Введение к работе
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.
Развитие вычислительной техники на современном этапе позволяет достаточно быстро и эффективно проводить решение прямых задач методом математического моделирования с использованием программного комплекса MCNP5 (Monte Carlo 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:
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 MCNP5.
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.
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
-
Математическая модель аппаратуры СНГК-89 в рамках адаптированной программы MCNP5 для моделирования показаний аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма каротажа при проведении скважинных исследований в нефтегазовых скважинах.
-
Результаты математического моделирования по созданию библиотеки элементарных спектров породообразующих элементов и оценке влияния геолого-технических условий проведения каротажа на показания аппаратуры СНГК.
-
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.
-
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.
-
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.
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 MCNP5, 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 2003-2011годов 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 А.А. 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
