Гамма-спектрометрия в комплексе геофизических исследований нефтегазовых скважин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методическое руководство

ГАММА-СПЕКТРОМЕТРИЯ В КОМПЛЕКСЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Москва 1996г.

УДК 550.832.552

Д.А. Кожевников. Гамма-спектрометрия в комплексе геофизических исследований нефтегазовых скважин. -- Методическое пособие. М.: 1998.

Методическое пособие содержит краткое изложение оригинальных результатов разработки интерпретационно-алгоритмического и метрологического обеспечения гамма-спектрометрии (ГМ-С) нефтегазовых скважин, а также разработки адаптивного компонентного анализа (АКА) - новой технологии интегрированной интерпретации данных комплекса ГИС, включающего ГМ-С.

Процедуры индивидуальной интерпретации данных ГМ-С реализуют новую методику выполнения измерений гамма-методами ядерной геофизики (патент Российской Федерации № 2069377). От существующих эта методика отличается более детальными метрологическими измерениями, позволяющими определять специальные метрологические характеристики, которые управляют закономерностями энергетического спектра рассеянного гамма-излучения в радиально-неоднородной системе “прибор-скважина-пласт”. Одной из важнейших характеристик является радиальная чувствительность, определяющая глубинность исследования и вертикальное разрешение аппаратуры в зависимости от энергии регистрируемого гамма-излучения. На конкретных примерах показано, что включение ГМ-С в комплекс ГИС качественно повышает геологическую информативность комплекса и точность результатов интерпретации данных ГИС при решении задач разведки и разработки нефтяных и битумных месторождений в наиболее сложных условиях. Впервые алгоритмизована процедура выделения и оценки сложных коллекторов методом петрофизической фильтрации и предложены способы количественной оценки минералогической и гранулометрической глинистости, содержаний разбухающих глинистых минералов, битумонасыщенности, и др.

Введение

Рождение ядерной физики и ее многочисленных применений в науках о Земле обязаны открытию радиоактивности урановых минералов (А.Becquerel, 1896).

100 лет назад Антуан Анри Беккерель (1852-1908) сделал открытие, которое В.И.Вернадский назвал “открытием не только физическим, но и геологическим”.

Возможность практического использования измерений естественной радиоактивности для изучения разрезов нефтегазовых скважин была убедительно показана в 1933г. (А.П.Кириков, Г.В.Горшков, Л.М.Курбатов, В.А.Шпак и др.). В 1937г. скважинный прибор со счетчиком Гейгера-Мюллера выдержал промышленные испытания в обсаженных работающих скважинах на нефтепромыслах Сызрани. Впервые была продемонстрирована возможность ядерно-физических исследований горных пород и выявления нефте- и водоносных горизонтов в скважинах, законченных бурением и уже эксплуатирующихся. Принципиальное значение имел и сам факт регистрации естественного гамма-излучения пород через стальные обсадные трубы [9,10].

Развитие метода естественной радиоактивности в конце сороковых -- начале пятидесятых годов шло в направлениях создания теории, методики интерпретации, разработки аппаратуры с непрерывной регистрацией. Большой вклад в развитие теории и методики гамма-метода внесли Алексеев Ф.А., Арм Е.М., Блюменцев А.М., Большаков Г.В., Брагин А.А., Булмасов В.А., Бухало О.П., Головацкая И.В., Горшков Г.В., Готтих Р.П., Граммаков А.Г., Грумбков А.П., Гулин Ю.А., Гусаров Д.В., Дахнов В.Н., Золотов А.В., Иванов В.М., Козында Ю.О., Курбатов Л.М., Курочкин П.А., Лазуткина Н.Е., Ларионов В.В., Любавин Ю.П., Мамяшев В.Г., Матчинова Г.П., Мецгер Б.Э., Мухин С.С., Нестеренко Н.Г., Нефедова Н.И., Новиков Г.Ф., Овчинников А.К., Пятахин В.И., Сериков Ю.И., Синицын А.Я., Сребродольский Д.М., Суппе С.А., Федорив Р.Ф., Хабаров В.В., Хайкович И.М., Хуснуллин М.Х, Шашкин В.Л., Шварцман М.Д., Шпак В.А., и другие.

Известны работы зарубежных ученых: - С.Д.Пирсона, Дж.Вола, У.Фертла, П.Киллина, Дж.Херрона, К.Бристоу, Г.Ловберга, Дж.Херста, Я.А.Чубека, и других.

Начало работ по применению ГМ-С в нашей стране относится к середине 50-х годов. В 1956--57 гг. на нефтепромыслах Татарии был опробован первый скважинный многоканальный спектрометр типа ЛС-2, разработанный под руководством Д.Ф.Беспалова.

В 1959--63г.г. были разработаны и широко опробованы на нефтяных и рудных месторождениях пятидесятиканальные гамма-спектрометры типа СГС-1 и ГКС-1. Они были созданы институтами ВНИИЯГГ и ВИРГ совместно с предприятиями Министерства среднего машиностроения СССР. В НИИ и тематических партиях были начаты работы по исследованиям возможностей применения ГМ-С при поисках и разведке полезных ископаемых.

Интенсивное опробование метода происходило в 1963-80 г.г. с применением серийных спектрометров типа СГС-Л разработки ФМИ АН УССР и КОЭЗГП. В этот же период проводились исследования в МИНГ им. И.М. Губкина, ВНИГИК, ВНИИГеоинформсистем, ВИРГ и других организациях по созданию геолого-геохимических основ ГМ-С.

Изучение естественной радиоактивности горных пород -- одно из традиционных научных направлений на кафедре ГИС ГАНГ им. И.М.Губкина. Начало этим исследованиям было положено работами В.Н.Дахнова и В.В.Ларионова, которые стали классическими.

С этим направлением связаны темы многих диссертаций, выполненных на кафедре (М.Г.Гуфранов, С.В.Дворак, З.Н.Жемжурова, В.А.Костерина, П.А.Курочкин, Н.Е.Лазуткина, В.М.Мамяшев, А.М.Морозов, Н.И.Нефедова, Рамадан Альжеди, Ю.И.Сериков, Т.Ф.Соколова, И.Ф.Хатмуллин, М.Д.Шварцман и др.). Важные результаты, полученные этими и другими исследователями, по достоинству можно оценить только теперь, располагая надежной измерительной аппаратурой, необходимыми средствами метрологического обеспечения и цифровой обработки результатов.

Впервые В.В.Ларионовым, а позднее П.А.Курочкиным были выполнены обширные эксперименты на моделях пластов по изучению влияния изменений диаметра необсаженной скважины в различных участках спектра и, в рамках методики приведения показаний к стандартным условиям, выявлена немонотонная зависимость поправочного фактора от энергии регистрируемого гамма-излучения.

80-ые годы отмечены созданием скважинных гамма-спектрометров, обладавших высокими метрологическими и технико-эксплуатационными характеристиками (ВНИГИК, ВНИИгеоинформсистем, НИГИ, ОКБ ГП, ВИРГ). Со спектрометрами повышенной термобаростойкости были выполнены уникальные исследования в Кольской сверхглубокой скважине на глубинах до 12 км (ВНИИЯГГ, ВНИИгеоинформсистем).

Впервые была создана государственная система метрологического обеспечения измерений содержаний урана, тория, калия в скважинах по данным ГМ-С: государственные стандартные образцы содержаний ЕРЭ - ГСО-ЕРЭ (ВНИИгеоинформсистем, ВИРГ).

В начале 70-х годов стало заметным противоречие между прогрессом в развитии вычислительной техники и разработке радиометрической аппаратуры, с одной стороны, и несовершенством интерпретационно-метрологического обеспечения методов радиометрии -- с другой.

В 1974--1986 гг. мной была разработана новая методика выполнения измерений в скважинах гамма-методами, включая ГМ-С, интегральную модификацию метода естественной радиоактивности (ГМ), ГГМ-П и методы нейтронной гамма-спектрометрии [19]. Эта методика отличается от общепринятых более детальными процедурами калибровочных измерений, позволяющими определять специальные (метрологические) характеристики аппаратуры, учитывающие радиальную неоднородность системы скважина-пласт. На основе этой методики были разработаны оригинальные интерпретационные модели и алгоритмы интерпретации.

В частности, на основе этой методики был создан первый алгоритм прямой беспоправочной интерпретации данных ГМ-С, универсально применимый для скважин любой конструкции и гамма-спектрометров любого типа, и не требующий петрофизической настройки по данным анализов керна. Программные реализации этого алгоритма были использованы при интерпретации результатов измерений всеми типами отечественных спектрометров. Были обработаны данные ГМ-С по всем типам отложений: терригенным, карбонатным и вулканогенно-осадочным. При этом решались различные геологические задачи на основе интегрированной интерпретации данных ГМ-С в комплексе ГИС.

Опыт промышленного применения скважинной гамма-спектрометрии показал высокую информативность метода при решении разнообразных геологических задач. Как показывает накопленный опыт, применение ГМ-С существенно повышает эффективность комплекса ГИС в наиболее сложных условиях.

В настоящем пособии дается краткое обобщение результатов, полученных автором и его сотрудниками на кафедре ГИС ГАНГ им. И.М.Губкина. Особенно большая помощь в работе была оказана Н.Е.Лазуткиной, совместно с которой разработан ряд методик и получены многие результаты. В частности, впервые разработана методика адаптивного компонентного анализа и созданы методики решения таких задач, как определение содержаний разбухающих глинистых минералов и пелитовой фракции. За исключением обзорных таблиц, все приведенные в пособии материалы являются оригинальными. Более детальные сведения можно найти в цитированной литературе.

Благодарности

Благодарю Н.В.Алексеева, А.М.Блюменцева, Л.Н.Воронкова, А.В.Городнова, С.А.Дудаева, Г.М.Золоеву, В.Г.Изотова, А.В.Ильинского, Г.А.Калмыкова, А.И.Кедрова, В.А.Костерину, А.Е.Кулинковича, Н.Е.Лазуткину, Б.Ю.Мельчука, Г.А.Петрова, И.В.Рудова, Т.Ф.Соколову, В.Г.Цейтлина, В.Л.Шагина, Р.И.Юсупова за сотрудничество в работе на различных ее этапах.

Д. Кожевников

Сокращения и условные обозначения

o АКА -- адаптивный компонентный анализ

o БМ -- боковой метод

o БЭЗ -- боковое электрическое зондирование

o ВНК -- водо-нефтяной контакт

o ГИС -- геофизические исследования скважин

o ГМ-С -- гамма-метод спектрометрический

o ГМ -- гамма-метод

o ГСО-ЕРЭ -- государственный стандартный образец содержания (-- ний) естественных радиоактивных элементов

o ЕРЭ -- естественные радиоактивные элементы

o ИИС -- информационно-измерительная система

o ИМ -- индукционный метод

o ИМР -- индикаторный метод по радону

o МЭД -- мощность экспозиционной дозы

o ОМП -- опытно -- методическая партия

o ПКУ -- полевое калибровочное устройство

o РОВ -- рассеянное органическое вещество

o РФ -- разбухающая фаза

o ССО -- смешанослойные образования

o ТОВ -- твердое органическое вещество

o ФЕС -- фильтрационно-емкостные свойства

o eU -- урановый эквивалент (суммарное массовое содержание ЕРЭ в единицах содержания равновесного урана, 10- 4 % U)

o aij -- радиальная чувствительность i-го спектрального окна (канала) для j-го радионуклида

o aj (Е) -- радиальная чувствительность для j-го радионуклида многоканального спектрометра с регистрацией полного спектра

o a -- радиальная чувствительность интегрального окна (канала ГМ)

o Cij -- концентрационная чувствительность i-го спектрального окна (канала) для j-го радионуклида

o Cj (Е) -- концентрационная чувствительность для j-го радионуклида многоканального спектрометра с регистрацией полного спектра

o CU -- концентрационная чувствительность по урану (для канала ГМ или интегрального канала гамма-спектрометра)

1. Применения ГМ-С

Включение гамма-спектрометрии в комплексе ГИС обеспечивает существенное повышение геологической эффективности при разведке и разработке месторождений нефти и газа в наиболее сложных условиях. Приведем сводку важнейших применений.

Геологические задачи.

Выделение коллекторов и количественное определение их фильтрационно-емкостных свойств; оценка извлекаемых запасов нефти и газа

Литологическое расчленение разрезов, выявление геохимических и геологических закономерностей, присущих изучаемому разрезу

Литологическая и геохронная (стратиграфическая) корреляция разрезов

Составление проектов разработки месторождений и их мониторинг

Оценка компонентного состава пород, включая содержания битумов, угля, твердой органики

Оценка содержаний отдельных глинистых минералов или их ассоциаций (включая содержания разбухающей фазы) и прогноз их влияния на коллекторские свойства отложений

Определение содержания пелитовой фракции в терригенных отложениях

Разделение аномалий гамма-активности, обусловленных глинистостью, полевошпатовостью или повышенным содержанием урана (радия)

Выделение доломитизированных разностей среди известняков; выделение зон трещинноватости, унаследованных зонами вторичной доломитизации, выяснение природы повышенной радиоактивности доломитов

Выявление обводняющихся пластов в обсаженных скважинах по радиогеохимическим аномалиям и оценка их фильтрационной неоднородности

Уточнение привязки керна по глубине по данным скважинной и лабораторной cпектрометрии

Выявление измененных прискважинных зон и оценка их параметров

Геотехнологические и геоэкологические задачи

Определение технического состояния разведочных, эксплуатационных, нагнетательных скважин

Выявление путей подземной миграции грунтовых и сточных вод

Мониторинг степени загрязнения подземных вод

Выявление и прогноз возможных мест прорыва захороненных стоков и минерализованных вод в пресные водоносные горизонты

Поиск пластов-экранов для захоронения токсичных промышленных отходов

Оконтуривание и ревизия блоков пород, пригодных для создания подземных резервуаров

Контроль радиоактивного загрязнения обсадных колонн, бурового и эксплуатационного оборудования

2. Реализация информационного потенциала гамма-спектрометрии

Пока аппаратура ГМ-С создавалась единичными экземплярами в опытно-экспериментальном порядке, отсутствие интерпретационно-метрологического обеспечения не могло повлиять на эффективность использования метода при решении сугубо качественных задач. В настоящее время созданы технические предпосылки для широкого промышленного применения ГМ-С как в мало-, так и в многоканальной модификациях. Несовершенство интерпретационно-алгоритмического обеспечения могло бы стать тормозом, существенно ограничивающим применение ГМ-С.

Реализация информационного потенциала ГМ-С при решении сложных геологических задач требует высокого совершенства интерпретационно-алгоритмического и метрологического обеспечения.

В рамках однометодной интерпретации данных ГМ-С актуальными являются проблемы учета радиальной неоднородности системы "скважина-пласт", учет активности промежуточных зон (оценка фоновых компонент), учет конечной мощности пластов, индивидуальная метрологическая настройка, исследование помехоустойчивости алгоритма (анализ точностных характеристик), оценка минимально определяемых содержаний ЕРЭ и погрешностей их определения при текущих условиях измерений.

Несмотря на многочисленные работы в этом направлении до недавнего времени не было предложено какого-либо аналитического аппарата для решения обратной задачи гамма-спектрометрии, не оценены погрешности метода, пороги обнаружений ЕРЭ и другие методические проблемы. Интегральная модификация метода естественной радиоактивности -- гамма-метод -- до сих пор интерпретируется исключительно на эмпирическом уровне.

Для учета геолого-технических условий измерений в системе "скважина-пласт" широко используют "поправочную" или "палеточную" методику и применяют эмпирические (экспериментальные) зависимости для приведения показаний к некоторым "стандартным" условиям [42,44--47]. Количество возможных вариаций (число сочетаний) параметров, характеризующих условия измерений, достигает астрономически большой величины. Поэтому необходимые поправочные зависимости находят с помощью физического и/или математического моделирования для весьма ограниченного набора параметров. В случае гамма-спектрометрии "поправочная" методика неприменима в принципе, поскольку изменения соотношений содержаний ЕРЭ в пласте и промежуточных зонах приводят к качественно различному влиянию условий измерений на показания спектрометра в различных дифференциальных каналах.

Промежуточные зоны в системе "прибор-скважина-пласт" могут одновременно являться и поглотителями, и излучателями, чего в принципе не может учесть "поправочная" методика, так как содержания ЕРЭ в пласте являются искомыми параметрами. Использование эмпирических поправочных зависимостей для учета изменений условий измерений не только не позволяет учесть все многообразие этих условий, но и вносит существенные погрешности в результаты интерпретации.

Среди недостатков традиционно используемого в настоящее время метода введения поправок за скважинные условия и приведения к стандартным условиям [44-47] (метода редукции) отметим следующие:

-- методика строго применима только в случае неактивных промежуточных зон и только одного излучателя в пласте;

--гамма-активность промежуточных зон (бурового раствора, глинистой корки, цемента, собственный фон прибора) учитывается очень грубо;

-- последовательное введение поправок за влияние отдельных факторов обуславливает дополнительные алгоритмические погрешности и существенное замедляет интерпретационную процедуру.

Этих недостатков лишен аналитический алгоритм интерпретации данных ГМ-С, основанный на интерпретационной модели автора [4]. Этот алгоритм позволяет производить оперативную высокоточную бескерновую, беспалеточную и беспоправочную интерпретацию данных ГМ-С, полученных как в необсаженных, так и в обсаженных скважинах.

Сложность и многообразие актуальных геологических задач определяют принципиально комплексный подход к их решению, и ставят задачу повышения геологической эффективности комплекса ГИС. Эта проблема решается, с одной стороны, включением гамма-спектрометрии в комплекс ГИС, с другой - усовершенствованием технологий интерпретации с целью реализации информационного потенциала ГМ-С и комплекса ГИС в целом.

Таблица 1. Применения спектрометрии естественного гамма-излучения в скважинах (по У.Фертлу, с уточнениями и дополнениями)

Объекты	Решаемые задачи	Области применения
Песчаники	Выделение глинистых и чистых разностей; определение радиоактивных минералов; выделение собственно глинистых минералов на фоне полевых шпатов, слюд и акцессорных радиоактивных минералов; оценка емкости катионного обмена. Определение характера распределения глинистого вещества в породе, минерального состава глин; оценка интенсивности процессов вторичных преобразований пород. Оценка трещинноватости (открытых и закрытых трещин). Определение содержаний пирита и других сульфидов, а также кислого газа. Выделение истощенных пропластков в слоистом разрезе.	Определение коллекторских свойств терригенных пород; уточнение ФЕС отложений на материке и континентальном шельфе. Определение минерального состава глин, слагающих покрышки нефтяных и газовых залежей, определение содержаний разбухающих глинистых минералов для оптимизации процесса бурения и повышения нефтеотдачи.
Карбонаты	Выделение глинистых и чистых разностей. Выявление открытых и закрытых трещин (известняки, мел, доломиты), наличие стилолитов; выделение проницаемых интервалов в радиоактивных доломитах; выделение истощенных пропластков в слоистом разрезе.	Корреляции литологических изменений; выбор интервалов опробования в многопластовых карбонатных залежах; выделение проницаемых зон в карбонатных толщах. Оценка степени окремнения и доломитизации известняков.
Глины	Определение типа и диагенеза глинистых минералов, емкости катионного обмена; оценка содержания органогенного углерода.	Региональные и площадные корреляции; стратиграфические исследования; детальное литологическое расчленение.
Аргиллиты	Определение литологического состава (аргиллиты, кремнистые сланцы, алевролиты, карбонаты)	Поиск реперов. Уточнение минерального состава твердой фазы породы.
Вулканогены	Определение литологии; выделение вулканогенно-осадочных отложений, вторично измененных геотермальными водами; выявление открытых трещин.	Оценка запасов минералов и углеводородов; корреляции; выбор перспективных для заканчивания интервалов разреза.
Независимо от типа пород	Выявление мест осаждения радиоактивных солей на обсадных колоннах и в перфорированных каналах; определение нефтегазоносных интервалов в частично истощенных слоистых пластах, установление мест затрубной циркуляции, помощь при цементировании (при закачке цемента с радиоактивными добавками) скважины и ее освоении.	Контроль обводненности пластов по радиогеохимическому эффекту.
Эвапориты	Определение литологии, сортности руды, разделение глин и эвапоритов.	Корреляция калийсодержащих ми-нералов; выявление пластов для сброса сточных вод; расчет объема пустот; решение вопросов разработки месторождений.
Угли	Определение литологии, оценка зольности углей, состава золы, теплотворной способности углей	Детальные стратиграфические корреляции; оценка технологических характеристик углей.
Уран	Определение литологии; оценка сортности руды.	Поиск и выделение рудных зон; контроль разработки методом подземного выщелачивания.
Черные и цветные металлы, нерудные ископаемые	Определение литологического состава. Поиск и выделение рудных зон.	Оценка технологического качества руд. Определение подсчетных параметров по основным и сопутствующим элементам.

Таблица 2. Диагностическая значимость отношений массовых содержаний естественных радионуклидов (по У.Фертлу, с дополнениями)

Отношения	Диагностическая значимость
	В осадочных породах отношение Th/U изменяется в зависимости от условий осадкообразования:
	Th/U > 7 -- континентальные условия, окислительная cреда, выветренные почвы;
	Th/U < 7 -- морские осадки, серые и зеленые глинистые сланцы, граувакки;
	Th/U < 2 -- морские черные глинистые сланцы, фосфаты.
Th/U	В изверженных породах большая величина Th/U -- отношения является признаком окислительной среды в период кристаллизации магмы или указанием на ее интенсивное выщелачивание после раскристаллизации.
	Возможность оценки содержания органогенного углерода в глинистых отложениях.
	Выявление типов геологических несогласий по корреляции и циклостратиграфии
	Определение удаленности от древней береговой линии и обнаружение быстрых тектонических подвижек в период осадконакопления.
	Стратиграфические корреляции, выявление трансгрессий и регрессий, окислительно-восстановительных режимов Выявление радиогеохимических аномалий
	Оценка содержания твердого органического вещества в глинистых породах
	Стратиграфические корреляции
U/K	Выявление несогласий, диагенетически преобразованных глинистых, карбонатных и других отложений
	Для терригенных и карбонатных отложений установление связей с кавернами и системами естественных трещин в пластах, а также локальных связей с повышенным содержанием углеводородов по данным гамма-спектрометрии в процессе бурения и после вскрытия пластов; в образцах пород (кернах)
	Выделение типов горных пород в различных фациях
	Восстановление палеогеографических и палеоклиматических условий образования фаций
Th/K	Определение условий осадконакопления, удаленности от древней береговой линии
	Выявление диагенетических изменений глинистых минералов
	Определение типов глин: величина отношения Th/K растет в ряду глауконит - мусковит - гидрослюда - смешанослойные глинистые минералы - каолинит - хлорит - боксит

3. Интерпретационное обеспечение

Еще сравнительно недавно результативность ГM-C принципиально ограничивалась отсутствием обоснованной интерпретационной модели, позволяющей программно учитывать изменения технических условий измерений (диаметр и конструкция скважины, плотность и радиоактивность бурового раствора и цементного камня, диаметр и материал корпуса скважинного спектрометра, положение последнего в скважине, и т.д.).

Интерпретационная модель использует аппарат геометрических факторов и специальные метрологические характеристики аппаратуры -- концентрационные и радиальные чувствительности, геометрический фактор полупространства (“альбедо”).

3.1 Интерпретационная модель

Качество индивидуальной интерпретации определяется адекватностью интерпретационных моделей физическим процессам в системе "прибор-скважина-пласт" и точностью алгоритмов решения соответствующих прямых и обратных задач. Это означает, что интерпретационные модели и алгоритмы методов радиометрии скважин должны отражать физические закономерности процессов переноса излучений в системе "прибор-скважина-пласт" и корректно описывать их на количественном уровне.

Центральное место в разработке методик интерпретации методов с малой глубинностью занимает проблема учета разнообразия технических условий измерений в скважинах и тесно связанная с ней проблема метрологического обеспечения. Для гамма-методов радиометрии скважин автор разработал новую методику выполнения измерений и соответствующие интерпретационные модели и алгоритмы. В этих моделях и алгоритмах используются специальные метрологические характеристики, учитывающие чувствительность показаний к радиальной неоднородности прискважинной зоны. Одной из важнейших является радиальная чувствительность. Для интерпретации результатов измерений методами с малой глубинностью исследования введение радиальной чувствительность имеет принципиальное значение.

Рис.1. Универсальные теоретические зависимости геометрического фактора пласта от безразмерного параметра x при фиксированном эксцентриситете спектрометра (е=0 и е=1). Точки -- экспериментальные данные П.А.Курочкина, кривые -- расчет по интерпретационной модели автора

Рис.1. иллюстрирует экспериментальное подтверждение универсальных зависимостей геометрического фактора пласта от некоторого безразмерного параметра Х (при фиксированном эксцентриситете прибора в скважине). График подтверждает фундаментальное свойство геометрического фактора, справедливое для всех спектральных каналов при переходе к безразмерному параметру Х.

Параметр Х представляет произведение радиальной чувствительности на массовую толщину промежуточных зон. Выявленная универсальность справедлива для любого излучателя (K, U и Th вместе с продуктами распада последних) для любого дифференциального канала, при любом диаметре скважины, промывочной жидкости любого типа (обычный глинистый или утяжеленный баритовый раствор) и любой его плотности, спектрометра любого типа.

3.2 Проверка интерпретационной модели

Точность интерпретационной модели во многом определяет точность решения обратной задачи и соответственно -- алгоритма интерпретации. Наибольший интерес проверка интерпретационной модели представляет для случая многоканальной спектрометрии.

После определения метрологических характеристик интерпретационная модель ГМ-С [13] позволяет решить прямую задачу для любого положения прибора в скважине любой конструкции с промывочной жидкостью любой плотности и состава и любого спектрометра. Мы сравнили такие решения с результатами измерений в моделях смешанного пласта ГСО-ЕРЭ и глинистого пласта (с известными содержаниями ЕРЭ) при различном расположении прибора: на оси или на стенке сухой или заполненной водой скважины. Измерения были выполнены многоканальным спектрометром ВНИИГеосистем (модернизированная аппаратура СГС-Л-6м с кристаллом NaI(Tl) 50x250 мм) на метрологических установках ВНИИЯГГ Г.А.Калмыковым и Н.Л.Кашиной.

Сравнение результатов расчета спектра гамма-излучения, выполненного по интерпретационной модели для смешанного пласта ГСО-ЕРЭ с экспериментальными данными показано на рис.2 и 3. Эти результаты соответствуют расположению прибора на стенке скважины, заполненной водой. Расчетный спектр нанесен жирной линией (1), экспериментальный -- тонкой линией (2), ординаты справа. Расхождение кривых на глаз неразличимо, поскольку расчетный и измеренный спектры практически совпали. Поэтому отдельными кривыми показаны расхождение экспериментальных и расчетных результатов (кривая 4) и коридор изменения среднеквадратичной погрешности измерений (кривая 3).

При всех геометриях расхождения теоретических и измеренных значений (ординаты слева) больше 90% не превышают (средне-квадратичная статистическая погрешность измерений). Для модели глинистого пласта были получены аналогичные результаты (рис.3).

Рис.2. Аппаратурный спектр гамма-излучения в модели глинистого пласта. Прибор расположен на стенке скважины диаметром 20 см, заполненной водой. 1, 2 -- расчетный (1) и экспериментальный (2) спектры; 3 -- коридор изменения среднеквадратичной погрешности измерений; 4 -- расхождение экспериментальных и расчетных результатов

Проверка интерпретационной модели была выполнена также по данным физического и математического моделирования C.Koidzumi [47]. В этой работе для необсаженных и обсаженных скважин различной конструкции (различные диаметры скважин, колонн, различные составы и плотности промывочной жидкости, и т.д.; см. табл. 3) были определены поправки (“спектральные поправочные факторы”) для приведения к стандартным условиям как функции энергии гамма-излучения (рис.4).

Работа [47] следует широко распространенной “поправочной” (или “палеточной”) методике [44--46], которая в принципе неприменима в случае ГМ-С. Результаты этой работы представляют интерес, поскольку:

-- независимо экспериментально подтвержден нетривиальный факт тонкой структуры энергетических зависимостей поправочных функций (а, следовательно, -- и радиальной чувствительности) для частного случая ториевого излучателя;

-- эти данные дают возможность рассчитать радиальную чувствительность и сравнить ее с полученной нами независимо (рис.3).

-- по найденной радиальной чувствительности можно рассчитать “спектральные поправочные факторы” для скважинах различной конструкции и сравнить с экспериментальными данными (табл.3).

Таблица 3. Параметры (см) обсаженных скважин в решении прямой задачи ГМ-С

Вариант	Диаметр скважины	Диаметр колонны	Толщина колонны
1	21.59	17.78	8.05
2	22.86	17.78	8.05
3	31.91	24.45	11.05
“Стандарт”	15.20	15.20	0.1

Для неактивных промежуточных зон и одного излучателя (Th в равновесии с продуктами распада) “спектральный поправочный фактор” SCF (“Spectral Correction Factor”) совпадает с отношением геометрических факторов породы соответственно для стандартных и нестандартных условий.



Рис.3. Спектральный поправочный фактор для трех обсаженных скважин с различными параметрами (табл.3). Жирные линии -- расчет по интерпретационной модели через радиальную чувствительность; тонкие линии -- экспериментальные данные

Скважина заполнена раствором CaCl2 с плотностью 1.2 г/см3.

Для расчета SCF достаточно знать радиальную чувствительность спектрометра и геометрию измерений. Результаты таких расчетов в сравнении с экспериментальными данными показаны на рис. 4. Цифры указывают номер варианта в табл.3. Ствол скважины заполнен раствором хлористого кальция CaCl2 c плотностью 1.2 г/см3; в затрубном пространстве находится цемент с плотностью 2.2 г/см3. Тонкие линии -- экспериментальные данные [47], толстые линии -- расчет по интерпретационной модели [13].

При максимальной величине поправки 330% среднее относительное расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает погрешностей эксперимента. При энергиях менее 0.3 МэВ расхождение обусловлено неучетом фотоэффекта на железе (при определении радиальной чувствительности по воде). Подтверждается, что знания радиальной чувствительности по воде вполне достаточно для надежного количественного описания спектров при энергиях более 0.3 Мэв при практически любой скважинной геометрии. Для мягкой части спектра интерпретационная модель полностью сохраняет свою применимость и при наличии промежуточных зон с тяжелыми элементами (когда проявляется фотоэффект), что учитывается соответствующей методикой определения радиальной чувствительности.

Рис. 4. Сравнение энергетических зависимостей радиальной чувствительности для тория, рассчитанных по экспериментальным данным и по результатам измерений с многоканальным спектрометром

3.3 Алгоритм интерпретации данных ГМ-С

Алгоритм интерпретации данных ГМ-С основан на интерпретационной модели, которая позволяет учитывать влияние любых условий измерений.

Интерпретационная модель ГМ-С допускает обращение относительно искомых петрофизических (интерпретационных) параметров, каковыми являются массовые содержания K, U, Th и урановый эквивалент eU суммарного содержания ЕРЭ (для интегрального канала). Соответствующий алгоритм интерпретации построен в аналитической форме.

Важным достоинством алгоритма является универсальность его применимости для обработки показаний спектрометрической аппаратуры любого типа (как мало-, так и многоканальной, с корпусами различного материала и диаметра, с различными сцинтиблоками, в том числе с кристаллами различного объема и состава, и т.д.). Это означает, что изменение типа скважинного спектрометра (мало- или много- канального) или замена одного сцинтиблока другим (например, с другим кристаллом) не требует изменения алгоритма.

Благодаря тому, что алгоритм является аналитическим обращением интерпретационной модели, он позволяет в наиболее общей форме учесть все многообразие условий измерений.

Алгоритм позволяет производить оперативную высокоточную беспоправочную и бескерновую интерпретацию данных ГМ-С, полученных как в необсаженных, так и в обсаженных скважинах.

Алгоритм сводится к решению системы линейных уравнений для показаний в различных дифференциальных каналах после расчета соответствующих фоновых компонент. Для многоканального спектрометра эта система является переопределенной, она решается методом взвешенных обратных квадратов (веса обратно пропорциональны погрешностям измерений скоростей счета в соответствующих дифференциальных каналах). Фоновые компоненты показаний в спектральных окнах, а также пороги чувствительностей при оценке содержаний ЕРЭ, определяются автоматически (программно).

В зависимости от соотношения содержаний одноименных радионуклидов в пласте и промежуточных зонах, преимущественно проявляются поглощающие или излучающие свойства последних. Соответственно тому, какую роль преимущественно играет промежуточная зона (зоны) -- поглотителя или излучателя -- наблюдается качественно различное влияние условий измерений на показания спектрометра при различных соотношениях содержаний ЕРЭ в пласте и промежуточных зонах. Именно это обстоятельство не учитывается поправочной технологией интерпретации данных ГМ-С.

Учет конечной мощности пластов осуществляется на стадии предварительной обработки данных с помощью параметра радиальной чувствительности. Этот параметр характеризует глубинность исследования и вертикальное разрешение аппаратуры.

Наличие интерпретационной модели не только радикально облегчает построение алгоритма интерпретации, но и существенно повышает точность результатов (в сравнении с эмпирическими алгоритмами). Алгоритм, полученный обращением интерпретационной модели, реализует оперативную, прямую, беспоправочную, беспалеточную и бескерновую ("алгоритмическую") высокоточную интерпретацию данных ГМ-С в необсаженных и обсаженных скважинах.

Свойство обратимости решений прямой и обратной задач ГМ-С при использовании указанного алгоритма позволяет экспрессно получать все необходимые точностные оценки, рассчитывать пороги обнаружения ЕРЭ для каждого пласта с учетом текущих массовых толщин промежуточных зон.

Алгоритм и его программная реализация прошли метрологическую аттестацию во ВНИИгеосистем по результатам измерений аппаратурой "Спектр". При этом установлено, что систематическая погрешность алгоритма и его программной реализации отсутствует.

Алгоритм применим как для мало-, так и для многоканальной модификаций спектрометрии. Использование последней существенно расширяет методические возможности ГМ-С.

3.4 Программная реализация алгоритма (программа “ЕРЭ_Win”)

Программно-алгоритмический комплекс “ЕРЭ_Win” работает в операционной среде “Windows” (программы составлены Е.В. Пятаковым и И.В. Рудовым при участии Н.Е. Лазуткиной и автора).



Программа предоставляет пользователю возможность формирования, редактирования и использования баз данных метрологических характеристик используемых спектрометров, параметров средств поверки аппаратуры ГСО-ЕРЭ и ПКУ, составов глинопорошков и тампонажных цементов.

Программа включает средства визуализации входных данных и результатов расчетов в виде диаграмм и таблиц, а также графики сопоставлений массовых содержаний K-U, U-Th, Th-K по результатам интерпретации.

Входными данными и результатами алгоритмической интерпретации являются следующие величины.

Входные данные:

1. матрица концентрационных чувствительностей (для многоканальной аппаратуры энергетические зависимости концентрационных чувствительностей (задаются аналитически);

2. матрица радиальных чувствительностей (для многоканальной аппаратуры -- энергетические зависимости радиальных чувствительностей);

3. вектор скоростей счетов в каналах;

4. плотность промывочной жидкости (г/см3) и ее тип (обычный раствор или баритовый);

5. диаметр скважины (кавернограмма);

6. плотность и толщина стенки обсадной колонны;

7. плотность и толщина глинистой корки;

8. плотность цементного камня;

9. скорость v регистрации диаграмм (м/час) и постоянная времени ? интегрирующей ячейки (сек) (при ее наличии).

Величины v и ? используются для преобразования динамических аномалий в статические при наличии интегрирующей ячейки. Все диаграммы, включая данные кавернометрии, вводятся в цифровой форме в используемых стандартных форматах. Плотности (электронные) промежуточных зон используются при расчете геометрических факторов зон в системе скважина-пласт (для обсаженных скважин плотность цементного камня вводится по умолчанию; при некачественном цементировании возможна корректировка). При исследовании обсаженных скважин гарантированная точность интерпретации обеспечивается применением гамма-гамма цементометрии для учета распределения цементного камня в заколонном пространстве.

Выходные данные:

-- значения массовых содержаний К, U, Тh в пласте и промежуточных зонах (определяемые по фоновым скоростям счета);

-- суммарное содержание ЕРЭ в пласте в единицах эквивалентного содержания равновесного урана eU;

-- классификация пластов в пространстве содержаний K, U, Th;

-- пределы обнаружения К, U, Тh (минимальные количественно определяемые содержания ЕРЭ).

Для внутреннего контроля результатов определения содержаний ЕРЭ по показаниям калиевого, уранового и ториевого каналов спектрометра используются показания интегрального канала. Проверка производится путем сопоставления значений урановых эквивалентов (eU), определенных по показаниям интегрального канала спектрометра, со значениями eU, рассчитанными как сумма взвешенных массовых содержаний К, U и Th.

Программное обеспечение построено по модульному принципу (рис.8). Модули реализуют предварительную обработку показаний в различных каналах, количественное определение содержаний ЕРЭ и последующий анализ результатов. Программа работает в диалоговом режиме, и включает следующие модули:

· попластовой оценки содержаний естественных радиоактивных элементов (ЕРЭ) а также их суммарного содержания (в единицах уранового эквивалента eU). Результаты обработки выдаются на экран и печать в виде таблицы;

? эталонирования показаний ГМ-С по статистическим характеристикам содержаний ЕРЭ в разрезе эталонной скважины;

? алгоритма для обработки измерений со спектрометрами любой конструкции (при стандартной процедуре метрологического обеспечения алгоритма), в частности, с кристаллами различного состава и объема;

? прямой беспоправочный учет любых скважинных условий (изменение диаметра скважины и ее конструкции: эксцентриситета прибора и колонны, качества цементирования, параметров промывочной жидкости, глинистой корки и цементного кольца);

? автоматическое определение фоновых компонент показаний для каждого пласта в различных дифференциальных каналах даже при отсутствии данных о собственном фоне аппаратуры и содержаний ЕРЭ в промывочной жидкости и цементном камне;

? возможность количественного определения содержаний ЕРЭ даже при изменении метрологических характеристик аппаратуры в процессе эксплуатации.

На рис. 5. показано графическое представление входных массивов (LAS-формат) на панели “ЕРЭ_Win”: диаграммы спектральных каналов. Выходные результаты -- диаграммы массовых содержаний ЕРЭ -- изображаются в попластовой разбивке

Программный комплекс был успешно применен при обработке данных ГМ-С, полученных в терригенных, карбонатных и вулканогенно-осадочных отложениях на месторождениях Зап.Сибири, Волго-Уральского региона, Ставрополья, Татарии, Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции, и др. Некоторые из полученных при этом результатов кратко описываются ниже.

3.5 Погрешности определения содержаний ЕРЭ

Оценка погрешностей определения содержаний калия, урана и тория имеет принципиально важное значение при применении гамма-спектрометрии естественной радиоактивности в разрезах нефтегазовых скважин, характеризующихся кларковыми уровнями содержаний ЕРЭ.

Для решения этой задачи необходимо оценивать степень и характер влияния отдельных технологических факторов на результаты определения содержаний ЕРЭ по показаниям спектрометрической аппаратуры. Особенно важна эта оценка для последующей количественной геологической и петрофизической интерпретации данных ГМ-С в комплексе ГИС. Естественно, при этом необходимо учитывать погрешности интерпретации данных ГМ-С так же, как и погрешности интерпретации других методов комплекса.

Результирующая погрешность ГМ-С включает две основные группы погрешностей. Одни являются систематическими неисключаемыми и могут быть определены до выполнения измерений в скважинах (погрешности программно-алгоритмического и метрологического обеспечения). Другие являются случайными и проявляются непосредственно в процессе измерений.

Систематические составляющие погрешности программно-алгоритмического обеспечения ГМ-С оценивались сопоставлением данных натурных измерений в ГСО-ЕРЭ и данных имитационного моделирования решений прямой задачи ГМ-С для модели пласта со смесью радионуклидов и модели глинистого пласта. Было установлено, что расхождения являются незначимыми, так как лежат в пределах погрешностей аттестации ГСО-ЕРЭ. Систематическая погрешность алгоритма интерпретации и его программной реализации лежит в пределах точности машинных вычислений, то есть практически равна нулю [9,21].

Проверка алгоритма на точность учета конструкции скважины была выполнена в производственных условиях сотрудниками фирмы ”Геокон” и ОМП “Татнефтегеофизика” на Ромашкинском месторождении Татарстана. Для этого оценивалась воспроизводимость содержаний ЕРЭ, определенных по результатам измерений до и после обсадки скважины. Сравнение показало совпадение результатов в пределах погрешностей измерений [2].

По результатам интерпретации спектрометрических измерений в открытом стволе (Ловинское месторождение) и в обсаженной скважине (Южно-Талинское месторождение) проведено сопоставление урановых эквивалентов суммарных содержаний ЕРЭ, определенных по показаниям интегрального канала спектрометра и значений уранового эквивалента eU, вычисленных по содержаниям калия, урана и тория. В обоих случаях коэффициент корреляции превысил 0.9.

Рис. 6. Парциальные погрешности определения содержаний калия (вверху) и урана (внизу) (скважина необсажена): 1- суммарная метрологическая погрешность; 2- статистическая погрешность измерений; 3- погрешность измерения диаметра скважины; 4- погрешность определения плотности промывочной жидкости; 5- погрешность определения толщины глинистой корки; 6 - погрешность задания положения прибора (эксцентриситета) в скважине

На рис.6 показаны вклады различных парциальных погрешностей в суммарные погрешности определении массовых содержаний калия и урана для следующих конкретных условий: аппаратура "Спектр", пласт мощностью 1м, скорость измерений 100м/ч, содержания излучателей QK =5%, QU =50 ppm, QTh =0.5 ppm, толщина глинистой корки 20 мм, прибор прижат к стенке скважины диаметром 200мм. Погрешности задания массовых толщин раствора и глинистой корки приняты 3 и 5% соответственно. При этом суммарные погрешности составляют: по калию -- 12% отн., по урану -- 3.9% отн.

скважина радон коллектор зона

4. Метрологическое обеспечение

Знание метрологических характеристик спектрометра необходимо не только для настройки алгоритма интерпретации данных ГМ-С. Оно позволяет более глубоко разобраться в физических основах метода, обосновать и реализовать способы получения объективной петрофизической и геохимической информации, свободной от влияния скважинных условий и индивидуальных особенностей аппаратуры.

4.1 Метрологические характеристики скважинного спектрометра

Метрологическое обеспечение алгоритма интерпретации заключается в его настройке на метрологические характеристики используемого гамма-спектрометра -- концентрационные и радиальные чувствительности. Метрологические характеристики определяются специальным программным модулем по результатам измерений в государственных стандартных образцах содержаний ЕРЭ (ГСО-ЕРЭ). Программа обработки предусматривает не только расчет метрологических характеристик применяемого спектрометра, но также контроль качества измерений в ГСО-ЕРЭ и контроль качества скважинных измерений.

Для малоканальных спектрометров в алгоритм вводятся матрицы концентрационных и радиальных чувствительностей (табл.4). Если число дифференциальных окон (каналов) велико, так что их ширина становится соизмеримой с разрешением кристалла, матрицы заменяются соответствующими функциями энергии Cj(E) и aj(E).

Зависимости Cj(E) и aj(E) немонотонны, причем последние обладают тонкой структурой с существенно более высоким "разрешением" по энергии, чем зависимости Cj(E). Наличие тонкой структуры aj(E) вытекает из определения их через геометрический фактор пласта. Последний есть функция преобразования энергетического спектра гамма-излучения пласта от j-го излучателя из нерассеянного (при отсутствии промежуточных зон) в спектр многократного рассеяния. В обсаженных скважинах при энергиях менее 0.5 Мэв начинает проявляться эффект фотоэлектрического поглощения гамма-излучения железом.

Рис. 7. Экспериментальные и расчетные (по аналитической аппроксимации) зависимости концентрационных чувствительностей для калия, урана и тория от энергии регистрируемого гамма-излучения E



Рис.8. Эспериментальная и расчетная (по аналитической аппроксимации) зависимости радиальной чувствительности для тория от энергии гамма-квантов E

Рис. 9. Экспериментальная и расчетная зависимости радиальной чувствительности для урана от энергии регистрируемого гамма-излучения E

Знание радиальной чувствительности позволяет рассчитать глубинность исследования как функцию энергии для различных естественных радионуклидов.

Зависимости приведены для центрированного прибора. В случае прибора, прижатого к стенке скважины, глубинности исследования несколько увеличиваются. Отметим, что при энергиях менее 1 МэВ глубинность исследования по калию превышает глубинность исследования по урану и торию.

4.2 Определение метрологических характеристик на ГСО-ЕРЭ

Процедуры определения метрологических характеристик по результатам измерений в ГСО-ЕРЭ (рис.15) предусматривают учет влияния фона (с помощью измерений в фоновой модели) и различия плотностей фоновой и других моделей; расчет метрологических характеристик и контроль качества полученных результатов. Последний выполняется путем решения прямой и/или обратной задачи ГМ-С с использованием показаний в модели смешанного и/или глинистого пласта и сопоставлением с экспериментальными данными (или паспортными данными).

Измерительная процедура включает следующие операции. Измерения проводятся в четырех моделях ГСО-ЕРЭ (калиевой, урановой, ториевой и фоновой) в условиях воздушно-сухой необсаженной скважины и скважины, заполненной буровым раствором (водой).

Измерения проводятся при двух положениях прибора внутри скважины на стенке и на ее оси (табл.4).

Табл. 4. Схема измерений на ГСО-ЕРЭ при определении метрологических характеристик спектрометра

Расположение	Заполнение скважины
прибора	воздух	вода
на стенке	Ji(0,1)	Ji(Т,1)
на оси	Ji(0,0)	Ji(Т,0)

По измерениям, выполненным на ГСО-ЕРЭ, определяются следующие параметры:

-- концентрационные чувствительности аппаратуры;

-- радиальные чувствительности;

-- геометрический фактор полупространства (“альбедо”).

По измерениям, выполненным в моделях смешанного или глинистого пласта проводят оценку достоверности полученных метрологических характеристик. Для этого по результатам измерений определяют концентрации K, U и Th в модели смешанного (глинистого) пласта. Полученные значения сопоставляют с паспортными данными.

4.3 Определение метрологических характеристик на ПКУ

Определение метрологических характеристик скважинных сцинтилляционных спектрометров в производственных условиях производится по измерениям в малогабаритных (транспортабельных) полевых калибровочных устройствах. Конструкция ПКУ в принципе аналогична конструкции малогабаритных стандартных образцов ЕРЭ (МСО-ЕРЭ), используемых для эталонирования канала ГМ.

Как и в случае ГСО-ЕРЭ, измерительная процедура предусматривает проведение измерений в четырех ПКУ -- "калиевом", "урановом", "ториевом" и фоновом.

По результатам замеров определяются концентрационные чувствительности каналов.

Определение радиальных чувствительностей необходимо производить в установках ГСО-ЕРЭ, ввиду отсутствия в ПКУ имитаторов промежуточной зоны. Однако, в отличие от концентрационных чувствительностей, радиальные чувствительности являются существенно более устойчивыми. Их значения по умолчанию вводятся в алгоритм из метрологической базы после задания типа спектрометра.

В отличие от ГСО-ЕРЭ, ПКУ являются радиально-ненасыщенными, т.е. показания прибора в них существенно занижены по сравнению с ГСО-ЕРЭ. Учет ограниченных размеров ПКУ, обусловливающих занижение скоростей счета, производится (метрологическим модулем интерпретирующей программы) с помощью аналитического аппарата геометрических факторов.

В программе Win_ЕРЭ метрологические характеристики спектрометра определяются автоматически (программно). Интерпретирующая программа включает модуль расчета концентрационных чувствительностей по вводимым оператором показаниям спектрометра в ПКУ в соответствующих каналах и характеристикам ПКУ.

Процедуры определения метрологических характеристик включают следующие операции:

1. Расчет содержаний ЕРЭ в ПКУ по данным о габаритах ПКУ, составе и плотности носителя активности.

2. Расчет геометрических факторов ПКУ.

3. Расчет фоновой компоненты показаний.

4. Расчет концентрационных чувствительностей по показаниям, исправленным за влияние натурального фона.

4.4 Теоретический расчет метрологических характеристик

В особых случаях при дефиците метрологической информации возможен (приближенный) расчет метрологических характеристик. Методика расчета основана на относительной устойчивости радиальных чувствительностей (при заданном энергетическом разрешении) и наличии специальных устойчивых (при фиксированной настройке дифференциальных каналов) характеристиках каналов -- “сцинтилляционных констант”, не зависящих от конструкции спектрометра. Расчет выполняется соответствующим модулем программы “ЕРЭ_Win”.

5. “Автономные” применения гамма-спектрометрии

Метод гамма-спектрометрии - не совсем обычный метод ГИС, поскольку дает количественную информацию не об одной (нейтронная пористость или водородосодержание, УЭС, ? ПС и т.д.), а сразу о трех характеристиках пород -- содержаниях K, U, Th. Поэтому, хотя, как и для других методов ГИС, применения ГМ-С наиболее эффективны в комплексе, этот метод позволяет решать некоторые важные задачи автономно. К таким задачам относятся, в частности, выделение зон доломитизации в карбонатных разрезах и выявление обводняющихся пластов в обсаженных скважинах.