1) Дать понятие метода
Метод НК — это метод геофизического исследования горных пород, основанный на облучении их быстрыми нейтронами и последующем анализе взаимодействия нейтронов с веществом породы.
2) Решаемые задачи
- Литологическое расчленение разрезов.
- Определение емкостных параметров пород.
- Выделение границ между пластами с разным насыщением.
- Определение коэффициентов газонасыщенности.
- Определение положения интервалов перфорации и муфтовых соединений обсадных труб.
- Измерение объемного влагосодержания пород.
- Корреляция разрезов скважин.
- Выявление интервалов прорыва газа и перетока жидкости.
- Определение естественной гамма-активности пород (в сочетании с гамма-каротажем).
3) Как работает метод
Нейтронные методы каротажа (НК) — это совокупность геофизических методов, основанных на облучении скважины и горных пород нейтронами и регистрации потоков вторичного излучения, возникающего в результате их взаимодействия с веществом пород. Стационарные источники нейтронов обычно представляют собой смесь вещества, излучающего α-частицы (чаще всего плутоний), и порошка бериллия (бора), заключённую в герметичную ампулу. Нейтроны образуются в реакциях α-излучения с бериллием (бором).
Физическая суть нейтронных каротажных методов заключается в способности нейтронов, будучи электрически нейтральными, свободно проникать сквозь электронные оболочки атомов и взаимодействовать непосредственно с их ядрами. При этом нейтроны теряют энергию, различая быстрые (до 15 МэВ), надтепловые и тепловые (около 0,025 эВ) нейтроны. Интенсивность и характер этого взаимодействия зависят от состава и структуры породы, главным образом — от содержания водорода в порах, связанного с наличием воды или нефти.
В скважину опускают нейтронный источник и детектор, регистрирующий вторичное излучение. Перед детектором устанавливается фильтр, препятствующий прямому попаданию нейтронов из источника в детектор. Быстрые нейтроны, после многочисленных соударений с атомами лёгких элементов, в основном водорода, теряют часть своей энергии и замедляются до тепловых энергий. Часть из них поглощаются ядрами пласта. В основном нейтроны поглощаются водородом
1H + n → 2H + γ
В результате нейтроны низких энергий или гамма кванты регистрируются детектором. Их скорость счета связана с количеством водорода в пласте. В породах с порами, заполненными водой или нефтью, нейтроны замедляются уже на небольших расстояниях от источника. С уменьшением содержания водорода в пласте длина замедления растет, нейтроны становятся тепловыми в области, более близкой к детектору, и число его отсчётов увеличивается. Таким образом, минимумы на диаграмме соответствуют пластам с повышенным содержанием водорода. Существует несколько типов нейтронного каротажа. Это нейтронный гамма-каротаж. Его показания в основном зависят от содержания водорода в исследуемой среде. Он позволяет детектировать как нефть, так и воду.
Основные виды нейтронного каротажа:
- Нейтронный гамма-каротаж (НГК): основан на облучении горной породы быстрыми нейтронами и регистрации гамма-излучения, возникающего при захвате тепловых нейтронов ядрами элементов пород. Энергии регистрируемых гамма-квантов зависят от типа элемента, захватившего нейтрон. На показания НГК главным образом влияет водородосодержание породы: чем оно выше, тем ниже показания прибора (НГК).
- Спектральный нейтронный гамма – каротаж (СНГК): позволяет определять элементный состав пород, благодаря изучению этого спектра энергий. СНГК применяется при разведке залежей рудных полезных ископаемых.
- Нейтрон-нейтронный каротаж (ННК): измеряет поток надтепловых (ННК-НТ) или тепловых (ННК-Т) нейтронов, прошедших через породу. Первый способ практически не зависит от поглощающих свойств среды, а второй — чувствителен к ним. Обычно реализуется на двухзондовой аппаратуре с двумя детекторами нейтронов.
- Импульсный нейтронный каротаж: отличается использованием импульсных источников нейтронов, позволяющих по временным характеристикам рассеяния и поглощения нейтронов эффективнее различать пласты, насыщенные нефтью и водой. Особенно важно это из-за разного влияния содержания минерализованных соединений (например, Cl) на скорость убывания нейтронов после импульса.
- Импульсный нейтронный гамма – каротаж (ИНГК): основан на облучении горных пород импульсными потоками быстрых нейтронов и регистрации гамма - излучения радиационного захвата нейтронов.
НК проводится в необсаженных и обсаженных скважинах. Показания выражаются обычно в импульсах в минуту (имп/мин) — это скорость счета детектора.
Зонды нейтронного каротажа (НК) однотипны и состоят из источника и детектора, между которыми помещен экран. Длиной зонда является расстояние между центрами источника и детектора. Длина зонда НГК обычно составляет 60 см, НКТ – 40-50 см. Применяют также многозондовые, но чаще всего двухзондовые, установки НК. В них детекторы удалены от источника на расстояние 60-70 см (большой зонд) и 30-40 см (малый зонд).
В импульсном нейтронном каротаже импульсный источник нейтронов посылает в окружающую среду через промежутки времени τ кратковременный поток нейтронов - импульс в течении времени ∆τ. В промежутках между импульсами измеряется плотность нейтронов или интенсивность гамма - излучения, вызванного взаимодействием нейтронов с атомами породы, по прошествии определенного времени после окончания импульса (τз) в течение промежутка времени (∆τзам). Источником нейтронов высоких энергий является генератор нейтронов, испускающий поток быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ.
Кривые НК при цифровой записи симметричны относительно середины пласта; границы пластов в этом случае отбиваются по серединам спуска – подъёма кривых; экстремумы кривых соответствуют слоям с повышенным содержанием водорода (вода или нефть), а максимумы — плотным породам и породам с низким содержанием водорода. Показания кривой НК против:
- плотных пород – высокие,
- глин – низкие,
- песчаников – средние,
- углей – низкие,
- известняков пористых – средние.
4) Схема измерения
5) Оборудование
6) Строение зонда
Устройство зонда нейтронного каротажа:
- Источник нейтронов: обычно используется источник быстрых нейтронов, например, ампульный источник на основе америция-241 и бериллия.
- Экраны: 1) Замедлитель нейтронов: Водородсодержащий материал (парафин и т.п.), который замедляет быстрые нейтроны до тепловых. 2)Поглотитель гамма-квантов: Свинец, поглощающий гамма-излучение, чтобы оно не попадало в детектор.
- Детектор: регистрирует нейтроны, замедленные до тепловой энергии или гамма-кванты, возникшие при взаимодействии нейтронов с породой.
- Электронная схема: обрабатывает сигнал от детектора и передает данные на поверхность.
Принцип работы: быстрые нейтроны, испускаемые источником, взаимодействуют с породой. В результате этих взаимодействий нейтроны замедляются до тепловой энергии. Замедленные нейтроны (или гамма-кванты, возникающие при их захвате) регистрируются детектором. Интенсивность нейтронного или гамма-излучения, регистрируемая детектором, зависит от содержания водорода в породе, что позволяет оценить ее пористость.
7) Дополнительные характеристики
| Метод | Радиус исследования | Основные особенности разрешающей способности |
|---|---|---|
| Нейтрон-нейтронный каротаж по тепловым нейтронам (ННК-Т) | До 20–30 см | Радиус ограничен сравнительно малым размером области тепловых нейтронов; разрешающая способность зависит от длины зонда (40–50 см) и расположения детекторов и источника. |
| Нейтронный гамма-каротаж (НГК) | До 30 см | Интегральный метод с зоной исследования около 30 см радиусом; чувствителен к локальным изменениям водородосодержания, позволяет выделять литологические особенности. |
| Импульсный нейтрон-нейтронный каротаж (ИННК) | 60–80 см | Существенно больший радиус исследования за счет высокой энергии нейтронов (до 14 МэВ) и временной селекции; высокая разрешающая способность — возможность выделения маломощных пластов, точное определение средних параметров по времени жизни тепловых нейтронов. |
| Импульсный спектральный нейтронный гамма-каротаж (ИНГК) | Около 20–50 см | Высокое пространственное и химическое разрешение за счет спектрального анализа гамма-излучения и импульсной технологии |
Радиус исследования может рассчитываться по формуле:
Наименьшая толщина исследуемых пластов 0,8 м. и выделяемых пластов 0,4 м.
8) Ограничения метода
Основные ограничения нейтронного каротажа:
- Малый радиус исследования (глубина проникновения нейтронов) — около 20–40 см: ограничивает информативность в условиях большой кавернозности скважины, когда буровой раствор и пористые зоны проникают в зону влияния НК и искажают результаты.
- Зависимость показаний от составов бурового раствора и минерализации воды: наличие в буровом растворе хлора (Cl) и других сильных поглотителей нейтронов приводит к искажению данных, особенно в непрерывном нейтронном гамма-каротаже, снижая точность определения насыщения пласта нефтью или водой.
- Низкая информативность при малой пористости пород (<5%): нейтронные методы основаны на взаимодействии нейтронов с водородом, который содержится в поровом пространстве; при низкой пористости сигнал слабеет и становится менее достоверным.
- Влияние диаметра и состояния ствола скважины: изменения диаметра ствола, наличие каверн и фильтрация бурового раствора вызывают неоднородности в зоне исследования, что ведет к ошибкам интерпретации. Особенно критично для открытых стволов с кавернозностью более 300 мм.
- Неоднозначность при непрерывном излучении: непрерывный нейтронный каротаж не позволяет надёжно отличать воду от нефти, так как оба вещества замедляют нейтроны схожим образом.
Для борьбы с этими ограничениями применяют следующее:
- Использование импульсных источников нейтронов (импульсный нейтронный каротаж, ИННК, ИНГК): временная селекция сигналов после импульса позволяет разделять воздействие поглотителей (например, хлоридов в воде) и улучшать определение типа насыщения (вода/нефть), а также повышать пространственное разрешение.
- Применение двухзондовых и многозондовых систем: позволяют компенсировать влияние локальных неоднородностей и ближней зоны скважины, обеспечивая более надёжные и точные данные.
- Тщательная подготовка скважины к каротажу: проведение исследований не ранее, чем через 7 суток после цементирования, промывка ствола, выбор оптимального времени съёмки — всё это снижает влияние бурового раствора и кавернозности.
- Использование компенсированных зондов с экранами: экраны из водородсодержащих и свинцовых материалов между источником и детектором уменьшают влияние прямого нейтронного и гамма-излучения, повышая точность измерений.
- Комплексный подход с другими методами каротажа: сочетание нейтронного каротажа с гамма-каротажем, электро-, ультразвуковыми методами и пр. помогает уточнять интерпретацию и компенсировать слабые места нейтронного каротажа.
Тест
1. В чем заключается физическая суть метода нейтронного каротажа?
A) В измерении электропроводности пород постоянным током
B) В облучении пород быстрыми нейтронами и регистрации вторичного излучения
C) В измерении естественного гамма-излучения
D) В возбуждении токов в породах электромагнитным полем
2. Основными задачами нейтронного каротажа являются:
A) Определение пористости и водородосодержания пород
B) Измерение температуры бурового раствора
C) Литологическое расчленение и выделение границ пластов
D) Определение коэффициентов газонасыщенности
3. Какие источники нейтронов применяются в нейтронном каротаже?
A) Смесь плутония и бериллия (или америция-241 и бериллия)
B) Радиоактивные соли радия
C) Генераторы нейтронов в импульсных приборах
D) Изотопы калия-40
4. Что является главным фактором, влияющим на показания нейтронного каротажа?
A) Содержание водорода в породе
B) Минеральный состав скелета породы
C) Электропроводность бурового раствора
D) Наличие металлической обсадки
5. Какой тип нейтронного каротажа основан на регистрации гамма-квантов при захвате тепловых нейтронов ядрами элементов пород?
A) Нейтрон-нейтронный каротаж (ННК)
B) Нейтронный гамма-каротаж (НГК)
C) Импульсный нейтронный каротаж (ИННК)
D) Электромагнитный каротаж
6. Чем отличается импульсный нейтронный каротаж от непрерывного?
A) Использует источники постоянного излучения
B) Применяет импульсные потоки быстрых нейтронов с временной селекцией сигналов
C) Позволяет лучше различать нефть и воду по скорости убывания нейтронов
D) Использует только гамма-детекторы
7. Каковы типичные радиусы исследования различных видов нейтронного каротажа?
A) НГК — до 30 см, ННК-Т — до 20–30 см
B) ИННК — до 60–80 см
C) ИНГК — около 20–50 см
D) Все перечисленные значения неверны
8. Как интерпретируются кривые НК?
A) Минимумы на диаграмме соответствуют пластам с повышенным содержанием водорода
B) Максимумы — плотным породам
C) Против глин показания высокие
D) Против песчаников — средние значения
9. Какие факторы могут искажать результаты нейтронного каротажа?
A) Высокая минерализация бурового раствора (наличие хлора)
B) Кавернозность ствола скважины
C) Низкая пористость пород
D) Использование двухзондовой системы
10. Как можно повысить точность нейтронного каротажа?
A) Применением импульсных источников нейтронов
B) Использованием многозондовых систем
C) Совмещением с гамма-каротажем и другими методами
D) Увеличением длины зонда до 5 метров