Результат интеллектуальной деятельности: Скважинное устройство для измерения нейтронной пористости

Изобретение относится к области геофизических исследований параметров геологических пластов методом компенсированного нейтрон-нейтронного каротажа и может быть использовано в скважинных устройствах, предназначенных для измерения нейтронной пористости пластов горных пород в скважинах.

Известны скважинные устройства для определения сечения поглощения и пористости, снабженные нейтронными мониторами (Патент US 7365307, G01V 5/1, 29.04.2008).

Устройства включают в себя: импульсный источник нейтронов; нейтронный монитор, расположенный рядом с источником нейтронов, гамма-детектор, расположенный от источника нейтронов на расстоянии примерно 8-40 дюймов; защитный экран между гамма-детектором и нейтронным источником; детектор эпитепловых нейтронов, расположенный между источником нейтронов и гамма-детектором на расстоянии 9-14 дюймов от нейтронного источника; детектор тепловых нейтронов, расположенный рядом с детектором эпитепловых нейтронов; дополнительно один и более детекторов эпитепловых и тепловых нейтронов, расположенных от нейтронного источника на большем расстоянии, чем расстояние между гамма-детектором и нейтронным источником, причем расстояние между дополнительными детекторами эпитепловых и тепловых нейтронов и нейтронным источником составляет 24 или более дюймов.

Недостатком устройств является сравнительно большая погрешность измерения пористости, являющаяся следствием высокой статистической погрешности измерений, обусловленной импульсным характером излучения и не оптимальным расстоянием между нейтронным источником и ближайшим к нему детектору тепловых нейтронов.

Известно скважинное устройство для определения нейтронной пористости, характеризующееся повышенной точностью и уменьшением литологических эффектов (Заявка на патент США 2011/0260044 А1, G01V 5/10, 27.10.2011).

Устройство включает в себя: импульсный генератор 14 МэВ нейтронов; нейтронный монитор; первый и второй нейтронные детекторы и схему обработки данных. Причем, первый нейтронный детектор, или второй нейтронный детектор, или оба нейтронных детектора расположены от импульсного генератора на расстоянии, обеспечивающем минимальное влияние литологии.

Недостатком устройства является отсутствие данных о расстояниях между импульсным генератором 14 МэВ нейтронов и нейтронными детекторами, обеспечивающих повышение точности измерения нейтронной пористости.

Известно устройство, снабженное нейтронным генератором, для измерения нейтронной пористости, обладающее высокой чувствительностью к пористости (Патент US 8759750, G01V 5/10, 24.06.2014).

Устройство включает в себя: источник быстрых нейтронов; ближний нейтронный детектор и дальний нейтронный детектор, расположенный на большем расстоянии от нейтронного источника, чем ближний нейтронный детектор. Источник быстрых нейтронов выполнен в виде электронного генератора нейтронов, электронный генератор нейтронов является генератором 14 МэВ нейтронов. Излучаемые в горную породу нейтроны имеют энергию выше энергии нейтронов, излучаемых AmBe источником. Ближний нейтронный детектор является детектором тепловых нейтронов; детектор тепловых нейтронов содержит ³Не, активная область детектора тепловых нейтронов, ближайшего к электронному генератору нейтронов, располагается от него на расстояниях менее примерно 7, или 9, или 10 дюймов, активная область детектора тепловых нейтронов, дальнего по отношению к электронному генератору нейтронов, располагается от него на расстоянии более 15 дюймов, между детектором тепловых нейтронов и электронным нейтронным генератором установлен экран. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является сравнительно высокая погрешность измерения нейтронной пористости, обусловленная применением источника быстрых нейтронов, излучающего в горную породу нейтроны с энергией выше энергии нейтронов, излучаемых AmBe источником.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения нейтронной пористости за счет применения источника быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов, излучающего в горную породу нейтроны с энергией существенно ниже энергии нейтронов, излучаемых AmBe источником.

Технический результат достигается тем, что в скважинном устройстве для измерения нейтронной пористости, содержащем цилиндрический охранный корпус, внутри которого последовательно вдоль его оси размещены источник быстрых нейтронов, защитный экран, ближний и дальний детекторы тепловых нейтронов, дальний детектор тепловых нейтронов расположен на большем расстоянии от источника быстрых нейтронов, чем ближний детектор тепловых нейтронов, в качестве источника быстрых нейтронов применяется генератор 2,5 МэВ нейтронов, расстояние между генератором 2,5 МэВ нейтронов и ближним детектором тепловых нейтронов не превышает 15 см, а расстояние между генератором 2,5 МэВ нейтронов и дальним детектором тепловых нейтронов составляет не менее 35 см.

На фиг. 1 схематично представлены основные части известных скважинных устройств, в том числе прототипа, применяемых в настоящее время для измерения нейтронной пористости W горной породы методом компенсированного нейтрон-нейтронного каротажа, где:

1 - цилиндрический охранный корпус;

2 - источник быстрых нейтронов;

3 - защитный экран;

4 - ближний детектор тепловых нейтронов;

5 - дальний детектор тепловых нейтронов;

L₁ - расстояние между источником быстрых нейтронов 2 и ближним детектором 4 тепловых нейтронов;

L₂ - расстояние между источником быстрых нейтронов 2 и дальним детектором 5 тепловых нейтронов.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 2-4.

На фиг. 2 и 3 представлены результаты расчета, выполненные авторами и обосновывающие выбранное техническое решение.

На фиг. 2 в качестве примера представлены зависимости погрешности измерения пористости от расстояния между источником 2 быстрых нейтронов и дальним детектором 5 тепловых нейтронов ΔW(L₂) для скважинного устройства с источником 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов с потоком 1⋅10⁶ н/с для значений, изменяющихся в диапазоне от 0% до 40% с шагом 5% (направление увеличения W показано стрелкой), при систематической погрешности измерений, равной 2% и L₁=15 см, где:

6 - изменение положения минимума зависимости ΔW(L₂) при изменении W в диапазоне от 0% до 40%.

На фиг. 3 показаны зависимости ΔW(W), полученные для скважинных устройств с источником 2 быстрых нейтронов в виде генераторов 2,5 МэВ и 14 МэВ нейтронов, а также для AmBe источника при L₁=15 см и L₂, оптимизированном для каждого вида источника 2 быстрых нейтронов, и прочих равных условиях, где:

7 - допустимая погрешность измерения W, определяемая в соответствии с требованиями действующей инструкции по проведению нейтрон-нейтронного каротажа (Техническая инструкция по проведению геофизических исследований и работ приборами на кабеле в нефтяных и газовых скважинах. РД 153-39.0-072-01. Москва, 2001);

8 - погрешность измерения нейтронной пористости для источника 2 быстрых нейтронов в виде генератора 14 МэВ нейтронов;

9 - погрешность измерения нейтронной пористости для источника 2 быстрых нейтронов в виде AmBe источника;

10 - погрешность измерения нейтронной пористости для источника 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов.

На фиг. 4 схематично показаны состав и взаимное расположение элементов конструкции скважинного устройства согласно заявляемому техническому решению с источником 2 быстрых нейтронов, выполненным в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов.

Приведенные на фиг. 2 и 3 результаты расчетов получены при условии, что систематическая погрешность измерений XV составляет 2%. Указанное значение соответствует изменению чувствительности ³Не детекторов тепловых нейтронов при изменении температуры окружающей среды на 50°C и по сути является оценкой минимальной ее величины. Практически температура в скважине может существенно превышать 100°C, а также существует целый набор факторов, приводящих к ее увеличению.

Погрешность измерения W при использовании определенного источника 2 быстрых нейтронов зависит от расстояний от источника 2 быстрых нейтронов до ближнего детектора 4 тепловых нейтронов L₁ и дальнего детектора 5 тепловых нейтронов L₂.

Оптимальные значения L₁ и L₂, соответствующие минимальным значениям погрешности измерения нейтронной пористости ΔW, зависят от энергии нейтронов, излучаемых источником 2 быстрых нейтронов.

Расчеты показывают, что для источника 2 быстрых нейтронов в виде генераторов 2,5 МэВ и 14 МэВ нейтронов, а также для AmBe источника погрешность измерения нейтронной пористости ΔW в интервале L₁=(0, 15) см изменяется незначительно, несколько увеличиваясь при увеличении L₁.

Диапазон L₁=(0, 15) см дает возможность размещения защитного экрана 3 длиной, необходимой для уменьшения вклада фоновых излучений до приемлемого уровня в самых различных случаях практического применения скважинного устройства.

Зависимость ΔW(L₂) (фиг. 2) имеет ярко выраженный минимум для высокой пористости, соответствующий L₂=35 см, и широкий диапазон значений, близких к минимальному значению погрешности, для низкой (менее ≈10%) пористости. Штриховая линия 6 на фиг. 2 показывает, что оптимальное расстояние L₂ увеличивается с уменьшением W. В соответствии с фиг. 2 при уменьшении W от 40% до 5% оптимальное расстояние L₂ увеличивается с 35 см до примерно 60 см. При этом погрешность измерения нейтронной пористости постоянно уменьшается при уменьшении W.

Это означает, что скважинное устройство с источником 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов, в котором ближний детектор 4 тепловых нейтронов расположен на расстоянии L₁, не превышающем 15 см, а дальний детектор 5 тепловых нейтронов на расстоянии L₂, составляющем не менее 35 см, может использоваться во всем диапазоне изменения W<40% без существенной потери точности при низкой пористости.

При увеличении систематической составляющей погрешности измерений W скважинным устройством с источником 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов с 2% до 6%, т.е. на 300%, минимальное значение погрешности ΔW возрастает примерно на 86%. При этом оптимальное расстояние L₂ возрастает примерно на 20%.

При W<10% значения ΔW для скважинных устройств с различными источниками 2 быстрых нейтронов (зависимости 8-10 на фиг. 3) практически совпадают и лежат значительно ниже зависимости 7 для допустимой погрешности измерения нейтронной пористости.

При W>10% зависимости 8-10 значительно расходятся. При этом погрешность измерения пористости скважинным устройством с источником 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов (зависимость 10) существенно меньше погрешности для скважинных устройств, оснащенных генератором 14 МэВ нейтронов (зависимость 8) или AmBe источником (зависимость 9). Это объясняется более высоким сечением рассеяния на водороде 2,5 МэВ нейтронов по сравнению с быстрыми нейтронами, излучаемых генератором 14 МэВ нейтронов или AmBe источником.

Таким образом, при нейтронной пористости W>10% скважинное устройство, содержащее источник 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов и ближний детектор 4 тепловых нейтронов, расположенный от источника 2 быстрых нейтронов на расстоянии L₁, не превышающем 15 см, а дальний детектор 5 тепловых нейтронов на расстоянии L₂, составляющем не менее 35 см, обеспечивает существенно меньшее значение погрешности измерения нейтронной пористости по сравнению со скважинными устройствами, содержащими источник 2 быстрых нейтронов в виде генератора 14 МэВ нейтронов или AmBe источника и находящийся от ближнего детектора 4 тепловых нейтронов на расстоянии L₁, не превышающем 15 см, и от дальнего детектора 5 тепловых нейтронов на расстоянии L₂, соответствующем минимальной погрешности измерений.

При нейтронной пористости W<10% различие погрешностей измерения нейтронной пористости (зависимостей 8-10) для скважинных устройств, содержащих источник 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов или генератора 14 МэВ нейтронов, или AmBe источника, не имеет практического значения.

Скважинное устройство согласно заявляемому техническому решению (фиг. 4) содержит цилиндрический охранный корпус 1, внутри которого последовательно вдоль его оси размещены источник 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов, защитный экран 3, ближний детектор 4 тепловых нейтронов, дальний детектор 5 тепловых нейтронов, дальний детектор 5 тепловых нейтронов расположен на большем расстоянии от генератора 2,5 МэВ нейтронов, чем ближний детектор 4 тепловых нейтронов.

Цилиндрический охранный корпус 1, источник быстрых нейтронов 2, защитный экран 3, ближний 4 и дальний 5 детекторы тепловых нейтронов делают по возможности соосными. Но устройство будет работоспособным и в случае, когда вышеуказанные элементы конструкции несоосны.

Цилиндрический охранный корпус 1 выполняется из стали толщиной около нескольких миллиметров.

Источник 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов служит для облучения горной породы быстрыми нейтронами и работает в режиме непрерывного излучения. Генерация быстрых нейтронов с энергией 2,5 МэВ осуществляется за счет реакции синтеза, протекающей в нейтронной трубке генератора 2,5 МэВ нейтронов.

Между источником 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов и ближним детектором 4 тепловых нейтронов установлен защитный экран 3, который служит для уменьшения потока быстрых нейтронов, излучаемых генератором 2,5 МэВ нейтронов на ближний детектор 4 тепловых нейтронов, а также предотвращения потока тепловых нейтронов вдоль оси скважинного устройства со стороны генератора 2,5 МэВ нейтронов.

Как правило, защитный экран 3 выполняют из вещества, одновременно замедляющего быстрые нейтроны и поглощающего тепловые нейтроны. Защитный экран 3 может содержать боросодержащий полиэтилен или капролон, окруженный слоем кадмия толщиной около 1 мм. Для эффективного уменьшения потока быстрых нейтронов, излучаемых генератором 2,5 МэВ нейтронов на ближний детектор 4 тепловых нейтронов, и одновременно сохранения достаточно высокого потока тепловых нейтронов на ближний 4 детектор тепловых нейтронов длина защитного экрана 3 не превышает 15 см.

Ближний детектор 4 и дальний детектор 5 тепловых нейтронов служат для регистрации тепловых нейтронов, образовавшихся в горной породе в результате рассеяния в ней быстрых нейтронов, излучаемых генератором 2,5 МэВ нейтронов. В качестве датчика в ближнем детекторе 4 и дальнем детекторе 5 тепловых нейтронов часто используются пропорциональные счетчики, заполненные ³Не, длина которых обычно составляет от 8 см до 15 см, а диаметр около 30 мм.

Ближний детектор 4 и дальний детектор 5 тепловых нейтронов располагаются по отношению к генератору 2,5 МэВ нейтронов на расстояниях L₁<15 см и L₂>35 см.

Работа скважинного устройства осуществляется следующим образом.

От наземной аппаратуры (на фиг. 4 не показана) на электронные узлы (на фиг. 4 не показаны), входящих в состав скважинного устройства, подается питание. С помощью наземной аппаратуры (на фиг. 4 не показана) программируется работа скважинного устройства.

Скважинное устройство, находящееся в охранном корпусе 1, помещают в скважину и перемещают вдоль ее стенки. Быстрые нейтроны выходят из источника 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов, частично попадают в защитный экран 3, проходят через стенки охранного корпуса 1, попадают в воду, заполняющую скважину, и горную породу, окружающую скважину.

В среде, окружающей источник 2 быстрых нейтронов в виде генератора 2,5 МэВ нейтронов, быстрые нейтроны постепенно замедляются, становясь тепловыми нейтронами. Поток тепловых нейтронов в горной породе зависит от расстояния до генератора 2,5 МэВ нейтронов и от нейтронной пористости W горной породы.

Защитный экран 3 уменьшает поток быстрых нейтронов генератора 2,5 МэВ нейтронов на ближний детектор 4 тепловых нейтронов, подавляя таким образом фоновый сигнал, связанный с работой генератора 2,5 МэВ нейтронов, а также поглощает тепловые нейтроны, распространяющиеся вдоль оси скважинного устройства со стороны генератора 2,5 МэВ нейтронов.

Образующиеся вокруг скважины тепловые нейтроны частично попадают на ближний детектор 4 и дальний детектор 5 тепловых нейтронов и регистрируются ими.

Сигналы с ближнего детектора 4 и дальнего детектора 5 тепловых нейтронов поступают на вход электронных узлов скважинного устройства, где обрабатываются. Затем результаты измерений по кабелю передаются в наземную аппаратуру.

С помощью наземной аппаратуры результаты измерений нейтронной пористости горной породы сравниваются с результатами калибровочных измерений и используются для определения характера насыщения пластов (нефть, вода), их фильтрационно-емкостных свойств и коэффициента нефтенасыщенности.

Таким образом, заявленный технический результат: уменьшение погрешности измерения нейтронной пористости, достигается за счет применения в скважинном устройстве генератора 2,5 МэВ нейтронов, излучающего в горную породу нейтроны с энергией существенно ниже энергии нейтронов, излучаемых AmBe источником.