Повышение эффективности литоплотностного каротажа нефтегазовых скважин

Оценка емкостных свойств нефтегазонасыщенных пластов, характеризующихся коэффициентом пористости (Кп), возможна по данным плотностного гамма-гамма каротажа (ГГК-П). Классический вариант ГГК-П обеспечивает удовлетворительное решение данной задачи только при известном литологи-ческом составе, который определяет плотность скелета горных пород.

Информация о литологическом составе может быть получена на основе измерения эффективного атомного номера горных пород (гэф).

Модификация ГГК с сопряженным во времени и пространстве измерением плотности (а) и эффективного атомного номера Zэф получила название литоплотностного каротажа-ЛПК. Использование ЛПК принципиально позволяет повысить точность и достоверность оценки пористости пород, а в карбонатных разрезах количественно определить содержание доломитов и известняка.

Однако практическая реализация отмеченных потенциальных возможностей метода предполагает высокоточные определения плотности и эффективного атомного номера горных пород. Существующие приборы ЛПК интегрального типа обеспечивают достаточную точность только в отношении плотности. Среднеквадратическая погрешность определения эффективного атомного номера составляет порядка ± 0,75ед., что позволяет лишь качественно дифференцировать геологические разрезы. Исходя из отмеченного, представляется исключительно важным дальнейшее развитие технологии ЛПК как в плане разработки скважинной аппаратуры нового поколения, так и создание помехоустойчивых алгоритмов расчета эффективного атомного номера с учетом влияния основных мешающих физико-геометрических факторов (вариации плотности, изменение параметров промежуточной среды, нестабильность измерительной аппаратуры.

Основой диссертационной работы являются результаты теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ, начатых автором в 197 9 году в НПП «ВНИИГИС». Все исследования выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ бывшего Министерства геологии СССР и Комитета РФ по геологии и использованию недр в рамках научно-технических программ на 1981;1985;1990г.г. и др. по заданию 10, 11-го раздела ОНТП «Разработать и внедрить аппаратурно-методические комплексы и технологии геофизических исследований скважин», по проблеме 0.5.03 «Разработать высокоэффективные геофизические методы и аппаратуру для поисков и разведки месторождений важнейших полезных ископаемых, включая нефть и газ (геофизические методы разведки месторождений)» .

Цель работы. Совершенствование методики гамма-гамма каротажа для решения геологических задач нефтегазовых скважин на основе одновременной количественной оценки эффективного атомного номера, объемной плотности и разработки скважинной аппаратуры нового поколения, обеспечивающих повышение точности и достоверности геофизических исследований.

Основные задачи исследований.

1. Изучение особенностей пространственноэнергетических распределений рассеянного гамма-излучения в условиях природных сред и скважин типовой конструкции и обоснование способов количественной оценки физических параметров горных пород (плотности, эффективного атомного номера).

2. Исследование влияния состава и толщины промежуточной среды (глинистой корки, каверн) и разработка методики ее компенсации при количественной оценке петрофизи-ческих параметров.

3. Обоснование помехоустойчивых алгоритмов определения эффективного атомного номера горных пород произвольного вещественного состава с учетом влияния мешающих физико-геометрических факторов.

4. Разработка новых способов стабилизации энергетической шкалы по форме спектра рассеянного гамма-излучения для скважинной многоканальной спектрометрической аппаратуры ЛПК.

5. Разработка опытного образца цифровой программно-управляемой аппаратуры литоплотностного каротажа (ЛПК-Ц), отвечающей требованиям решения задач нефтепромысловой геологии.

6. Разработка помехоустойчивой технологии инте-грально-спектометрической модификации ЛПК для решения типовых задач и оценка ее геологической эффективности в условиях нефтегазовых скважин.

Методика исследования.

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

2. Математическое моделирование закономерностей про-странтвенно-энергетического распределения рассеянного гамма-излучения на основе теории диффузионного переноса гамма-квантов и экспериментальных исследований на физических моделях пластов различного вещественного состава и плотности.

3. Статистическая обработка и анализ результатов экспериментальных исследований с применением персональных компьютеров.

4. Создание макетных и опытных образцов скважинной многозондовой аппаратуры СГГК.

5. Опытно-производственная апробация, разработка методических рекомендаций и технических средств литоплот-ностного каротажа, оценка их геологической эффективности и внедрение в практику геофизических исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем: теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность детальной дифференциации основных литологических разновидностей нефтегазоносных (горных) пород по плотности и эффективному атомному номеру, определяемых на основе измерения амплитудных характеристик спектральных потоков рассеянного гамма-излучения от источника цезий-137;

— для одновременного определения плотности и эффективного атомного номера предложена интегрально-спектрометрическая модификация литоплотностного каротажа, реализуемая с использованием двух коллимированных интегральных зондов и одного спектрометрического зонда диффузионного типа.

— предложен способ определения эффективного атомного номера, основанный на коррекции спектрального отношения низкоэнергетических и высокоэнергетических потоков рассеянного гамма-излучения, обеспечивающий удовлетворительную точность расчета гэф при временном неконтролируемом дрейфе энергетической шкалы до ± 10%;

— предложен и обоснован номографический способ количественного определения при наличии глинистой корки массовой толщиной до 3,0 г/см2 (при <т"1,5 г/см3);

Достоверность научных положений, выводов, технических решений и рекомендаций подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на государственных и отраслевых образцах пластов эффективного атомного номера, плотности и пористости. Достоверность подтверждается также удовлетворительной сходимостью расчетных значений петрофизических параметров с данными, определенными по образцам керна, и сопоставлением с другими альтернативными методами ГИС (по пористости) в скважинах различных регионов страны.

Основные защищаемые положения.

1. Технология литоплотностного гамма-гамма каротажа, основанная на измерении двух интегральных потоков и полного энергетического спектра рассеянного гамма-излучения, обеспечивающая одновременное определение плотности и эффективного атомного номера горных пород с точностью, удовлетворяющей решению прикладных задач нефтепромысловой геологии.

2. Новые помехоустойчивые способы расчета эффективного атомного номера горных пород, базирующиеся на искусственном создании в спектре ГГК максимума рассеянного излучения в области энергий 180-ь240КэВ, вычислении разностного эффекта или двукратно нормированного спектрального отношения, компенсирующие влияние временного дрейфа энергетической шкалы спектрометра до ± 10%, обеспечивают с учетом плотности пород высокоточные определения эффективного атомного номера при наличии глинистой корки массовой толщиной до 3,0 г/см2.

3. Одновременное измерение по ЛПК, а и гэф, закономерно изменяющихся соответственно от 2,71 до 2,86 г/см3 и от 15,1 до 13,1 ед. в ряду известняк-доломит, количественное определение степени доломитизации карбонатных коллекторов .

Практическая значимость работы заключается:

— в повышении достоверности определения емкостных свойств карбонатных коллекторов за счет оценки степени доломитизации известняков и количественного определения коэффициента пористости с погрешностью, не превышающей.

1, 5-ь2%;

— в повышении информативности измерений разработанной аппаратуры литоплотностного каротажа и повышении чувствительности метода ГГК к гэф за счет регистрации полного спектра рассеянного гаммаизлучения в диапазоне энергий от 30 до 500 КэВ;

— снижении стоимости геофизических исследований скважин в сложных геолого-технических условиях за счет одновременного определения плотности и эффективного атомного номера с применением трехзондовой установки ГГК.

Реализация и внедрение результатов работы.

Для практической реализации предложенной трехзондовой интегрально-спектрометрической модификации ГГК разработана цифровая программно-управляемая аппаратура литоплотностного каротажа. Разработанная методика и б комплектов аппаратуры литоплотностного каротажа в промышленных масштабах используются для исследования нефтегазовых скважин месторождений Урало-Поволжья (АНК «Башнефть», АО «Куйбышевнефть», АО «Оренбургнефть»), коллектора которых сложены породами различного минерального состава (известняки, доломиты, песчаники, смешанные разности).Начато промышленное опробование технологии ЛПК в ПГО" Енисейнеф-тегазгеология" .

Отдельные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для разработки малогабаритной аппаратуры угольно-рудного ряда.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании «Перспективы развития геологоразведочных и буровых работ с целью повышения интенсификации добычи нефти в Азербайджане» (Баку, 1979 г.), Всесоюзном совещании «Гамма-гамма спектрометрия на нефть и твердые полезные ископаемые» (Черноголовка, 1986 г.), региональной научно-технической конференции «Ядерно-физические методы опробования пород и руд. Метрологическое обеспечение геофизических исследований.» (Свердловск, 1986 г.), совещании «Основные направления совершенствования комплексных геофизических исследований при поисках месторождений полезный ископаемых в Сибири и на Дальнем Востоке «(Красноярск, 1986 г.), Международной геофизической конференции «Геофизика и современный мир» (С-Петербург, 1995 г.).

Личное участие автора состоит в постановке теоретических задач, проведении экспериментальных исследований, разработке новых способов расчета петрофизических параметров с компенсацией дрейфа энергетической шкалы, способов учета промежуточной среды, разработке макетных и опытных образцов скважинных приборов и зондов ЛПК-Ц, а также в проведении опытно-промышленных исследований и анализе результатов работ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, включая 3 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, списка литературы, содержащего 83 наименования.

Выводы к 5-ой главе.

— Разработаны опытные образцы цифровой программно-управвляемой аппаратуры ЛПК-Ц интегрально-спектрометрического ГГК, содержащей трехзондовую измерительную установку прижимного типа. Измерение плотности пород осуществляется по двухзондовой методике, аналогичной аппаратуре СГП-2. Измерение эффективного атомного номера производится на отдельном зонде путем обработки полного спектра рассеянного гамма-излучения по методике СГГК.

— Опробование технологии литоплотностного каротажа в условиях нефтегазовых месторождений Урало-Поволжья, разрезы которых сложены породами различного минерального состава (известняки, доломиты песчаники и смешанные разности), показало, что значения гэф пород по ЛПК согласуются с результатами определения литологии по комплексу независимых методов ГКНКГГК-П — АК. В отдельных случаях представляется возможным существенное уточнение диалогического состава пород и их емкостных свойств. По сравнению с интегральной модификацией ЛПК разработанная технология обеспечивает повышение точности определения гэф не менее чем в 1,5+2 раза.

Заключение

.

В результате выполненных теоретических, методических и конструкторских исследований решен ряд вопросов, завершившихся созданием новой интегрально-спектрометрической модификации ЛПК. В процессе исследований получены новые оригинальные результаты, имеющие теоретическое и практическое значение, основными из которых являются:

1. Научно обоснована необходимость разработки интегрально-спектрометрической модификации гамма-гамма каротажа с одновременным определением плотности и эффективного атомного номера, сформулированы требования к современной измерительной аппаратуре и показаны перспективы усовершенствованного ЛПК для детального расчленения геологических разрезов, повышение разрешающей способности метода по мощности пласта, необходимость учета при расчетах гэф примесных минералов, рассчитаны предельные ошибки определения плотности и эффективного атомного номера на примере оценки доломитизации карбонатного разреза.

2. Выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследований, в результате которых установлено:

— спектрометрический гамма-гамма каротаж с регистрацией полного спектра рассеянного гамма-излучения, включая низкоэнергетическую (ЗО-гЮОКэВ), может быть использован для высокоточных количественных определений эффективного атомного номера в диапазоне его изменения от 16 до 18ед. с использованием зонда диффузионного типа размером.

20-г30см и источника первичного излучения изотопа цезий-137;

— основное влияние на показания зонда СГГК оказывает величина вклада высокоэнергетической части в низкоэнергетическую часть рассеянного гамма-излучения, состав и толщина промежуточной среды (глинистая корка, вода), дрейф энергетической шкалы спектрометра;

— вклад высокоэнергетической части в низкоэнергетическую часть рассеянного гамма-излучения, в первом приближении пропорционален потоку высокоэнергетического гамма-излучения (>20 ОКэВ) и может быть учтен аналитически;

— влияние глинистой корки, характеризующейся относительно небольшим диапазоном изменения ст и гэф может быть учтено по предложенной двухмерной номограмме при известной плотности пласта и функции влияния глинистой корки, определяемой по измеренным потокам в низкои высокоэнергетической областях спектра рассеянного излучения;

— компенсация дрейфа энергетической шкалы спектрометра возможна на основе аналитических параметров, зависящих от положения энергетической шкалы и нечувствительных к изменению гэф;

— в нормальных условиях осадочного разреза регистрация излучения в области 30+80КэВ с источником цезий-137 при длине зонда 20 см обеспечивает погрешность определения гэф на уровне ±-0,2+0,Зед., что достаточно для выделения как минимум четырех градаций доломитизации.

3. Разработана комплексная скважинная аппаратура ли-топлотностного гамма-гамма каротажа и средства метрологического обеспечения, основными преимуществами которых являются: трехзондовая интегрально-спектрометрическая скважинная аппаратура обеспечивает одновременное определение плотности и эффективного атомного номера в диапазоне осадочных пород с среднеквадратичными относительными погрешностями, равными соответственно 1,5 +2,0 и 2+3%;

— высокая точность расчета гэф достигается по алгоритму, учитывающему величину вклада высокознергетической части в низкоэнергетическую часть рассеянного гамма-излучения, наличие глинистой корки и дрейф энергетической шкалы;

— впервые реализована эффективная система автоматической подстройки энергетической шкалы по спектру, основанная на создании в области энергий 18СН-240КэВ дополнительного максимума за счет частичной экранировки сцинтил-ляционного детектора;

— единство и достоверность измерений физических параметров различными приборами ЛПК обеспечиваются путем периодической их градуировки на отраслевых ич базовых стандартных образцах плотности и эффективного атомного номера, а также поверок на скважине с помощью полевых калибраторов (ПКУ) по эквивалентному значению ст и гэф;

— для градуировки и аттестации литологического зонда по гэф на основе МОБ плотности обоснован и предложен МОБ гэф, обеспечивающие достоверность измерения параметра с заданной предельной погрешностью;

— устранение влияния каверн на ЛПК достигается за счет использования прижимного устройства и компенсационных алгоритмов расчета петрофизических параметров.

4. Разработаны методическое обеспечение аппаратуры и технология проведения исследований методом ЛПК.

— разработана технология метрологической поверки приборов ЛПК, включающая градуировку в отраслевых и базовых стандартных образцах плотности и эффективного атомного номера и контроль чувствительности в ПКУ на скважинах до и после каротажа;

— разработаны методические рекомендации по проведению измерений с аппаратурой ЛПК и обработке результатов каротажа в нефтегазовых скважинах;

— сформулированы требования к первичным материалам.

ЛПК.

5. Выполнена оценка геологической эффективности разработанной методики и аппаратуры ЛПК в различных геологических условиях.

— показана высокая дифференцирующая способность ЛПК по гэф и, а в отношении горных пород карбонатных и терри-генных разрезов на примере нефтегазовых скважин Татарстана, Башкортостана, Поволжья и др. районов;

— отмечена более высокая надежность оценки емкостных свойств коллекторов по данным литоплотностного каротажа в сравнении с комплексами, включающими нейтронный метод при наличии в пластах водородосодержащих глинистых минералов;

— данные ЛПК позволяют однозначно установить интервалы развития доломитов и доломитизированных разностей, характеризующихся повышенными коллекторскими свойствами;

— по результатам сопоставлений установлена значительно более высокая чувствительность (1,5+2,0 раза) инте-грально-спектрометри-ческой модификации к гэф по сравнению с известной интегральной модификацией ЛПК;

— благодаря более высокой чувствительности определения гэф по предложенной технологии погрешность расчета пористости через плотность с учетом степени доломитизации по ЛПК уменьшается в 1,5+2,0 раза.

Дальнейшее исследование в области ЛПК целесообразно сосредоточить на более глубокой обработке регистрируемой многомерной информации. В частности, представляется весьма перспективной разработка методики учета влияния ближней зоны с использованием полного спектра СГГК.