Система контроля нефтяной скважины на базе импульсного нейтронного зондирования

В последние годы в ядерной геофизике четко наметилась тенденция к переходу от получения качественных данных путем интерпретации результатов отдельных методов к оценке количественных характеристик пласта, уточняемых, как правило, по материалам комплексных исследований. Высокие требования, предъявляемые к точности количественных определений геологических параметров одними геофизическими методами, приводят к необходимости пересмотра имеющихся взглядов на методику измерений, характеристику измерительных установок и систему обработки результатов. Этим объясняется всё большее внимание, уделяемое в последнее время точности определяемых параметров, повышению разрешающей способности, расширению диапазонов применимости.

Методы радиоактивного каротажа*, применяющиеся при контроле за разработкой нефтяных месторождений, можно разделить на пять групп: каротаж — процесс обследования нефтегазовой скважины геофизическими приборами). 1. Гамма-каротаж.

2.Нейтронный каротаж со стационарным (ампульным) источником нейтронов, включающий нейтронный гамма-каротаж (НТК), нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (НКТ).

3 .Нейтронный каротаж с импульсным источником нейтронов (ИНК), включающий импульсный нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (ИННК) и импульсный нейтронный гамма-каротаж (ИНГК);

4.Каротаж по наведённой активности кислорода, или кислородный нейтронактивационный метод (КНАМ).

5.Гамма-гамма-каротаж (ГГК), включающий ГГК по цементному кольцу и колонне — гамма-гамма цементометрия и толщинометрия или дефектометрия, и ГГК скважинной жидкости с установками гамма просвечивания и по рассеянному гамма-излучению.

В данной работе рассматривается метод импульсного нейтронного каротажа (ИНК) и кислородный нейтрон — активационный метод (КНАМ). Первое опробование метода ИНК, проведенное в 1959 г. на Туймазинском и Ромашкинском месторождениях нефти, показало его эффективность при определении местоположения водонефтяного контакта и выделения обводненных интервалов и пластов. В дальнейшем была подтверждена высокая разрешающая способность ИНК, позволяющая решать задачу определения интервалов обводнения пластов в обсаженных скважинах при значительно меньшей минерализации пластовых вод и меньшей пористости коллектора, чем это необходимо для стационарных нейтронных методов. Эти достоинства импульсного нейтронного каротажа обусловили его быстрое и широкое распространение по всей стране. Важным преимуществом метода ИНК является возможность количественного определения среднего времени жизни тепловых нейтронов в горных породах х, которое количественно может быть связано с нефтенасыщенностью пород.

Однако в процессе многолетней эксплуатации выявились недостатки аппаратуры ИНГК. Такие как большой диаметр спускаемого скважинного прибора, малая скорость регистрации, низкая надежность, сложность в эксплуатации и др. В настоящее время возникла необходимость создания геофизической аппаратуры ИНГК на основе современной элементной базы с цифровой регистрацией получаемой информации. Аппаратурный комплекс должен удовлетворять всем метрологическим требованиям, предъявляемым к аппаратуре данного типа. Кроме того, разрабатываемый геофизический комплекс должен иметь возможность для проведения исследований скважин не только методом ИНГК, но и методами ГК и КНАМ. Необходимо, чтобы скважинный прибор имел сверхмалый диаметр внешнего, защитного кожуха (до 36 мм), для проведения исследований скважин через насосно-компрессорные трубы (НКТ), т.к. их диаметр 45^-60мм. Точность определения нейтронного параметра исследуемого пласта (х-времени жизни тепловых нейтронов) должна быть не хуже 2%.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является создание системы контроля нефтяной скважины на базе импульсного нейтронного зондирования с повышенной точностью определения времени жизни тепловых нейтронов и улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели, в диссертации решаются следующие задачи:

1. Поиск основных оптимальных аппаратурных и методических параметров аппаратуры нейтронного каротажа (НК).

2. Исследование влияния различных параметров пласта на информативность метода импульсного нейтронного каротажа (ИНК).

3. Разработка математической модели и алгоритма обработки данных, получаемых методом ИНК.

4. Разработка и внедрение геофизического комплекса для импульсного нейтрон-гамма исследования нефтяных и газовых скважин.

Научная новизна исследований представлена следующими результатами:

— Предложены и разработаны методика обработки и алгоритм вычисления т-пласта (время жизни тепловых нейтронов) по данным ИНГК, позволяющие количественно определять нефтенасыщенность пласта.

— Разработана новая модификация КНАМ, позволяющая в 2 раза повысить точность определения скорости жидкости в стальной колонне скважины и за ней и обладающая расширенным диапазоном измеряемых.

•з о потоков (от 3 м /сут до более 100 м /сут для 128 мм колонны).

— Предложен и создан трёхзондовый вариант скважинного прибора, реализующий методы ИНГК, КНАМ и ГК, с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработан и исследован новый аппаратно-програмный комплекс АИНКЗб-ЗЦ с улучшенными точностными и эксплуатационными характеристиками, позволяющий проводить исследования нефтяных и газовых скважин методами ИНГК, ГК и КНАМ, состоящий из:

— Скважинного прибора сверх малого диаметра (36 мм).

— Универсальной наземной панели для связи компьютера со скважинным прибором.

— Программного обеспечения для управления скважинным прибором и обработки данных, полученных комплексом АИНКЗб-ЗЦ, с использованием современных вычислительных средств.

2. Практически проверена новая модификация КНАМ.

3. Результаты диссертационной работы внедрены в АО «Татнефтегеофизика». В настоящее время разработанный комплекс эксплуатируется в ОМП-ЗО (Бугульма), АУГР (Альметьевск), Тимано-Печёрской экспедиции (республика Коми), Нефтегорская геофизическая экспедиция (Самарская область), Узеньгеофизика (республика Казахстан), ЧЭГИС (Пермская область).

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Результаты исследования влияния различных параметров изучаемого пласта (пористость и минерализация) на информативность и достоверность получаемых результатов.

2. Методика обработки и алгоритм вычисления т-пласта (время жизни тепловых нейтронов) по данным ИНГК. Предложен алгоритм количественного вычисления т-пласта, основанный на приведении временного распределения тепловых нейтронов и соответствующих им у-квантов к экспонентной модели распределения.

3. Разработанный и запущенный в мало серийное производство новый цифровой аппаратно-программный комплекс трёх зондового.

11 импульсного нейтрон-гамма исследования нефтяных и газовых скважин сверхмалого диаметра 36 мм (АИНКЗб-ЗЦ).

4. Разработанная новая «импульсная» модификация КНАМ, позволяющая вычислять скорость жидкости в стальной колонне скважины и за колонной. Данная модификация КНАМ основана на меточном способе измерения скорости, в котором радиоактивные метки ставятся путём активации ядер кислорода.

Автор выражает глубокую благодарность за всестороннюю поддержку начальнику Научно-технического управления АО «Татнефтегеофизика» Юсупову Р. И., и главному инженеру НТУ Воронкову Л. Н. Получение приведённых в работе результатов было бы не возможно без большой квалифицированной помощи в различное время в выполнении исследований, опробовании и внедрении технологий сотрудников Опытно-методической партии № 30 Баженова В. В., Лифантьева В. А., Ведерникова И. Р., Наплавкова Е. И., Хуснуллина P.A., Петрухина A.C., Труханова О. В., Батырева В. А., Крюкова В. П. и др.

В диссертации представлены результаты исследований, выполненных лично автором в Научно-техническом управлении АО «Татнефтегеофизика» в период с 1997 по 2002 гг.

I. Анализ современного состояния аппаратуры нейтронного каротажа.

Общие выводы.

Благодаря выполненной работе и разработанному оборудованию, становится возможным более точная и достоверная оценка оставшихся запасов нефти в уже эксплуатируемых нефтяных скважинах и повышение эффективности их эксплуатирования. Выводы и практические результаты полученные в диссертации могут быть использованы на всех предприятиях занимающихся разработкой и эксплуатацией нефтяных и газовых скважин.

В заключение диссертации можно сформулировать следующие выводы:

1. Представлен обзор основных технических параметров, по которым возможна оптимизация аппаратуры нейтронного каротажа.

2. Из различных источников найдены численные диапазоны оптимальных значений, для различных модификаций метода нейтронного исследования нефтяных скважин.

3. Импульсный нейтронный каротаж (ИНК) обладает рядом преимуществ по сравнению с непрерывным. Такими как безопасность и технологичность исследования, а так же возможность количественного определения параметров исследуемого пласта.

4. Найдено, что минимальная погрешность определения коэффициента диффузии нейтронов в пласте гшп (Овпл) методом двухзондового цифрового ИНК достигается при расстоянии детекторов от излучателя Ъ= О 30 см, х2= 60 80 см и временных задержках 14"700-^-900 мкс.

5. Определены два основных условия информативности импульсного нейтронного каротажа: а) Ха ш^Ха с, где Ха плмакроскопическое сечение захвата нейтронов в пласте, 2а с — макроскопическое сечение захвата нейтронов в скважине, б) 1 > 1а с, где^{временная} задержка после вспышки нейтронов, ^ свремя диффузии нейтронов в зоне скважины. Показано, что информативность метода ИНГК выше, чем метода ИННК.

6. Из различных источников найдены зоны информативности (применимости) метода ИНГК в зависимости от пористости и минерализации пластовых вод.

7. Информативность и помехоустойчивость декремента затухания X во всех случаях заметно выше, чем скорость счёта Г.

8. Для получения надёжной диаграммы декремента затухания X от глубины, необходима непрерывная цифровая запись декремента затухания с малым шагом квантования (например, на магнитный носитель), а измерения Х (Н) на точках или аналоговая регистрация X непригодны.

9. В результате исследования известной «равновесной» модификации КНАМ подтверждена возможность определения скорости жидкости в колонне и за колонной с помощью разработанного макета, который обладает повышенной чувствительностью (1,5 раза) к изменению скорости жидкости, по сравнению с аналогичными приборами. Полученная точность определения расхода составила 10%.

10. Макет был испытан как при каротаже со скоростью движения каротажного зонда 30+120 м/ч, так и при измерениях на точках. Получена чувствительность к расходу воды в колонне (5 дюймов) — 10 м3/сут и к расходу за колонной 0,7 м /сут при точности 10%. Выявлены недостатки «равновесной» модификации КНАМ: а) небольшая верхняя граница о измерений расхода, составляющая 70 м /суткиб) искаженные оценки при наличии встречных потоков (например, поток вниз в колонне нагнетательной скважины и заколонный переток вверх).

11 .Предложена новая «импульсная» модификация КНАМ. В результате доказана возможность использования её для определения расхода жидкости в нагнетательных и добывающих скважинах при расходах от.

3 3.

5 м /сут для 5″ (128мм) колонны до более чем 100 м /сут. Точность определения расхода составила 5%. Данный метод может быть применён для определения заколонных перетоков в нагнетательных скважинах.

12.При малых скоростях за счёт турбулентности жидкости замечен так называемый эффект «размывания» радиоактивной метки, который определяет нижнюю границу измеряемого потока.

13.Создан алгоритм количественного вычисления времени жизни тепловых нейтронов (Хпл), который позволяет существенно повысить достоверность измерения нефтенасыщенности и пористости исследуемого пласта.

14.На основе предложенного алгоритма создан программный комплекс по обработке данных ИНГК, ГК и КНАМ. Результаты работы данной программы представлены в универсальном формате (ЬА8-формат), который поддерживается большинством специализированных программ для построения геофизических диаграмм. Программный комплекс вошёл в состав геофизического комплекса аппаратуры импульсного нейтронного каротажа (АИНКЗб-ЗЦ).

15.С помощью разработанной программы проведена обработка данных, полученных в эталонной среде, в результате которой получена точность определения (тш) порядка 1%.

16.Разработан геофизический комплекс импульсного нейтрон-гамма каротажа (АИНКЗб-ЗЦ) нового поколения, обладающего повышенными точностными и информативными характеристиками, который имеет возможность работать не только в режиме ИНГК, но и в режимах ГК и КНАМ.

17.Благодаря разработанной нами трёх зондовой конструкции скважинного прибора (два зонда снизу, относительно нейтронной трубки, и один зонд сверху) достигнуты следующие результаты: a. Повышена надёжность определения т-пласта. b. Производится дублирование показаний зонда «60», за одно исследование. c. Возможно одновременное определение скорости встречных потоков жидкости (в скважине и в цементном кольце).

18.Проведены испытания АИНКЗб-ЗЦ, создана конструкторская документация и комплекс запущен в мало серийное производство в АО «Татнефтегеофизика». В настоящее время разработанный комплекс эксплуатируется в ОМП-ЗО (Бугульма), АУГР (Альметьевск), Тимано-Печёрской экспедиции (республика Коми), Узеньгеофизика (республика Казахстан).

19.Опробование аппаратуры и методики АИНКЗб-ЗЦ осуществлено в более 170 скважинах различной глубины с различным литологическим составом, в различных регионах России, Татарстана, Республики Коми и Казахстана.

Отмечена высокая эффективность использования данных ИНГК и КНАМ в нефтяных скважинах в комплексе с другими методами для решения выше приведённых задач.