Принципы интерпретация С/О каротажа

Введение

В нефтяной и газовой промышленности, где промысловая геофизика получила большое развитие, бурение скважин и эксплуатация нефтяных пластов без проведения промыслово-физичских работ невозможны. Под промыслово-геофизическими методами контроля за разработкой нефтяных месторождений подразумеваются все виды промыслово-геофизических исследований скважин в пределах эксплуатируемой нефтяной залежи. В связи с многообразием геофизических методов при решении большинства геологических задач возникает проблема выбора наиболее информативных методов и определения последовательности их применения с целью получения максимального эффекта. Такой эффект может быть достигнут лишь при рациональном комплексировании геофизических методов. Под рациональным комплексом понимается геологически и экономически обоснованное сочетание геофизических методов и сопутствующих геологических видов работ с целью эффективного решения геологической задачи. Выбор рационального комплекса достаточно сложен и строго индивидуален, т.е. зависит от конкретной задачи и множества факторов. На практике при проектировании геофизических исследований должен быть учтен весь накопленный опыт работ сходных условиях при широком использовании вероятностно-статистических методов на каждом этапе выбора комплекса: создания физико-геологической модели, комплексной интерпретации полученных материалов, определении рационального набора методов и последовательности их проведения.
Цель работы – выбрать участок проведения геофизических работ, также выбрать оптимальный комплекс геофизических методов исследований скважин. В процессе исследования проводился анализ основных результатов геофизических работ прошлых лет, для решения поставленных задач.

Метод радиоактивного каротажа

Углерод-кислородный каротаж
Радиоактивные спектрометрические методы, например углеродно-кислородный каротаж, активно используются для определения текущего характера насыщения в обсаженных скважинах. Однако принято считать, что такие методы из-за небольшого радиуса исследования не способны работать в открытом стволе, если учитывать зону проникновения бурового фильтрата в породу.
Исследования в бурящихся скважинах радиоактивными спектрометрическими методами в России проводились впервые. При бурении использовался безглинистый буровой раствор (ББР-СКП) для меньшего проникновения в прискважинную зону.
С/О-каротаж основан на информации о массовой доле содержания углерода и кислорода, однозначно связанных с содержанием нефти и воды в исследуемых коллекторах. Основными геофизическими параметрами С/О-каротажа, использующимися при определении нефтенасы-щенности пород, являются отношения скоростей счета в окнах углерода и кислорода (параметр С/О) в спектре гамма-излучения нейтронного рассеяния (ГИНР) и в окнах кальция и кремния и Si в спектре гамма излучения радиационного захвата (ГИРЗ) (параметр Са/Si). Выбор этих параметров основан на различии вещественного состава углеводородов (СпНп) и воды (Н2О). Параметр С/О увеличивается с ростом массового содержания углерода (нефть, уголь, карбонаты, битум) и уменьшается с ростом массового содержания кислорода (увеличение пористости, песчанистости пластов). Параметры устойчивы к изменению минерализации воды. Газонасыщенность коллекторов в силу снижения плотности углеводородов приводит к искажению параметров С/О и Са/Si, поэтому С/О-каротаж отражает содержание только жидкой фазы углеводородов в пластах-коллекторах.
Ввиду отсутствия на российском рынке высокочастотного импульсного генератора нейтронов малого диаметра, прибор С/О-каротажа ЦСП-С/О-90 не может иметь диаметр менее 90 мм. В связи с этим в открытом стволе (dскв < 0.124 м) существует опасность прихвата прибора с радиоактивным источником. Особенно это касается боковых стволов скважин с малым диаметром [2, с. 30-41].
В качестве эксперимента исследования методом С/О-каротажа были проведены в одной скважине открытого ствола (dcкв = 0.216 м) Ильичевского газонефтяного месторождения (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Определение начальной насыщенности методом С/О каротажа (скв. 255 Ильичевское газонефтяное месторождение, Пермский край)

В результате было установлено, что, несмотря на наличие зоны проникновения, ограничения применения метода в газонефтенасыщенных и карбонатных коллекторах, в интервале исследования необсаженного ствола скважины сходимость результатов метода С/О с результатами стандартного комплекса методов ГИС и данными керна довольно высока. В интервалах 1614.0-1618.5, 1621.0-1624.0, 1626.0-1627.5, 1634.0-1639.0 м была проведена перфорация, выданный по заключениям характер насыщения подтвердился. Количественные значения Кн по С/О-каротажу искажены (занижены) за счет влияния зоны проникновения и могут быть использованы только на качественном уровне [1, с. 194].
Основным ограничением использования метода С/О для большинства необса-женных скважин Пермского Прикамья является большой диаметр аппаратуры - 90 мм, который не позволяет рекомендовать его для боковых стволов (dскв < 0.124 м).
Проведение С/О-каротажа в скв. 255 Ильичевского газонефтяного месторождения на основе сопоставления результатов всех методов с данными керна и освоения помогло отработать методику интерпретации для трехзондового импульсного нейтронного гамма-каротажа спектрометрического (3ИНГКС). Данный метод (прибор) был создан как альтернатива С/О-каротажу в скважинах с диаметром менее 110 мм [8, с. 20].

Физические основы С/О – каротажа

Взаимодействие нейтронов с веществом
Углерод-кислородный (С/О) каротаж – одна из модификаций импульсной нейронной гамма-спектрометрии, изучающей энергетические и временные распределения плотности потока гамма-излучения, возникающего в результате различных нейронных реакций на ядрах породообразующих элементов.
При С/О – каротаже определяется параметр, характеризующий распространенность в породе углерода по отношению к кислороду.Этот параметр связан с содержанием в породе углеводородных соединений, и поэтому С/О – каротаж применяют для оценки нефтенасыщенности пород Кн в обсаженных скважинах.
В основу метода положены процессы неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах элементов, слагающих горные породы.
При взаимодействии быстрых нейронов с ядрами углерода и кислорода с наибольшей вероятностью возбуждение происходит на уровни 4.43 и 6.1 МэВ.
В качестве основного интерпретационного параметра используют отношение спектральных потоков, регистрируемых в каналах углерода и кислорода.
Использование С/О – отношения позволяет с одной стороны усилить регистрируемый эффект за счет разнонаправленного изменения концентрации ядер углерода и кислорода в нефтяных пластах при их обводнении, с другой – исключить влияние ряда дестабилизирующих факторов, в том числе изменение выхода нейронов генератора во времени, эффективности детектора и отчасти скважинных условий измерений.
Как известно 7, 12, при облучении горных пород быстрыми нейтронами последние испытывают различные взаимодействия с ядрами вещества, передавая им часть своей энергии

. В процессе замедления до энергии теплового движения атомов (Е1·10 -2 эВ), происходят упругие и неупругие рассеяния нейтронов на ядрах атомов, кроме того, тепловые нейтроны участвуют в процессах термализации, процессах диффузии и, наконец, поглощаются ядрами.
В результате первых соударений (1-2 акта) наиболее вероятным взаимодействием является неупругое рассеяние, при этом нейтроны замедляются до энергии ~1 МэВ, передавая большую часть энергии на возбуждение ядра-мишени. Вероятность неупругого рассеяния тем выше, чем выше энергия нейтронов. Возврат ядра-мишени из возбуждённого состояния происходит за 10-14 с и сопровождается вторичным гамма-излучением, которое называется гамма-излучением неупругого рассеяния (ГИНР) [5]. Спектр ГИНР является индивидуальной характеристикой ядра.
Дальнейшее замедление нейтронов происходит в процессе упругого рассеяния, при котором кинетическая энергия нейтрона до соударения переходит в кинетическую энергию нейтрона и ядра-отдачи после соударения, эти процессы продолжаются до достижения нейтроном тепловой энергии. Наибольшим сечением упругого рассеяния обладает водород, его присутствие в окружающей среде играет основную роль в процессе замедления. Упругое рассеяние не сопровождается гамма-излучением.
Таблица 1 Основные породообразующие элементы и их характеристик гамма-излучения неупругого рассеяния и радиационного захвата нейтронов
Элемент Среднее содержание в горных породах, % Eпор,
МэВ Ơнеупр,
барн
Ơзахв,
барн
Энергия ГИНР, МэВ (мбарн) Энергия ГИРЗ,
МэВ (выход на 100 захватов)
12 C 0.02298 4.80 0.446 3.410-3 4.43 (13,1), 4.95(68), 3.68(32), 1.26(32),
16 O 46.89 6.44 0.318 1.210-3 6.13(10.4), 7.12(5.0) 2.18(82), 1.09(82), 3.27(18),
40 Ca 2.87 4.55 0.380 0.44 3.73(9.0), 3.90(3.8) 1.94(81), 6.42(40), 4.42(15),
28 Si 28.54 1.90 0.460 0.16 1.78(29), 2.84(5.3), 3.54(62), 4.93(58), 1.27(12),
56 Fe 4.26 0.86 0.900 2.62 1.24(23), 2.61(3.7) 7.63(25.6),7.65(20.8), 5.9(7.8),
1Н 0.99985 - 0.0 0.33 - 2.23(100).
Замедлившись до тепловой энергии, нейтроны захватываются ядрами элементов горных пород. Последствием радиационного захвата теплового нейтрона почти всегда является немедленное (10-23 с) излучение гамма-квантов (ГИРЗ).
Спектр ГИРЗ также является индивидуальной характеристикой ядра. Наиболее полный список энергий гамма-квантов радиационного захвата приведён в работах [3, 6]. Реже захват тепловых нейтронов приводит к активации ядра оно становится радиоактивным с некоторым периодом полураспада.
Энергия связи большинства породообразующих элементов составляет 78 МэВ, следовательно, при радиационном захвате тепловых нейтронов возникает жесткое гамма-излучение. При поглощении одного теплового нейтрона испускаются 34 гамма-кванта [5, 6].

Рис. 2.1 Временные интервалы регистрации спектров неупругого рассеяния и радиационного захвата
Процесс замедления быстрых нейтронов в результате упругих и неупругих взаимодействий длится порядка нескольких первых микросекунд [5], таким образом, через несколько микросекунд после облучения вещества быстрыми нейтронами (вспышка) возникает излучение радиационного захвата. Время жизни тепловых нейтронов в типичных разрезах нефтегазовых скважин колеблется от 100 до 500 мкс, следовательно, во время вспышки тепловые нейтроны от предыдущих вспышек, а также те нейтроны, энергия которых приблизилась к энергии теплового движения во время вспышки, продолжают генерировать гамма-излучение захвата. При регистрации спектров ГИНР гамма-излучение радиационного захвата является фоновым (рис. 2.1). Фоновую составляющую спектров измеряют при выключенном генераторе нейтронов («фоновая пауза»). Таким образом, для получения «чистых» спектров ГИНР необходимо регистрировать спектр ГИРЗ и вычитать его из измеренных спектров ГИНР.
Ввиду сложности спектров ГИНР и ГИРЗ ограничимся рассмотрением тех элементов горных пород и насыщающих их флюидов, присутствие которых имеет основное значение для решения поставленной задачи, в первую очередь элементы С, О для определения присутствия углеводородов, и Ca, Si как основные элементы, характеризующие состав горных пород (известняк, песчаник). Для основных породообразующих элементов в таблице 1 [3, 11] приведены: энергии порога неупругого рассеяния Eпор, нейтронные сечения неупругого рассеяния Ơнеупр, сечения поглощения тепловых нейтронов Ơзахв, а также наиболее характерные энергетические линии ГИНР и ГИРЗ.
Данные, приведённые в таблице 1, позволяют сделать следующие выводы:
- сечение радиационного захвата Ơзахв тепловых нейтронов ядрами элементов 12С и 16О очень мало, кроме того, эти элементы не обладают аномальными ядерными свойствами, в связи с этим определение элементов 12С и 16О методом радиационного захвата проблематично. Однако, как видно из таблицы 1, сечение неупругого рассеяния выше названных элементов достигает значительной величины, что создаёт предпосылки для их определения методом спектрометрии неупругого рассеяния;
- характерные энергетические линии ГИНР и ГИРЗ основных породообразующих элементов лежат в пределах 18 МэВ это позволяет ограничить диапазон регистрируемых энергий шкалой до 10 МэВ;
- пороговая энергия ГИНР для углерода и кислорода составляет 4.8 и 6.44 МэВ, следовательно, для возбуждения реакции неупругого рассеяния необходимо применение излучателя нейтронов с энергией более 6.44 МэВ.
Основой выбора методики углеродно-кислородного каротажа служит различие содержания углерода и кислорода в нефти и воде. Содержание «С» в различных нефтях колеблется от 82 до 87 % , О от 0.02 до 1.65 %. Содержание «О» в воде по массе составляет 85.82 %, при определении нейтронно-активационным анализом проб пластовых вод [6] присутствия углерода обнаружено не было.
Таким образом, основа метода углеродно-кислородного каротажа состоит в том, что энергия ГИНР и ГИРЗ характерна для каждого элемента, содержащегося в скважине