Нейтронный каротаж

1. Дать понятие метода
2. Решаемые задачи
3. Как работает метод
4. Схема измерения
5. Оборудование
6. Строение зонда
7. Дополнительные характеристики
8. Ограничения метода 

1) Метод НК — это метод геофизического исследования горных пород, основанный на облучении их быстрыми нейтронами и последующем анализе взаимодействия нейтронов с веществом породы.

2) 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) 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 (τ_з) в течение промежутка времени (∆τ_зам). 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.

5)  Схема расположения механизмов и узлов во время проведения каротажных работ

Схема сборки каротажной станции

Типовое устройство каротажной станции:

Скважинный прибор (СП) включает в себя первичный преобразователь и некоторые вспомогательные устройства в зависимости от типа и назначения исследований.

Каротажный кабель – линия связи между СП и наземной частью измерительной аппаратуры.

Спуско-подъемное оборудование: (лебедка, бензоэлектрический агрегат, комплект вспомогательных проводов).

Спулер (лапа). Роликовая система с датчиками параметров, служит для укладки кабеля, измеряет скорость, глубину и имеет датчик магнитных меток. бывает разных видов и модификаций. Всю информацию с датчиков выводит на панель машиниста, с пульта машиниста данные передаются на каротажный регистратор.

Схема компьютеризированной каротажной станции

Блок геофизический (БГФ-05). Обеспечивает непрерывное декодирование информации от скважинного прибора, работу системы измерения глубины и скорости прибора. Соединяется с внешним компьютером и с другими блоками. В БГФ находится источник управляющих напряжений (ИУН) с выходной мощностью 150Вт.

Блок коммутации (БК-05). Осуществляет необходимые коммутации между тремя жилами кабеля, двумя источниками питания и входами АЦП блока геофизического, а также формирует цифровые последовательности, необходимые для управления скважинными приборами.

Плоттер (ПЛ-05). Обеспечивает представление результатов измерений в виде каротажных диаграмм на термобумаге.

Регистратор обеспечивает запись измеряемых параметров в функции глубины скважины в аналоговой или цифровой форме. ПО каротажного регистратора позволяет редактировать данные для максимального точных проведений геофизических исследований.

Панель машиниста

Обычно унифицированы и без изменений входят в состав различных каротажных станций. Служит для: контроля спуско-подъемных операций, управления лебедкой и управления двигателем.

Колтюбинг:

Колтюбинг – самая эффективная технология доставки геофизических приборов с применением гибкой трубы, оборудованной трехжильным геофизическим кабелем, с целью проведения исследований в скважинах с горизонтальным окончанием, в том числе оборудованных компоновкой с изменяющимся внутренним диаметром (хвостовиком с многоступенчатой конструкцией для проведения поинтервального ГРП).

Суть технологии заключается в том, что спускаются гибкие, непрерывные трубы, которые могут изгибаться под землей, работать в боковых и горизонтальных стволах.

Оборудование для колтюбинга включает не только гибкие металлические трубы на установке, но и различное внутрискважинное и наземное оборудование:

• колтюбинговый агрегат (в т.ч. катушку с трубами, инжекторную головку);
• буровой насос;
• бустерную установку или специальные компрессоры для нагнетания инертного газа;
• технику для нагрева технологической жидкости, генератор инертного газа и разнообразное устьевое оборудование.

В состав дополнительного оборудования могут также входить и забойные двигатели, многочисленные насадки, режущие инструменты, породоразрушающие инструменты, отклонители, пакеры и др. приборы.

Общий вид колтюбинговой установки

Схема доставки прибора колтюбингом

Достоинства колтюбинговой установки для проведения гис:

• Снижение временных затрат на проведение исследований и непроизводительных простоев скважины за счёт более высокой скорости доставки геофизических приборов.
• Возможность выполнения каротажа в горизонтальных скважинах, оборудованных компоновкой с изменяющимся внутренним диаметром (хвостовиком с многоступенчатой конструкцией для проведения поинтервального ГРП) за счет безмуфтовой гибкой трубы.
• Более низкая вероятность прихвата в скважине за счёт меньшего диаметра инструмента.
• Более высокая вероятность освобождения геофизического прибора и гибкой трубы за счёт жёсткости самой трубы и более высокой нагрузки на инструмент в случае возникновения осложнений в скважине.

К недостаткам этого способа относят его высокую стоимость. В настоящее время колтюбинговые технологии пользуются спросом при ремонте ГС

Трактор:

Технология доставки геофизических приборов с помощью скважинного трактора (иногда называют "геофизический трактор") предназначена для эффективного продвижения приборов на забой в сильно наклонных и горизонтальных скважинах, где при обычной доставке за счет тяжести приборы не доходят до нужной глубины.

Ключевые особенности и преимущества технологии доставки на тракторе:

• Скважинный трактор — это специальное силовое устройство (движитель), которое крепится к приборной сборке и обеспечивает её продвижение по наклонным и горизонтальным участкам скважины за счет собственного привода. Это позволяет достичь глубин и зон, недоступных при доставке обычным способом через тяжесть прибора или бурильные трубы.
• Трактор облегчает работу, сокращает время доставки приборов, снижает риски, связанные с проведением работ по подаче геофизического оборудования.
• В сравнении с колтюбинговой технологией (доставка на кабеле при помощи циркуляции), трактор не ограничен максимальной глубиной и позволяет доставлять приборы в сложных геометрических участках ствола, а также является более распространённым и бюджетным способом. 
• Для расчёта массы и обеспечения стабильного движения к прибору сверху присоединяют "движитель" — иногда это несколько насосно-компрессорных труб (УБТ) либо гидравлические/механические устройства, которые проталкивают прибор на нужный участок.
• Использование трактора упрощает работу при исследовании боковых, горизонтальных и субгоризонтальных стволов длиной от 1000 до 7000 м и более.
• Технология внедрена и развивается в России и за рубежом, обладает промышленной практичностью и позволяет повысить качество исследований при сложных геофизических условиях.

6) 

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) 

8) 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.