Разработка и внедрение методики оценки массовых содержаний породообразующих элементов в разрезах нефтяных скважин по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа

Лобода, Надежда Геннадьевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка и внедрение методики оценки массовых содержаний породообразующих элементов в разрезах нефтяных скважин по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка и внедрение методики оценки массовых содержаний породообразующих элементов в разрезах нефтяных скважин по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа"

На правах рукописи И'

005003541

ЛОБОДА НАДЕЖДА ГЕННАДЬЕВНА

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ МАССОВЫХ СОДЕРЖАНИЙ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

В РАЗРЕЗАХ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН ПО ДАННЫМ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО НЕЙТРОННОГО ГАММА-КАРОТАЖА

Специальность 25.00.10 -"Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Дубна-2011

005003541

Работа выполнена в Международном университете природы и человека «Дубна» и ООО "Нефтегазгеофизика»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Владислав Дмитриевич Неретин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Борис Евгеньевич Лухминский

доктор технических наук,

профессор Михаил Самойлович Хозяинов

Ведущая организация - трест «Сургутнефтегеофизика».

Защита состоится 23 декабря 2011 г. в 14.00 в аудитории 1-300 на заседании диссертационного совета Д 800.017.01 при Международном университете природы и человека «Дубна» по адресу: 141980, Московская область, г. Дубна, ул. Университетская, д.19, факс (49621) 9-07-70; e-mail Kamanina@uni-dubna.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ МО Международного университета природы, общества и человека «Дубна».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять Ученому секретарю диссертационного совета по указанному адресу.

Автореферат разослан *>> ноября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И. 3. Каманина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Результаты определения массовых содержаний основных породообразующих элементов используются для корреляции данных по скважинам при разведке и разработке нефтегазовых месторождений, для количественной оценки литологии при моделировании физических свойств пород, получения уточненных данных по пористости, глинистости для определения текущей нефтенасыщенности и в некоторых других приложениях.

При наличии керна решение данных задач, если и вызывает проблемы, то в большей степени технические. Однако, бурение скважин, особенно эксплуатационное бурение, происходит в большинстве случаев без отбора керна. В этом случае безальтернативными для определения элементного состава становятся ядерно-физические методы и, в первую очередь, метод спектрометрического нейтронного гамма-каротажа (СНГК).

Основа метода состоит в облучении породы потоком нейтронов и регистрации на некотором расстоянии от источника нейтронов энергетического спектра гамма-излучения. Так как спектральная характеристика гамма-излучения, испускаемого при радиационном захвате нейтронов ядрами разных элементов, уникальна, то регистрируемый спектр может служить источником для определения массовых содержаний элементов.

Существует ряд факторов, осложняющих оценку массовых содержаний и на протяжении многих лет сдерживающих темпы развития СНГК.

Во-первых, отсутствие необходимой модельной базы для набора библиотеки спектров отдельных элементов, на которые разлагается зарегистрированный спектр.

Во-вторых, процедура поэлементного разложения очень плохо обусловлена. Обусловленность системы быстро ухудшается с ростом ее порядка (числа определяемых элементов), причем тем быстрее, чем хуже энергетическое разрешение применяемого детектора.

В-третьих, при интерпретации данных СНГК необходимо учитывать фоновое излучение прибора и скважины. Сложность этой процедуры связана с необходимостью выявления и учета большого числа геолого-технических факторов.

Все это не позволяло СНГК занять достойное место в комплексе ГИС для нефтяной промышленности, ограничиваясь редкими случаями определения водонефтяного контакта по хлору. На сегодняшний день основной областью применения СНГК является исследование рудных и угольных скважин, и, обычно, целевым образом ориентированных на один-два «полезных» элемента, что позволяет обрабатывать зарегистрированные спектры по упрощенным «оконным» методикам.

натурным модельным парком такие прямые расчеты делают возможным воспроизведение показаний аппаратуры СНГК в различных геолого-технических условиях и, на основании этого, создание методики обработки зарегистрированных спектров.

Прогресс в микроэлектронике, появление высокоэффективных детекторов привели к повышению чувствительности и стабильности измерительной аппаратуры, повысили информативность данных спектрометрических методов.

Перечисленные выше факторы создали предпосылки для разработки и создания современного программно-методического обеспечения СНГК, направленного для решения задач нефтегазовой отрасли с целью оценки массовых содержаний элементов горных пород, пересекаемых скважиной. Это, в свою очередь, подтверждает актуальность данной работы.

Цель исследований:

Создание методики определения массовых содержаний элементов в горных породах, пересекаемых скважиной, по данным спектрометрического нейтронного гамма каротажа для решения задач нефтегазовой отрасли (на примере скважинной аппаратуры СНГК-89).

Задачи исследований:

- Сформулировать основные геолого-технические условия скважинных исследований с целью математического моделирования скважинных измерений аппаратурой СНГК-89 при проведении расчетов методом Монте-Карло с соответствующей адаптацией программы МСЫР5.

- Обосновать и создать необходимую библиотеку спектров определяемых элементов породы, исследовать взаимное влияние элементов на точность определения их массовых содержаний, разработать схему обработки, обеспечивающую минимизацию погрешности их определения.

- Исследовать на основании данных математического и натурного моделирования влияние технических условий проведения измерений и характеристик аппаратуры на точность определения массовых содержаний элементов, разработать алгоритмы их учета.

- Разработать методику и программный пакет определения массовых содержаний породообразующих элементов по данным аппаратуры СНГК-89.

- Оценить достоверность получаемых результатов при опробовании методики в условиях нефтегазовых месторождений Западной и Восточной Сибири.

Защищаемые положения

1. Математическая модель аппаратуры СНГК-89 в рамках адаптированной программы МС№5 для моделирования показаний аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма каротажа при проведении скважинных исследований в нефтегазовых скважинах.

2. Результаты математического моделирования по созданию библиотеки элементарных спектров породообразующих элементов и оценке влияния геолого-технических условий проведения каротажа на показания аппаратуры СНГК.

3. Методика учета влияния технических условий проведения измерений, позволяющая повысить точность определения содержаний породообразующих элементов в породе за счет формирования спектров излучения прибора и скважины по показаниям зонда нейтронного каротажа по тепловым нейтронам.

4. Алгоритмы автоматического согласования энергетических шкал и энергетического разрешения зарегистрированных гамма спектров, а также схема их разложения на элементарные спектры породообразующих элементов, позволяющие минимизировать погрешность определения массовых содержаний элементов.

5. Методика н программный пакет определения массовых содержаний породообразующих элементов по данным аппаратуры СНГК-89.

Научная новизна

Создан математический аппарат, позволяющий воспроизводить показания аппаратуры СНГК-89 с необходимой для практики точностью, предоставляющий возможность выделения излучения различных геометрических зон, разделения неупругой и захватной составляющих излучения.

Разработана и обоснована методика обработки данных спектрометрического нейтронного гамма каротажа, позволяющая проводить определение массовых содержаний основных породообразующих элементов в разрезах нефтяных и газовых скважин с необходимой для практики ГИС точностью. В основе методики лежит новый подход к формированию фонового излучения СНГК по показаниям зонда нейтронного каротажа по тепловым нейтронам, позволяющий выделять пластовую составляющую излучения, непосредственно содержащую в себе информацию о составе горных пород.

Фактический материал

Разработка методики основывалась на данных математического моделирования с привлечением результатов натурных замеров в моделях пластов и скважинных измерений, выполненных аппаратурой СНГК-89 (ООО «Нефтегазгеофизика»).

В процессе работы и тестирования методики были использованы данные метрологических измерений в тресте «Сургутнефтегеофизика» и центре метрологии и сертификации ООО «Газпром геофизика» (г. Раменское), материалы ГИС, полученные на скважинах Лянторского, Ватлорского, Восточно-Вычьяхского и Талаканского месторождений. Привлекались данные исследований кернового материала, результаты изучения физических свойств бурового раствора и пластовых флюидов.

Наряду с программами, разработанными автором, в работе использовалась программа МСЫР5, моделирующая перенос нейтронов и гамма-квантов в веществе, содержащая библиотеки ядерных данных.

Практическая значимость

Предлагаемая методика позволяют оперативно и достоверно оценивать массовые содержания основных породообразующих элементов по данным аппаратуры СНГК-89.

Результаты интерпретации данных СНГК в дальнейшем могут быть использованы при решении различных геологических задач: корреляции данных по скважинам при разведке и разработке месторождений, количественной оценки литологии при моделировании физических свойств пород и корректировки данных по пористости.

За период 2003-2011 годов предлагаемая методика оценки массовых содержаний основных породообразующих элементов применительно к методу углеродно-кислородного каротажа (аппаратура АИМС) применялась при оценке карбонатности коллекторов для получения поправки на нефтенасыщенность более чем в 3000 скважинах для нефтяных компаний ОАО «Сургутнефтегаз», «Лукойл», ТНК-BP, «Роснефть» и др.

Личный вклад

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, непосредственной разработке и обобщении результатов практического применения разработанного программно-методического обеспечения определения массовых содержаний основных породообразующих элементов, в том числе:

- выполнена постановка задачи и сформулированы основные геолого-технические условия скважинных исследований для проведения математического моделирования скважинных измерений аппаратурой СНГК-89 (совместно с В.А. Велижаниным);

- выполнены адаптация программы MCNP5 для решения поставленной прямой задачи, проведена серия расчетов по моделированию показаний аппаратуры СНГК-89 в различных геолого-технических условиях, создана библиотека спектров определяемых элементов, исследовано взаимное влияние элементов на точность определения их массовых содержаний;

- исследовано влияние технических условий каротажа и характеристик аппаратуры на точность определения массовых содержаний элементов, разработаны алгоритмы их учета;

- разработана методика и программный пакет определения массовых содержаний породообразующих элементов по данным аппаратуры СНГК-89 (совместно с В.А. Велижаниным, Д.Р. Лободой);

- проанализированы данные математического и натурного моделирования, на их основании разработана схема обработки данных СНГК, реализованная автором в виде программы обработки данных СНГК-89, проведена оценка достоверности полученных результатов на месторождениях Западной и Восточной Сибири (совместно с A.A. Бубеевым, Д.Р. Лободой).

Апробация работы

Результаты работы докладывались на научно-практической конференции «Ядерная геофизика - 2004» (2004 г., г. Санкт-Петербург) и на 18-й научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов в Международном университете природы, общества и человека «Дубна». (2011 г. Дубна)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ в реферируемых журналах.

Структура Ii объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем работы 107 страниц текста, 36 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 53 наименования.

Диссертационная работа подготовлена в Международном университете природы и человека «Дубна» под научным руководством д.т.н., профессора В.Д. Неретина, общее научное руководство производил заведующий отделом радиоактивного каротажа ООО «Нефтегазгеофизика» к.т.н. В.А. Велижанин, которым автор искренне благодарен.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность всем коллегам отдела радиоактивного каротажа ООО "Нефтегазгеофизика", с которыми проведена основная часть исследований, и, прежде всего, A.A. Бубееву, Д.Р.Лободе, С.Н. Саранцеву, Г.К. Точиленко, В.Г. Черменскому, Д.О. Чулкову.

Постоянное содействие в практической реализации идеи работы оказывали генеральный директор ООО "Нефтегазгеофизика" д.т.н. Р.Т. Хаматдинов, управляющий трестом "Сургутнефтегеофизика" А.Г. Тихонов. Автор выражает глубокую признательность сотрудникам геологического отдела треста "Сургутнефтегеофизика" в помощи по поиску и подбору фактического материала.

Содержание работы

Во введении изложены актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, способы и методы решения задач, показаны научная новизна и практическая значимость работы. Выполнен аналитический обзор развития спектрометрического нейтронного гамма метода и изложено современное состояние методического обеспечения данного метода.

Впервые спектроскопические исследования гамма-излучения радиационного захвата нейтронов в скважинах были осуществлены в Советском Союзе лабораторией ядерной геофизики МНИ им. И. М. Губкина (В.Н. Дахнов, А.И. Холин, O.A. Барсуков, Н.М. Блинова и др.) при разработке методики отбивки водонефтяного контакта по хлору в 1953-1954гг.

Начиная с 1960 г. в лабораториях МИНХ и ГП им. И. М. Губкина (Г.А.Недоступ, К. И. Якубсон, К. Г. Эйфе) был начат широкий цикл исследований по выяснению возможностей СНГК. Результаты исследований показали, что при состоянии измерительной техники того времени метод СНГК может быть использован для выявления в разрезах скважин железных, титановых, хромовых, никелевых руд, медистых песчаников и бурых углей. Аналогичные исследования проводились ВНИИЯГГом (A.M. Блюменцев, И. И. Фельдман и др.), ЦНИГРИ (А. Ф. Постельников, Л. А. Зив) и другими организациями СССР.

Позднее в 1980-х годах в ряде зарубежных публикаций была рассмотрена универсальная схема вычисления массовых содержаний элементов, использующая модель замыкания оксидов и позволяющая в дальнейшем определять литологический состав породы (J. А. Grau, R. С. Hertzog).

Однако временем реализации метода для условий нефтегазовой геофизики можно считать 90-е годы, когда появилась аппаратура ECS

компании Schlumberger с программными средствами обработки, обеспечивающая определение массовых содержаний Si, Са, Fe, S, CI, Н и некоторых других элементов. Большой вклад в разработку методики количественной интерпретации данных СНГК внесли М.М. Herron и S.L. Herron.

В тоже время компания Halliburton (L.A. Jacobson и D.F. Wyatt) реализовала возможность определения массового содержания элементов в породе по данным импульсной модификации СНГК.

В настоящее время во ВНИИА г. Москва также ведется разработка аппаратуры спектрометрического ИНГК нового поколения и его метрологического обеспечения (В.В. Миллер, Е.М. Кадисов и др.), позволяющего получать информации о составе горной породы с абсолютной погрешностью по основным элементам 2-5%.

Ряд отечественных компаний в настоящее время производит аппаратуру СНГК (ОАО НПП «ВНИИГИС» г. Октябрьский, ООО «Риалог» г. Краснодар, ООО «Нефтегазгеофизика» г. Тверь). Однако методика количественной интерпретации данных до уровня определения массовых содержаний породообразующих элементов находится в стадии разработки и замедляет процесс внедрения метода СНГК в практику геофизических исследований.

Серьезной помехой для обработки данных СНГК является излучение скважины и прибора, которое сопоставимо с информативным сигналом. Анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта по опубликованным материалам показал, что большинство авторов ограничиваются упоминанием о необходимости очистки измеренного сигнала от фонового излучения без описания принципиальной схемы. В то время как корректный учет излучения скважины и прибора, по мнению автора, является одним из ключевых моментов в методике интерпретации данных СНГК.

Величина и форма мешающего излучения зависит от большого числа геолого-технических факторов и не являются постоянными. Величина фонового излучения определяется плотностью нейтронов в скважине и изменяется по ее разрезу в соответствии с нейтронными свойствами горных пород. Установление функциональных зависимостей между измеряемыми параметрами, характеризующими нейтронный поток, и вкладом излучения прибора и скважины в регистрируемый спектр позволяет повысить информативность данных СНГК. Решение данной задачи возможно средствами математического моделирования.

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с адаптацией программы MCNP5 для решения геофизических задач; обосновывается математическая модель аппаратуры СНГК-89, разработанная с целью воспроизведения показаний аппаратуры средствами математического моделирования; излагается принцип формирования библиотеки стандартных спектров.

Математическая модель аппаратуры характеризуется несколькими составляющими: моделью геометрии расчетов, моделью переноса и взаимодействия ядерного излучения с веществом, функцией источника частиц

и функцией детектора. Для получения корректных данных при проведении математического моделирования необходимо учитывать не только процессы, связанные с переносом нейтронов и гамма-квантов в породе, но и процессы, происходящие в детекторе, и, в частности, прохождение электронов через вещество и связанное с ним гамма-излучение.

Модель геометрии расчетов, используемая при моделировании показаний аппаратуры СНГК, включает в себя однородный бесконечный пласт, скважину и прибор. На зондовую часть охранного кожуха прибора нанесена борная защита.

Точечный источник нейтронов располагается на оси прибора и изотропно излучает нейтроны в соответствии со спектральной весовой функцией Ри-Ве источника.

При переносе нейтронов учитывается упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват нейтронов. Радиационный захват нейтронов разыгрывается по аналоговой схеме. Для моделирования рассеяния медленных нейтронов на атомах водорода используется 5(а,Ь)-обработка, позволяющая учитывать эффекты химической связи в молекуле воды и тепловое движение атомов. Модель переноса гамма излучения включает фотоэлектрическое поглощение, с последующим учетом флуоресцентных гамма-квантов, комптоновское рассеяние гамма-квантов, а также образование пар электрон-позитрон. Перенос электронов не моделируется, но гамма излучение, индуцированное электронами, учитывается по модели тормозного излучения в толстой мишени.

Гамма излучение неупругого рассеяния нейтронов и радиационного захвата тепловых нейтронов регистрируется детектором, расположенным на фиксированном расстоянии от источника и размещенным в сосуде Дьюара. Энергетическая шкала имеет диапазон 0-10 МэВ и представлена 512 каналами.

Математическое моделирование проводилось с использованием пакета программ МС№5. Программа МСЫР5 была разработана в Лос-Аламосской национальной лаборатории в США и предназначалась для решения задач в области физики ядерных реакторов и радиационной защиты. Изначально она не обладает всеми функциональными возможностями необходимыми для решения геофизических задач. В частности, при моделировании нейтронного гамма-каротажа отсутствует возможность регистрации отдельных энергетических импульсов, создаваемых в детекторе несколькими гамма-квантами, порожденных от одного нейтрона. Задача спектрометрического нейтронного гамма-каротажа может решаться только в два этапа: моделирование процессов переноса нейтронов и гамма-квантов в системе прибор-скважина-пласт, без учета процессов в детекторе и расчет процессов, происходящих непосредственно в детекторе.

Для прямого моделирования задачи автором была проведена адаптации программы, включающая в себя разработку алгоритма регистрации гамма-излучения для моделирования показаний аппаратуры СНГК-89 с дополнительной возможностью выделения гамма-излучения неупругого

рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов.

Внесение изменений в программу МСЫР5 проводилось с учетом решаемых методических задач. Поэтому геометрия задачи условно поделена на три зоны: прибор, скважина, пласт. При регистрации гамма-излучения детектором формируются три (по месту рождения гамма-кванта) составляющих спектра: излучение прибора, скважины и пласта. Такое разделение позволило в дальнейшем сформировать библиотеку спектров отдельных элементов, выделить информативный сигнал и оценить излучение скважины и прибора в регистрируемом приборе спектре.

Спектры, полученные математическим моделированием, не учитывают энергетическое разрешение аппаратуры, т.е. являются спектрами поглощенной энергии с разрешением, определяемым канальностью расчетных спектров. Для приведения расчетных спектров к аппаратурному виду выполнялось преобразование

где Е0 - энергия аппаратурного спектра, Е - поглощенная энергия, 5рмч(Е) -расчетный спектр поглощенной энергии, 5'а„(я) - аппаратурный спектр, <у(е) -функция, характеризующая энергетическое разрешение прибора (определялась по замерам реальной аппаратурой на физических моделях).

Соответствие расчетных спектров, приведенных к аппаратурному виду, спектрам, зарегистрированным аппаратурой СНГК-89, проверялось по выполненным на натурных моделях замерам. На рис. 1 приведен пример сопоставления измеренных и расчетных спектры в одних и тех же условиях измерений. Этот рисунок наглядно показывает адекватность разработанной математической модели аппаратуры и корректность используемого программного обеспечения. Расчетные данные достаточно точно воспроизводят реальные показания аппаратуры СНГК-89 и могут быть использованы для дальнейшей методической работы.

По результатам математического и физического моделирования была сформирована библиотека стандартных спектров элементов, излучения скважины и прибора. Математическим моделированием были получены спектры водорода, натрия, титана и гадолиния. Спектры кальция, кремния, серы, хлора, железа и "прибора" были получены измерениями на натурных моделях и приведены к единым стандартным условиям измерений по данным расчетов методом Монте-Карло. Спектр прибора включает в себя гамма-излучения радиационного захвата нейтронов в материале прибора, гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и прямое гамма-излучение от источника нейтронов.

Сформированная библиотека тестировалась на решении задачи восстановления аппаратурных спектров. На рис. 2 приведен пример сопоставления аппаратурных спектров, измеренных на натурных моделях пластов, и спектров, восстановленных по результатам разложения. Полученные

результаты показывают принципиальную возможность использования данной библиотеки при обработке данных СНГК.

4 5 б " S Чнгргия. М)В

« 10

Рис. 1. Сопоставление измеренных и расчетных спектров: а - бак с водой; б - водонасыщенный кальцит пористостью 0.8 % , с1с=216 мм; в - водонасыщенный кварцит пористостью 16.5%, с)с=216мм. Синий цвет - спектр математического моделирования, красный цвет - измеренный спектр

Эигргия. М>В Чжрпю. MiB

Рис. 2. Сопоставление измеренных и восстановленных спектров: а - насыпная модель песчаник с известняком 14,9%, dc=196 мм; б - модель стеклянные шарики 37%, dc=196 мм; Синий цвет - спектр, восстановленный по результатам разложения, красный цвет - измеренный спектр

Вторая глава посвящена разработанной схеме обработки данных СНГК, обеспечивающей минимизацию погрешности определения массовых содержаний элементов в породе. Данная методика основывается на достоверных данных математического и натурного моделирования, использует устойчивые математические алгоритмы, учитывает геолого-технологические условия проведения каротажа и характеристики аппаратуры.

В основе методики обработки спектров аппаратуры СНГК-89 лежит схема разложения зарегистрированных спектров на модельные спектры. Однако, в отличие от традиционно принятой схемы, при обработке данных аппаратуры СНГК-89 разложению подвергается не весь зарегистрированный спектр, а лишь пластовая составляющая излучения. Для выделения пластовой составляющей спектра исследуемый (регистрируемый аппаратурой) спектр

1 2 3 4 5 6' Чмрпш. MiB

S <1 10 1 2 3 4 f 6 ' S 9 10 Чжргш. MiB

рассматривается как сумма спектров, сформированных прибором, скважиной и пластом.

Для корректного выделения пластовой составляющей излучения и разложения полученного спектра на составляющие необходимо обеспечить идентичность энергетических шкал и энергетического разрешения всех участвующих в обработке спектров - регистрируемого, приборного, скважинного и модельных. На рис. 3 приведен пример выделения пластовой составляющей регистрируемого спектра до согласования энергетического разрешения спектров (рис. ЗА) и после согласования энергетического разрешения (рис. ЗБ). Несогласованность энергетического разрешения в 2% по линии водорода уже приводит к серьезному искажению выделенной пластовой составляющей спектра излучения (рис. ЗА). На рис. 4 приведены зависимости погрешности определен!« массовых содержаний элементов, обусловленные несогласованностью энергетических шкал исследуемого и модельных спектров. Зависимости были получены путем деформации спектров, зарегистрированных аппаратурой СНГК-89 на моделях с известным содержанием элементов.

Рис. 3. Влияние несогласованности энергетического разрешения на корректность выделения пластовой составляющей регистрируемого спектра: 1 - регистрируемый спектр, 2 - спектр излучения пласта, А - до согласования энергетического разрешения, Б - после согласования энергетического разрешения спектров

Рис.4. Абсолютная погрешность определения массовых содержаний элементов, обусловленная несогласованностью энергетических шкал исследуемого и модельных спектров: сдвиг энергетической шкалы указан для линии железа 7650 кэВ: 1 - кальций, 2 - кремний, 3 - водород

Схема обработки данных аппаратуры СНГК-89 состоит из следующих этапов:

- согласование энергетических шкал измеренных и модельных спектров,

- согласование энергетических разрешений измеренных и модельных спектров,

- формирование пластовой составляющей излучения,

- разложение спектра пластовой составляющей на модельные спектры,

- определение массовых содержаний элементов.

Рассмотрим каждый нз этапов обработки.

1. Согласование энергетических шкал измеренных и модельных

спектров.

Зарегистрированные аппаратурой СНГК-89 данные представляют собой 512 канальные спектры. Изменение внешних условий в процессе каротажа (главным образом температуры) приводит к искажению энергетической шкалы регистрируемых спектров.

Анализ исследований, проведенных на аппаратурных спектрах и спектрах полученных математическим моделированием, показал, что для обеспечения необходимой точности определения массовых содержаний элементов (кальция, кремния, серы, железа, хлора и др.) требования к согласованности шкал составляют 40-60 кэВ.

Процедура согласования энергетических шкал заключается в определении коэффициентов а и b линейного преобразования энергетической

шкалы текущего спектра £s(n) к энергетической шкале опорного спектра

методом наименьших квадратов

V :

Y[sü(£(n))-s(üx£(n)+b)] = min,

(2)

где а - коэффициент преобразования энергетической шкалы, b - сдвиг нуля энергетической шкалы.

Опорный спектр формируется автоматически в соответствии с техническими условиями измерений и типом разреза (терригенный, карбонатный) из спектров, полученных математическим моделированием. Эти спектры имеют согласованные энергетические шкалы, явно выраженные характеристические линии с хорошим разрешением. Использование аппаратурных спектров, полученных натурным моделированием, в отличие от расчетных спектров, снижает качество стабилизации энергетической шкалы.

2. Согласование энергетических разрешений измеренных и

модельных спектров.

Изменение температуры и загрузки спектрометрического тракта также приводят к изменению энергетического разрешения регистрируемых спектров.

Несогласованность энергетического разрешения, в первую очередь, увеличивает погрешность определения водорода и, как следствие этого, возрастает погрешность определения и других элементов. Рассогласование

энергетического разрешения на 1,5% увеличивает погрешность определения водорода на 0,3%, при этом содержание водорода в породе в общем случае не превышает 1-2%, погрешность определения других элементов может достигать 2-3%.

Для повышения качества обработки данных СНГК необходимо проводится согласование энергетического разрешения зарегистрированных и модельных спектров. Измеренные спектры имеют худшее разрешение, чем модельные спектры. Поэтому задачу согласования энергетического разрешения спектров легче решать путем увеличения разрешения модельных спектров.

Библиотека модельных спектров для обработки данных СНГК сформирована из спектров, измеренных на натурных моделях, и спектров, полученных математическим моделированием.

Спектры, полученные математическим моделированием, не учитывают энергетическое разрешение аппаратуры. Для согласования разрешения спектров использовалось распределение Гаусса (1).

Стандартное отклонение <т(е) непосредственно связано с энергетическим разрешением, и поскольку согласование разрешения спектров осуществляется по пику водорода, то эту функцию удобно записать в виде

Х 2.35 (3)

где ии - разрешение зарегистрированных спектров по пику водорода, Ае) -функция, характеризующая зависимость разрешения от энергии регистрируемой частицы (определяется по модельным замерам с реальной аппаратурой).

При согласовании разрешений модельных спектров, полученных на натурных моделях, воспользоваться выше описанной схемой напрямую нельзя, поскольку аппаратурные спектры изначально имеют некоторое разрешение Л,", а функция Гаусса не является ни аддитивной, ни мультипликативной относительно разрешения (стандартного отклонения). При изменении разрешения (увеличении) аппаратурных спектров стандартное отклонение о(е) вычисляется по формуле

у ' 2.35 (4)

где Я'и - кажущееся разрешение, которое необходимо наложить на аппаратурный спектр (не нулевого разрешения) для получения спектра с разрешением Я„.

Кажущееся разрешение Я'И определяется по функциональной зависимости /(Л„), которая была получена путем исследования спектров математического моделирования. На рис. 5 представлена функциональная зависимость /(/?„), построенная для модельных спектров с начальным разрешением по водороду 7%.

Предлагаемая схема согласования энергетического разрешения была опробована на скважинном материале. Опробование показало, что данный

подход позволяет достаточно точно согласовывать энергетическое разрешение без построения итерационных схем, требующих дополнительных временных затрат.

4 3

Рис. 5. Функциональная зависимость для определения кажущегося разрешения

3. Выделение пластовой составляющей излучения.

В предлагаемой методике регистрируемый аппаратурой СНГК спектр 8(Е) рассматривается как сумма спектров, сформированных несколькими геометрическими зонами (прибором, скважиной и пластом):

8(Е) = 8ПЛ(Е) + 8СКВ(Е) + 8пр(Е), (5)

где 8Пл(Е), 8СКВ(Е), 5„Р(Е) - составляющие излучения пласта, скважины и прибора, соответственно.

Информацию о составе горных пород несет в себе пластовая составляющая излучения. Поэтому для определения массовых содержаний элементов в породе необходимо очистить зарегистрированный спектр от излучения прибора и скважины

$пл(Е)= в(Е) - 8пр(Е) - 8СКВ(Е). (6)

Спектр излучения прибора 8пр(Е) для экранированной бором аппаратуры слабо зависит от условий измерений и является стандартным для данного типа аппаратуры. При формировании излучения прибора необходимо учитывать только мощность источника А:

8 пр(Е) )=Ахф„р(Е), (7)

где <рПр(Е) - спектр излучения прибора для единичной мощности источника.

Излучение скважины непостоянно и зависит от многих геолого-технических факторов: конструкции скважины, типа промывочной жидкости, мощности источника и нейтронных характеристик породы. Конфигурация спектра излучения скважины определяется конструкцией скважины и типом (составом) промывочной жидкости. При обработке открытого ствола в набор стандартных спектров включены спектры пресною, минерализованного и глинистого раствора, соответствующие единичной мощности источника и диаметру скважины 196мм. Амплитуда спектров излучения скважины зависит от мощности источника А, диаметра скважины с1с, минерализации СПЖ) плотности раствора опж и распределения поля тепловых нейтронов в системе пласт-скважина. Диаметр скважины, минерализация и плотность раствора

г о ю

Энергетическое разрешение спектра по водород ному пику, %

определяются техническими условиями проведения каротажа и считаются постоянными (условно) в интервале исследования. Распределение тепловых нейтронов определяется по показаниям нейтронного каротажа. Зависимость излучения скважины от перечисленных выше параметров имеет вид

8скв(Е)=А X Рскв(^4с,Опж ,СПЖ) Х 1Чт X фскв(Е) > (8)

где Рскв(1Чт,4,0лж,Спж) - палеточная зависимость, полученная по результатам расчетов методом Монте-Карло и представляющая собой монотонную, слабо меняющуюся функцию; ГЧТ - поток тепловых нейтронов (показания близкого по длине зонда по тепловым нейтронам в условных единицах); <рСК8(Е) - спектр излучения скважины для единичной мощности источника.

На рис. 6 приведен пример зависимости КтхРскв(Мт,с1с,ст|1Ж,СпЖ) для ряда условий измерений. При построении зависимостей использовались данные, полученные для разных литотипов пород (известняк, песчаник). Аналогичные зависимости были построены для скважин, заполненных глинистым и минерализованным раствором.

Рис. 6. Зависимость излучения скважины от нейтронных показаний

Таким образом, показания нейтронного зонда позволяют сформировать спектры излучения прибора и скважины в конкретных условиях измерений. Следствием данного факта являются два способа учета технических условий измерений при решении задачи определения содержаний породообразующих элементов в пласте. Первый способ заключается в следующем. Сначала выделяется пластовая составляющая зарегистрированного спектра путем вычитания излучения прибора и скважины, предварительно поправленных за мощность источника нейтронов, и лишь затем определяются содержания путем разложением пластового спектра на спектры отдельных элементов. Второй способ не предусматривает выделения пластовой составляющей. Раскладывается зарегистрированный спектр, а суммарное излучение прибора и скважины (в дальнейшем скважинная составляющая) является одним из компонентов разложения. Преимуществом последней схемы является автоматический учет мощности источника нейтронов. Доля скважинной составляющей при корректном разложении должна равняться отношению мощности источника при каротаже к мощности источника, используемого при формировании набора стандартных спектров.

В процессе работы тестировались обе схемы разложения. Погрешность определения массовых содержаний элементов оказалось выше в случае, когда использовался алгоритм без выделения пластовой составляющей. Наибольшие значения погрешности наблюдаются при определении элементов, которые присутствуют как в пласте, так и в скважине. К таким элементам относятся водород, хлор, железо, кальций. В подобных ситуациях массовые содержания этих элементов в пласте, как правило, являются заниженными, за счет увеличения скважинной составляющей. Систематическое увеличение погрешности может достигать 2-3%.

Проведенный анализ результатов разложения спектров, полученных математическим моделированием, показал очевидность выбора схемы учета влияния скважинной и приборной составляющей, путем вычитания их из суммарнох о зарегистрированного спектра.

4. Разложение спектра пластовой составляющей излучения на

модельные спектры.

На следующем этапе обработки выполняется разложение выделенного пластового спектра на модельные спектры отдельных элементов, путем решения системы уравнений

ЛР = 5 + £, (9)

где а - матрица размерностью кхп, столбцами которой являются модельные спектры элементов, п - количество каналов спектра, к - количество модельных спектров, на которые производится разложение исследуемого спектра, ?-определяемые относительные вклады модельных спектров в исследуемый спектр, 5 - исследуемый спектр, Е - вектор ошибок.

Решение системы ищется методом взвешенных наименьших квадратов

7 = (Л' 4Р-Лу'Л'ГЗ, (10)

где - диагональная матрица, размерностью их п. (Р- весовая матрица, с отличными от нуля диагональными элементами УУи = 1/сг.2 =1/5,.

Матрица

Р = (Л'-1Р-Ау' (11)

имеет размерность кхк, и представляет собой ковариационную матрицу. Диагональные элементы этой матрицы равны дисперсии определяемых величин о-,2 [}?]. Выполнение этого условия позволяет получать эффективные оценки по методу наименьших квадратов.

Решение системы уравнений (10) должны удовлетворять условиям

(12)

где 7п4„ - столбец минимальных значений, в частности, условие неотрицательного решения.

Поиск решения системы (10), удовлетворяющего условию (12), осуществляется в итерационном процессе. На каждом шаге итерационного процесса вычисляется ковариационная матрица, использующая результаты выполненного разложения и условия (12). Поскольку данные условия используются только на этапе вычисления ковариационной матрицы, то они не могут привести к смещению результатов.

Качество выполняемого разложения удобно оценивать с помощью коэффициента невязки. Значения коэффициента невязки более 0,1 указывает иа некорректно выполненное разложение. Основной причиной некачественно выполненного разложения является несогласованность энергетических шкал исследуемого и модельных спектров. Рисунок 7 демонстрирует эффективность оценки качества разложения по коэффициенту невязки.

энергетических шкал спектров

В интервале 3120-3150 (интервал выделен голубым цветом) коэффициент невязки имеет характерные значения 0,015-0,035. В интервале 3160-3190 (интервал выделен розовым цветом) наблюдается увеличение значения коэффициента невязки до 0,2. При просмотре спектров в этом интервале записи отчетливо видна несогласованность энергетических шкал зарег истрированного и восстановленного спектров.

Исследование коэффициента невязки показало, что минимальные значения коэффициент имеет в том случае, когда набор модельных спектров соответствует реальному составу породы. Отсутствие в наборе модельных спектров элемента, реально присутствующего в породе, приводит к увеличению значения коэффициента невязки. Так, например, при исследовании полевошпатовых отложений включение спектра натрия в набор модельных спектров, позволяет уменьшить коэффициент невязки в 1,2 раза. В тоже время расширение набора модельных спектров, за счет элементов, чьи вклады в регистрируемый спектр незначительны либо вообще отсутствуют, приводит к увеличению временных затрат на обработку данных и росту погрешности разложения. В связи с этим такие элементы, как натрий, титан, гадолиний не включены в стандартный набор определяемых элементов, их участие в разложении определяет интерпретатор в соответствии с представлениями о литологии породы.

Включение гадолиния в разложение вносит неопределенность в определении кальция и натрия. Причиной этого является отсутствие явно выраженных энергетических линий в спектре радиационного захвата гадолиния и наличие в спектрах натрия и кальция двух близких энергетических линий: 6,40 МэВ и 6,42 МэВ соответственно.

Для устранения сложившейся ситуации был разработан алгоритм поэтапного включения элементов в разложение. На первом этапе определяется содержание натрия, и зарегистрированный спектр корректируется за его излучение. После этого исправленный спектр вновь подвергается разложению для определения содержания остальных элементов. Данная схема позволяет разделять излучения натрия и кальция, а также на качественном уровне определять содержание гадолиния.

Исследование спектров, содержащих излучение алюминия, показало, что отсутствие алюминия в разложении влияет только на определение массового содержания железа. Это объясняется тем, что спектры радиационного захвата алюминия и железа в области от 6,5 до 8 МэВ близки по конфигурации. Включение алюминия в разложение так же не позволяет его однозначно определять в составе породы. Кроме того, дальнейшее увеличение числа элементов, участвующих в разложении приводит к росту погрешности разложения.

5. Определение массовых содержаний элементов.

На завершительном этапе обработки данных СНГК производится расчет массовых содержаний элементов в породе.

Схема вычисления массовых содержаний элементов использует модель "замыкания" оксидов, предложенную в 1980-х годах компанией Schlumberger и подробно описанную в зарубежной литературе (J. А. Grau, R. С. Hertzog). Массовое содержание элементов в этой модели вычисляется по формуле:

Wj=FxY,/S1, (13)

где Y. - относительный вклад /-го элемента в зарегистрированный спектр, S, - спектральная чувствительность детектора для /-го элемента, F - нормировочный множитель.

Нормировочный множитель вычисляется из условия, что сумма весовых долей оксидов, входящих в состав модели породы должна равняться единице . ■

FxE,{X,xY,/S1}=l, (14)

где Xj - оксидный множитель, учитывающий весовые доли кислорода и углерода, входящих в состав модели. Численно оксидный множитель равен отношению молекулярной массы соответствующего оксида или карбоната /'-го элемента к атомной массе /'-го элемента.

Спектральная чувствительность S, представляет собой коэффициент пропорциональности между относительным вкладом i-ro элемента в зарегистрированный спектр и его массовым содержанием в породе. Значение спектральной чувствительности детектора S, зависит от многих факторов, в частности, от вероятности захвата тепловых нейтронов элементом, характеристик измерительного тракта и конструктивных особенностей аппаратуры. Предварительные значения чувствительностей были рассчитаны

теоретически с привлечением данных математического моделирования. Но в силу того, что при математическом моделировании невозможно учесть влияния всех аппаратурных характеристик, теоретические значения нуждаются в уточнении по данным, полученным на физических моделях.

Проведение замеров на моделях известняка, песчаника с различной пористостью и минерализацией флюида позволило произвести оценку чувствительностей для кальция, кремния, хлора и водорода. Отсутствие физических моделей серы, натрия, титана и гадолиния затрудняет определение чувствительностей для этих элементов. Чувствительности этих элементов корректировались по скважинным измерениям из общих представлений о составе породы.

Предложенная схема интерпретации данных была реализована автором в виде программы обработки данных СНГК.

В третьей главе представлены результаты опробования методики оценки массовых содержаний элементов по данным модельных и скважинных измерений аппаратуры СНГК в условиях нефтегазовых месторождений Западной и Восточной Сибири.

Первые измерения прибором СНГК проводились на моделях ООО «Нефтегазгеофизика» (г. Тверь) и центра метрологии и сертификации ООО «Газпром геофизика» (г. Раменское). Результаты обработки модельных измерений оценивались с точки зрения корректности получаемого элементного состава моделей и формирования скважинной составляющей по показаниям нейтронного зонда.

Массовые содержания элементов, полученные при обработке данных СНГК, сведены в таблицу 1. В столбце «ожидаемые массовые содержания» указаны массовые содержания элементов, рассчитанные на основе плотности, пористости и состава моделей.

Анализ модельных замеров позволил уточнить спектральные чувствительности аппаратуры для элементов и основную зависимость скважинной составляющей от показаний нейтронного зонда, полученные ранее по данным математического моделирования.

Таблица 1. Результаты определения массовых содержаний элементов (модели центра метрологии и сертификации ООО «Газпром геофизика»)

Номер модели Модель Диаметр, мм Характер насыщения Материал обсадной колонны Элемент Массовые содержания, %

Ожидаемые Определяемые

1 известняк Кп=0.8% 196 вода - Са 39.88 39.84

Н 003 0.02

2 известняк песчаник Кп=14.9% 196 вода Сталь Са 28.21 28.13

Б) 10.89 11.02

Н 0.68 0.67

3 известняк Кп=36.4% 196 вода Сталь Са 33.0 32.74

Н 1.94 2.02

4 песчаник Кп=37% 196 вода Пластик Б; 38.11 38.42

н 2.04 1.94

Массовые содержания, полученные по замерам в моделях, хорошо согласуются с реальными значениями. Погрешность определения водорода в этих моделях не превышает 0,15%, что позволяет говорить о корректном формировании скважинной составляющей. В состав модели 2 одновременно входит кальций, кремний и водород. Массовые содержания кремния и кальция в этой модели были определены с точностью до 0,2%, погрешность определения водорода при этом составила менее 0,1%.

Методика обработки данных СНГК также тестировалась на моделях треста "Сургутнефтегеофизика". В таблице 2 приведены массовые содержания элементов, полученные при обработке модельных данных. Из таблицы видно, что во всех моделях (1,2,4,6,8,9) с пористостью менее 20% погрешность определения массового содержания водорода не превышает 0.3%. С увеличением пористости погрешность определения водорода растет в моделях с алюминиевой обсадкой, где ее величина может достигать 0.5%. В этих моделях происходит систематическое завышение водородосодержания. В моделях со стальной обсадкой 8-10 подобной ситуации не наблюдается. Причина данных расхождений заключается в неучтенной конструкции скважины.

Таблица 2. Результаты определения массовых содержаний элементов (модели треста "Сургутнефтегеофизика")

Номер модели Модель Диаметр, мм Характер насыщения Материал обсадной колонны Элемент Массовые содержания, %

Ожидаемые Определяемые

1 известняк Кп=0.8% 216 вода - Са 39.88 39.64

Н 0.03 0.1

2 известняк Кп=15.6% 216 вода алюминий Са 37.45 37.39

Н 071 0.72

3 известняк Кп=33.8% 216 вода алюминий Са 33.66 31.64

Н 1.76 2.31

4 песчаник Кп=16.5% 216 вода алюминий Si 43.43 42.75

Н 0.77 0.93

5 песчаник Кп=35.1% 216 вода алюминий Si 38.76 36.97

н 1.88 2.30

6 песчаник Кп=16.7% 216 диз. топливо алюминий Si 43.85 42.60

н 0.86 0.96

7 песчаник Кп=34.9% 216 диз. топливо алюминий Si 39.82 36.84

н 2.1 2.34

8 песчаник Кп=16.5% 216 вода мин. 150 г/л Сталь Si 43.7 42.02

н 0.73 0.45

С1 0.62 0.67

9 песчаник Кп=16.9% 216 вода мин. 25 г/л Сталь Si 43.33 42.71

н 0.79 0.72

С1 0.11 0.10 1

10 песчаник Кп=35.0% 216 вода мин. 25 г/л Сталь Si 38.71 36.30 •

н 1.86 1.86 '

С1 0.25 0.24

Все модели имеют двухкомионентный состав (песчаник-флюид, известняк-флюид), поэтому погрешность определения кальция и кремния в большей степени зависит от корректности формирования скважинной составляющей. Погрешность определения кальция и кремния в моделях не превышает 2,5%.

Модели 8-10 насыщены минерализованной водой. Во всех моделях наблюдается хорошая сходимость массовых содержаний хлора, определяемых по замерам, со значениями массовых содержаний, рассчитанными на основании состава моделей. Погрешность определения хлора составила порядка 0,1-0,15%. В тоже время погрешность определения кремния в этих моделях максимальна 2,5% за счет ложного определения кальция с массовым содержанием до 2%.

Кроме модельных измерений, для тех же целей тестирования методики определения массовых содержаний элементов по данным СНГК, на месторождениях Западной и Восточной Сибири были выполнены замеры в скважинах, из них два каротажа проведены в обсаженных скважинах. Химический анализ керна в исследуемых скважинах отсутствует. Анализ результатов обработки данных СНГК проводился по визуальному описанию керна, составленному непосредственно на скважине, и по совокупным данным, имеющихся по месторождению. Наибольшее внимание было уделено определению содержания в породе серы, титана, натрия и железа. Модельные установки для этих элементов отсутствуют и поэтому методические вопросы, связанные с их определением, в настоящее время могут исследоваться только на скважинном материале.

На рис. 8 приведены результаты исследования одной из скважин Восточно-Вычьяхского месторождения методом СНГК. По всему стволу скважины видна корреляция между кривыми водородосодержания и пористости по нейтрон-нейтронному каротажу. На участках с ровным стволом скважины значительное увеличение массового содержания водорода соответствует углистым отложениям. На рисунке серым цветом выделены интервалы, в которых по описанию керна присутствуют угли. Пропластки углей отчетливо видны и в нижней части интервала исследований.

В состав породы входят полевые шпаты, поэтому в набор определяемых элементов был включен натрий. Полученные при обработке массовые содержания натрия в породе варьируется от 1.5 до 3.5%, что вполне соответствует данным, полученным по химическому анализу керна на данном месторождении.

Содержание железа по керну составляет от 2 до 6%. По данным СНГК это значение несколько выше 2-9%, поскольку железо частично «содержит» излучения алюминия. Глины по данным СНГК характеризуются повышенным содержанием железа.

Корректность определения серы оценивалась путем сравнения данных СНГК с описанием керна по скважине (таблица 3). В интервалах 1, 3,4,5,6 при визуальном описании керна определяется наличие пирита. На рис. 8 эти интервалы выделены сиреневым цветом. При обработке данных СНГК в указанных интервалах определилась сера с массовым содержанием от 0.9% до

5%. Наличие пирита в пласте, как правило, сопровождается увеличением массового содержания железа (пласт 1, 3, 4). В интервалах 2, 10 пирит в описании керна отсутствует. По данным СНГК массовое содержание серы в этих интервалах также мало и не превышает 0.25%. Наличие незначительного содержания серы может быть связано как с погрешностью метода, так и отсутствием более точных данных по керну.

По описанию керна в интервале 3 присутствует кальцит. По данным СНГК также наблюдается увеличение массового содержания кальция до 5-10%. Пропластки с повышенным содержанием кальция характеризуется повышением сопротивления по боковому каротажу и понижением пористости по нейтронному каротажу. Подобная корреляция трех кривых прослеживается по всему стволу скважины (рис. 8). В работе приведены результаты исследований, выполненных в обсаженном стволе. Результаты интерпретации сопоставлены с описанием керна и данными по другим методам ГИС.

В целом обработка материалов модельных и скважинных измерений показала, что выбранная методика оценки массовых содержаний обеспечивает следующую точность определения массовых содержаний элементов: кальция, кремния и железа - 2*-3%, натрия и серы - 1.5%, водорода, титана и хлора -0,2-43,3%. Информация, получаемая при обработке данных СНГК, может в дальнейшем использоваться для оценки литологии и моделировании физических свойств пород.

Рис. 8. Пример расчета массовых содержаний по результатам каротажа в открытом стволе

Таблица 3. Сопоставление описания керна с данными обработки СНГК

Интервал Описание керна Определяемое содержание серы, % Определяемое содержание железа, %

I Аргиллит темно-серого цвета, хрупкий плитчатый с единичными прослоями алевролита светло-серого цвета. Наблюдаются остатки УРД и линзы пирита. 1.09 6.72

2 Песчаник светло-серый, мелко-, среднезернистый тонкозернистый, средней крепости, твердый. 0.0 4.86

3 Аргиллит темно-серого до бурого цвета битуминозного местами с выпотами УВ светло-зеленого цвета преимущественно внизу слоя. Также с конкрециями и прожилками пирита и кальцита. 3.37 6.31

4 Аргиллит темно-серого до бурого цвета битуминозного с конкрециями и прожилками пирита с раковистым изломом. 3.53 5.51

5 Аргиллит темно-серого до бурого цвета битуминозного с линзами и прожилками пирита с раковистым изломом средней крепости. 1.05 2.77

6 Аргиллит темно-серый, битуминозный с переходом в бурый, нижней части слоя, с присутствием пирита. Имеются прослой 0.05м серого цвета. 1.19 4.49

10 Песчаник светло-серый, мелкозернистый, алевритистый, плотный, однародный с одной прослойкой аргиллита 3 см. 0.16 4.64

В заключении сформулированы результаты проведенной работы:

1. Разработан математический аппарат, позволяющий моделировать показания СНГК с необходимой для практики точностью.

2. Проведена серия расчетов методом Монте-Карло и экспериментальных работ, на основании которых были:

- сформирована библиотека элементарных спектров породообразующих элементов;

- выполнена оценка спектральных чувствительностей аппаратуры для отдельных элементов;

- получено палеточное обеспечение для определения величины излучения скважины и прибора по показаниям нейтронного каротажа в различных геолого-технических условиях;

- разработан алгоритм поэтапного включения элементов в разложение, обеспечивающий минимизацию погрешности определения массовых содержаний, обусловленную взаимным влиянием элементов.

3. Разработана и обоснована схема учета технических условий измерений посредством формирования спектров излучения прибора и скважины по показаниям зонда нейтронного каротажа по тепловым нейтронам.

4. Исследовано влияние несогласованности энергетической шкалы и разрешения на точность определения массовых содержаний элементов. Определены требования к ним. Так, для обеспечения точности определения массовых содержаний кальция, кремния и железа 2-3%, водорода и хлора 0,2%

требования к согласованности шкал составляют 40-60 кэВ, к энергетическому разрешению - 1-1,5%. Предложен алгоритм согласования энергетического разрешения по пику водорода.

5. Предложенная схема обработки данных была реализована автором в виде программы обработки данных СНГК-89. Практическое опробование показало целесообразность выделения пластовой составляющей излучения при обработке материалов СНГК-89 и корректность используемого для этого палеточного обеспечения. Была подтверждена надежность работы алгоритмов на этапах предварительной подготовки измеренных и модельных спектров к выполнению процедуры разложения, что позволило минимизировать погрешность определения массовых содержаний элементов обусловленную изменяющимися в процессе каротажа характеристиками спектрометрического тракта аппаратуры.

Список опубликованных научных работ:

1. Лобода Н.Г., Велижанин В.А., Бубеев A.A. Математическое моделирование спектрометрического нейтронного гамма-каротажа. // НТВ «Каротажник». -Тверь: Изд. АИС. - 2010. - Вып. 7 (196). - С.50-69.

2. Бубеев A.A., Велижанин В.А., Лобода Н.Г., Тихонов А.Г. Некоторые результаты модельных и скважинных испытаний оценки массовых содержаний элементов по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа. // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС. - 2010. - Вып. 8 (197). - С.67-80.

3. Бубеев A.A., Велижанин В.А., Лобода Н.Г. Способы и алгоритмы обработки данных спектрометрического нейтронного гамма-каротажа аппаратурой СНГК-89. // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС. - 2011. - Вып. 8 (206). - С.55-72.

4. Велижанин В.А., Бубеев A.A., Лобода Н.Г., Лобода Д.Р., Саранцев С.Н., Точиленко Г.К., Чулков Д. О., Хаматдинов Р.Т., Тихонов А.Г. Аппаратура спектрометрического нейтронного гамма-каротажа для оценки массовых содержаний элементов в породе. // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС. -2011. - Вып. 2 (200). - С.73-77.

5. Велижанин В.А., Лобода Н.Г., Черменский В.Г. Исследование погрешности определения нефтенасыщенности коллекторов по данным С/О-каротажа. // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС. - 2006. - Вып. 2-4 (143-145). - С.144-153.

6. Велижанин В.А., Лобода Н.Г., Черменский В.Г. Исследование погрешности определения содержания карбонатных примесей в терригенных породах по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа. // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС. - 2005. - Вып. 2(129). - С.38-45.

7. Велижанин В.А., Лобода Н.Г., Черменский В.Г. Исследование погрешности определения нефтенасыщенности коллекторов по данным С/О-каротажа// Материалы Научно-практической конференции "Ядерная геофизика 2004". Санкт-Петербург. 29 июня-^2 июля 2004. С. 89-93

8. Велижанин В.А., Лобода Н.Г., Меженская Т.Е., Глебочева Н.К., Теленков В.М. Некоторые вопросы методического обеспечения аппаратуры АИМС при решении задачи определения текущей нефтенасыщенности коллекторов // М.: Геофизический вестник. 2003. № 12 С. 10-16.

Отпечатанио в типографии ООО «ПАРАГРАФ» Тираж 80 экз.

2011г.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Лобода, Надежда Геннадьевна

Введение.

Глава

Математическое моделирование показаний аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма-каротажа.

1.1 Математическая модель аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма-каротажа.

1.2 Формирование модельных спектров элементов.

Глава

Методика.обработки данных спектрометрического нейтронного гамма-каротажа.

2.1 Согласование энергетических шкал измеренных и модельных спектров.

2.2 Согласование энергетических разрешений измеренных и модельных спектров.

2.3 Выделение пластовой составляющей излучения.

2.4 Разложение спектра пластовой составляющей излучения на модельные спектры.

2.5 Определение массовых содержаний элементов.

Глава

Результаты опробования методики оценки массовых содержаний.

3.1 Результаты проведения модельных измерений.

3.2 Результаты исследования скважин.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и внедрение методики оценки массовых содержаний породообразующих элементов в разрезах нефтяных скважин по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа"

Актуальность темы исследования

Все это не позволяло СНГК занять достойное место в комплексе ГИС для нефтяной промышленности, ограничиваясь редкими случаями определения водонефтяного контакта по хлору. На сегодняшний день основной областью применения СНГК является исследование рудных и угольных скважин, и, обычно, целевым образом ориентированных на один-два «полезных» элемента, что* позволяет обрабатывать зарегистрированные спектры по упрощенным «оконным» методикам.

Развитие вычислительной техники на современном этапе позволяет достаточно быстро и эффективно проводить решение прямых задач методом математического моделирования с использованием, программного* комплекса-MCNP5 (Monte Garlo N-Particle Transport)^ и файлов оцененных ядерных данных ENDF (Evaluated Nuclear Data File). В совокупности с существующим натурным» модельным парком такие прямые расчеты делают возможным воспроизведение показаний аппаратуры СНГК в различных геолого-технических условиях и, на основании* этого, создание методики обработки зарегистрированных спектров.

Прогресс в микроэлектронике, появление высокоэффективных детекторов привели к повышению- чувствительности и стабильности измерительной аппаратуры, повысили информативность данных спектрометрических методов.

Перечисленные выше факторы создали предпосылки для разработки и создания современного программно-методического обеспечения СНГК, направленного для. решения задач нефтегазовой* отрасли с целью оценки массовых содержаний элементов горных пород, пересекаемых скважиной. Это, в свою очередь, подтверждает актуальность данной работы.

Цель исследований:

Задачи исследований:

- Обосновать и создать библиотеку спектров определяемых элементов породы, исследовать взаимное влияние элементов на точность определения их массовых содержаний, разработать схему обработки, обеспечивающую минимизацию погрешности их определения.

Защищаемые положения

1. Математическая модель аппаратуры СНГК-89 в рамках адаптированной программы МСЫР5 для моделирования показаний аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма каротажа при проведении скважинных исследований в нефтегазовых скважинах.

3. Методика учета влияния технических, условий проведения: измерений, позволяющая повысить точность, определения содержаний породообразующих элементов в породе за счет формирования спектров излучения прибора и скважины по показаниям зонда нейтронного каротажа по тепловым нейтронам.

4. Алгоритмы автоматического согласования энергетических шкал и энергетического разрешения зарегистрированных гамма-спектров; а также схема: их разложения на элементарные спектры породообразующих элементов, позволяющие минимизировать погрешность определения массовых содержаний;элементов.

5. Методика и программный пакет определения массовых содержаний породообразующих элементов по данным аппаратуры СНГК-89.

Научная новизна

Создан математический аппарат, позволяющий воспроизводить показания аппаратуры СНГК-89 с необходимой для практики точностью,, предоставляющий возможность выделения излучения, различных геометрических зон, разделения неупругой и захватной составляющих излучения.

Разработана и обоснована методика обработки данных спектрометрического нейтронного гамма-каротажа, позволяющая; проводить определение массовых содержаний основных породообразующих элементов, в разрезах нефтяных и газовых скважин с необходимой для практики ГИС точностью. В основе методики лежит новый подход к формированию фонового излучения СНГК по показаниям зонда нейтронного каротажа по тепловым нейтронам, позволяющий выделять пластовую составляющую излучения, непосредственно содержащую в себе информацию о составе горных пород.

Методика исследований.

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

2! Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей пространственно-энергетического распределения ГИРЗ для пластов различного вещественного состава и характера насыщения для аппаратуры СНГК-89.

3. Статистическая обработка и анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований на базе современных технических средств.

4. Опытно-производственная апробация методики оценки массовых содержаний элементов, разработка методических рекомендаций, оценка ее эффективности и внедрение в практику геофизических исследований.

Фактический материал

В процессе работы и тестирования методики^ были использованы данные метрологических измерений в тресте «Сургутнефтегеофизика» и центре метрологии и сертификации ООО «Газпром геофизика» (г.Раменское), материалы ГИС, полученные на скважинах Лянторского, Ватлорского, Восточно-Вычьяхского и Талаканского месторождений. Привлекались данные исследований кернового материала, результаты изучения физических свойств бурового раствора и пластовых флюидов.

Практическая значимость

За период 2003-2011 годов предлагаемая методика оценки массовых содержаний основных породообразующих элементов применительно к методу углеродно-кислородного каротажа (аппаратура АИМС) применялась при оценке карбонатности' коллекторов для получения поправки на нефтенасыщенность более чем в 3000 скважинах для нефтяных компаний ОАО «Сургутнефтегаз», «Лукойл», ТНК-ВР, «Роснефть» и др.

Личный вклад

7 вьшолнена адаптация программы MGNP5 для решения поставленной прямой задачи, проведена серия расчетов по моделированию показаний аппаратуры СНГК-89 в различных геолого-технических условиях, создана библиотека спектров определяемых элементов, исследовано взаимное влияние элементов на точность определения их массовых содержаний;

- исследовано влияние технических условий каротажа и, характеристик аппаратуры на точность определения массовых содержаний; элементов, разработаны алгоритмы их учета;

- разработана методика и программный пакет определения. массовых содержаний породообразующих элементов но данным аппаратуры СНГК-89 (совместно с В;А. Велижаниньш^ ДЖ Лободой);

- проанализированы данные математического и натурного? моделирования, на их основании: разработана; схема обработки данных CI1ГК, реализованная автором в виде программы обработки данных СНГК-89, проведена оценка достоверности полученных результатов на месторождениях Западной и Восточной Сибири (совместно с A.A. Бубеевым, Д.Р. Лободой).

Апробация работы

Результаты: работы докладывались на научно-практической конференции «Ядерная геофизика- 2004» (2004 г., г: Санкт-Петербург) и на 18-й научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов в Международном университете природы; общества и человека «Дубна» (2011 г., г. Дубна).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ в реферируемых журналах.

Структура и объем работы

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Лобода, Надежда Геннадьевна

Выводы.

Первые модельные замеры аппаратурой СНГК проводились на этапе разработки методики оценки массовых содержаний. На основании полученных данных:

1. сформирована библиотека стандартных спектров элементов, излучения скважины и прибора;

2. уточнено константное обеспечение метода, в том числе, спектральные чувствительности аппаратуры для элементов и основная зависимость скважинной составляющей от показаний нейтронного зонда, полученных ранее по данным математического моделирования;

3. проведена корректировка алгоритмов согласования энергетических шкал и разрешения спектров.

Методика оценки массовых содержаний и алгоритмы подготовки первичных спектров реализованы автором в программе обработки данных СНГК. Ее опробование на модельных замерах и скважинных измерениях показало:

1. При проведении измерений в скважинах с минерализацией растворов и пластовых вод, не превышающей 100-150 г/л, методика оценки массовых содержаний обеспечивает точность определения массовых содержаний элементов: кальция, кремния и железа - 2+3%, натрия и серы - 1.5%, водорода, титана и хлора - 0,2-Ю,3%, гадолиния на качественном уровне.

2. В полевошпатовых отложениях и отложениях с включениями каменной соли добавление натрия в число определяемых элементов, позволяет повысить информативность метода, за счет уменьшения погрешности определения кальция.

3. В условиях сильно минерализованных растворов (300 г/л) и пластовых вод интерпретация данных СНГК носит качественный характер. Оценку массовых содержаний элементов эффективнее проводить для скелетной составляющей, без учета водорода. В этом случае данные СНГК наиболее точно отражают особенности исследуемого разреза.

4. Определяемый по данным СНГК компонентный состав породы в целом соответствует общим представлениям об изучаемых разрезах. Наблюдается корреляция массового содержания водорода с данными нейтронного каротажа по водородосодержанию, массового содержания железа с данными по содержанию глинистых материалов. Этот факт в дальнейшем может быть использован для корректировки данных по пористости и глинистости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан математический аппарат, позволяющий:

- моделировать показания СНГК с необходимой для практики точностью;

- выделять излучения различных геометрических зон,

- разделять неупругую и захватную составляющую излучения.

2. • Проведена серия расчетов методом Монте-Карло и экспериментальных работ, на основании которых были:

- сформирована библиотека,стандартных спектров;

- оценены спектральные чувствительности аппаратуры для отдельных элементов;

- получено палеточное обеспечение ДЛЯч определения' величины излучения скважины и прибора по показаниям нейтронного каротажа в.различных геолого-технических условиях;

- разработан алгоритм поэтапного включения; элементов в разложение, обеспечивающий минимизацию погрешности определения массовых содержаний, обусловленную взаимным влиянием элементов.

3. Разработана и обоснована схема учета технических условий'измерений: посредством формирования- спектров излучения прибора и скважины по-показаниям зонда нейтронного каротажа по тепловым нейтронам.

4. Исследовано влияние согласованности энергетической шкалы, и разрешения на. точность определения массовых содержаний» элементов. Определены требования' к ним. Так для- обеспечения точности определения массовых содержаний кальция, кремния1 и железа 2-3%, водорода и хлора 0,2% требования к согласованности шкал составляют 40-60 кэВ, энергетического разрешения 1-1,5%. Предложен алгоритм согласования энергетического разрешения по водородному пику.

5. Предложенная схема обработки-данных была реализована автором в виде программы обработки данных СНГК-89. Практическое опробование показало целесообразность выделения пластовой составляющей излучения при обработке материалов СНГК-89 и корректность используемого для этого палеточного обеспечения. Была подтверждена надежность работы алгоритмов на этапах предварительной подготовки измеренных и модельных спектров к выполнению процедуры разложения, что позволило минимизировать погрешность определения массовых содержаний элементов обусловленную изменяющимися в процессе каротажа характеристиками спектрометрического тракта аппаратуры.

Предлагаемая методика может быть использована для оценки массовых содержаний элементов по показаниям другой аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма-каротажа с ампульным источником нейтронов. Необходимым условием для этого является получение основных палеточных зависимостей.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Лобода, Надежда Геннадьевна, Дубна

1. Баранов В.И., Титаева H.A. Радиогеология. М.: Изд. Московского университета, 1973, с.242 , с. 213

2. Бекурц К., Виртц К. Нейтронная физика. М.: Атомиздат, 1968, 450с., с. 29-33.

3. Блюменцев A.M., Онисько М.К., Фельдман И.И. Применение спектрометрического нейтронного гамма-каротажа для изучения серных руд в скважинах. В кн. Ядерная геофизика. Вып. 9, М.: Недра, 1971.

4. Бубеев A.A., Велижанин В.А., Лобода Н.Г. Способы и алгоритмы обработки данных спектрометрического нейтронного гамма-каротажа аппаратурой СНГК-89. // НТВ «Каротажник», Тверь: Изд. АИС., 2011, вып. 8 (206), с.55-72.

5. Зайченко В.Ю. Страницы истории отечественного приборостроения в области геофизических исследований скважин (1917-1991 гг.), Тверь: Изд. АИС, с. 245, с. 144-151.

6. Зив Л.А., Костин В.Л. Постельников А.Ф:, Рязанов Н.П. Влияние свойств среды и параметров скважины на интенсивность жесткого гамма-излучения при нейтронном гамме-каротаже. Рудная геофизика, Труды ЦНИГРИ, вып. 74, 1968.

7. Зив Л.А., Костин В.Л. Постельников А.Ф. Эталонные аппаратурные спектры гамма-лучей радиационного захвата нейтронов; и влияние наних свойств среды и условий измерений в скважинах. Труды ЦНИГРИ, вып. 74, 1968.

8. Ильина Т.Д. Развитие ядерной геофизики в СССР. М. Наука, 1978, с.112-134.

9. Калмыков Г.А., Белохин B.C., Денисов А.И., Старцев A.A., Тарасов В.В. Согласование энергетических шкал многоканальных спектров гамма-каротажа.//Ядерные измерительные информационные технологии, М., 2006г., вып. 1(17), с. 31-37.

10. Кожевников Д.А. Нейтронные характеристики горных пород и их использование в нефтегазопромысловой геологии. М., Недра, 1982, с. 221, с. 30-37.

11. Ларионов В.В. Радиометрия скважин, М. Недра 1969, с.328.

12. Ларионов В:В., Резванов P.A. Ядерная геофизика и радиометрическая разведка. М., Недра, 1976, с. 301, с. 236-291.

13. Лобода Н.Г., Велижанин В:А., Бубеев A.A. Математическое моделирование спектрометрического нейтронного гамма-каротажа. // НТВ «Каротажник», Тверь: Изд. АИС, 2010, вып. 7 (196), с.50-69.

14. Лухминский Б.Е., Тепляков A.B., Применение методов Теории возмущений при решении сложных задач методом Монте-Карло. // НТВ «Каротажник», Тверь: Изд. АИС, 2003; вып. 107, с. 70-76.

15. Лухминский Б.Е. Современное компьютерное моделирование методом Монте-Карло в ядерной геофизике: ретроспектива и перспективы. // Материалы Научно-практической конференции ".Ядерная геофизика 2004". Санкт-Петербург, 2004, с. 26-27.

16. Миллер В.В. Полупроводниковая гамма-спектрометрия при нейтронном каротаже. Теория скважинной ядерной геофизики, М., Недра, 1990, с. 318, 73-76с.

17. Поляченко А.Л. Численные методы в ядерной геофизике. М., Энергоатомиздат, 1987, с. 152, с.6-26.

18. Поляченко А.Л. Теория скважинной ядерной геофизики,//Скважинная ядерная геофизика. М., Недра, 1990, С. 318, с. 6-32.

19. Постельников А.Ф., Зив Л.А. Применение спектрометрии радиационного гамма-излучения для решения некоторых задач каротажа скважин на рудных месторождениях. Труды ЦНИГРИ, вып. 58, 1964.

20. Рыскаль O.E., Коротченко А.Г., Гайнетдинов Р.Г, Шабиев P.P. Применение комплекса методов ядерной геофизики для контроля разработки месторождений нефти и газа. // НТВ «Каротажник», Тверь: Изд. АИС. 2011, вып. 5(203), с.145-169.

21. Фролов В.Т. Литология, книга 1, М.: Изд-во МГУ, 1992, с.336 , с.55.

22. Эйфе К.Г., Якубсон К.И. Методика спектрометрии гамма-излучения радиационного захвата в скважинах. // Ядерно-геофизические методы изучения горных пород и насыщающих их флюидов. М., Недра 1974, с. 256, с. 179-197.

23. ЯкубсонК.И. Сцинтилляционная гамма-спектрометрия при нейтронном каротаже. Теория скважинной ядерной геофизики, М., Недра, 1990, с. 318, с. 65-73.

24. Briesmeister J.I7. (editor). MCNP- a General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4A. Los Alamos National Laboratory Report LA-12625,1993.

25. Document ENDE-102, Revised 2001, Report BNL-NCS-44945-05-Rev. National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory, Upton, N.Y. 11973-500038. Erzinger, J., Becker, K., Dick, H.J.B., and Stokking, L.B. (Eds.),

26. Geochemical logging results from the eastern equatorial pacific. Scientific Results, 1995, Vol. 137-140. ;

27. FlaumC., Pirrie G. Determination of lithology from induced gamma-ray spectroccopy. SPWLA, 22, paper 111-15.

28. GalfordJ., Quirein J:, Shannon S., Field Test Results of a New Neutron-Induced Gamma-Ray Spectroscopy Geochemical Logging Tool, SPE, 2009,v paper 123992.

29. Galford J.E., Herzog R.C., Flaum C., Improving pulsed neutron gamma ray spectroscopy elemental weight percent estimates through automatic dimensioning of the spectral fitting process. SPE, 1988, paper 18151.

30. Grau J. A. Methods and apparatus for borehole corrected spectral analysis of earth formations, U. S. Patent 4,661,701, April, 1987.

31. Grau J. A., Herrón M: M. and Herrón S. L., "Spectroscopy: The Key to Rapid, Reliable Petrophysical Answers". Oilfield Review, Summer 2005;

32. Grau J. A., Schweitzer J. S., "Elemental Concentrations from Gamma-ray Spectroscopy Logs". Nucl. Geophys., Vol 2, № 3, p. 175-181, 1988.

33. Grau J. A., Schweitzer J. S., Hertzog R. Statistical uncertainties of elemental concentrations extracted from neutron induced gamma-ray measurements. Nucl. Sci., 37, p. 2175-2178,1990.

34. Herrón M. M. and Herrón S. L., "Quantitative Lithology: An Application for4

35. Open and Cased Hole Spectroscopy". Transactions of the SPWLA Thirty-seventh Annual Logging Symposium, New Orleans, LA, June 16-19, 1996. Paper E.

36. Herrón S. L., Herrón M. M. Method for estimating lithological fractions using nuclear spectroscopy measurements, U. S. Patent 5,786,591, July, 1998.

37. Herrón S. L., Method and Apparatus for determining elemental concentrationsfor gamma ray spectroscopy tools, U. S. Patent 5,471,057, November, 1995.

38. Hertzog Jr. Methods and apparatus for constituent analysis of earth formation, U. S. Patent 4,317,993, March, 1982.

39. Hertzog R., Colson L., Seeman B., Grau J. A., Schweitzer J. S. Geochemical logging with spectrometry tools. SPE, 1988, Form. Eval., 4: 153-162.

40. Jacobson L.A. and Wyatt D.F. Elemental Yields and Complex Lithology Analysis From the Pulsed Spectral Gamma Log // The Log Analyst. Jan-Feb 1996A.

41. Rinard P.M. (1991). Neutron interactions with matter. In Passive Nondestructive Assay of Nuclear Material, Los Alamos Technical Report NUREG/CR-5550, LA-UR-90-732, 357-377.

Информация о работе

Лобода, Надежда Геннадьевна
кандидата технических наук
Дубна, 2011
ВАК 25.00.10

Диссертация

Разработка и внедрение методики оценки массовых содержаний породообразующих элементов в разрезах нефтяных скважин по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы