64, 77. Данный генератор имеет блочную конструкцию и состоит из секции ускорителя диаметром 43 мм, длиной 221.1 см и секции электроники диаметром 32 мм, длиной 131.1 см.

Основные технические характеристики генератора: нейтронный поток – 71071108 н/с, частота генерации 1020 кГц, длительность импульса >10 мкс, ток потребления при 25оС 60мкА, температурный диапазон 0150 оС, гарантированный ресурс работы 100 час или год. Секция ускорителя содержит нейтронную трубку, блок высокого напряжения, входной трансформатор источника питания и импульсный трансформатор ионного источника. Отличительной особенностью данного устройства является наличие встроенного микропроцессора, который позволяет управлять режимом работы генератора, для этого секция электроники содержит контроллер нейтронной трубки, контроллер блока высокого напряжения и импульсный генератор управления нейтронной трубкой. Для продажи генератора A-320 в США в марте 1990 г. его цена составляла: 42300 $ ускорительный блок и 12900 $ преобразователь высокого напряжения.

1.2.2. Скважинные информационно-измерительные системы, временные режимы, скорости каротажа На примере каротажной информационно-измерительной системы (ИИС) MSI C/O Log рассмотрим принципы построения зарубежной аппаратуры ИНГКС.

Каротажная система MSI C/O Log [67, 88] содержит нейтронный генератор, который под действием высоковольтного источника ускоряет ионы дейтерия на тритиевую мишень для генерации импульсов нейтронов с энергией 14 МэВ. Источник генерирует нейтроны с частотой 20 кГц. Возникающее гамма-излучение регистрируется высокоразрешающим сцинтилляционным детектором NaI(Tl), который оптически соединен с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Основное назначение ФЭУ преобразование энергии фотонов в электрический заряд и выделение на анодной нагрузке импульсов напряжения, амплитуда которых пропорциональна энергии гамма-излучения.

Каротажная система MSI C/O Log включает в себя несколько усовершенствований.

Применение в скважинном приборе микропроцессора увеличивает возможности и гибкость системы, позволяя контролировать работу прибора и управлять им по телеметрической линии связи с наземного компьютера. Скважинный многоканальный амплитудный анализатор позволяет преобразовывать электрические импульсы, получаемые с анода ФЭУ, в цифровой код непосредственно в скважине. Применение цифровой телеметрии устраняет потери данных при передаче по каротажному кабелю, в результате чего повысилось разрешение спектров и увеличилась максимальная скорость счета в спектрах ГИНР и ГИРЗ. Дополнительно к регистрации амплитудных спектров ГИНР и ГИРЗ регистрируется 250-канальный временной спектр, который дает информацию о времени жизни тепловых нейтронов в исследуемом интервале.

На рисунке 1.2А изображены временные последовательности излучения и детектирования традиционного прибора MSI С/О. Источник работает с частотой 20 кГц. Так как всё неупругое рассеяние происходит в момент излучения нейтронов, детектор фиксирует импульсы в момент вспышки нейтронов, затем после каждой вспышки в течение до нескольких десятков микросекунд регистрируется гамма-излучение радиационного захвата. Вычитание фонового гамма спектра радиационного захвата из измеренного гамма спектра, зарегистрированного в течение существования неупругого рассеяния, дает в результате искомый спектр гамма-излучения неупругого рассеяния ГИНР (рисунок 1.1).

а аналогового прибора MSI C/O (Oliver b др., 1981 г.); б системы MSI C/O Log В системе MSI C/O Log были изменены временные режимы излучения и регистрации относительно традиционного прибора MSI C/O. На рисунке 1.2 показаны временные режимы работы излучателя и приёмника этих систем. Аппаратура MSI C/O Log автоматически контролирует вспышку источника и регулирует положение “неупругого окна” относительно этой вспышки.

Автоматическое отслеживание интенсивности вспышки и более широкое (15 мкс) “неупругое окно”, даёт возможность регистрировать более устойчивые и стабильные спектры ГИНР и ГИРЗ. В дополнении к увеличению “неупругого окна” с 10 до 15 мкс, изменено “окно радиационного захвата”, его ширина увеличена с 7.5 до 35 мкс, позволяя, таким образом, использовать все данные каждого 50 мкс цикла.

Изменение временного режима регистрации привело к увеличению счета при регистрации гамма-квантов радиационного захвата фактически в 4.5 раза (без увеличения интенсивности генератора нейтронов) что снизило ошибку измерения более чем в два раза. Кроме того, дополнительно к определению энергий гамма-квантов в каротажной системе MSI C/O Log регистрируется время прихода каждого гамма-кванта относительно начала нейтронной вспышки с временем разрешения 200 нс, то есть 250-канальный временной спектр, эта возможность одна из отличительных особенностей технологии MSI С/О Log, которая позволяет дополнительно регистрировать интенсивность потока гамма-квантов во времени.

Объединение спектрального анализа и информационно-измерительной системы в скважинной аппаратуре позволяет:

увеличить разрешение спектров;

повысить скорости счета регистрации;

повысить отношение сигнал/шум;

позволяет контролировать работу электронных трактов скважинного прибора;

позволяет осуществлять автоматическую подстройку коэффициента усиления спектрометра и обеспечивает линейность энергетической шкалы.

Измеренные первичные спектры регистрируются на магнитный носитель для дальнейшей обработки.

Аппаратура импульсной гамма-спектрометрии (GST) фирмы Shlumberger 23 имеет некоторые особенности системы регистрации. Для того чтобы вклад сигнала пласта в измеряемый спектр был максимальным, в аппаратуре GST задержка в измерении неупругого спектра контролируется контуром обратной связи. Кроме того, в аппаратуре GST измеряется фон для компенсации естественной радиоактивности пласта. В этом режиме измеряется время спада плотности тепловых нейтронов пласта. Хотя при таких низких энергиях существует достаточная плотность гамма-излучения, для повышения статистической точности скорость каротажа должна быть не более 3 м/мин, обычно суммируются зарегистрированные данные нескольких спуско-подъемов, либо измерения делаются неподвижным прибором поточечно в течение нескольких минут.

В программно-управляемом цифровой аппаратуре ИНГКС компании “Halliburton”, фирменное название PSGT [73], используется высокоэффективный детектор BGO, благодаря повышенной точности обработки данных прибор работает со скоростью втрое выше (5 футов/мин {1.5 м/мин} = 300 футов/час ), чем аналогичные приборы (использующих методику С/О), при сохранении статистических характеристик. Временная синхронизация работы прибора и сортировка импульсов выполняются скважинным микропроцессором.

По данным спектра неупругого рассеяния, полученным в 4 стратегически расположенных энергетических окнах (рисунок 1.3), вычисляют отношения С/О и кальция/кремния.

Данные 18 окон двух спектров радиационного захвата (спектры CG1 и CG2) суммируются и обрабатываются для получения показателей содержания элементов. В первые 2 мс фоновой паузы проводится измерение сечения захвата пласта, используемые для разделения водоносных и нефтегазоносных зон в случае минерализованных пластовых вод. Прибор PSGT регистрирует 4 спектра по 256 каналов каждый. Спектры дают информацию по следующим процессам:

неупругое взаимодействие в течение каждого нейтронного импульса (спектр NB);

радиационный захват между последовательными нейтронными импульсами (спектры измерение фона активации в течение длительной паузы после нескольких нейтронных импульсов (спектр BKGD).

Рисунок 1.3. Временная диаграмма синхронизации работы аппаратуры PSGT NB импульс нейтронов, IG окно ГИНР, CG1, CG2 первое и второе окно регистрации ГИРЗ, BKGD окно фона активации ГИНА Кроме того, в приборе PSGT регистрируются “параметры качества”, которые позволяют вести мониторинг качества функционирования прибора и дают дополнительную информацию для проведения более детального петрофизического анализа.

1.2.3. Метрологическое обеспечение зарубежной спектрометрической аппаратуры Для наземной калибровки каротажной системы MSI C/O Log используется источник нейтронов Am-Be (америций-бериллий), размещенный в защитном транспортном контейнере скважинного прибора. Контейнер сделан из парафина, заключенного в железную оболочку.

Контейнер и источник обеспечивают излучение с известными энергетическими пиками, такими, как фотопик железа с энергией 7.64 МэВ, углерода – 4.43 МэВ и водорода – 2.23 МэВ.

Двухточечная система калибровки использует фотопики водорода – 2.23 МэВ и железа – 7. МэВ. В настоящее время программная калибровка осуществляется после каротажа в компьютерном центре и, при необходимости, прилагается к спектральным данным, записанным на скважине.

Необходимо особо отметить растущее внимание западных фирм к расширению базы стандартных образцов состава и свойств горных пород (СОГП) по насыщенности и конструкциям скважин 29, 72, 76, 82, 87.

В состав СОГП фирмы Schlumberger входят блоки песчаников с нулевой, 1519, % пористостью. Блоки известняка нулевой, 1519, 4245 % пористостью. В каждой из моделей имеются скважины следующих диаметров: 4.125, 6, 8, 8.5, 10 и 12 дюймов. Для проведения измерений в обсаженной скважине используется набор различных конструкций обсадки. Для скважин диаметром 12 дюймов (305 мм) имеются обсадные колонны: 8.625, 9.625 и 10 дюймов. Для учёта влияния толщины колонны на показания измерений используются образцы обсадок (в скважине 9.625 дюймов) с толщиной стенки: 9, 10 и 11 мм. Заполнение скважины может быть воздухом, водой или нефтью. Насыщение породы может быть водой или соляркой. Модельный парк (Environment Effects Calibration Facility (EECF)) расположен в Хьюстоне.

Western Atlas также обладает достаточно широкой базой СОГП: песчаник, известняк, доломит со скважинами трех диаметров (6; 8,1/2; 12,3/4 дюйма), в которые может быть размещена обсадка (4,1/2; 7; 9,5/8 дюйма), скважина также может быть заполнена водой или нефтью. Все модели выполнены из натуральных блоков пород, причем размеры превышают глубинность импульсных методов.

Фирма Halliburton. СОГП этой компании включают известняки 2, 12 и 26 % пористости со скважинами диаметром 152 и 254 мм (6 и 10 дюймов), песок 35 % пористости, насыщенный пресной водой, диаметр скважин 152, 254, 360 мм (6, 10, 14 дюймов), нефтенасыщенный песок 36 % пористости, диаметр скважин – 152, 254, 360 мм (6, 10, 14 дюймов), песок 42 % пористости, насыщенный минерализованной водой (150 г/л NaCl) со скважинами 152, 254, 360 мм (6, 10, 14 дюймов). В скважины диаметром 254 мм размещается 7 дюймовая обсадка.

Согласно опубликованным данным широкое применение модельных измерений позволило снизить абсолютную погрешность измерения Кн до 710 %.

1.2.4. Основные измеряемые параметры и особенности первичной обработки В приборе GST для обработки используется часть спектра в диапазоне 1.28 МэВ 22. В результате расчёта определяется процентный вклад каждого элемента в общий спектр, его называют выходом элемента. Различают выход элемента и концентрацию данного элемента в пласте. Для получения концентрации по полученному выходу элемента, рассчитывается масштабный множитель, который учитывает математическую вероятность взаимодействия нейтрона с данным элементом и вызова характерного гамма-излучения по отношению к вероятности его взаимодействия с другим элементом пласта. Расчет масштабного множителя является сложным математическим процессом со многими неизвестными. Выходы элементов кальция, кремния, железа и серы получают как из спектра неупругого рассеяния, так и из спектра радиационного захвата. Выходы элементов углерода и кислорода получают из зарегистрированных спектров неупругого рассеяния, в то время как выходы элементов хлора и водорода получают из спектров радиационного захвата. Если в процессе работы происходит изменение мощности источника нейтронов, соотношения выходов элементов рассчитываются с учётом этого изменения. При использовании оперативного метода обработки нет необходимости в сложных расчётах масштабных коэффициентов, как в случае получения абсолютных концентраций породообразующих элементов.

Таблица 3 Основные отношения выходов элементов регистрируемых аппаратурой GST Названия, употребляемые в соотношениях выходов элементов (таблица 3), в большинстве случаев указывают на макроскопическое сечение измеряемых параметров. Соотношение IIR используется как указатель на сланец, так как минералы, содержащие глину, также содержат железо. Выход элемента железа, и, таким образом и IIR искажаются за счет влияния обсадной трубы. Соотношение COR в основном используется для установления местоположения углеводородов, но оно также искажено влиянием карбонатного пласта, а иногда за счет жидкости заполняющей скважину и свойств цемента.

В приборе PSGT для обработки применяются отношения С/О и параметр литологии (кальций/кремний). Эти расчётные параметры используются как оперативные показатели нефти в нефтеносных пластах. Кроме того, прибор PSGT определяет в пласте 8 элементов, необходимых для определения литологии: Ca, Cl, H, Fe, K, Si, S, Ti. Примеры спектров ГИНР и ГИРЗ, зарегистрированные зарубежной аппаратурой углеродно-кислородного каротажа для различных скважинных условий приведены на рисунке 1.4. Полная обработка спектров прибора PSGT дает относительное содержание элементов, вычисленное с помощью МВНК.

Имеется ряд дополнительных функций для вычисления объема глины, эффективной пористости и нефтенасыщенности.

Рисунок 1.4. Спектры ГИНР и ГИРЗ, зарегистрированные аппаратурой PSGT Традиционным ограничением измерений содержания углерод/кислорода является его малый динамический диапазон. Согласно опубликованным данным 85 динамический диапазон измерения аппаратурой PSGT составляет не более 18 % при 35 единицах пористости в 10 дюймовой скважине. Кроме того, существует ограничение, связанное с небольшим радиусом исследования. При измерениях аппаратурой ИНГКС методом радиационного захвата глубина исследования составляет 1320 см, а при регистрации гамма- квантов неупругого рассеяния уменьшается до 816 см 22. Следовательно, спектры ГИНР более подвержены скважинному влиянию. То есть, для корректной интерпретации необходимо иметь дополнительные данные о свойствах жидкости в скважине и её конструкции.

1.2.5. Комплексирование аппаратуры Важной особенностью существующей спектрометрической аппаратуры является возможность её наращивания в связки с целью комплексирования различных геофизических методов [22, 23, 73, 87].

Скважинный импульсный спектрометр GST в комплексе с аппаратурой других методов составляет связку геохимического каротажа. Измерения выполненные такой связкой позволяют определять концентрации 12 элементов (алюминий, кальций, хлор, гадолиний, водород, железо, калий, кремний, сера, торий, титан, уран), что является альтернативой отбору керна.

Аппаратура PSGT для проведения дополнительных измерений, может комбинироваться с другими приборами с помощью цифровой телеметрии (DITS) компании “Halliburton”.

Например, при отсутствии данных пористости в открытом стволе используется прибор 2НК, в коллекторах с радиоактивными отложениями прибор компенсированного СГК (PSG).

При проведении послекаротажного анализа используются только данные PSGT, однако привлечение дополнительных каротажных данных открытого или обсаженного ствола позволяют вычислять общую и эффективную пористость.

1.2.6. Спектрометрическая аппаратура с полупроводниковым детектором В процессе поиска технологий для решения задач по оценке нефтенасыщенности на месторождениях со слабой или неизвестной минерализацией пластовых вод, одним из направлений создания аппаратуры ИНГКС, является разработка аппаратуры с высокоразрешающим полупроводниковым Ge(Li) детектором. В 1985 году фирма Shlumberger разработала аппаратуру углеродно-кислородного каротажа с импульсным генератором нейтронов (14 МэВ) и детектором гамма-излучения на основе германиевого криозонда, см. таблицу 2 65. Прибор PGT содержит криогенно охлаждённый Ge(Li) детектор размерами 22 дюйма (5.085.08 см) и скважинную микропроцессорную систему с двумя 4000-канальными оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ) (8 бит на канал), регистрирующую спектры ГИНР и ГИРЗ.

Импульсный нейтронный генератор работает с частотой 20 кГц. Временные соотношения аналогичны приборам ИНГКС со сцинтилляционным детектором. Аналогово-цифровой преобразователь имеет время преобразования 12 мкс, при этом максимальная скорость счёта составляет 70 кГц. Прибор PGT может работать либо в стационарном (время накопления мин) или в непрерывном режиме, измеренные данные передаются на поверхность каждые две секунды. Эффективность регистрации германиевого детектора ниже, чем сцинтилляционного кристалла NaI(Tl), но он имеет более высокое разрешение. Несмотря на уширение энергетических линий по Доплеру до 90 кэВ, разрешение германиевого детектора выше чем у кристаллов NaI(Tl) приблизительно в 3 раза. Несмотря на некоторые преимущества полупроводниковых детекторов, они обладают и рядом технологических недостатков. Как известно, этот детектор работоспособен при температуре ниже -135 С, т.е. при температуре жидкого азота. Детектор размещается в морозильной камере, в которой хладоагентом является фреон 86 или твердый криоген. Перед проведением скважинных исследований криозонд предварительно охлаждается жидким азотом, при этом работоспособность прибора обеспечивается в течение 20 часов при температуре +30 оС, или 11 часов при +100 оС. По истечении этого времени прибор поднимается на поверхность для повторения процедуры охлаждения. Данная технологическая цепочка увеличивает время задалживания скважины и приводит к определённым организационным проблемам. Кроме того, построение аппаратуры с ППД значительно усложняет электронику скважинной аппаратуры: наличие большого “темнового” тока детектора требует применения хладоагента, небольшие выходные токи детектора применения специальных схем усиления, многоканальность АЦП увеличения объёма скважинного ОЗУ и, как следствие, времени передачи данных, что в конечном итоге сказывается на скорости каротажа. Вероятно, именно эти недостатки сдерживают широкое внедрение данного типа аппаратуры. На сегодняшний день ни одна из вышеназванных зарубежных фирм не предлагает геофизические услуги аппаратурой углеродно-кислородного каротажа с полупроводниковыми детекторами 22, 23, 87.

Первые работы, посвященные спектрометрии гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов на ядрах кислорода и углерода, в России связаны с ВНИЯГГ (г. Москва). В работах [44, 52] были представлены результаты первых российских скважинных испытаний методом спектрометрии гамма-квантов неупругого рассеяния, где были показаны возможности и недостатки данного метода по различению нефтеносных и водоносных пластов. В качестве первичного датчика разрабатываемой аппаратуры использовался полупроводниковый детектор или сцинтилляционный кристалл. По результатам выполненных работ специалисты ВНИЯГГ первыми сформулировали технические требования на необходимый для проведения С/O-каротажа российский скважинный генератор нейтронов. Для разработки последнего был привлечён наиболее авторитетный, к тому времени, коллектив специалистов ВНИИА (г.

Москва).

Ко времени постановки темы диссертации, у российских геофизиков не было надёжной аппаратуры ИНГКС для выполнения производственных работ по оценке нефтенасыщенности на месторождениях с низкой минерализацией пластовых вод. В 1994г. под руководством д.т.н. Хаматдинова Р.Т. была создана инициативная группа специалистов для создания российской аппаратуры ИНГКС.

Как видно из приведённого обзора (таблица 2), аппаратура и методика углероднокислородного каротажа, начавшаяся в пятидесятые годы 26, продолжают развиваться и совершенствоваться. За годы развития усилиями западных геофизических фирм аппаратура ИНГКС прошла путь от аналоговой регистрации с записью данных в поточечном режиме до многофункциональной программно-управляемой аппаратуры с цифровой регистрацией данных на компьютер каротажной станции 67, 68, 73, 75, 78. В процессе разработки аппаратуры улучшались технические характеристики генераторов нейтронов, технологии измерения, уточнялись интерпретационные параметры. С целью повышения точности измерений совершенствовалась элементная база электронных трактов, велись работы по созданию и использованию новых более эффективных детекторов. Основные усилия были направлены на оптимизацию режимов измерения ГИНР и ГИРЗ, на определение ширины и положения регистрируемых энергетических окон основных породообразующих элементов: С, О, Са, Si. Значительным шагом в развитии технологии углеродно-кислородного каротажа стало применение скважинных ИИС на базе микропроцессорной техники и внедрение бортовых компьютеров каротажных станций. Данное усовершенствование повысило информативность метода и позволило оперативно управлять режимами измерения скважинного прибора непосредственно в процессе каротажа.

1.3. Современное состояние аппаратуры и методики ИНГКС Анализируя основные задачи, решаемые аппаратурой ИНГКС, а так же основные принципы построения такого рода скважинных приборов, можно отметить следующее.

Спектрометрическая аппаратура зарубежных фирм оснащена генераторами нейтронов, работающими на частотах 1020 кГц.

Ко времени постановки темы диссертации наиболее известная зарубежная аппартура ИНГКС: GST, MSI C/O Log и PSGT реализованы однозондовыми приборами диаметром ~ 90 мм (таблица 2).

Измерение спектров во всех случаях происходит как в момент вспышки нейтронов, так и сразу после вспышки в окне для измерения фонового гамма-излучения. Для получения спектра ГИРЗ в приборе GST и PSGT существует дополнительное окно, расположенное после фонового [22, 23, 73].

Согласно опубликованным данным, получение неупругого спектра по результату измерений происходит традиционным способом вычитания фонового спектра из суммарного.

Далее применяются два варианта обработки.

1. Относительные определения искомых элементов (в первую очередь C, O, Ca, Si, Fe, Cl) получают путем подбора и сравнения моноэлементных спектров с измеренным спектром методом взвешенных наименьших квадратов (МВНК). Опорные спектры получают по данным лабораторных измерений от образцов простых литологий, используя аппаратуру с наиболее высоким энергетическим разрешением. Основная трудность в этом случае заключается в том, что в идеальном случае простые моноэлементные образцы должны обладать соответствующими свойствами нейтроно- и гамма-переноса. Например, для получения опорного спектра водорода – применяют ёмкость с водой. Но реальный пласт сильно отличается от такой емкости, как по плотности, так и по водородосодержанию. Для приближения к реальным условиям помещают обсадную колонну в водяной бак и, выделяя из зарегистрированного спектра вклад от водорода, получают опорный спектр железа. Аналогичным образом получают опорные спектры для других элементов. Данный тип обработки применяется для материалов, полученных, в частности, аппаратурой GST и PSGТ.

2. В основе обработки по второму варианту лежит схема количественной интерпретации спектральных отношений. Основная идея метода состоит в том, что потоки гамма-излучения неупругого рассеяния и радиационного захвата нейтронов подвержены мешающему влиянию состава окружающей породы (плотность, пористость, нейтронные поглотители и т.д.) и ближней зоны (раствор, каверна, материал корпуса прибора и т.д.). Влияние этих факторов в различных спектральных окнах примерно одинаково, особенно если окна расположены рядом, поэтому при измерении спектральных отношений роль всех этих мешающих факторов существенно подавляется. В идеальном случае, при использовании метода окон аппаратуру ИНГКС сначала испытывают в водоносной зоне для определения нулевой величины углерода, а затем в зоне, для которой известна величина нефтенасыщенности, с целью определения второй калибровочной точки 4.

Принципиальным отличием этих двух методов обработки является следующее. Возьмем для примера один из показателей нефтенасыщенности пласта отношение содержания ядер углерода к кислороду. Терригенный разрез представлен двумя литотипами: песчаник и глина. При обработке по первому варианту в водонасыщенном песчанике отношение C/O будет равно нулю, при обработке по второму варианту будет получено отношение, отличное от нуля.

1.4. Геолого-технические условия измерений в скважине В связи с низкой минерализацией пластовых вод Западно-Сибирской нефтегазовой провинции именно в этом регионе предполагается основное использование аппаратуры углеродно-кислородного каротажа. Бурение на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири было начато в 1960-х годах, за сорокалетний период освоения многие месторождения вступили в период поздней эксплуатации. Для решения геолого-промысловых задач в данном регионе необходимо определить геолого-технические условия, при которых будут выполняться исследования методом углеродно-кислородного каротажа.

Проведённый автором анализ состояния скважин на одном из крупнейших месторождений Западной Сибири – Самотлорском – показал, что на сегодняшний день ~ в 70 % эксплуатирующихся скважин установлена 168 мм стальная колонна с толщиной стенки 79 мм, приблизительно в 25 % скважин – 146 мм, и приблизительно в 5 % – 139.7 мм. Проектная глубина бурения до 3000 м, что предполагает температуру на забое до 85 оС и давление до МПа, то есть с учётом требований по безопасному ведению работ, диаметр скважинного прибора не должен превышать 110 мм.

Относительно невысокая глубинность исследования С/O-каротажа равная 2030 см 22, налагает определенные требования на условия измерений: отсутствие зон проникновения бурового фильтрата и промывочной жидкости в исследуемые пласты, отсутствие зон изменения насыщенности пласта вследствие заколонной циркуляции жидкости, постоянство состава жидкости в скважине в интервале исследования.

Погрешность определяемых по данным С/О-каротажа геофизических параметров существенным образом зависит от статистической точности измерений. На статистическую точность измерения спектров ГИНР и ГИРЗ оказывают влияние такие факторы, как диаметр скважины, минерализация пластовой и скважинной жидкостей, наличие и толщина обсадной колонны. Так, например, увеличение хлоросодержания скважинной жидкости увеличивает статистические флуктуации RC/O (отношение углерода к кислороду в определённых окнах) за счет увеличения фона ГИРЗ. То есть, наиболее благоприятны для проведения С/O-каротажа скважины, заполненные пресной водой. Кроме того, наличие нефти в скважине, а тем более смеси нефти с водой, приводит к увеличению погрешности определения нефтенасыщенности породы по данным С/O-каротажа. Учесть этот фактор сложно, так как состав смеси должен быть известен, а уменьшить его влияние можно, например, окружив блок детектирования вытесняющей муфтой.

Таким образом, область применения аппаратуры ИНГКС диаметром 89110 мм ограничивается:

обсаженными (качественно зацементированными) неработающими скважинами с расформированными зонами проникновения, заполненными (по степени ухудшения условий проведения исследований) пресной водой, минерализованной водой, нефтью, смесью вода-нефть;

необсаженными скважинами, пробуренными в интервале исследования с применением нефильтрующейся промывочной жидкости.

В этих условиях спектры ГИНР и ГИРЗ, регистрируемые аппаратурой ИНГКС при наличии соответствующего метрологического и интерпретационного обеспечений, могут послужить основой методики количественной оценки нефтенасыщенности пород [36, 45, 46].

На основе проведённого анализа современного состояния аппаратуры ИНГКС и тенденций её развития можно сделать следующие выводы и определить общие требования, предъявляемые к аппаратуре ИНГКС:

существующие в настоящий момент скважинные приборы ИНК интегральных типов по своим основным характеристикам не подходят для спектрометрии гаммаизлучения неупругого рассеяния нейтронов;

спектрометрическая аппаратура С/О-каротажа с использованием высокоразрешающих полупроводниковых детекторов имеет сложную, дорогостоящую электронику и нетехнологична для исследования скважин методом углеродно-кислородного каротажа в производственном режиме;

разрабатываемая аппаратура спектрометрии ГИНР и ГИРЗ должна быть цифровой, программно-управляемой, что предполагает её использование в составе компьютеризированных каротажных станций, иметь «открытую» архитектуру построения;

аппаратуру для спектрометрии ГИНР и ГИРЗ большого диаметра допустимо делать однозондовой, так как определяемые спектральные отношения компенсируют искажaющее влияние условий измерений.

В результате выполненного анализа состояния аппаратуры и методики ИНГКС определена актуальность создания российской аппаратуры углеродно-кислородного каротажа (см.

введение), сформулированы цель и основные задачи исследований. В итоге автор остановился на создании программно-управляемой аппаратуры импульсной спектрометрии неупругого рассеяния и радиационного захвата с использованием одного сцинтилляционного детектора.

1.5. Постановка задачи. Обоснование основных требований к аппаратуре ИНГКС и наземной системе регистрации Используя известные свойства нейтронов (п.1.1) вызывать характеристическое гаммаизлучение в результате неупругого рассеяния на ядрах углерода и кислорода разрабатываемая аппаратура, в первую очередь, должна обеспечивать регистрацию максимально возможного эффекта от данного вида взаимодействия. Вместе с тем, при создании ядерно-геофизической аппаратуры необходимо учитывать статистический характер распределения во времени регистрируемых излучений. Наличие противоречивых требований таких как, точность, быстродействие, большое количество регистрируемых параметров приводит к необходимости создания сложной, дорогостоящей аппаратуры. На основе применения новейших разработок в области атомной энергетики, электроники, микропроцессорной техники и широкого внедрения вычислительной техники в данной работе автором, предложен вариант, промышленного образца программно-управляемой аппаратуры ИНГКС для решения геологогеофизических задач. Основной принцип построения разрабатываемой аппаратуры: максимально возможная простота, живучесть информационно-измерительной системы и передача как можно большего числа функций программному обеспечению. Понятие «живучесть» несколько более широкое, чем понятие «надёжность», оно связано с сохранением работоспособности системы не только в нормальных условиях эксплуатации, но и при внешних воздействиях. Живучесть ИИС обеспечивается введением резервирования, диагностирования и тестирования, правильным выбором архитектуры ИИС [3].

В результате проведённого анализа современного состояния аппаратуры ИНК и исходя из основного принципа построения аппаратуры автором, совместно с Черменским В.Г., сформулированы следующие основные требования, предъявляемые к спектрометрии гаммаизлучения неупругого рассеяния и радиационного захвата нейтронов:

I. возможность разделения спектров неупругого рассеяния и радиационного захвата по времени;

II. с целью обеспечения статистики измерений спектров ГИНР и ГИРЗ должны использоваться высокочастотные импульсные (1020 кГц) генераторы нейтронов, имеющие стабильные временные характеристики при работе в скважинных условиях;

III. конструкция и элементы зондового устройства должны обеспечивать максимальную эффективность регистрации спектров ГИНР и ГИРЗ по основным измеряемым компонентам и иметь минимальную зависимость от внешних воздействий;

IV. должна быть обеспечена достаточная и необходимая дискретность энергетической и временной шкал спектрометра;

V. аппаратура ИНГКС должна иметь надёжную систему стабилизации и идентификации шкалы спектрометра во всем диапазоне измерений;

VI. скважинная аппаратура ИНГКС должна иметь возможность оперативной диагностики, контроля и управления режимом работы в реальном масштабе времени;

VII. должна иметь помехоустойчивую систему приёма/передачи данных по каротажному кабелю и обеспечивать возможность регистрации данных в комплексе с другими методами;

VIII. наземная система должна обеспечивать накопление данных в функции глубины на энергонезависимый носитель, визуализировать регистрируемые данные в реальном масштабе времени и иметь программное обеспечение первичной обработки спектров для документации и дальнейшего анализа.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ ОСНОВНЫХ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ И СТРУКТУРНОГО ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ

ИНГКС На основании сформулированных требований предъявляемых к аппаратуре ИНГКС (п.1.5) автором, совместно с соавторами, проведены аналитические и экспериментальные исследования по обоснованию основных функциональных узлов и структурного построения ИИС российской аппаратуры ИНГКС, предназначенной для регистрации и анализа спектров гамма-излучения неупругого рассеяния и радиационного захвата нейтронов (ГИНР и ГИРЗ ).

Как известно [49, 57, 61], к основным функциональным узлам импульсной спектрометрии относятся:

источник излучения;

блок детектирования;

скважинная регистрирующая система (спектрометр);

наземная регистрирующая система (регистратор).

2.1. Экспериментальные исследования по обоснованию основных функциональных узлов 2.1.1. Обоснование выбора источника излучения для реализации методики углеродно-кислородного каротажа и экспериментальные исследования стабильности работы и температурного режима генератора нейтронов При создании ядерно-геофизической аппаратуры, в качестве источников нейтронов исPo или 239Pu ис- пользуют либо стандартные ампульные нейтронные источники (например, точники с бериллием, En до 11 МэВ), либо малогабаритные ускорители дейтронов, которые генерируют моноэнергетические нейтроны с энергией 14 МэВ в результате (d, t)-реакций.

Наиболее перспективными электрофизическими источниками быстрых нейтронов являются нейтронные генераторы на основе реакций T(d,n)4He, (En=14 МэВ). Значительный выход нейтронов в них наблюдается уже при энергиях дейтронов в несколько десятков кэВ. Это обстоятельство значительно упрощает задачу обеспечения требуемой электрической прочности ускорителя и позволяет создавать блоки излучения нейтронов объёмом не более 2 дм 3. Кроме того, в п.1.1.1. было показано, что неупругое рассеяние на ядрах кислорода возможно при Еn > 6.44 МэВ, причём вероятность неупругого взаимодействия растёт с увеличением энергии нейтронов.

Основное преимущество ускорителей заключается в том, что генератор может работать в импульсном режиме, так что можно измерить временную задержку гамма-излучения, вызванного нейтронами в окружающих скважину материалах. Таким способом можно обеспечить выполнение требования о разделении гамма-квантов, образованных в реакциях неупругого рассеяния нейтронов, от гамма-квантов, испускаемых при радиационном захвате.

Частота и длительность нейтронных вспышек была определена исходя из следующих предпосылок:

Так как минимальное время зажигания (теоретический предел) газоразрядного ионного источника составляет 57 мкс, длительность управляющего импульса не может быть меньше, чем 15 мкс (то есть, хотя бы в два раза больше). С другой стороны, учитывая редкие неупругие взаимодействия, с целью повышения статистической точности при регистрации гамма-излучения от данного типа взаимодействия, длительность импульса быстрых нейтронов должна быть как можно больше. Однако, как было показано в п.1.1, минимальное время замедления для различных горных пород составляет ~20 мкс, следовательно, после 20 микросекунд от начала импульса быстрых нейтронов возникает гамма-излучение радиационного захвата.

Выполнение пункта требования о разделении спектров ГИНР и ГИРЗ по времени предполагает наличия отправной точки начала измерения. Для запуска генератора нейтронов и синхронизации работы всех электронных узлов аппаратуры ИНГКС используется импульс синхронизации “Запуск генератора”. Экспериментальные исследования с первым макетом генератора нейтронов с частотой запуска F=10 кГц, показали, что максимальная скорость счёта во временном окне 1020 мкс (начиная от импульса “Запуск генератора”) может составлять до 300350 тыс. имп., а во временном окне 4050 мкс в 34 раза меньше. Таким образом, для обеспечения равной статистической точности измерений спектров ГИНР и ГИРЗ оптимальная скважность работы генератора должна составлять Q ~ 5, то есть, компромиссом с точки зрения устойчивости работы газонаполненной нейтронной трубки, с одной стороны, и эффективности методики сбора информации с другой, оптимальная частота нейтронных вспышек должна составлять не менее F=10 кГц при длительности импульса tи ~ 20 мкс.

Ко времени постановки темы диссертации во ВНИИА, по техническому заданию специалистов ВНИИЯГГ, был разработан макет нейтронного генератора (ИНГ-06) на основе газонаполненной нейтронной трубки ТНТ-1-32 со следующими техническими характеристиками:

частота следования нейтронных вспышек ~ 1020 кГц;

длительность нейтронных вспышек не более 20 мкс;

средний нейтронный выход в 4 геометрии 5107108 н/с;

габаритные размеры, не более, диаметр 70 мм, L ~1300 мм.

Генератор с такими характеристиками наиболее соответствовал существовавшим в то время требованиям к аппаратуре ИНГКС. Учитывая значительный опыт сотрудников ВНИИА по созданию нейтронных трубок и генераторов нейтронов (НТ-16, ТНТ- 1411, ИНГи на основе достигнутых договорённостей для создания аппаратуры ИНГКС в качестве прототипа излучателя был выбран генератор нейтронов ИНГ-06.

Дальнейшая доработка генератора ИНГ-06 и работа над темой диссертации по исследованию технических решений разрабатываемой аппаратуры велись параллельно. По результатам лабораторных и скважинных испытаний аппаратуры ИНГКС проводилась корректировка ТЗ, дополнялись и уточнялись технические требования к макету генератора нейтронов с целью оптимизации решения задач С/О-каротажа.

В связи с тем, что первые образцы высокочастотного генератора имели небольшой ресурс работы ~10 час, были сформулированы дополнительные требования по повышению стабильности и надёжности работы генератора в составе аппаратуры ИНГКС при температуре выше 80 оС:

воспроизводимость вспышки нейтронного потока при прочих равных условиях, не возможность управления работой генератора по последовательному порту, например, ресурс работы при температуре выше 80 оС, не менее 200 часов.

Руководствуясь этими требованиями, сотрудники ВНИИА выполнили работы по оптимизации конструкции высоковольтного источника питания и низковольтного преобразователя с целью повышения КПД всего генератора. В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных работ было достигнуто:

повышение надежности высоковольтного источника питания нейтронной трубки;

повышение КПД генератора в целом.

Для выполнения пункта требований о временном разделении и максимальной эффективности регистрации спектров ГИНР и ГИРЗ необходимо точное отслеживание положения нейтронной вспышки. При построении аппаратуры ИНГКС возможно два варианта решения этой задачи:

регистрация спектра ГИНР в фиксированном временном окне и коррекция положения окна в реальном масштабе времени (как в зарубежной аппаратуре, п.1.2.2);

второй вариант регистрация временного распределения интегральной интенсивности счёта в небольших по времени интервалах и передача функции определения положения спектра ГИНР наземной системе регистрации.

В результате проведённых стендовых и модельных исследований с первыми макетами генератора нейтронов ИНГ-06 было определено, что время начала импульса нейтронов (“розжига” нейтронной трубки) в различных образцах генераторов изменяется в пределах до 50 % (рисунок 2.1), а отсутствие необходимых моделей горных пород не позволяет однозначно формализовать алгоритм расчёта положения окна ГИНР по первому варианту. Для реализации второго варианта построения аппаратуры было предложено ввести регистрацию многоканаланого временного спектра, обеспечивающего контроль относительного выхода генератора нейтронов и его временных характеристик.

Рисунок 2.1 Временные спектры для различных нейтронных генераторов, время накопления постоянное и равно 10 с, частота работы генераторов – 10 кГц Всего за время работы над темой диссертации автором, совместно с сотрудниками НП ООО “Октургеофизика”, было выполнено тестирование более 30 экземпляров ИНГ-06 с суммарным временем наработки более 3000 часов.

Таким образом, в результате проведения большого объёма скважинных испытаний и проведения дополнительных экспериментальных исследований высокочастотный генератор нейтронов ИНГ-06 был доведён до надёжного промышленного образца, оптимизированного для решения задач углеродно-кислородного каротажа. В настоящее время ресурс работы генератора ИНГ-06 составляет 300 часов (отдельные образцы до 500 часов) при температурах до 125 С.

2.1.2. Обоснование основных элементов блока детектирования Основным элементом любой измерительной аппаратуры является первичный датчик, от качества преобразования датчиком энергии измеряемого параметра в вид удобный для передачи и представления зависит точность аппаратуры. Для построения радиометрической аппаратуры, в т.ч. спектрометрической, широко применяются блоки детектирования ионизирующих излучений, состоящие из неорганического сцинтилляционного кристалла и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Технические характеристики сцинтилляционных кристаллов используемых в спектрометрической аппаратуре приведены в таблице 4 [7, 70,43].

Для обоснования функциональных элементов блока детектирования спектрометрической аппаратуры исследуют ряд основных характеристик 40 и исследуют влияние внешних воздействий на их изменение. При создании аппаратуры ИНГКС наиболее важное значение имеют следующие характеристики блока детектирования: эффективность регистрации, энергетическое разрешение, линейность преобразования и временные параметры.

Таблица 4 Технические характеристики сцинтилляционных кристаллов мостатирования На рисунке 2.2 приведены результаты измерений, выполненные автором, по определению эффективности регистрации сцинтилляционных кристаллов NaI(Tl), CsI(Tl) размерами (50150 мм) и BGO размером (56130 мм), по комплекту образцовых спектрометрических источников гамма-излучения (ОСГИ).

Рисунок 2.2. Экспериментальные зависимости эффективности регистрации гаммаизлучения различными кристаллами по комплекту ОСГИ Измерения проводились при комнатной температуре, кристаллы комплектовались ФЭУ (R1847-07 фирмы Hamamatsu). Образцовые источники гамма-излучения располагались на корпусе скважинного прибора. При замене исследуемого кристалла изменение световыхода (таблица 4, п. 3), компенсировалось соответствующим изменением напряжения питания ФЭУ, настроенного относительно кристалла NaI(Tl) (Uвыс=880 В). Фотоэффективность регистрации рассчитывалась как отношение зарегистрированных гамма-квантов в пике полного поглощения к общему числу гамма-квантов, падающих на кристалл.

Приведенные данные (рисунок 2.2) свидетельствуют, что эффективность регистрации кристаллом BGO в интервале энергий 13 МэВ в среднем на 300, а для CsI(Na) на 40 % выше, чем для кристалла NaI(Tl). Кроме того, экстраполируя экспериментальные кривые в область более высоких энергий, видно, что при общем уменьшении эффективности регистрации гамма-излучения в высокоэнергетической области, для кристалла BGO эта зависимость слабее. Следовательно, для регистрации гамма-квантов возникающих при неупругом взаимодействии с ядрами углерода (E=4.43 МэВ) и кислорода (E=6.13 МэВ) (таблица 1) более эффективно применение кристалла BGO.

Как известно, эффективность регистрации зависит не только от материала и качества кристалла, но и от размеров кристалла и геометрии измерения. В работах 7, 49 было показано, что при регистрации гамма-квантов, вследствие специфики взаимодействия с веществом, возникают различные паразитные излучения, усложняющие форму спектра. Дополнительные помехи возникают при регистрации гамма-квантов с энергиями выше порога образования электронно-позитронных пар (более 2 MэВ). Уменьшение влияния паразитных излучений возможно с применением кристаллов больших размеров. На рисунке 2.3 приведены экспериментальные данные эффективности регистрации для кристалла NaI(Tl) в зависимости от размеров кристалла и расчётные кривые приведённые в работе [7], источники гаммаизлучения располагались на расстоянии h=10 см.

Рисунок 2.3. Экспериментальные и расчетные кривые эффективности регистрации гамма-излучения в зависимости от размеров кристалла NaI(Tl), (чёрными крестиками показаны экспериментально полученные значения) Как видно из рисунка, при увеличении размеров кристалла возрастает эффективность регистрации гамма-излучения.

На основании вышеизложенного, автор выбрал максимально возможные размеры кристалла исходя из диаметра генератора нейтронов, который составляет 70 мм. При использовании охранного кожуха диаметром 89 мм и толщине стенки 8 мм, внутренний диаметр охранного кожуха составит 73 мм, таким образом, диаметр блока детектирования не может быть больше 70 мм. Учитывая наличие элементов конструкции самого блока детектирования, максимальный диаметр не может быть более 60 мм.

2.1.3. Экспериментальное определение энергетического разрешения кристаллов Экспериментальное определение энергетического разрешения были выполнены автором для двух типоразмеров кристаллов: BGO размером (56130) и NaI(Tl) (50150), рисунок 2.4. Эксперимент проводился по методике определения разрешения спектрометров от моноэнергетической линии Cs-137 (E=0.663 МэВ), при этом разрешение рассчитывалось как отношение полуширины пика полного поглощения к энергии регистрируемого гамма-излучения. В комплекте с исследуемыми кристаллами использовался фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – R1847-07. Время измерения в эксперименте 5мин. Как видно из рисунка, полученные значения энергетического разрешения для кристаллов BGO и NaI(Tl) составили соответственно: RBGO = 11.00.5%; RNaI = 8.50.5%.

Рис. 2.4. Энергетическое разрешение кристаллов BGO и NaI(Tl) по образцовому источнику гамма-излучения Cs- 2.1.4. Экспериментальные исследования влияния температуры на характеристики кристаллов Для оценки влияния температуры на характеристики кристаллов автором выполнен эксперимент по исследованию изменения световыхода и изменения положения пика полного поглощения от образцового источника гамма-излучения Cs-137 в зависимости от температуры. На рисунках.2.5 и 2.6 приведены результаты измерений.

Рисунок 2.5. Влияние температуры на изменение световыхода образцового источника Cs-137 для кристаллов NaI(Tl), CsI(Na) размерами (50150) и BGO (56130), оптически Согласно приведённым данным (рисунки 2.5, 2.6) наибольшему влиянию температуры подвержен кристалл BGO, при этом световыход, при температуре более 60 С, соизмерим с уровнем шумов ФЭУ. Следовательно, при использовании кристалла BGO при температуре выше 60 С необходимо применение термостата. Изменение характеристик кристалла CsI(Tl) незначительно до температуры 100 С и аналогичны характеристикам кристалла NaI(Tl).

Кроме того, как видно из рисунка 2.6, для стабилизации положения пика Cs-137 в 128-м канале спектрометра необходимо изменение высокого напряжения на катоде ФЭУ от 880 до 1050 В, т.е. почти в два раза больше чем для кристаллов NaI(Tl) и BGO (при использовании термостата).

На основании этих особенностей дальнейшие исследования с кристаллом CsI(Tl) не проводились. Как видно из приведённых данных, несмотря на более высокое энергетическое разрешение детектора NaI(Tl) по сравнению с детектором BGO, последний обладает рядом существенных преимуществ, основные из которых более высокая плотность и эффективный атомный номер (Zэф). Даже при меньших габаритах при использовании термостата эффективность регистрации гамма-излучения детектором BGO в областях энергий 27 (МэВ) при прочих равных условиях в 23 раза выше по сравнению с детектором NaI(Tl). Кроме того, кристаллы BGO имеют более высокое разрешение пиков полного поглощения. Это, в свою очередь, обеспечивает при использовании детектора BGO и одинаковом выходе нейтронного генератора более высокую скорость счета в энергетических окнах анализируемых элементов – O, C, Si, Ca. Уменьшается фоновая составляющая от рассеянного гаммаизлучения более жестких излучателей. Одно из достоинств кристалла BGO – низкий фон активации. Применение кристалла BGO приведёт к повышению статистической точности измерений.

Рисунок 2.6. Изменение напряжения питания ФЭУ (Uвыс) для кристаллов NaI(Tl), CsI(Na) размерами (50150) и BGO (56130), оптически соединёнными с ФЭУ R1847- На основании проведённых расчётов методом Монте-Карло [84] определена чувствительность при регистрации методом углеродно-кислородного каротажа как функции расстояния от источника до детектора (И-Д). В работе показано, что изменение расстояния (И-Д) от 10 до 60 см в условиях высокой пористости и нефтяной насыщенности приводит к уменьшению количества регистрируемых гамма-квантов. Количество регистрируемых гамма-квантов от ядер углерода наиболее быстро уменьшается при расстоянии до 40 см, дальнейшее увеличение становится гораздо менее чувствительной функцией от изменения расстояния. В той же работе приведены результаты расчётов по изменению количества регистрируемых импульсов при неупругом рассеянии на ядрах углерода как функции радиального расстояния при различных расстояниях (И-Д). Как видно из рисунка 2.7, при расстоянии от источника до детектора 30 см 95 % всех регистрируемых гамма-квантов являются результатом неупругого взаимодействия в горных породах глубиной до 15 см. При увеличении расстояния источник-детектор до 100 см количество регистрируемых гамма-квантов уменьшается только на 10 %. Таким образом, увеличение расстояния от источника до датчика увеличивает глубину исследования, при этом количество регистрируемых гамма-квантов от горных пород в радиальном направлении более чем 15 см сравнительно небольшое. Следовательно, количество регистрируемых гамма-квантов в основном зависит от взаимодействий происходящих в формировании глубиной до 15 см практически для всех расстояний от источника до детектора.

Рисунок 2.7. Расчётная зависимость глубинности метода углеродно-кислородного Анализ зарубежных работ по выбору расстояния от источника до детектора для аппаратуры ИНГКС показал, что увеличение расстояния более 40 см не приводит к увеличению глубинности исследования 80, 81, 84. Кроме того, метод углеродно-кислородного каротажа предусматривает регистрацию отношения количества гамма-квантов от ядер углерода и кислорода, (см. п.1.3) следовательно, оптимизация зонда для аппаратуры ИНГКС имеет относительное значение.

Таким образом, с учётом конструкции блока детектирования, для аппаратуры ИНГКС автором была выбрана длина зонда ~ 50 см.

2.1.5. Обоснование выбора ФЭУ Как известно, для обеспечения максимально возможного светосбора со всего объёма кристалла, размеры фотокатода должны быть приблизительно равны диаметру кристалла [7, 18]. Исходя из диаметра выбранного сцинтилляционного кристалла (5060 мм) и температурного диапазона эксплуатации разрабатываемой аппаратуры, значительно сужается круг выбора необходимого спектрометрического ФЭУ. В таблице 5 приведены основные технические характеристики российских и зарубежных ФЭУ с вышеназванными параметрами.

Для обоснования оптимальной пары кристалл+ФЭУ и уточнения технических характеристик (световая анодная чувствительность, энергетическое разрешение, минимальный темновой ток и др.) автором был выполнен ряд экспериментов, таблицы 4, 5. Одним из параметров качества спектрометрической аппаратуры является разрешающая способность блока детектирования. Для определения энергетического разрешения пары сциннтиллятор (NaI(Tl)) +ФЭУ автором была исследована мажоритарная выборка состоящая из 50-ти ФЭУ-184 и 5-и ФЭУ-151, результаты измерений приведены в таблице 4. Как видно из таблицы 4, наихудшим разрешением – 14.5 % (несмотря на небольшой “темновой” ток) обладает ФЭУдальнейшие исследования с этим ФЭУ не проводились. Для определения величины энергетического эквивалента собственных шумов ФЭУ и “темнового” тока для исследуемых ФЭУ автором выполнен следующий эксперимент: собиралась установка, состоящая из кристалла NaI(Tl) размерами 50150 мм и ФЭУ-184, R1847-07, ХP2206, ФЭУ помещались в светоизолирующий экран. Подбором высокого напряжения Uвыс или коэффициентом усиления Кус устанавливался рабочий режим блока детектирования (температура 80 С), при котором пику водорода 1Н, с энергией 2.23 МэВ соответствовал 60 канал, а “дуплету” железа (Е = 7.64 МэВ) 205-206 каналы. После установления рабочего режима кристалл снимался и измерялся энергетический эквивалент собственных шумов ФЭУ и “темновой” ток. Результаты экспериментов приведены в таблице 5.

Как видно из приведённых данных, по таким параметрам как: темновой ток и энергетический эквивалент собственных шумов ФЭУ R1847-07 обладает лучшими техническим характеристиками для применения в спектрометрической аппаратуре. Кроме того, благодаря конструктивным особенностям построения динодной системы R1847-07 достигается более эффективная фокусировка электронов.

Таблица 5 Технические характеристики российских и зарубежных спектрометрических ФЭУ