Разработка и внедрение методики оценки массовых содержаний породообразующих элементов в разрезах нефтяных скважин по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат технических наук Лобода, Надежда Геннадьевна

• Лобода, Надежда Геннадьевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лобода, Надежда Геннадьевна

Введение.

Глава

Математическое моделирование показаний аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма-каротажа.

1.1 Математическая модель аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма-каротажа.

1.2 Формирование модельных спектров элементов.

Глава

Методика.обработки данных спектрометрического нейтронного гамма-каротажа.

2.1 Согласование энергетических шкал измеренных и модельных спектров.

2.2 Согласование энергетических разрешений измеренных и модельных спектров.

2.3 Выделение пластовой составляющей излучения.

2.4 Разложение спектра пластовой составляющей излучения на модельные спектры.

2.5 Определение массовых содержаний элементов.

Глава

Результаты опробования методики оценки массовых содержаний.

3.1 Результаты проведения модельных измерений.

3.2 Результаты исследования скважин.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и внедрение методики оценки массовых содержаний породообразующих элементов в разрезах нефтяных скважин по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа»

Актуальность темы исследования

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 Garlo 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 МС№Р5.

- 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

1. Математическая модель аппаратуры СНГК-89 в рамках адаптированной программы МСЫР5 для моделирования показаний аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма каротажа при проведении скважинных исследований в нефтегазовых скважинах.

2. Результаты математического моделирования по созданию библиотеки элементарных спектров породообразующих элементов и оценке влияния геолого-технических условий проведения каротажа на показания аппаратуры СНГК.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

Методика исследований.

1. Анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта по опубликованным материалам.

2! Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей пространственно-энергетического распределения ГИРЗ для пластов различного вещественного состава и характера насыщения для аппаратуры СНГК-89.

3. Статистическая обработка и анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований на базе современных технических средств.

4. Опытно-производственная апробация методики оценки массовых содержаний элементов, разработка методических рекомендаций, оценка ее эффективности и внедрение в практику геофизических исследований.

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 МСЫР5, 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 2003-2011 годов 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-ВР, «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);

7 вьшолнена адаптация программы MGNP5 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 но данным аппаратуры СНГК-89 (совместно с В;А. Велижаниньш^ ДЖ Лободой);

- проанализированы данные математического и натурного? моделирования, на их основании: разработана; схема обработки данных CI1ГК, реализованная автором в виде программы обработки данных СНГК-89, проведена оценка достоверности полученных результатов на месторождениях Западной и Восточной Сибири (совместно с A.A. 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

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем работы 107 страниц текста, 36 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 53 наименования.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Лобода, Надежда Геннадьевна

Выводы.

Первые модельные замеры аппаратурой СНГК проводились на этапе разработки методики оценки массовых содержаний. На основании полученных данных:

1. сформирована библиотека стандартных спектров элементов, излучения скважины и прибора;

2. уточнено константное обеспечение метода, в том числе, спектральные чувствительности аппаратуры для элементов и основная зависимость скважинной составляющей от показаний нейтронного зонда, полученных ранее по данным математического моделирования;

3. проведена корректировка алгоритмов согласования энергетических шкал и разрешения спектров.

Методика оценки массовых содержаний и алгоритмы подготовки первичных спектров реализованы автором в программе обработки данных СНГК. Ее опробование на модельных замерах и скважинных измерениях показало:

1. При проведении измерений в скважинах с минерализацией растворов и пластовых вод, не превышающей 100-150 г/л, методика оценки массовых содержаний обеспечивает точность определения массовых содержаний элементов: кальция, кремния и железа - 2+3%, натрия и серы - 1.5%, водорода, титана и хлора - 0,2-Ю,3%, гадолиния на качественном уровне.

2. В полевошпатовых отложениях и отложениях с включениями каменной соли добавление натрия в число определяемых элементов, позволяет повысить информативность метода, за счет уменьшения погрешности определения кальция.

3. В условиях сильно минерализованных растворов (300 г/л) и пластовых вод интерпретация данных СНГК носит качественный характер. Оценку массовых содержаний элементов эффективнее проводить для скелетной составляющей, без учета водорода. В этом случае данные СНГК наиболее точно отражают особенности исследуемого разреза.

4. Определяемый по данным СНГК компонентный состав породы в целом соответствует общим представлениям об изучаемых разрезах. Наблюдается корреляция массового содержания водорода с данными нейтронного каротажа по водородосодержанию, массового содержания железа с данными по содержанию глинистых материалов. Этот факт в дальнейшем может быть использован для корректировки данных по пористости и глинистости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан математический аппарат, позволяющий:

- моделировать показания СНГК с необходимой для практики точностью;

- выделять излучения различных геометрических зон,

- разделять неупругую и захватную составляющую излучения.

2. • Проведена серия расчетов методом Монте-Карло и экспериментальных работ, на основании которых были:

- сформирована библиотека,стандартных спектров;

- оценены спектральные чувствительности аппаратуры для отдельных элементов;

- получено палеточное обеспечение ДЛЯч определения' величины излучения скважины и прибора по показаниям нейтронного каротажа в.различных геолого-технических условиях;

- разработан алгоритм поэтапного включения; элементов в разложение, обеспечивающий минимизацию погрешности определения массовых содержаний, обусловленную взаимным влиянием элементов.

3. Разработана и обоснована схема учета технических условий'измерений: посредством формирования- спектров излучения прибора и скважины по-показаниям зонда нейтронного каротажа по тепловым нейтронам.

4. Исследовано влияние согласованности энергетической шкалы, и разрешения на. точность определения массовых содержаний» элементов. Определены требования' к ним. Так для- обеспечения точности определения массовых содержаний кальция, кремния1 и железа 2-3%, водорода и хлора 0,2% требования к согласованности шкал составляют 40-60 кэВ, энергетического разрешения 1-1,5%. Предложен алгоритм согласования энергетического разрешения по водородному пику.

5. Предложенная схема обработки-данных была реализована автором в виде программы обработки данных СНГК-89. Практическое опробование показало целесообразность выделения пластовой составляющей излучения при обработке материалов СНГК-89 и корректность используемого для этого палеточного обеспечения. Была подтверждена надежность работы алгоритмов на этапах предварительной подготовки измеренных и модельных спектров к выполнению процедуры разложения, что позволило минимизировать погрешность определения массовых содержаний элементов обусловленную изменяющимися в процессе каротажа характеристиками спектрометрического тракта аппаратуры.

Предлагаемая методика может быть использована для оценки массовых содержаний элементов по показаниям другой аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма-каротажа с ампульным источником нейтронов. Необходимым условием для этого является получение основных палеточных зависимостей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лобода, Надежда Геннадьевна, 2011 год

1. Баранов В.И., Титаева H.A. Радиогеология. М.: Изд. Московского университета, 1973, с.242 , с. 213

2. Бекурц К., Виртц К. Нейтронная физика. М.: Атомиздат, 1968, 450с., с. 29-33.

3. Блюменцев A.M., Онисько М.К., Фельдман И.И. Применение спектрометрического нейтронного гамма-каротажа для изучения серных руд в скважинах. В кн. Ядерная геофизика. Вып. 9, М.: Недра, 1971.

4. Бубеев A.A., Велижанин В.А., Лобода Н.Г. Способы и алгоритмы обработки данных спектрометрического нейтронного гамма-каротажа аппаратурой СНГК-89. // НТВ «Каротажник», Тверь: Изд. АИС., 2011, вып. 8 (206), с.55-72.

5. Зайченко В.Ю. Страницы истории отечественного приборостроения в области геофизических исследований скважин (1917-1991 гг.), Тверь: Изд. АИС, с. 245, с. 144-151.

6. Зив Л.А., Костин В.Л. Постельников А.Ф:, Рязанов Н.П. Влияние свойств среды и параметров скважины на интенсивность жесткого гамма-излучения при нейтронном гамме-каротаже. Рудная геофизика, Труды ЦНИГРИ, вып. 74, 1968.

7. Зив Л.А., Костин В.Л. Постельников А.Ф. Эталонные аппаратурные спектры гамма-лучей радиационного захвата нейтронов; и влияние наних свойств среды и условий измерений в скважинах. Труды ЦНИГРИ, вып. 74, 1968.

8. Ильина Т.Д. Развитие ядерной геофизики в СССР. М. Наука, 1978, с.112-134.

9. Калмыков Г.А., Белохин B.C., Денисов А.И., Старцев A.A., Тарасов В.В. Согласование энергетических шкал многоканальных спектров гамма-каротажа.//Ядерные измерительные информационные технологии, М., 2006г., вып. 1(17), с. 31-37.

10. Кожевников Д.А. Нейтронные характеристики горных пород и их использование в нефтегазопромысловой геологии. М., Недра, 1982, с. 221, с. 30-37.

11. Ларионов В.В. Радиометрия скважин, М. Недра 1969, с.328.

12. Ларионов В:В., Резванов P.A. Ядерная геофизика и радиометрическая разведка. М., Недра, 1976, с. 301, с. 236-291.

13. Лобода Н.Г., Велижанин В:А., Бубеев A.A. Математическое моделирование спектрометрического нейтронного гамма-каротажа. // НТВ «Каротажник», Тверь: Изд. АИС, 2010, вып. 7 (196), с.50-69.

14. Лухминский Б.Е., Тепляков A.B., Применение методов Теории возмущений при решении сложных задач методом Монте-Карло. // НТВ «Каротажник», Тверь: Изд. АИС, 2003; вып. 107, с. 70-76.

15. Лухминский Б.Е. Современное компьютерное моделирование методом Монте-Карло в ядерной геофизике: ретроспектива и перспективы. // Материалы Научно-практической конференции ".Ядерная геофизика 2004". Санкт-Петербург, 2004, с. 26-27.

16. Миллер В.В. Полупроводниковая гамма-спектрометрия при нейтронном каротаже. Теория скважинной ядерной геофизики, М., Недра, 1990, с. 318, 73-76с.

17. Поляченко А.Л. Численные методы в ядерной геофизике. М., Энергоатомиздат, 1987, с. 152, с.6-26.

18. Поляченко А.Л. Теория скважинной ядерной геофизики,//Скважинная ядерная геофизика. М., Недра, 1990, С. 318, с. 6-32.

19. Постельников А.Ф., Зив Л.А. Применение спектрометрии радиационного гамма-излучения для решения некоторых задач каротажа скважин на рудных месторождениях. Труды ЦНИГРИ, вып. 58, 1964.

20. Рыскаль O.E., Коротченко А.Г., Гайнетдинов Р.Г, Шабиев P.P. Применение комплекса методов ядерной геофизики для контроля разработки месторождений нефти и газа. // НТВ «Каротажник», Тверь: Изд. АИС. 2011, вып. 5(203), с.145-169.

21. Фролов В.Т. Литология, книга 1, М.: Изд-во МГУ, 1992, с.336 , с.55.

22. Эйфе К.Г., Якубсон К.И. Методика спектрометрии гамма-излучения радиационного захвата в скважинах. // Ядерно-геофизические методы изучения горных пород и насыщающих их флюидов. М., Недра 1974, с. 256, с. 179-197.

23. ЯкубсонК.И. Сцинтилляционная гамма-спектрометрия при нейтронном каротаже. Теория скважинной ядерной геофизики, М., Недра, 1990, с. 318, с. 65-73.

24. Briesmeister J.I7. (editor). MCNP- a General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4A. Los Alamos National Laboratory Report LA-12625,1993.

25. Document ENDE-102, Revised 2001, Report BNL-NCS-44945-05-Rev. National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory, Upton, N.Y. 11973-500038. Erzinger, J., Becker, K., Dick, H.J.B., and Stokking, L.B. (Eds.),

26. Geochemical logging results from the eastern equatorial pacific. Scientific Results, 1995, Vol. 137-140. ;

27. FlaumC., Pirrie G. Determination of lithology from induced gamma-ray spectroccopy. SPWLA, 22, paper 111-15.

28. GalfordJ., Quirein J:, Shannon S., Field Test Results of a New Neutron-Induced Gamma-Ray Spectroscopy Geochemical Logging Tool, SPE, 2009,v paper 123992.

29. Galford J.E., Herzog R.C., Flaum C., Improving pulsed neutron gamma ray spectroscopy elemental weight percent estimates through automatic dimensioning of the spectral fitting process. SPE, 1988, paper 18151.

30. Grau J. A. Methods and apparatus for borehole corrected spectral analysis of earth formations, U. S. Patent 4,661,701, April, 1987.

31. Grau J. A., Herrón M: M. and Herrón S. L., "Spectroscopy: The Key to Rapid, Reliable Petrophysical Answers". Oilfield Review, Summer 2005;

32. Grau J. A., Schweitzer J. S., "Elemental Concentrations from Gamma-ray Spectroscopy Logs". Nucl. Geophys., Vol 2, № 3, p. 175-181, 1988.

33. Grau J. A., Schweitzer J. S., Hertzog R. Statistical uncertainties of elemental concentrations extracted from neutron induced gamma-ray measurements. Nucl. Sci., 37, p. 2175-2178,1990.

34. Herrón M. M. and Herrón S. L., "Quantitative Lithology: An Application for4

35. Open and Cased Hole Spectroscopy". Transactions of the SPWLA Thirty-seventh Annual Logging Symposium, New Orleans, LA, June 16-19, 1996. Paper E.

36. Herrón S. L., Herrón M. M. Method for estimating lithological fractions using nuclear spectroscopy measurements, U. S. Patent 5,786,591, July, 1998.

37. Herrón S. L., Method and Apparatus for determining elemental concentrationsfor gamma ray spectroscopy tools, U. S. Patent 5,471,057, November, 1995.

38. Hertzog Jr. Methods and apparatus for constituent analysis of earth formation, U. S. Patent 4,317,993, March, 1982.

39. Hertzog R., Colson L., Seeman B., Grau J. A., Schweitzer J. S. Geochemical logging with spectrometry tools. SPE, 1988, Form. Eval., 4: 153-162.

40. Jacobson L.A. and Wyatt D.F. Elemental Yields and Complex Lithology Analysis From the Pulsed Spectral Gamma Log // The Log Analyst. Jan-Feb 1996A.

41. Rinard P.M. (1991). Neutron interactions with matter. In Passive Nondestructive Assay of Nuclear Material, Los Alamos Technical Report NUREG/CR-5550, LA-UR-90-732, 357-377.