В. В. Климов, А. В. Шостак геофизические исследования скважин
 Скачать 7.18 Mb.
|
|
Рис. 3.31 Распределение плотностей тепловых нейтронов во времени при ИННК-Т Количественное определение τ получают по формуле (предполагает- ся, что ширина «окон» ∆t в обоих каналах одинакова): τ = (t 2 – t 1 ) / (lnI 1 – lnI 2 ), (3.15) где, t 1 и t 2 – время задержки для двух каналов; I 1 и I 2 – показания для тех же каналов. Разработана аппаратура и для непрерывного вычисления τ в процессе замеров и получения непосредственно диаграмм изменения τ по стволу скважины. В случае измерений на точках (с неподвижным прибором) ин- тенсивность нейтронов или гамма–квантов обычно определяют при боль- шом числе значений времени задержки t i (i = 1, 2,...) и строят график зави- симости логарифма показаний lnI от t. Такой график позволяет точнее оп- ределить значение τ как величину, обратную коэффициенту наклона кри- вой lnI = f(t) при больших I. Оба импульсных метода дают примерно одинаковые результаты. При ИНГК влияние скважины несколько меньше, чем при ИННК-Т, но преиму- ществом последнего является отсутствие влияния естественного гамма- 100 излучения, доля которого при ИНГК на больших временах задержки значи- тельна. Точка записизонда ИННМ и ИНГМ совпадает с серединой детектора. Применение импульсного нейтронного каротажа. С помощью ИНК решаются разнообразные геологические задачи. На нефтяных и газовых месторождениях это – литологическое расчленение разрезов, определение положения ВНК, ГНК, ГВК, как в разведочных, так и в эксплуатационных скважинах; на рудных – определение содержания элементов с повышенными нейтронными свойствами. В нефтяных скважинах методом ИННК-Т применяют как непрерыв- ные, так и поточечные измерения. При непрерывных записывают одновре- менно, как минимум, две диаграммы плотности потока тепловых нейтро- нов с разным временем задержки при постоянном ∆τ зам . Каротаж произво- дят при перемещении скважинного прибора снизу вверх со скоростью по- рядка 120 м/час и с постоянной времени прибора 12 с. По отношению показаний в двух каналах судят о среднем времени жизни тепловых нейтронов τ. Таким образом, по параметру τ пласты, на- сыщенные минерализованной водой, хорошо отличаются от нефте- и газо- насыщенных. На этом отличии основано применение метода ИННК-Т для прослеживания изменений положения ВНК и ГВК в процессе разработки месторождений нефти и газа. При большой минерализации пластовых вод (более 100 г/л) разделе- ние водонасыщенных и нефтенасыщенных частей пласта возможно даже по одной кривой ИННК с большим временем задержки. Расстояние между точками наблюдения внутри нефтеносных пластов составляет от 0,4 до 0,8 м, в водоносных – 0,8–1,0 м. 3.3.9 Гамма-нейтронный каротаж Гамма-нейтронный каротаж (ГНК) основан на явлении ядерного фо- тоэффекта и заключается в регистрации тепловых нейтронов, возникаю- щих в результате облучения горных пород жестким γ-излучением. Скважинный прибор содержит источник γ-квантов и детектор ней- тронов. В качестве детекторов используют пропорциональные газоразряд- ные или сцинтилляционные (на основе ZnS) счетчики тепловых нейтронов. Длина зонда 12–13 см. Глубина исследования примерно такая же, как в ме- тоде ННК-Т. 101 3.3.10 Нейтронно-активационный каротаж Нейтронно-активационный каротаж (НАК) основан на измерении ак- тивности искусственных радиоактивных изотопов, образующихся в гор- ных породах при облучении их тепловыми и быстрыми нейтронами. Большинство химических элементов при облучении нейтронами обра- зует искусственные радиоактивные изотопы. Ядра атомов этих изотопов мо- гут испускать α-частицы, протоны и γ-кванты. Вероятность ядерной реакции, приводящей к образованию радиоактивных ядер, определяется сечением ак- тивации σ а . Повышенными сечениями активации посредством тепловых ней- тронов отличаются такие элементы, как Na, А1, Р, С1, Са, Sс, V, Мn, Со, Си, Аg и др. Повышенными сечениями активации посредством быстрых нейтро- нов обладают F, О, А1, Si, Fе и некоторые другие элементы. В каротаже используются те реакции активации, которые приводят к образованию радионуклидов, дающих γ-излучение. На практике для воз- буждения этого излучения в скважину помещают стационарный источник нейтронов и облучают им горную породу, предварительно измерив в этой точке естественную γ-активность. Время облучения должно быть соизме- римо с периодом полураспада исследуемого искусственного радионукли- да, чтобы он успел накопиться в достаточном количестве. Затем на место источника нейтронов помещают детектор γ-квантов и измеряют наведен- ную активность. Наведенная активность пропорциональна числу ядер ак- тивируемого элемента в породе и спадает с течением времени, как и ра- диоактивность естественных элементов, по экспоненте. Поскольку одно- временно с исследуемым элементом активируются и другие элементы, входящие в состав горной породы, то для выделения излучения исследуе- мого элемента используют временную (по периоду полураспада) или энер- гетическую селекцию. При временной селекции регистрируют изменения наведенной актив- ности I γa во времени и строят кривую зависимости ln I γa = f(t), предварительно вычтя из измеренных значений интенсивность естественного γ-излучения. По этой кривой рассчитывают период полураспада исследуемого изотопа. При энергетической селекции используют γ-спектрометрическую аппаратуру, которую настраивают на энергию γ-излучения соответствую- щего изотопа. НАК применяют, главным образом, на рудных месторождениях для определения содержаний Сu, Мn, Аl, Si, F. 102 На месторождениях нефти НАК может использоваться для картиро- вания ВНК по наведенной активности хлора и натрия: С1 37 (n, γ)С1 38 (Т1/2 =37мин., Е γ = 2,15 и 1,6 МэВ) Na 23 (n, γ)Nа 24 (Т1/2 =15 ч, Е γ =2,15 и 1,37 МэВ). При Т1/2 ≤ 3 мин. активационный каротаж возможен в непрерывном варианте, при этом источник нейтронов движется впереди детектора и ак- тивирует породу. Скорость каротажа должна быть такой, чтобы время прохождения интервала, равного длине зонда, примерно соответствовало периоду полураспада изучаемого радионуклида. 3.3.11 Метод меченых атомов: применяемые модификации, физические основы, методика применения, область применения В буровой раствор вводят радиоактивный изотоп и продвижение та- кого меченого раствора прослеживают путем измерения гамма-излучения по стволу скважины. Наибольший интерес представляет обнаружение кол- лекторов по повышению их радиоактивности в результате проникновения в них активированного бурового раствора или его фильтрата. Такие иссле- дования проводят как в необсаженных, так и в обсаженных скважинах, на- пример, для определения зон поглощения в нагнетательных скважинах. Другое применение метода – разделение водо- и нефтенасыщенных пород путем закачки активированного раствора, преимущественно проникающе- го либо в водоносные (например, раствор на водной основе), либо в нефте- носные пласты (раствор на нефтяной основе). Довольно широко этот метод используют при изучении технического состояния скважин. Работы с радиоактивными изотопами проводят в следующей после- довательности: – исследуют разрез скважины гамма-методом («фоновый» замер); – вводят радиоактивный изотоп в буровой раствор, заполняющий ствол скважины; – выжидают время, необходимое для проникновения меченного рас- твора в пласты, пройденные скважиной (во многих случаях, особенно при малой плотности раствора, осуществляют искусственное «продавливание» раствора, после этого ствол скважины промывают для удаления остатков радиоактивного вещества); 103 – повторяют измерения гамма-методом сопоставляя два замера ГМ, обнаруживают интервалы, радиоактивность которых существенно измени- лась между двумя замерами. Для активирования раствора применяют радиоактивные вещества, хорошо растворимые в буровом растворе. Иногда используют взвеси по- рошкообразных веществ, обогащенных радиоактивным изотопом. Чтобы уменьшить срок радиоактивного заражения скважины, период полураспада изотопа следует брать небольшим. Наиболее широко применяются изото- пы 53 Fe (Т 1/2 45 дней), 131 I (8 дней) и 93 Zr (65 дней). Активность раствора обычно порядка 108 Бк на 1 м 3 раствора. Для обеспечения безопасности работ вводить радиоактивный препарат в раствор следует в стволе скважины. Лучше всего вводить изотопы с помо- щью специальных инжекторов – глубинных приборов, в которых размещены камеры для отдельных порций радиоактивного вещества и устройство, по- зволяющее вводить это вещество в раствор на любой заданной глубине. Помехами при применении метода радиоактивных изотопов является сорбция радиоактивных соединений непроницаемыми породами, особенно глинами, а в обсаженных скважинах – обсадной колонной. Благодаря этому наблюдается некоторое повышение показаний ГМ почти по всему стволу скважины. Кроме того, возможны ложные аномалии на забое (вследствие скопления активных осадков) и на верхней границе нефти или эмульсии в стволе скважины (из-за сорбции нефтью радиоактивного изотопа и других причин). Поскольку при работе методом изотопов происходит радиоактивное загрязнение скважинного прибора из-за сорбции радиоактивного вещества его корпусом, такие приборы не следует применять при обычном ГМ. Работы с использованием открытых радиоактивных изотопов отно- сятся к числу весьма опасных и требуют исключительно тщательного со- блюдения установленных мер техники безопасности. Указанные недостат- ки метода изотопов стимулируют разработку способов решения тех же за- дач с применением растворов, меченных нерадиоактивными веществами, к которым чувствителен тот или иной метод исследования скважин. Среди них важное место занимают вещества с высоким сечением поглощения нейтронов и частично вещества, хорошо активирующиеся нейтронами. Пути движения таких растворов определяют с помощью соответственно импульсных нейтронных методов и метода наведенной активности. Сово- купность таких методов, применяющих меченые вещества (включая и ме- тод изотопов), называют методом индикаторных веществ. 104 3.3.12 Метод наведенной активности: физические основы, методика проведения, область применения Метод основан на изучении искусственной радиоактивности, возни- кающей при облучении горных пород нейтронами. По периоду полураспа- да Т 1/2 искусственно радиоактивных ядер и энергии их гамма-излучения определяют возникший радиоактивный изотоп и исходный изотоп горной породы, из которого он образовался. По интенсивности гамма-излучения радиоактивных ядер находят концентрацию соответствующих исходных элементов в горной породе. Активация ядер может осуществляться как быстрыми, так и медлен- ными нейтронами. В методе наведенной активности используют установ- ку, содержащую источник нейтронов и детектор гамма-излучения, удален- ный от источника на большое расстояние (1,5–2 м). В зависимости от периода полураспада изотопа, определяемого при МНА, исследования проводят при непрерывном движении прибора по скважине (для изотопов с периодом полураспада, исчисляемым секун- дами и первыми минутами) или на точках (при значении T 1/2 в несколько минут и более). В первом случае источник находится впереди и «наводит» искусственную радиоактивность, а индикатор движется за источником и регистрирует наведенную радиоактивность. Скорость движения прибора поддерживается строго постоянной. Точку записи относят к середине де- тектора. Такой способ применим лишь при наведении в породе преимуще- ственно одного изотопа с небольшим значением T 1/2 , например 28 Аl. При образовании в породе нескольких изотопов в сравнимых коли- чествах, а также в случае одного изотопа с периодом полураспада порядка нескольких минут и более проводят исследования при неподвижном при- боре – по точкам. Скважинный прибор опускают на такую глубину, чтобы источник расположился против точки, намеченной к исследованию. После некоторого времени, достаточного для активации интересующих нас изо- топов, прибор быстро перемещают на расстояние, равное интервалу между источником и индикатором, и последний устанавливают точно против об- лученной точки. Далее измеряют, интенсивность гамма-излучения при не- скольких значениях времени задержки после конца облучения либо непре- рывно регистрируют изменение во времени наведенной активности с по- мощью регистратора. Измерения продолжают в течение времени, равного примерно периоду полураспада наиболее долго живущего из определяе- мых изотопов. Примерно таким же обычно берут и время облучения. 105 При исследовании на точках данные об интенсивности наведенной активности (после вычитания естественной гамма-активности) подвергают дальнейшей обработке с целью определения периода полураспада и актив- ности всех изотопов, активирующихся в заметной степени. Для этого часто используют графический способ. Строят кривую спада активности, пред- ставляющую зависимость наведенной активности (в логарифмическом масштабе) от времени (в арифметическом масштабе). При наличии в поро- де одного активного изотопа такая кривая представляет прямую с накло- ном, равным постоянной распада этого изотопа. Но и при активации не- скольких изотопов (если проводить измерения в течение достаточно боль- шого времени) к концу измерений обычно остается лишь один, наиболее долгоживущий из активированных изотопов. Соответственно правая часть кривой спада активности будет иметь вид прямой линии с угловым коэф- фициентом, равным постоянной распада для этого изотопа. Продолжая эту прямую влево до пересечения с осью ординат, получают кривую спада ак- тивности наиболее долго живущего изотопа для любого момента времени. Вычитая активность этого изотопа в разные моменты времени из сум- марной активности, получают кривую спада активности остальных активных изотопов. Результаты исследований зависят (кроме конструкции скважины) от содержания в породе водорода и среднего времени жизни нейтронов. В настоящее время МНА применяют в основном для выделения в разрезе скважины руд и оценки концентрации таких элементов, как алю- миний, медь, марганец, фтор (флюорит). При применении источников высокоэнергетических нейтронов (генераторов нейтронов) удается получить достаточно интенсивную акти- вацию кислорода (Т 1/2 = 7,4 с). По изменению активности этого изотопа по стволу скважины можно выделить в разрезе скважины полезные иско- паемые, бедные кислородом (каменный уголь, самородную серу, иногда нефтеносные пласты), а также изучить содержание углеводородов в жид- кости, заполняющей скважину, что важно при контроле за разработкой нефтяных месторождений. 3.3.13 Новый способ и технология каротажа с использованием меченых веществ. Ниже приведены краткие сведения о новом способе и технологии ка- ротажа с использованием меченых веществ с одновременным снижением биологической опасности и сохранением экологической чистоты, суть ко- 106 торого заключается в активации контрастных добавок непосредственно в заколонном пространстве скважин потоком нейтронов с помощью при- боров импульсного нейтрон-нейтронного каротажа (ИННК) через обсад- ную колонну. Технология проведения ГИС предусматривает: – снятие фоновых кривых гамма – каротажа (ГК) перед закачкой ре- монтных смесей за обсадную колонну; – дополнительное введение в ремонтные тампонажные составы мече- ных веществ или контрастных добавок (например, NaHCO 3 , Na 2 CO 3 и т.п.); – закачку их за обсадную колонну; – ожидание затвердевания (полимеризации) тампонажных составов; – подготовку скважины к проведению геофизических исследований (промывку, шаблонирование и т.п.); – активацию контрастных добавок потоком нейтронов с помощью приборов ИННК; – повторное проведение гамма – каротажа, выделение аномальных зон и оценку технического состояния скважин путем сравнения фоновых и повторных кривых ГК. Таким образом, оказывается возможным определение путей распро- странения ремонтных составов за эксплуатационными обсадными колон- нами и оценка эффективности проведения ремонтных работ (по характеру их распространения). Новые технические решения разработаны проф. Климовым В.В., составили предмет изобретения и защищены патентом России № 2199007. Испытания нового способа определения высоты подъема и путей распространения ремонтных составов за обсадной колонной производи- лись в скважинах Краснодарского ПХГ при проведении ремонтно- изоляционных работ (РИР) и показали его высокую эффективность. Закач- ка ремонтного тампонажного состава (конденсато-бентонитовой смеси с добавками Na 2 CO 3 ) производилась через специальные технологические отверстия в обсадной колонне, выполненные в интервале 1000–1001 м. На рисунке 3.32 показаны кривые распределения гамма-активности (до и после активации ремонтного состава соответственно) в одной из скважин Краснодарского ПХГ, из которых следует, что его закачка привела к форми- рованию за эксплуатационной колонной тампона в интервале 969–1016 мет- ров, что обеспечило надежную герметизацию заколонного пространства скважины в течение нескольких лет. 107 Рис. 3.32 Определение путей распространения герметизирующих составов в заколонном пространстве скважин. 108 3.4 Метод термометрии Метод термометрии основан на изучении естественных и искусствен- ных тепловых полей в установившихся и неустановившихся режимах и при- меняется в практике проведения геофизических исследований скважин на нефтегазовых месторождениях и подземных хранилищах газа (ПХГ) для ре- шения широкого круга задач. Область применения метода – определение геотермического гради- ента Г, расчленение разреза скважин по тепловым свойствам пород, выде- ление полезных ископаемых (газ, нефть, каменный уголь, сульфиды, ка- менная соль), изучение глубинной тектоники района исследований. Тер- мические исследования, так же как и радиоактивные, могут проводиться и в необсаженных и в обсаженных скважинах. При проведении исследований в установившихся режимах измеряет- ся естественная температура пород, определяется геотермическая ступень, геотермический градиент и температурные аномалии вдоль оси скважины, обусловленные: – литологией; – движением пластовых вод; – межпластовыми перетоками флюидов по границам колонна – це- мент – порода и по каналам в цементном камне; – притоком флюидов в скважину и т.п. В неустановившихся режимах и при изменении режима работы скважины проводятся исследования по определению: – высоты подъема цемента; – интервалов прострела (перфорации) эксплуатационных колонн; – мощности продуктивных пластов; – наличия притока продукции из каждого горизонта и момента вклю- чения новых работающих интервалов при их совместной эксплуатации; – термодинамического состояния газожидкостной смеси в процессе работы скважины при разных дебитах; – мест негерметичности (утечек) в эксплуатационной колонне или НКТ; – перетоков флюидов за эксплуатационной колонной (и интервалов внутриколонных перетоков); – профиля приемистости нагнетательных скважин и т.д. 109 Такой широкий круг задач, решаемый с помощью метода термомет- рии, требует учета всей совокупности факторов, влияющих на результаты исследований. В зависимости от измеряемой величины различают 2 модификации метода: – обычную термометрию, при которой измеряют температуру окру- жающей среды; – дифференциальную термометрию, когда измеряют разность тем- ператур. В свою очередь, дифференциальную термометрию подразделяют на аномалий – термометрию (измерение отклонений температуры ∆Т от некото- рого среднего значения) и градиент-термометрию (измерение разности тем- ператур двух датчиков, разнесенных на фиксированное расстояние). Достоверность результатов геотермических исследований зависит от многих факторов: подготовки скважины к проведению исследований; теп- лопроводности флюидов, заполняющих скважину; технических характери- стик скважинных термометров; технологии проведения и др. Особо отметим, что необходимое время выдержки скважины в покое для получения установившегося температурного режима в необсаженных скважинах зависит от разности первоначальных температур окружающих горных пород – t гп и промывочной жидкости – t пж , а также диаметра сква- жины – D. С увеличением разности температур и диаметра скважины воз- растает и необходимое время нахождения ее в покое (без циркуляции и пе- ремешивания), т.е. в простое. В таблице 3.3 приведены данные о необхо- димой выдержке скважин (в сутках) для определения температуры горных пород с точностью до 0,5 0 С. |