Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Повышение эффективности литоплотностного каротажа нефтегазовых скважин

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности литоплотностного каротажа нефтегазовых скважин"

г в с,

2 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

ЛЫСЕНКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ литоплотностного КАРОТАЖА НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Специальность 04.00.12 - "Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых"

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

ч

Октябрьский -1998

Работа выполнена в открытом акционерном обществе Научно -производственное предприятие"Научно-исследовательскиий проектно-конструкторский институт геофизических исследований скважин" (ОАО НПП "ВНИИГИС")

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Р.Т. Хаматдинов

доктор физико-математических наук, профессор Лухминский Б.Е.

кандидат технических наук Черменекий В.Г.

Ведущая организация:

"Оренбурггеофизика"

Защита состоится"18"ноября 1998года в 11— часов на заседании диссертационного совета Д.169.13.01.при ОАО НПП "ГЕРС" по адресу: 170034, г.Тверь, проспект Чайковского,д.28/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПЦ "Тверьгеофизика"

Автореферат разослан " 12 "октября 1998года

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор а /) А.И.Фионов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Оценка емкостных свойств нефтегазонасы-щенных пластов, характеризующихся коэффициентом пористости (Кп), возможна по данным плотностного гамма-гамма каротажа (ГТК-П). Классический вариант ГТК-П обеспечивает удовлетворительное решение данной задачи только при известном литологическом составе, который определяет плотность скелета горных пород.

Информация о литологическом составе может быть получена на основе измерения эффективного атомного номера горных пород (2эф).

Модификация ГТК с сопряженным во времени и пространстве измерением плотности (о) и эффективного атомного номера гэф получила название литоплотностного каротажа-ЛПК. Использование ЛПК принципиально позволяет повысить точность и достоверность оценки пористости пород, а в карбонатных разрезах количественно определить содержание доломитов и известняка.

Однако практическая реализация отмеченных потенциальных возможностей метода предполагает высокоточные определения плотности и эффективного атомного номера горных пород. Существующие приборы ЛПК интегрального типа обеспечивают достаточную точность только в отношении плотности. Среднеквадратическая погрешность определения эффективного атомного номера составляет порядка ± 0,75ед., что позволяет лишь качественно дифференцировать геологические разрезы. Исходя из отмеченного, представляется исключительно важным дальнейшее развитие технологии ЛПК как в плане разработки скважинной аппаратуры нового поколения, так и создание помехоустойчивых алгоритмов расчета эффективного атомного номера с учетом влияния основных мешающих физико-геометрических факторов (вариации плотности, изменение параметров промежуточной среды, нестабильность измерительной аппаратуры.

Основой диссертационной работы являются результаты теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ, начатых автором в 1979 году в НПП "ВНИИГИС". Все исследования выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ бывшего Министерства геологии СССР и Комитета РФ по геологии и использованию недр в рамках научно-технических программ на 1981-1985-1990г.г. и др. по заданию 10, 11-го раздела ОНТП "Разработать и внедрить аппаратурно-методические комплексы и технологии геофизических исследований скважин", по проблеме 0.5.03 "Разработать высокоэффективные геофизические методы и аппаратуру для поисков и разведки месторождений важнейших полезных ископаемых, включая нефть и газ (геофизические методы разведки месторождений)".

Цель работы. Совершенствование методики гамма-гамма каротажа для решения геологических задач нефтегазовых скважин на основе одновременной количественной оценки эффективного атомного номера, объемной плотности и разработки скважинной аппаратуры нового поколения, обеспечивающих повышение точности и достоверности геофизических исследований.

Основные задачи исследований.

1. Изучение особенностей пространственно-энергетических распределений рассеянного гамма-излучения в условиях природных сред и скважин типовой конструкции и обоснование способов количественной оценки физических параметров горных пород (плотности, эффективного атомного номера).

2. Исследование влияния состава и толщины промежуточной среды (глинистой корки, каверн) и разработка методики ее компенсации при количественной оценке петрофизических параметров.

3. Обоснование помехоустойчивых алгоритмов определения эффективного атомного номера горных пород произвольного вещественного состава с учетом влияния мешающих физико-геометрических факторов.

4. Разработка новых способов стабилизации энергетической шкалы по форме спектра рассеянного гамма-излучения для скважин-ной многоканальной спектрометрической аппаратуры ЛПК.

5. Разработка опытного образца цифровой программно-управляемой аппаратуры лигоплотностного каротажа (ЛПК-Ц), отвечающей требованиям решения задач нефтепромысловой геологии.

6. Разработка помехоустойчивой технологии интегрально-спектометрической модификации ЛПК для решения типовых задач и оценка ее геологической эффективности в условиях нефтегазовых скважин.

Методика исследования.

1. Анализ и обобщение зарубежного и отечественного опыта по опубликованным и фондовым материалам.

2. Математическое моделирование закономерностей пространг-венно-энергетического распределения рассеянного гамма-излучения на основе теории диффузионного переноса гамма-квантов и экспериментальных исследований на физических моделях пластов различного вещественного состава и плотности.

3. Статистическая обработка и анализ результатов экспериментальных исследований с применением персональных компьютеров.

4. Создание макетных и опытных образцов скважинной многозон-довой аппаратуры СГГК.

5. Опытно-производственная апробация, разработка методических рекомендаций и технических средств литоплотностного каротажа, оценка их геологической эффективности и внедрение в практику геофизических исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность детальной дифференциации основных литологических разновидностей нефтегазоносных (горных) пород по плотности и эффективному атомному номеру, определяемых на основе измерения амплитудных характеристик спектральных потоков рассеянного гамма-излучения от источника цезий-137;

- для одновременного определения плотности и эффективного атомного номера предложена интегрально-спектрометрическая модификация литоплотностного каротажа, реализуемая с использованием двух коллимированных интегральных зондов и одного спектрометрического зонда диффузионного типа.

- предложен способ определения эффективного атомного номера, основанный на коррекции спектрального отношения низкоэнергетиче-

ских и высокоэнергетических потоков рассеянного гамма-излучения, обеспечивающий удовлетворительную точность расчета гэф при временном неконтролируемом дрейфе энергетической шкалы до ± 10%;

- предложен и обоснован номографический способ количественного определения йэф при наличии глинистой корки массовой толщиной до 3,0 г/см2(при о»1,5 г/см3 );

Достоверность научных положений, выводов, технических решений и рекомендаций подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на государственных и отраслевых образцах пластов эффективного атомного номера, плотности и пористости. Достоверность подтверждается также удовлетворительной сходимостью расчетных значений петрофизических параметров с данными, определенными по образцам керна, и сопоставлением с другими альтернативными методами ГИС(по пористости) в скважинах различных регионов страны.

Основные ¿защищаемые положения.

1. Технология литоплотностного гамма-гамма каротажа, основанная на измерении двух интегральных потоков и полного энергетического спектра рассеянного гамма-излучения, обеспечивающая одновременное определение плотности и эффективного атомного номера горных пород с точностью, удовлетворяющей решению прикладных задач нефтепромысловой геологии.

2. Новые помехоустойчивые способы расчета эффективного атомного номера горных пород, базирующиеся на искусственном создании в спектре ГГК максимума рассеянного излучения в области энергий 120+130КэВ, вычислении разностного эффекта или двукратно нормированного спектрального отношения, компенсирующие влияние временного дрейфа энергетической шкалы спектрометра до ± 10%, обеспечивают с учетом плотности пород высокоточные определения эффективного атомного номера при наличии глинистой корки массовой толщиной до 3,0 г/см2.

3. Одновременное измерение по ЛПК о и йэф, закономерно изменяющихся соответственно от 2,71 до 2,8 6 г/см и от 15,1 до 13,1 ед. в ряду известняк-доломит, количественное определение степени доломитизации карбонатных коллекторов.

Практическая значимость работы заключается:

- в повышении достоверности определения емкостных свойств карбонатных коллекторов за счет оценки степени доломитизации известняков и количественного определения коэффициента пористости с погрешностью, не превышающей 1,5+2%;

- в повышении информативности измерений разработанной аппаратуры литоплотностного каротажа и повышении чувствительности метода ГГК к гэф за счет регистрации полного спектра рассеянного гамма- излучения в диапазоне энергий от 30 до 500 КэВ;

- снижении стоимости геофизических исследований скважин в сложных геоЛого-технических условиях за счет одновременного определения плотности и эффективного атомного номера с применением трехзондовой установки ГГК.

Реализация и внедрение результатов работы.

Для практической реализации предложенной трехзондовой интегрально-спектрометрической модификации ГТК разработана цифровая программно-управляемая аппаратура литоплотностного каротажа. Разработанная методика и 6 комплектов аппаратуры литоплотностного каротажа в промышленных масштабах используются для исследования нефтегазовых скважин месторождений Урало-Поволжья (АНК "Башнефть", АО "Куйбышевнефть", АО "Оренбургнефть"), коллектора которых сложены породами различного минерального состава ( известняки, доломиты, песчаники, смешанные разности).Начато промышленное опробование технологии ЛПК в ПГО" Енисейнефтегазгеоло-гия".

Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для разработки малогабаритной аппаратуры угольно-рудного ряда.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании "Перспективы развития геологоразведочных и буровых работ с целью повышения интенсификации добычи нефти в Азербайджане"(Баку,1979г.), Всесоюзном совещании "Гамма-гамма спектрометрия на нефть и твердые полезные ископаемые" (Черноголовка,1986г.), региональной научно-технической конференции "Ядерно-физические методы опробования пород и руд. Метрологическое обеспечение геофизических исследований." (Свердловск,1986г.), совещании "Основные направления совершенствования комплексных геофизических исследований при поисках месторождений полезный ископаемых в Сибири и на Дальнем Востоке" (Красноярск,1986г.)Международной геофизической конференции "Геофизика и современный мир"(С-Петербург, 1995г.)

Личное участие автора состоит в постановке теоретических задач, проведении экспериментальных исследований, разработке новых способов расчета петрофизических параметров с компенсацией дрейфа энергетической шкалы, способов учета промежуточной среды, разработке макетных и опытных образцов скважинных приборов и зондов ЛПК-Ц, а также в проведении опытно-промышленных исследований и анализе результатов работ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, включая 3 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, списка литературы, содержащего 83 наименования, и приложений.

Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 18 таблиц.

Диссертационная работа подготовлена в ОАО НПП "ВНИИГИС", под научным руководством д.т.н. Р.Т. Хаматдинова и при творческом участии д.т.н. Е.С.Кучурина, которым автор искренне благодарен.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность коллегам по работе, с которыми проведена основная часть исследований, и прежде всего Т.С.Мамлееву, А.А.Крысову, к.г.-м.н. Н.М. Зара-менских, к.т.н. А.Ф.Зотову, к.г.-м.н. В.И.Борисову, Л.К. Борисовой, Г.С.Кулешовой, З.А.Лысенковой, А.Ф.Каляеву, к.г.-м.н. В.Т. Перелыгину, В.Е.Калиберде, К.Н.Костьшеву, к.т.н. З.З.Ханипову и многим другим.

Постоянное содействие в практической реализации идеи работы и в проведении полевых испытаний оказывали зав.отделом к.т.н. В.Н. Даниленко, сотрудники ряда смежных отделов и лабораторий ВНИИГИС, а также дирекция института, руководители и главные специалисты производственных организаций. Всем им автор выражает глубокую признательность.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, формулируются научная новизна и основные защищаемые положения, приведены данные о структуре работы и внедрении ее в производственных организациях.

В первой славе обобщен отечественный и зарубежный опыт разработки технологии плотностного, селективного и литоплотностного каротажа. Значительный вклад в развитие технологии гамма-гамма методов внесли В.А.Арцыбашев, А.М.Блюменцев, Г.Б.Варварин, В.А.Войскобойников, Ю.А.Гулин, И.В.Головацкая, А.П-.Грумбков, И.Г.Дядькин,Д.А.Кожевников,Ф.А.Куриленко,Е.С.Кучурин, А.П.Очкур, Р.А.Резванов, Е.В.Семенов, Р.Т.Хаматдинов, В.И.Уткин,Е.М. Филиппов и др.

Наиболее последовательно и полно технология плотностного гамма-гамма каротажа разработана сотрудниками ВНИИГИК. Созданная коллективом авторов{Ю.А.Гулин, А.Ф.Зотов, Р.Т.Хаматдинов, А.П. Глебов, И.В.Головацкая и др.,1987г.) скважинная аппаратура, методическое, метрологическое и программное обеспечение позволяют реализовать высокоточные определения плотности практически в любых геолого-технических условиях. Относительная простота технологии и погрешность определения пористости на уровне ±2,0 +3,0% в диапазоне изменения плотности от 2,0 до З,0г/см3 обеспечили массовое применение аппаратуры во всех ведущих геофизических организациях страны.

Селективный гамма-гамма каротаж наиболее активно развивался для решения задач рудной и угольной геологии (А.П.Очкур,

B.И.Уткин, В.А.Мейер, Е.С.Кучурин). В диссертации проанализированы многочисленные разработки в области методики и аппаратуры ГГК-С. Показано, что основное влияние на показания метода при определении йэф оказывают переменная плотность сред, наличие промежуточной среды, дрейф энергетической шкалы спектрометрической аппаратуры. При значительной контрастности руд и углей по отношению к вмещающим породам практическое применение в рудно-угольном каротаже получили простые интегральные модификации ГГК-

C, реализуемые с использованием источников, испускающих низкоэнергетические гамма-кванты.

Предложенные спектрометрические модификации ГГК-С имеют скорее научное значение и поэтому практически не используются для исследований скважин. В качестве основного аналитического параметра в СГГК используется отношение низкоэнергетической и высокоэнергетической компонент рассеянного гамма-излучения, позволяющее существенно ослабить влияние основных помех и прежде всего вариаций плотности. Объектом исследований в нефтегазовых скважинах являются сами горные породы, в общем случае слабо дифференцированные по гэф. По этой причине эффективное решение геологических задач возможно с привлечением информации о плотности пород, что диктует необходимость разработки литоплотностной модификации ГГК.

Впервые измерения методом ЛПК в нефтегазовых скважинах проведены Ю.А.Гулиным в Урало-Поволжской нефтегазовой провинции, которые доказали перспективность метода и выявили основные закономерности регистрируемых эффектов от геолого-технических факторов. В интегральной модификации литоплотностного каротажа регистрация низкоэнергетических и высокоэнергетических компонент рассеянного гамма-излучения осуществлялась двумя сцинтилляцион-ными детекторами, обладающими различной спектральной чувствительностью к гамма-излучению. Достигнутая погрешность определения 2эф на уровне ± 1,0ед. позволило выделить карбонатные породы с доверительной вероятностью не менее 0,9.

Дальнейшее развитие технология ЛПК получила в работах Р.Т.Хаматдинова(1991г.). Разработанная им интегральная аппаратура СГПЛ обеспечивает измерение плотности горных пород в диапазоне от 1,7 до З,0г/см3 с основной относительной погрешностью 1,2% и 2эф от 7 до 17 ед. с основной абсолютной погрешностью ± 0,75 ед. Сравнительно невысокая точность определения 2эф обусловлена интегральным режимом измерения потоков с использованием сцинтил-ляционных детекторов, спектральная чувствительность которых зависит от их экранировки. В зонде ГГК-Л рассеянное гамма-излучение проходит через слой полиамида толщиной 2 см. По этой причине наиболее информативная к 2эф компонента излучения с энергией 30+100 КэВ в значительной степени поглощается самим материалом. Соответственно чувствительность прибора к йэф уменьшается, а погрешность расчета возрастает.

В начале 70-х годов литоплотностной каротаж начали осваивать ведущие зарубежные фирмы (Шлюмберже, Дрессер Атлас и др.). Для раздельной регистрации низкоэнергетических (Е<120КэВ) и высокоэнергетических (Е>150КэВ) рассеянных гамма-квантов предложено применение многоканальных гамма-спектрометров. К настоящему времени для определения эффективного атомного номера созданы сква-жинные приборы, обеспечивающие регистрацию и передачу на бортовой компьютер полных спектров рассеянного гамма-излучения.

Такое техническое решение позволило повысить чувствительность к гэф в 3-4 раза и вплотную подойти к решению новых нетривиальных геологических задач по определению вещественного состава коллекторов и оценке их емкостных свойств. Таким образом, проведенный анализ состояния работ в области литоплотностного каротажа однозначно свидетельствует, что отечественные технологии ЛПК для нефтегазовых скважин уступают зарубежным аналогам по чувствительности и точности определения 2эф. Повышение информативности литоплотностного каротажа принципиально возможно на основе создания современной регистрирующей спектрометрической аппаратуры с учетом приемственности лучших технических решений в области плотностного и спектрометрического ГГК. В заключении главы сформулированы задачи диссертационной работы

Во второй глава проанализированы геолого-технические условия проведения литоплотностного каротажа в нефтегазовых скважинах путем обобщения опубликованных работ, сбора и анализа материалов производственных организаций и оценена возможность диалогического расчленения разрезов по плотности и эффективному атомному номеру. Расчетным путем показано, что для расчленения карбонат-

ной толщи по степени доломитизации минимум на 4 градации необходимо обеспечить измерение гэф. с погрешностью ± 0,25 ед. Среди помех физической природы основное влияние вносит погрешность за

22ЭФ в

счет вариации величины отношения -. Влиянием этой помехи

Аэф

обычно пренебрегают при исследовании сред, содержащих тяжелые элементы, поскольку основной вклад в изменение йэф. вносит элемент с высоким атомным номером. Соответственно величина указанного отношения в тяжелых средах варьирует в относительно небольшом диапазоне. В легких средах, например осадочных породах, содержащих водород, относительное влияние изменений рассматриваемого отношения усиливается. Наибольшее значение этого отношения характерно для воды - 1,11 наименьшее для галита - 0,96. Соответственно погрешность определения гэф. для этих образований составляет +0,24 и -0,2 ед. Погрешность определения гэф. для остальных пород за счет неучитываемых вариаций величины отноше-

ггэф

ния- по абсолютной величине меньше и составляет примерно

Аэф

±0,1-5-0,15 ед. Приведенные значения погрешностей характеризуют предельную точность оценки гэф., которую можно обеспечить методом СГГК в условиях неконтролируемого изменения вещественного состава. Из геологических факторов на эффективность применения литоплотностного каротажа при расчленении карбонатного разреза по степени доломитизации наибольшее влияние оказывает глинистость, сульфатизация и углистость горных пород. Количественная оценка влияния этих примесей произведена в предположении их 10%-го замещения в карбонатном разрезе доломита. Для наиболее практически важных случаев замещения доломита каолинитом, ангидритом, гипсом, водой, глинистым веществом, влиянием примесных пород можно пренебречь при их весовом содержании, не превышающем 15-20%.

Методические возможности литоплотностного каротажа с одновременным определением плотности и эффективного атомного номера были проанализированы на примере ряда продуктивных отложений нефтегазоносных месторождений СНГ. Полученные результаты свидетельствуют, что наибольшая диференциация основных литологических разновидностей отмечается по величине гэф. Среднее значение эффективного атомного номера составляет для известняка 15,1 ±0,3 ед., доломита 13,55 ± 0,3 ед., кварцевого песчаника 12,2 ± 0,15 ед., полимиктового песчаника 13,08 ± 0,2 ед.. Объемная плотность для этих же литотипов изменяется в меньших пределах : известняка 2,71 ± 0,01г/см3 , доломита 2,87 ± 0,02 г/см3 , кварцевого песчаника 2,671 г/см3, полимиктового песчаника 2,58 ± 0,03 г/см3. Из анализа физических характеристик следует, что все ли-тологические разновидности с надежностью на уровне 95% могут быть однозначно установлены в разрезах скважин при погрешности измерений гэф, равной ±0,3 ед. Надежность идентификации литоти-

пов еще более возрастает при использовании данных о плотности горных пород.

_В третьей главе рассмотрены теоретические предпосылки

определения эффективного атомного номера горных пород по данным спектрометрии рассеянного гамма-излучения. Расчетным методом изучены закономерности переноса рассеянного гамма-излучения от изотопа цезий-137 в условиях нефтегазовых скважин с учетом влияния основных мешающих факторов (глинистая корка, пористость и т.д.). Численные расчеты выполнены по формулам, полученным Ю.Б.Давыдовым в диффузионном приближении. Параметры переноса рассеянного гамма-излучения рассчитаны по методике Г.М. Воско-бойникова для типовых моделей сред. Исследовалось влияние глинистой и баритовых корок различной массовой толщины и 2эф на показания зонда СГТК длиной 20см на пластах терригенного состава. Результаты теоретических расчетов свидетельствуют, что наличие глинистой корки оказывает существенное влияние на точность определения эффективного атомного номера горных пород. Для повышения эффективности литологического расчленения разреза по эффективному атомному номеру следует учитывать влияние глинистой корки, особенно, если она содержит барит, влияние которого неоднозначно. При содержании барита в глинистой корке менее 20% увеличение толщины глинистой корки приводит к росту низкоэнергетического потока рассеянного гамма-излучения для пород с гэф.= 12+18 ед. Если содержание превышает 20%, зависимость меняется на обратную. Увеличение толщины глинистой корки приводит к убыванию низкоэнергетического потока рассеянного гамма-излучения. При содержании барита на уровне 20% зависимость низкоэнергетического потока от толщины глинистой корки претерпевает инверсию.

Для внесения поправки за влияние глинистой корки в определяемые значения эффективного атомного номера рассчитаны зависимости, позволяющие корректировать интенсивность низкоэнергетического потока гамма-излучения изотопа цезий-137 для зонда 20 см в скважине от толщины глинистой корки при известном составе продуктивного пласта.

_В четвертой главе приведены экспериментальные исследования характеристик и динамики полей рассеянного гамма-излучения и обоснованы помехоустойчивые технологии СГГК. Для получения основных градуировочных зависимостей на основе базовых образцов плотности, химический состав материала которых регламентирован ГОСТом, обоснованы базовые метрологические образцы эффективного атомного номера. Расчетные данные по 2эф свидетельствуют, что вариации, вызванные неучитываемыми изменениями вещественного состава, не превышают ±0,12ед. для МОБ из алюминия марки АД0, АД1, коелгинского мрамора, серы и ±0,4ед. для МОБ, изготовленных из алюминия марки В-95, магния марок МА-2, МА-14, МА-8. Первые образцы рекомендованы для градуировки аппаратуры ЛПК по йэф. Экспериментальные исследования закономерностей пространственно-энергетического распределения рассеянного гамма-излучения выполнены на различных МОБ в 2я-геометрии измерений,с иммитацией глинистой корки различного вещественного состава. По результатам анализа экспериментальных исследований установлено, что относи-

тельный вклад высокоэнергетической компоненты излучения(>200КэВ) в низкоэнергетическую область спектра(<100КэВ) в первом приближении можно считать постоянной величиной, независящей от физических параметров среды (плотности, эффективного атомного номера) и составляющей для зондов длиной 20+30см 0,1+0,25 ед. Следствием отмеченного является относительное увеличение влияния вклада на регистрируемые параметры СГГК по мере возрастания плотности и эффективного атомного номера среды. Так, при 2эф.=16ед. и егэл.=2,6г/см3 вклад высокоэнергетической компоненты спектра в низкоэнергетическую составляет 25%, а при оэя.= 2,8г/см3 увеличивается до 50%. Влиянием вклада высокоэнергетической компоненты спектра в низкоэнергетическую можно пренебречь в средах с плотностью 2,0+2,1г/см3 . Дополнительно полный учет систематической составляющей потока рассеянного гамма-излучения в низкоэнергетическую область спектра достигается при использовании компенсационного алгоритма вида:

т)= ( п(30*80КэВ) Л /( п()200КэВ)

ио(30+80Кэв) ; / 1по(>200КэВ);

где: п(30+80КэВ), п0(30+80КэВ), п(>200КэВ), п0(>200КэВ)- спектральные интенсивности в соответствующих энергетических областях на эталонной(по) и исследуемой(п) среде; а - относительный вклад высокоэнергетической части спектра в низкоэнергетическую. Характер зависимости 2эф.=Г(2) описывается уравнением

гэф.=12,2-71дР(2.)

Достаточно просто влияние вклада высокоэнергетической части спектра в низкоэнергетическую устраняется при измерениях с малыми размерами зондов (не более 10-15 см). В этом случае в спектре рассеянного гамма-излучения можно подобрать высокоэнергети-аескую область, нормирование на которую низкоэнергетической компоненты излучения полностью компенсирует увеличение эффекта в низкоэнергетической области.

Влияние промежуточного слоя, находящегося между зондовой частью прибора и стенкой скважины также существенно сказывается на эффективности спектрометрической модификации метода СГГК при определении 2эф. При бурении скважин чаще всего применяются глинистые промывочные жидкости. Эффективный атомный номер таких глинистых корок изменяется в пределах от 9 до 12 ед. Значительно реже применяются промывочные жидкости, утяжеленные баритом, гепатитом , которые повышают йэф. промежуточной среды до 20+40ед. Экспериментальные данные свидетельствуют, что наличие промежуточного слоя с гэф.=10,5 ед.(примерно соответствует реальной зеличине при бурении на глинистом растворе) искажает результаты зпределения йэф. Погрешность йэф. достигает величины Дгэф.= Ю,32ед. при наличии глинистых корок толщиной 2 см у пород с зысокими значениями 2эф.=16+17ед.,а для основных литотипов гор-*ых пород(известняк, доломит, песчаник) погрешность достигает зеличины Дгэф.=+0,2ед. Добавка в промывочную жидкость утяжелителя -барита приводит к помехам, несовместимым с определением литологии по СГГК . В общем виде алгоритм определения йэф. при

наличии промежуточной среды может быть представлен в виде двухмерной зависимостигэф.= £ (Ггк , а ) .

Решение уравнения легко реализуется по 2-х мерной номограмме, входными данными которой являются функция влияния глинистой корки и объемная плотность горных пород. Функция влияния глинистой корки находится из уравнения

г(гк)= п(30-5-80КэВ) п(> 200КэВ) п0(30 + 80КэВ) п0(> 200КэВ)

где: п(30+80КэВ), п0 (30+80КэВ), п(>200КэВ), п0(>2ООКэВ ) -спектральные интенсивности в соответствующих энергетических областях на эталонной(по) и исследуемой(п) среде;

В-угловой коэффициент зависимости, в нашем случае равный 1,3.

Объемная плотность определяется обычным способом на основе измерения потоков рассеянного гамма-излучения на двух зондах по методике СГП-2. Применение предложенной методики обеспечивает количественную оценку эффективного атомного номера горных пород в сложных геологических условиях с погрешностью не хуже ±0,2 отн.ед. Этого вполне достаточно, например, для уверенного расчленения карбонатных пород на 5+6 градаций и оценки доломитизации продуктивных толщ.

Значительное влияние на точность расчета йэф при спектрометрии рассеянного гамма-излучения оказывает дрейф энергетической шкалы аппаратуры. В работе на основе представления реальных спектров рассеянного гамма-излучения в виде дисперсного и логарифмического распределения уточнены требования к допустимой нестабильности энергетической шкалы аппаратуры, которая для горных пород с 2эф. =10+20 ед. оценивается на уровне ± 1%. Для легких сред(высокопористых пластов)требования снижаются до ±2%. Для выполнения этих требований предложены и разработаны оригинальные способы расчета гэф и стабилизации энергетической шкалы спектрометров по форме спектров.

Алгоритм стабилизации энергетической шкалы основан на искусственном создании в спектре рассеянного гамма-излучения второго максимума в области энергии 180+240КэВ, формируемого при частичном экранировании детектора. Благодаря этому представляется возможным обычным путем организовать стабилизацию с погрешностью ± 1%, измеряя отношение потоков в указанном максимуме и ниспадающей части спектров в области энергии более 240 КэВ. Компенсационные алгоритмы расчета гэф имеют вид гэф^ (Ы„ / N1, - N1, / И2ж ) и гэф.=£ (Ым / ы1ж • ы2ж / N1* ) где , Ы1ж , N2* - спектральные потоки в области энергии 30+80, 220+250, 300+450 КэВ. Стабильность показаний СГГК по предложенным алгоритмам достигается за счет введения в структуру спектральных отношений корректирующих безразмерных коэффициентов ^ж/Ыг» и Ыгж/Нг», зависящих от положения энергетической шкалы и практически не чувствительных к изменению эффективного атомного номера и плотности горных пород. Экспериментальная проверка работоспособности обоих алгоритмов, выполненная на физических мо-

целях различного состава и плотности, свидетельствует, что при дрейфе энергетической шкалы в пределах ±5% дополнительная ошибка определения гэф. составляет ±0,06+0,01ед., тогда как по известному способу спектральных отношений ±2,5+3 ед. Приращение эффектов по обоим алгоритмам составляет 15+20% на единицу 2эф., ато примерно в 1,1 раза ниже, чем по способу спектральных отно-иений.

Для одновременных определений плотности и эффективного атомного номера на основе проведенных экспериментальных исследований обоснована трехзондовая интегрально-спектрометрическая модификация ЛПК с измерением плотности двухзондовой установкой интегрального типа, аналогичной прибору СГП-2, а эффективного атомного номера с использованием спектрометрического зонда диффузионного типа размером 20см.

В пяуой глазе приведены результаты и метрологические характеристики разработанной аппаратуры литоплотностного каротажа, а также результаты опытно-методических исследований в нефтегазовых :кважинах. Разработанный опытный образец аппаратуры ЛПК-Ц реализует интегрально-спектрометрическую модификацию ЛПК с предло-кениой трехзондовой установкой. Измерение плотности пород произ-зодится по двухзондовой методике СГП-2. Измерение эффективного атомного номера осуществляется отдельным зондом путем обработки юлного спектра рассеянного гамма-излучения.

Основные технические и метрологические характеристики разра-5отанной скважинной аппаратуры приведены в нижеследующей табли-№1.

Таблица1

Метрологические и технические характеристики скважинного прибора ЛПК-Ц

Метрологические и технические Значение

характеристики величин

. 2 3

Диапазон измерения плотности пород 1,7+Зг/см3

Диапазон измерения эффективного атомного номера 10+18ед.

: Предел основной относительной погрешности изме-

рения :

- объемной плотности пород ±1,5+2%

- эффективного атомного номера ±2+3%

1 Толщина глинистой корки, влияние которой учиты- до 20мм

вается аппаратурой

1 Тип бурового раствора:

- для определения плотности пород любой

- для определения эффективного атомного но- глинистый,

мера пород без доба-

вок барита

или гема-

тита.

Продолжение таблицы 1

1 2 3

5 Диаметр исследуемых скважин 160+270мм

6 Глубина исследуемых скважин 6000м

7 Максимальное гидростатическое давление для 80МПа

скважинного прибора

8 Диапазон рабочих температур окружающей среды для -20++120°С

скважинного прибора

9 Масса скважинного прибора 100 кг

10 Габариты скважинного прибора:

- максимальное поперечное сечение - 135мм

- длина 3200мм

11 Максимальная скорость каротажа в масштабе глубин 400 м/час

1:200

12 Используемый источник гамма-излучения цезий-137

активностью (1,28±0,3)

*101ОБК

<100±25),

мг. экв. Е1а.

Стабилизация энергетической шкалы реализована по форме спектра по способу, рассмотренному в четвертой главе.

В работе описаны основные приемы работы с аппаратурой при ее аттестации, калибровке на скважине, оценка качества материалов по результатам измерений в полевых калибраторах и по данным основной и контрольной диаграмм.

Опробование технологии литоплотностного каротажа выполнено в условиях скважин нефтегазовых месторождений Урало-Поволжья, разрезы которых сложены породами различного минерального состава (известняки, доломиты песчаники и смешанные разности).

Результаты применения метода однозначно свидетельствуют о высокой его эффективности. На диаграммах ЛПК достаточно четко выделяются все основные литотипы, отличающиеся по йэф на 0,25+0,3ед. и плотности на 0,05+0,07 г/см3. Границы четко выраженных пластов удовлетворительно совпадают с результатами комплексной интерпретации материалов по данным ГК - НК - ГГК-П -АК. Различия наблюдаются лишь при наличии нечетких контактов или при интенсивно развитой кавернозности скважин.

Особо ценную информацию ЛПК дает при изучении доломитизиро-ванных коллекторов. В этом случае по диаграммам гэф представляется возможным непосредственно определять степень доломитизации и ввести поправку в расчетную величину пористости по ГГК-П. В работе приведены примеры решения таких задач по ЛПК в сравнении с парными комплексами, содержащими нейтронные методы каротажа. В этом случае известные комплексы завышают пористость до 5+8%.

Аналитические возможности аппаратуры и технологии ЛПК оценены путем сопоставлений значений гэф, определенных по каротажу и рассчитанных по химсоставу образцов керна, отобранных из скважин. Среднеквадратическое расхождение по йэф находятся в преде-

iax ±0,3+0,35ед. и обусловлены рядом геологических и технических факторов, в том числе разной представительностью геологического I геофизического опробования, ошибками в привязке кернового материала по глубине разреза и др.

Эффективность технологии оценена также сопоставлениями интегральной модификации ЛПК по величине дисперсии 2эф для трех >сновных литотипов(известняка, доломита, ангидрита). На пред-:тавленном материале показано, что дисперсия расхождения гэф для >азработанной интегрально-спектрометрической технологии ЛПК при-1ерно вдвое меньше, чем для интегральной. Этот результат хорошо ;огласуется с прямой оценкой определения гэф и свидетельствует о юзможности применения метода в комплексах ГИС для решения раз-юобразных геологических задач.

Заключение.

В результате выполненных теоретических, методических и кон-:трукторских исследований решен ряд вопросов, завершившихся соз-(анием новой интегрально-спектрометрической модификации ЛПК. В [роцессе исследований получены новые оригинальные результаты, [меющие теоретическое и практическое значение, основными из которых являются:

1. Научно обоснована необходимость разработки интегрально-:пектрометрической модификации гамма-гамма каротажа с одновре-¡енным определением плотности и эффективного атомного номера, ¡формулированы требования к современной измерительной аппаратуре i показаны перспективы усовершенствованного ЛПК для детального »асчленения геологических разрезов, повышение разрешающей спо-¡обности метода по мощности пласта, необходимость учета при рас-[етах гэф примесных минералов, рассчитаны предельные ошибки >пределения плотности и эффективного атомного номера на примере >ценки доломитизации карбонатного разреза.

2. Выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследо->аний, в результате которых установлено:

- спектрометрический гамма-гамма каротаж с регистрацией пол-юго спектра рассеянного гамма-излучения, включая низкоэнергети-[ескуюОО+ЮОКэВ), может быть использован для высокоточных коли-[ественных определений эффективного атомного номера в диапазоне ¡го изменения от 16 до 18ед. с использованием зонда диффуэионно-ю типа размером 20-=-30см и источника первичного излучения изото-ia цезий-137;

- основное влияние на показания зонда СГГК оказывает величи-;а вклада высокоэнергетической части в низкоэнергетическую часть >ассеянного гамма-излучения, состав и толщина промежуточной сре-[ы(глинистая корка, вода), дрейф энергетической шкалы спектро-[етра;

- вклад высокоэнергетической части в низкоэнергетическую [асть рассеянного гамма-излучения, в первом приближении пропор-;ионален потоку высокоэнергетического гамма-излучения(>200КэВ) и южет быть учтен аналитически;

- влияние глинистой корки, характеризующейся относительно ¡ебольшим диапазоном изменения с и гэф, может быть учтено по

предложенной двухмерной номограмме при известной плотности пласта и функции влияния глинистой корки, определяемой по измеренным потокам в низко- и высокоэнергетической областях спектра рассеянного излучения;

- компенсация дрейфа энергетической шкалы спектрометра возможна на основе аналитических параметров, зависящих от положения энергетической шкалы и нечувствительных к изменению йэф;

- в нормальных условиях осадочного разреза регистрация излучения в области 30+80КэВ с источником цезий-137 при длине зонда 20см обеспечивает погрешность определения йэф на уровне ±0,2*0,Зед., что достаточно для выделения как минимум четырех градаций доломитизации.

3. Разработана комплексная скважинная аппаратура литоплот-ностного гамма-гамма каротажа и средства метрологического обеспечения, основными преимуществами которых являются:

трехзондовая интегрально-спектрометрическая скважинная аппаратура обеспечивает одновременное определение плотности и эффективного атомного номера в диапазоне осадочных пород с среднеквадратичными относительными погрешностями, равными соответственно 1,5 +2,0 и 2+3%;

- высокая точность расчета йэф достигается по алгоритму, учитывающему величину вклада высокоэнергетической части в низкоэнергетическую часть рассеянного гамма-излучения, наличие глинистой корки и дрейф энергетической шкалы;

- впервые реализована эффективная система автоматической подстройки энергетической шкалы по спектру, основанная на создании в области энергий 180+240КэВ дополнительного максимума за счет частичной экранировки сцинтилляционного детектора;

- единство и достоверность измерений физических параметров различными приборами ЛПК обеспечиваются путем периодической их градуировки на отраслевых и базовых стандартных образцах плотности и эффективного атомного номера, а также поверок на скважине с помощью полевых калибраторов(ПКУ) по эквивалентному значению а и 2эф;

- для градуировки и аттестации литологического зонда по гэф на основе МОБ плотности обоснован и предложен МОБ Иэф, обеспечивающие достоверность измерения параметра с заданной предельной погрешностью;

- устранение влияния каверн на ЛПК достигается за счет использования прижимного устройства и компенсационных алгоритмов расчета петрофизических параметров.

4. Разработаны методическое обеспечение аппаратуры и технология проведения исследований методом ЛПК

- разработана технология метрологической поверки приборов ЛПК, включающая градуировку в отраслевых и базовых стандартных образцах плотности и эффективного атомного номера и контроль чувствительности в ПКУ на скважинах до и после каротажа;

- разработаны методические рекомендации по проведению измерений с аппаратурой ЛПК и обработке результатов каротажа в нефтегазовых скважинах;

- сформулированы требования к первичным материалам ЛПК.

5. Выполнена оценка геологической эффективности разработанной методики и аппаратуры ЛПК в различных геологических условиях

- показана высокая дифференцирующая способность ЛПК по гэф и а в отношении горных пород карбонатных и терригенных разрезов на примере нефтегазовых скважин Татарстана, Башкортостана, Поволжья и др.районов;

- отмечена более высокая надежность оценки емкостных свойств коллекторов по данным литоплотностного каротажа в сравнении с комплексами, включающими нейтронный метод при наличии в пластах водородосодержащих глинистых минералов;

- данные ЛПК позволяют однозначно установить интервалы развития доломитов и доломитизированных разностей, характеризующихся повышенными коллекторскими свойствами;

- по результатам сопоставлений установлена значительно более высокая чувствительность(1,5+2,0 раза) интегрально-спектрометрической модификации к гэф по сравнению с известной интегральной модификацией ЛПК;

- благодаря более высокой чувствительности определения Ъз§ ю предложенной технологии погрешность расчета пористости через 1лотность с учетом степени доломитизации по ЛПК уменьшается в 1,5+2,0 раза.

Дальнейшее исследование в области ЛПК целесообразно сосредоточить на более глубокой обработке регистрируемой многомерной шформации. В частности, представляется весьма перспективной >азработка методики учета влияния ближней зоны с использованием юлного спектра СГГК.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Результаты промышленного опробования аппаратуры РГП-2 для лотностного каротажа нефтяных и газовых скважин. Экспр. инфор." егиональная разведочная и промысловая геофизика". Вып.12. М., 981. 12с. (Совместно с Ю.А.Гулиным, И.В.Головацкой, Р.Т. Хамат-иновым и др.)

2. Результаты применения плотностного гамма-гамма каротажа ппаратуры РГП-2 на Оренбургском месторождении. Тезисы докладов Перспективы развития геологоразведочных и буровых работ с целью нтенсификации добычи нефти в Азербайджане".Баку,1979.(Совместно

И.В.Головацкой, А.М.Жуковым).

3. Состояние разработки метрологического и методического беспечения плотностного гаыма-гамма каротажа аппаратуры РГП-2. езисы докладов "Тезисы Тюменской конференции".Тюмень,1980. Совместно с Ю.А.Гулиным, А.Ф.Зотовым).

4. Результаты работ по оценке возможностей с одновременной эгистрацией плотности и эффективного атомного номера в условиях эфтегазовых скважин. Тезисы докладов региональной научно-эхнической конференции" Ядерно-физические методы опробования эрод и руд. Метрологическое обеспечение геофизических исследо-ший". Свердловск, 1986. ( Совместно с Р.Т.Хаматдиновым).

5. Метрологическое обеспечение ГГК с одновременной регистра-1ей плотности и эффективного атомного номера для нефтегазовых сважин. атомного номера в условиях нефтегазовых скважин. Тезисы

докладов региональной научно-технической конференции"Ядерно-физические методы опробования пород и руд. Метрологическое обеспечение геофизических исследований".Свердловск,1986.( Совместно с А.Ф.Зотовым)

6. Возможности спектрометрии рассеянного гамма-излучения в разрезах нефтяных и газовых скважин. Тезисы доклада научно-практической конференции "Основные направления совершенствования комплекса геофизических исследований при поисках месторождений полезных ископаемых в Сибири и на Дальнем Востоке". Красноярск, 1986.

7. Влияние характеристик промежуточной среды на показания плотностного гамма-гамма каротажа в нефтяных и газовых скважинах.М. , 1986 . 5с. Деп. в ВИНИТИ.,№ 40865. (Совместно с А.Ф.Зотовым, Р.Т.Хаматдиновым).

8. Влияние скважинных условий на спектральный состав рассеянного гамма-излучения. Тезисы докладов Всесоюзного совещания "Гамма спектрометрия (Методика, аппаратура ) на нефть и твердые полезные ископаемые". М., 1985.

S. К вопросу применения спектрометрического гамма-гамма каротажа в нефтегазовых скважинах.М.,1988.15с. Деп.в ВИНИТИ. ,№1787-1388. (Совместно с Е.С.Кучуриным, А.П.Грумбковым).

10. Физико-геологические условия применения гамма-гамма каротажа для исследования геологических разрезов скважин.М. ,1989. 15с. Деп.в ВИНИТИ. , №1792-1388. (Совместно с Е.С.Кучуриным).

11. К методике определения эффективного атомного номера по данным спектрометрического гамма-гамма каротажа. М., 1989. 15с. Деп. в ВИНИТИ., № 7282-1388. (Совместно с Е.С.Кучуриным).

12. Цифровая аппаратура ядерно-геофизического каротажа. Меж-дунар. научн. конф. "Геофиз. и соврм. мир" Тез.докл. М. ,1993. (Совместно с В.Н. Даниленко, Н.М. Зараменских и др.).

13. Аппаратурное и методическое обеспечение измерений объемной плотности в угольных, рудных и структурных скважинах. Меж-дун. геофиз. конф. и выст.С-Петербург, 1995. (Совместно с В.Н.Даниленко, Н.М.Зараменских ).

14. Цифровая аппаратура ядерно-геофизического каротажа. Научно-технический вестник"Каротажник", 1996. Вып.24.3с.( Совместно с В.Н.Даниленко, Т.е. Мамлеевым и др.).

15. A.c. 1514117 СССР. Способ гамма-гамма каротажа скважин. ( Совместно с Е.С.Кучуриным, А.А.Молчановым и др.). 1989.

16. А.с.1343380 СССР. Способ стабилизации энергетической шкалы спектрометрического устройства. ( Совместно с Е.С. Кучу-риным). 1987.

17. A.c. 1364025 СССР. Способ определения эффективного атомного номера горных пород и руд. (Совместно с Е.С. Кучури-ным). 1988.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Лысенков, Александр Иванович, Октябрьский

Открытое акционерное общество, научно-производственное предприятие "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин" ОАО НЛП "ВНИИГИС"

ЛЫСЕНКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ литоплотностного КАРОТАЖА НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Специальность 04.00.12 - "Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук

Р.Т. Хаматдинов

Октябрьский 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................ 4

1. Анализ состояния и основные направления развития гамма-гамма каротажа нефтегазовых скважин....... 12

1.1 Выводы. Задачи диссертационной работы....... 25

2. Физико - геологические условия применения лито-плотностного каротажа для исследования геологических разрезов нефтегазовых скважин................... 28

Выводы к главе 2................................ 39

3. Теоретические предпосылки повышения точности определения эффективного атомного номера горных пород по данным спектрометрии рассеянного гамма-излучения........................................... 41

3.1 Прямая задача ЛПК........................... 41

3.2 Численное решение прямой задачи ЛПК и расчет параметров переноса рассеянного гамма-излучения ....................................... 43

3.3 Анализ результатов решения прямой задачи

ЛПК............................................ 57

Выводы к главе 3................................ 62

4. Экспериментальные исследования пространственно-энергетического распределения рассеянного гамма-излучения и разработка помехоустойчивых технологий ЛПК................................................. 64

4.1 Выбор материалов и создание базовых метрологических образцов эффективного атомного номера............................................ 64

4.2 Экспериментальные исследования пространственно-энергетического распределения рассеян-

ного гамма-излучения в осадочных горных породах............................................ . 67

4.3 Обоснование помехоустойчивого алгоритма определения эффективного атомного номера горных пород с компенсацией дрейфа энергетической шкалы спектрометра.......................... 79

4.4 Разработка способа стабилизации энергетической шкалы гамма-спектрометра................. 97

Выводы к главе 4................................103

5.Разработка технологии и результаты применения литоплотностного каротажа в нефтегазовых скважинах.... 106 5.1 Скважинная аппаратура литоплотностного каротажа ЛПК-Ц..................................107

5.1.1 Состав аппаратуры ЛПК-Ц...............107

5.1.2 Конструкция скважинного прибора и измерительной установки......................107

5.1.3.Блок сопряжения скважинного прибора

5.1.4. Полевое калибровочное устройство.......109

5.1.5.Технические характеристики аппаратуры...110

5.1. б.Методика поверки аппаратуры.............111

5.2. Использование литоплотностного гамма -

каротажа для решения геологических задач.........112

Выводы к 5-ой главе..............................123

Заключение...........................................124

Литература...........................................129

ВВЕДЕНИЕ.

Оценка емкостных свойств нефтегазонасыщенных пластов, характеризующихся коэффициентом пористости (Кп) , возможна по данным плотностного гамма-гамма каротажа (ГГК-П). Классический вариант ГГК-П обеспечивает удовлетворительное решение данной задачи только при известном литологи-ческом составе, который определяет плотность скелета горных пород.

Информация о литологическом составе может быть получена на основе измерения эффективного атомного номера горных пород (гэф).

Модификация ГГК с сопряженным во времени и пространстве измерением плотности (а) и эффективного атомного номера Zэф получила название литоплотностного каротажа-ЛПК. Использование ЛПК принципиально позволяет повысить точность и достоверность оценки пористости пород, а в карбонатных разрезах количественно определить содержание доломитов и известняка.

Однако практическая реализация отмеченных потенциальных возможностей метода предполагает высокоточные определения плотности и эффективного атомного номера горных пород. Существующие приборы ЛПК интегрального типа обеспечивают достаточную точность только в отношении плотности. Среднеквадратическая погрешность определения эффективного атомного номера составляет порядка ± 0,75ед., что позволяет лишь качественно дифференцировать геологические разрезы. Исходя из отмеченного, представляется исключительно важным дальнейшее развитие технологии ЛПК как в плане разработки скважинной аппаратуры нового поколения, так и создание помехоустойчивых алгоритмов расчета эффективного атомного номера с учетом влияния основных мешающих физи-

ко-геометрических факторов (вариации плотности, изменение параметров промежуточной среды, нестабильность измерительной аппаратуры.

Основой диссертационной работы являются результаты теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ, начатых автором в 197 9 году в НПП "ВНИИГИС". Все исследования выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ бывшего Министерства геологии СССР и Комитета РФ по геологии и использованию недр в рамках научно-технических программ на 1981-1985-1990г.г. и др. по заданию 10, 11-го раздела ОНТП "Разработать и внедрить аппаратурно-методические комплексы и технологии геофизических исследований скважин", по проблеме 0.5.03 "Разработать высокоэффективные геофизические методы и аппаратуру для поисков и разведки месторождений важнейших полезных ископаемых, включая нефть и газ (геофизические методы разведки месторождений)".

Цель работы. Совершенствование методики гамма-гамма каротажа для решения геологических задач нефтегазовых скважин на основе одновременной количественной оценки эффективного атомного номера, объемной плотности и разработки скважинной аппаратуры нового поколения, обеспечивающих повышение точности и достоверности геофизических исследований.

Основные задачи исследований.

1. Изучение особенностей пространственно-

энергетических распределений рассеянного гамма-излучения в условиях природных сред и скважин типовой конструкции и обоснование способов количественной оценки физических параметров горных пород (плотности, эффективного атомного номера).

2. Исследование влияния состава и толщины промежуточной среды (глинистой корки, каверн) и разработка методики ее компенсации при количественной оценке петрофизи-ческих параметров.

3. Обоснование помехоустойчивых алгоритмов определения эффективного атомного номера горных пород произвольного вещественного состава с учетом влияния мешающих физико-геометрических факторов.

4. Разработка новых способов стабилизации энергетической шкалы по форме спектра рассеянного гамма-излучения для скважинной многоканальной спектрометрической аппаратуры ЛПК.

5. Разработка опытного образца цифровой программно-управляемой аппаратуры литоплотностного каротажа (ЛПК-Ц), отвечающей требованиям решения задач нефтепромысловой геологии.

6. Разработка помехоустойчивой технологии инте-грально-спектометрической модификации ЛПК для решения типовых задач и оценка ее геологической эффективности в условиях нефтегазовых скважин.

Методика исследования.

1. Анализ и обобщение зарубежного и отечественного опыта по опубликованным и фондовым материалам.

2. Математическое моделирование закономерностей про-странтвенно-энергетического распределения рассеянного гамма-излучения на основе теории диффузионного переноса гамма-квантов и экспериментальных исследований на физических моделях пластов различного вещественного состава и плотности.

3. Статистическая обработка и анализ результатов экспериментальных исследований с применением персональных компьютеров.

4. Создание макетных и опытных образцов скважинной многозондовой аппаратуры СГГК.

5. Опытно-производственная апробация, разработка методических рекомендаций и технических средств литоплот-ностного каротажа, оценка их геологической эффективности и внедрение в практику геофизических исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность детальной дифференциации основных литологических разновидностей нефтегазоносных (горных) пород по плотности и эффективному атомному номеру, определяемых на основе измерения амплитудных характеристик спектральных потоков рассеянного гамма-излучения от источника цезий-137;

- для одновременного определения плотности и эффективного атомного номера предложена интегрально-спектрометрическая модификация литоплотностного каротажа, реализуемая с использованием двух коллимированных интегральных зондов и одного спектрометрического зонда диффузионного типа.

- предложен способ определения эффективного атомного номера, основанный на коррекции спектрального отношения низкоэнергетических и высокоэнергетических потоков рассеянного гамма-излучения, обеспечивающий удовлетворительную точность расчета гэф при временном неконтролируемом

дрейфе энергетической шкалы до ± 10%;

- предложен и обоснован номографический способ количественного определения при наличии глинистой корки массовой толщиной до 3,0 г/см2 (при <т«1,5 г/см3 );

Достоверность научных положений, выводов, технических решений и рекомендаций подтверждена результатами теорети-

ческих и экспериментальных исследований, выполненных на государственных и отраслевых образцах пластов эффективного атомного номера, плотности и пористости. Достоверность подтверждается также удовлетворительной сходимостью расчетных значений петрофизических параметров с данными, определенными по образцам керна, и сопоставлением с другими альтернативными методами ГИС(по пористости) в скважинах различных регионов страны.

Основные защищаемые положения.

1. Технология литоплотностного гамма-гамма каротажа, основанная на измерении двух интегральных потоков и полного энергетического спектра рассеянного гамма-излучения, обеспечивающая одновременное определение плотности и эффективного атомного номера горных пород с точностью, удовлетворяющей решению прикладных задач нефтепромысловой геологии.

2. Новые помехоустойчивые способы расчета эффективного атомного номера горных пород, базирующиеся на искусственном создании в спектре ГГК максимума рассеянного

излучения в области энергий 180-ь240КэВ, вычислении разностного эффекта или двукратно нормированного спектрального отношения, компенсирующие влияние временного дрейфа

энергетической шкалы спектрометра до ± 10%, обеспечивают с учетом плотности пород высокоточные определения эффективного атомного номера при наличии глинистой корки массовой толщиной до 3,0 г/см2.

3. Одновременное измерение по ЛПК а и гэф, закономерно изменяющихся соответственно от 2,71 до 2,86 г/см3 и от 15,1 до 13,1 ед. в ряду известняк-доломит, количественное определение степени доломитизации карбонатных коллекторов .

Практическая значимость работы заключается:

- в повышении достоверности определения емкостных свойств карбонатных коллекторов за счет оценки степени доломитизации известняков и количественного определения коэффициента пористости с погрешностью, не превышающей

1, 5-ь2%;

- в повышении информативности измерений разработанной аппаратуры литоплотностного каротажа и повышении чувствительности метода ГГК к гэф за счет регистрации полного спектра рассеянного гамма- излучения в диапазоне энергий от 30 до 500 КэВ;

- снижении стоимости геофизических исследований скважин в сложных геолого-технических условиях за счет одновременного определения плотности и эффективного атомного номера с применением трехзондовой установки ГГК.

Реализация и внедрение результатов работы.

Для практической реализации предложенной трехзондовой интегрально-спектрометрической модификации ГГК разработана цифровая программно-управляемая аппаратура литоплотностного каротажа. Разработанная методика и б комплектов аппаратуры литоплотностного каротажа в промышленных масштабах используются для исследования нефтегазовых скважин месторождений Урало-Поволжья (АНК "Башнефть", АО "Куйбышевнефть", АО "Оренбургнефть"), коллектора которых сложены породами различного минерального состава ( известняки, доломиты, песчаники, смешанные разности).Начато промышленное опробование технологии ЛПК в ПГО" Енисейнеф-тегазгеология".

Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для разработки малогабаритной аппаратуры угольно-рудного ряда.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании "Перспективы развития геологоразведочных и буровых работ с целью повышения интенсификации добычи нефти в Азербайджане" (Баку,1979г.), Всесоюзном совещании "Гамма-гамма спектрометрия на нефть и твердые полезные ископаемые" (Черноголовка, 1986г.), региональной научно-технической конференции "Ядерно-физические методы опробования пород и руд. Метрологическое обеспечение геофизических исследований." (Свердловск,1986г.), совещании "Основные направления совершенствования комплексных геофизических исследований при поисках месторождений полезный ископаемых в Сибири и на Дальнем Востоке " ( Красноярск, 1986г. ), Международной геофизической конференции "Геофизика и современный мир"(С-Петербург, 1995г.)

Личное участие автора состоит в постановке теоретических задач, проведении экспериментальных исследований, разработке новых способов расчета петрофизических параметров с компенсацией дрейфа энергетической шкалы, способов учета промежуточной среды, разработке макетных и опытных образцов скважинных приборов и зондов ЛПК-Ц, а также в проведении опытно-промышленных исследований и анализе результатов работ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, включая 3 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, списка литературы, содержащего 83 наименования.

Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 18 таблиц.

Диссертационная работа подготовлена в ОАО НПП "ВНИИГИС", под научным руководством д.т.н. Р.Т. Хаматди-

нова и при творческом участии д. т.н. Е.С.Кучурина, которым автор искренне благодарен.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность коллегам по работе, с которыми проведена основная часть исследований, и прежде всего Т.С.Мамлееву, А.А.Крысову, к.г.-м.н. Н.М. Зараменских, к.т.н. А.Ф.Зотову, к.г.-м.н. В.И.Борисову, Л. К. Борисовой, Г.С.Кулешовой,

3.А.Лысенковой, А.Ф.Калиеву, к.г.-м.н. В.Т. Перелыгину, В.Е.Калиберде, К.Н.Костылеву, к.т.н. З.З.Ханипову и многим другим.

Постоянное содействие в практической реализации идеи работы и в проведении полевых испытаний оказывали зав.отделом к.т.н. В.Н. Даниленко, сотрудники ряда смежных отделов и лабораторий ВНИИГИС, а также дирекция института, руководители и главные специалисты производственных организаций. Всем им автор выражает глубокую признательность.

Использованные аббревиатуры: ГГК-П - плотностной гамма-гамма каротаж, ГГК-С -селективный гамма-гамма каротаж, СГГК -спектрометрический гамма-гамма каротаж, ГИС - геофизические исследования скважин, БЗ -большой зонд плот-ностного каротажа, МЗ -малый зонд плотностного каротажа, ГГК-Л - литологический гамма-гамма каротаж (канал литоло-гического каротажа), ЛПК - литоплотностной каротаж, СГП -скважинный гамма-плотномер, гэф -эффективный атомный номер горных пород, аоб ~ объемная плотность горных пород.

1. Анализ состояния и основные направления развития гамма-гамма каротажа нефтегазовых скважин

Гамма-гамма каротаж в виде плотностной модификации получил развитие в начале 50-х годов, чему способствовали плодотворные исследования ряда ведущих специалистов и ученых страны В.А. Арцыбашева, A.M. Блюменцева, Ю.П. Бу-лашевича, Г. Б. Варварина, Ю.А. Гулина, И. В. Головацкой, А.П. Грумбкова, И.Г. Дядькина, Д.А. Кожевникова, Ф.А. Ку-риленко, А.П. Очкура, P.A. Резванова, Е.М. Филиппова, Е.В. Семенова, Р.Т. Хаматдинова, В.И. Уткина, Е.М. Филиппова и др./1,2,3,4,5,б,7,16,21,23, 60, 64, 68, 69, 70/.

К настоящему времени наиболее завершенными для решения геологических задач нефтепромысловой геологии можно считать исследования по плотностному гамма-гамма каротажу. Для этого метода сотрудниками ВНИИГИК, " Тверьгеофизика" создано аппаратурное, методическое и программное обеспечение, позволяющее определять плотность осадочных горных пород в диапазоне от 2 до Зг/см3 со среднеквадратичной относительной погрешностью не более 1,5%. Всесторонняя теоретическая и экспериментальная проработка метода открыла возможности масштабного применения ГГК-П в комплексах ГИС, что способствовало надежности оценки кол-лекторских свойств пластов практически в любых геолого-технических условиях, в том числе при наличии глинистых и барито