СУРС 2
«Импульсный нейтронный каротаж»
Исполнитель:
студент группы РВ-51 С.А.Ярошенко
Проверил: А.А.Абрамович
Гомель 2009
Импульсный нейтронный каротаж.
Нейтронными методами исследования разрезов скважин с использованием стационарных ампульных источников нейтронов, когда горная порода непрерывно облучается потоком быстрых нейтронов, называется постоянный во времени процесс взаимодействия нейтронов с породой, результаты которого фиксируются или по плотности надтепловых нейтронов в ННМ-НТ, или по плотности тепловых нейтронов в ННМ-Т, или по интенсивности гамма-излучения радиационного захвата в НГМ. При этом теряется информация о поведении нейтронов или гамма-квантов во времени и, таким образом, затрудняется или почти полностью исключается возможность раздельного изучения отдельных процессов взаимодействия исследуемых частиц с горной породой. Это снижает общую информативность этих методов. От указанного недостатка свободны импульсные нейтронные методы.
При импульсных нейтронных методах исследования скважин горная порода облучается кратковременными потоками быстрых нейтронов длительностью ∆τ, следующими один за другим через определенные промежутки нейтронного времени τ (рис.1).
Рис1. Форма импульсов в нейтронных методах
Через некоторое время τ з (время задержки) после окончания генерируемого импульса в течении времени ∆τ зам производится измерение плотности нейтронов nт или продуктов их взаимодействия с горной породой.
Последовательно изменяя τ з при постоянном ∆τ, можно получить зависимость плотности нейтронов или интенсивности радиационного гамма-излучения от τ з и таким образом изучить процесс уменьшения исследуемых частиц в горной породе от времени после окончания импульса быстрых нейтронов.
Интерпретируя такого рода зависимости интенсивности исследуемых частиц от времени по соответствующим методикам, можно получить нейтронные характеристики пород по разрезу скважины.
В зависимости от того, какие элементарные частицы регистрируются и при каких временных задержках τ з исследуются нейтронные поля, различают следующие методы: импульсный нейтрон-нейтронный метод по тепловым нейтронам ИННМ, импульсный нейтрон-нейтронный гамма-метод ИНГМ, импульсный метод гамма-излучения неупругого рассеяния ИНГМР.
Наиболее широко применяется импульсно нейтрон-нейтронный каротаж, при котором регистрируется плотность тепловых нейтронов. Пространственно-временное распределение плотности тепловых нейтронов от импульсного источника быстрых нейтронов определяется нейтронными параметрами исследуемой среды, зависящих как от диффузионных характеристик горных пород D и τn так и от длины замедления Lз, характеризующей их замедляющее свойства. Таким образом, данные импульсного нейтрон-нейтронного каротажа несут в себе информацию о водородосодержании пород – через коэффициент диффузии D и длину Lз и о содержании в породах элементов с повышенными сечениями захвата – через среднее время жизни тепловых нейтронов τn.
Величина коэффициента диффузии различных пород варьирует в относительно небольших пределах (0,4∙10-5 - 3∙10-5 см2/с), зависит главным образом от водородосодержания и не зависит от минерализации пластовых вод.
Величина среднего времени жизни тепловых нейтронов горных пород определяется их поглощающими свойствами и изменяется в значительно больших пределах (4,6 – 1065 мкс), чем коэффициент диффузии.
В общем случае двух сред с разным водородосодержанием (D1 
D2) с разными поглощающими свойствами, т.е. среднее время жизни тепловых нейтронов первой среды τ не равно τn2, второй среды на заданном расстоянии от источника, отношение плотностей тепловых нейтронов этих сред
[n1(τ) и n2(τ)].
n1(τ) / n2(τ) 
(D1 D2) exp [τs((1/ τn1) – (1/ τn2))] (1)
Величина n1 /n2 в большей степени зависит от поглощающих свойств гордых пород, чем от замедляющих, что и находит свое отражение при использовании ИННК для изучения разрезов скважин.
Основной измеряемой величиной в импульсно нейтрон-нейтронном каротаже является среднее время жизни тепловых нейтронов τn. Из формулы (1) следует, что, изменяя время задержки τs можно получить сколь угодно большие различия в величинах измеряемых плотностей нейтронов против нефтеносного и водоносного пластов. В этом одно из основных преимуществ импульсного нейтрон-нейтронного каротажа.
Радиус зоны исследования ИННК Rис определяется водородосодержанием среды и временем задержки:
С увеличением водородосодержания среды уменьшается коэффициент диффузии тепловых нейтронов и, следовательно, радиус исследования. Глубинность ИННК непрерывно возрастает с увеличением времени задержки. Однако с увеличением τ3 падает скорость счета импульсов, что приводит к большим статистическим погрешностям измерений.
В силу большой энергии нейтронов, испускаемых скважинным генератором нейтронов (до 14 МэВ), при соответствующем выборе времени задержки (τs = 1000 – 12000 мкс) радиус исследования ИННК (60-80 см) намного превышает глубинность нейтронных методов с ампульными нейтронными источниками. В этом существенное преимущество импульсного нейтрон-нейтронного каротажа.
Размер зонда оказывает влияние на расчленяющую способность ИННК против маломощных пластов и точность определения среднего времени жизни тепловых нейтронов. Длина зонда обуславливается расстоянием от мишени генератора нейтронов до середины индикатора. Точка записи условно относится к мишени прибора. При работе в нефтяных скважинах используется зонд длинной Ln=30 см, в газовых скважинах – зонд с Ln = 50.
Влияние на величину плотности тепловых нейтронов в ИННК положения прибора в скважине относительно ее оси, стальной обсадочной колонны и цементного кольца, зоны проникновения фильтрата промывочной жидкости и других факторов подчинено примерно тем же законом, что и в стандартной модификации ННМ-Т. Однако при достаточно больших временах задержки на характере временного распределения плотности тепловых нейтронов скважинные условия почти не сказываются. Импульсы источника повторяются через небольшое время (обычно 10-400 раз в 1 с) и при ИННК регистрируется интенсивность тепловых нейтронов для некоторого значения времени задержки, усредненная по большому числу импульсов источника.
В ИННК применяется измерительная скважинная установка, состоящая из импульсного скважинного генератора нейтронов и расположенного на некотором фиксированном расстоянии (длина зонда) от него детектора нейтронов. Модель скважинного прибора для работ методом ИННК представлена на рисунке.
Принцип работы скважинного генератора нейтронов следующий. Мишень, представляющая собой один из легких элементов(дейтерий, тритий, бериллий, литий и др.),бомбардируется потоком ускоренных заряженных реакций 2D(d,n) 3He и 3T(d,n) 4He бомбардировки потоком ионов дейтерия (дейтонов) или трития.
Основными конструктивными узлами генератора нейтронов являются ускорительная трубка и источник питания высокого напряжения (рис.). Ускорительная трубка представляет собой стеклянный баллон, заполненный дейтерием (изотопом водорода 2Н).
Рис2. Ускорительная трубка генератора нейтронов
Ионизация дейтерия осуществляется электронами, эмиссируемыми накаленным вольфрамовым катодом электроны ускоряются цилиндрическим анодом и под действием продольного магнитного поля, образованного катушкой, перемещаются вдоль него по спиральным траекториям. Высоковольтный электрод, в котором расположена мишень, питается переменным синусоидальным напряжением с вторичной обмотки высоковольтного трансформатора Тр. При отрицательном потенциале на электроде электроны, не доходя до конца цилиндрического анода, отражаются и таким образом совершают внутри цилиндра колебательные движения, ионизирующие дейтерий. В это же время образовавшиеся положительно заряженные дейтроны ускоряются и, бомбардируя мишень 6 из циркония или титана, насыщенных тритием, генерируют нейтроны с энергией до 14 МэВ.
Расход дейтерия в ускорительной трубке восполняется с помощью натекателя, который представляет собой спираль из титановой проволоки, насыщенной дейтерием. При работе генератора натекатель нагревается током, и сорбированный дейтерий выходит из него в объем трубки.
Генератор нейтронов может работать в непрерывном и импульсном режимах. Импульсный режим работы осуществляется подачей положительного потенциала. На цилиндрический анод подается переменное напряжение в виде прямоугольных импульсов требуемой длительности от специального генератора, синхронизированного с высоковольтным трансформатором Тр. Имеются и другие конструкции генераторов нейтронов.
Существуют два варианта скважинных измерений ИННК – непрерывная запись и запись по точкам.
При точечной записи ИННК получают более точные значения среднего времени жизни тепловых нейтронов а пласте. Его определяют по графикам спада плотности тепловых нейтронов в эталонных скважинах.
Точки замеров выбираются по дифференциациальным кривым ИННК (при фиксированном окне и на различных задержках). Расстояния между точками измерений в однородных нефтеносных пластах большей мощности должны быть 0,6-0,8 м, в литологически неоднородных пластах малой мощности 0,4-0,5 м, в водоносных пластах 0,8-1,0 м. Время замера в каждой точке должно обеспечивать скорость счета в интегральном канале (105-106) импульсов.
Среднее время жизни тепловых нейтронов в пласте можно определить и по непрерывным кривым ИННК, записанным при различном фиксированном временном окне, хотя погрешность измерений в этом случае больше.
При выборе времени задержки и временного окна должно соблюдаться условие τ > τn 
> τз.
С целью уменьшения статистических погрешностей измерения при записи кривых ИННК в нефтяных и газовых скважинах ограничиваются задержками τз=1000 – 1200 мкс.
С увеличением временного окна ∆τз при выбранной задержке повышается скорость счета в канале, а следовательно, уменьшается погрешности измерений. Учитывая диапазон измерения в продуктивных пластах, ∆τ для газоносных пластов следует брать больше, чем для нефтеносных пластов. Обычно при изучении продуктивных пластов принимают ∆τз=200 мкс.
Масштабы записи кривых ИННК выбираются таким, чтобы в исследуемом интервале разреза скважины была максимальная дифференциация пластов в пределах ширины диаграммной ленты.
В методе ИННК, как и в других методах радиометрии скважин, от скорости записи V и постоянной интегрирования τя зависит статистическая точность измерений и влияние на форму кривых инерционности аппаратуры, поэтому при выборе этих величин руководствуются теми же требованиями, что и при проведении гамма-метода. Обычно в практике ИННК V=100-120 м/ч при τя =12 с.
Наиболее близкие к истинным значениям исследуемых пород коэффициент диффузии D и среднее время жизни нейтронов τn получают при достаточно больших временах задержки τз и при условии 
(время жизни тепловых нейтронов в пласте и скважине), когда характер связи n=f(τ) перестает зависеть от параметров скважины. В первый момент после действия импульса быстрых нейтронов в скважине плотность тепловых нейтронов в ней становится выше, чем в пласте, следовательно, диффузия нейтронов направлена преимущественно из скважины в пласт. В следующий момент времени тепловых нейтронов быстрее поглощаются в скважине, так как .
Затем наступает момент, когда плотность тепловых нейтронов в пласте становиться выше, чем в скважине, и тепловые нейтроны диффундируют, наоборот, в скважину. Регистрируемая плотность тепловых нейтронов в этот момент времени будет пропорциональна плотности нейтронов в горной породе, т.е. будет отражать нейтронные характеристики исследуемых пластов.
В случае , промывочная жидкость в скважине должна быть заменена более минерализованной, чтобы выполнялось неравенство .
Импульсный нейтрон-нейтронный каротаж применяется для литологического расчленения разрезов скважин, выделения полезных ископаемых, определения характера насыщения и пористости пород, водонефтяного, газонефтяного и газоводяного контактов.
Для литологического расчленения разреза скважин используют среднее время жизни тепловых нейтронов, определяющее поглощающие свойства горных пород, так как коэффициент их диффузии варьирует в относительно небольших пределах.
Наиболее высокими значениями τn характеризуются такие основные породообразующие минералы, как кварц (1065 мкс), доломит (956 мкс) и кальцит (630 мкс).
Из осадочных горных пород повышенными значениями обладают существенно кварцевые песчаники, низкопористые разности известняков и доломитов (около 800 мкс), пониженными – глинистые и полимиктовые песчаники и глинистые породы (300-330 мкс), а также хлоросодержащие соли и горные породы, обогащенные элементами с аномально высокими сечениями захвата нейтронов (B, Li,Cd и др.), и горные породы, содержащие марганец, железо, титан.
Достаточно контрастно выделяются повышенным значениями угольные пласты.
Пониженным значениями τnn пласты – коллекторы. Однако они более уверенно выделяются в комплексе с другими методами промысловой геофизики.
Определение характера насыщения коллектора и установление ВНК, ГВК и ГНК основано на различном водосодержании и хлоросодержании продуктивных и водоносных пластов. Различное водородосодержание фиксируется величинами D и τn. В отличие от стационарных нейтронных методов импульсный нейтронный метод по тепловым нейтронам позволяет решать эти задачи даже при пониженной минерализации пластовых вод (20-50 г/л).
При высокой минерализации пластовых вод ИННК можно определить также коэффициент нефтенасащения коллекторов, а, следовательно, следить за текущим нефтенасыщением разрабатываемых месторождений.