ФИЗИЧЕСКАЯ ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД И ПЛАСТОВЫХ ФЛЮИДОВ ПО НЕЙТРОННЫМ СВОЙСТВАМ

Результаты теоретических расчетов нейтронных характери­стик горных пород можно непосредственно использовать для оп­ределения в реальной системе прибор — скважина — пласт изме­нений показаний нейтронных методов, обусловленных измене­ниями минерального состава скелета пласта, его плотности, гли­нистости, концентрации элементов-поглотителей, водо-, нефте-и газонасыщенности. Возможность такого эффективного исполь­зования нейтронных характеристик обусловлена принципом фи­зической эквивалентности горных пород и пластовых флюидов.

Принцип физической эквивалентности можно сформулиро­вать следующим образом: при фиксированных технических ус­ловиях измерений в скважине породы, имеющие различный со­став и петрофизические параметры ( , , , , и т. д.), отмечаются одинаковыми показателями, если совпадают их нейтронные характеристики.

Поля излучения в сравниваемых системах могут оставаться физически эквивалентными и при изменении нейтронных харак­теристик этих систем. В таких случаях в соответствии с принципом подобия трансформируются по известному правилу гео­метрические размеры и параметры всех зон [15].

Способ моделирования, основанный на физической эквива­лентности пород, впервые был предложен и применен Е. И. Крапивским и А. А. Бремом [49]. Эти исследователи показали, что при экспериментальных исследованиях можно добиться совпа­дения нейтронных свойств породы (L_s, P_a, D, t) с натурной мо­делью, добавляя в насыпную среду-наполнитель (кварцевый пе­сок, мраморную муку) вещества, хорошо рассеивающие (вода, парафин, полиэтилен, бериллий, углерод) и поглощающие (бор, литий, ртуть и др.) нейтроны, а также изменяя плотность мо­дельной среды добавлением специальных утяжелителей (свинцовой или чугунной дроби, барита, галенита и т. д.). Соотноше­ние компонентов модельной смеси подбирается таким образом, чтобы ее нейтронные характеристики: полный возраст нейтро­нов и вероятность избежать поглощения при замедлении, сече­ния рассеяния и поглощения тепловых нейтронов совпадали с характеристиками изучаемой среды (породы). При одинаковой весовой влажности и плотности сред параметры L_s, , D оказы­ваются близкими. Добавление поглотителей нейтронов позво­ляет добиться совпадения параметров Р_а,t, характеризующих поглощающие свойства.

Изменение водородосодержания (пористости) горных пород существенно влияет на величину нейтронных характеристик, как правило, значительно сильнее, чем изменение их химического состава.

Длина замедления быстрых нейтронов зависит от водо­родосодержания через замедляющую способность (и средний косинус угла рассеяния).

Однако погрешность определения т по величине , обус­ловленная неконтролируемым изменением минералогического состава пласта, может быть значительной. Так, =12 см соответствует песчанику с т = 21 % или доломиту с т =16 %, или ангидриту и известняку с . Соответствующая макси­мальная относительная погрешность определения объемного водонасыщения по длине замедления достигает 30 % отн.

Коэффициент диффузии с изменением минералогического со­става изменяется почти так же, как и длина замедления. Время жизни тепловых нейтронов в первую очередь определяется кон­центрацией сильно поглощающих элементов. При малых кон­центрациях аномальных поглотителей на величину t оказывает заметное влияние также водородосодержание породы.

Из анализа нейтронных характеристик и закономерностей поля излучения в системе скважина — пласт следует, что при количественном определении водородосодержания (водо-, нефте- и газонасыщенности) стационарными методами нейтронометрии скважин критерием физической эквивалентности служит совпадение длин замедления нейтронов в пласте (для ННМнт) или длин миграции тепловых нейтронов (для ННМт). Обосно­ванность этого вывода можно проиллюстрировать результа­тами прямых расчетов методом Монте-Карло, выполненных Ф. X. Еникеевой и Б. К. Журавлевым для различных литотипов при реальной скважинной геометрии (рис. 74), а также экспериментальными данными зарубежных исследователей (рис.75) для одозондового (а) и двухзондового (б) приборов.

В системе скважина-пласт длина переноса захватного гамма-излучения для нейтронного гамма-метода физического смысла не имеет, ине может служить даже приближенным критерием физической эквива­лент­ности пластов раз­личного состава. При одинаковых { , , }разные зоны в систе­ме прибор — скважина—пласт могут сильно различаться по величине излучающей способности и соотношению вкладов в ре­зультирующую зависимость . Если основной вклад дает излучение скважины (например, при регистрации жесткого гамма-излуче­ния с кадмиевым фильтром, усиливающим поглощение тепловых нейтронов в корпусе прибора), то длина миграции тепловых нейтронов может служить приближенным критерием физической эквива­лентности и для НГМ.

Рис.10.7. Обратные величины показаний ННМнт и ННМт (в единицах пока­заний в пресной воде) в породах различного состава как функции водонасыщенной пористости, выраженной через длину замедления (для ННМнт, зонд Z= 47,5 см; кривая 1) и длину миграции М (для ННМт, зонд Z = 50 см; кривая 2) (по данным Ф.X.Еникеевой и Б.К.Журавлева, расчет методом Монте-Карло).

Скважина необсаженная, d_c = 200 мм, прибор ДРСТ прижат к стенке скважины.

Шифр кривых: 1 — известняк; 2 — кварцевый песчаник; 3 — доломит; 4 — полимиктовый песчаник.

Еще один тип инверсионного эффекта для нейтронных методов, впервые отмеченный Ю.А.Гулиным (рис.76), можно назвать «эффектом литологической инверсии», поскольку он связан с влиянием минерального состава.

Зависимость показаний нейтронных (ННМнт и ННМт) и нейтронного гамма-метода можно описать экспонентами, декременты пространственного затухания в которых определяются обратными длинами замедления надтепловых или миграции тепловых нейтронов (λ):

Рис.10.8 а,б. Показания однозондового прибора ННМнт (по Г.Эдмундсону и Л.Раймеру) а): 1 – кварцевый песчаник; 2 – доломит; 3 – известняк; 4 – вода; и интерпретационного параметра двухзондового прибора ННМнт (по Г.Скотту, С.Флауму и Г.Шерману) б): 1 –песчаник, 2 – известняк, 3 – доломит, 4 – насыщение пресной водой, 5 – насыщение соленой водой; 6 – газ при различных соотношениях газ/вода. как функция длины замедления нейтронов для различных литотипов. Длины замедления рассчитаны теоретически. Необсаженная заполненная водой скважина диаметром 20 см.

N(z) ~ exp(-z/λ). (10.271)

Пусть в изучаемом геологическом разрезе присутствуют пласты различных литотипов, нейтронные характеристики которых λ изменяются в неперекры­вающихся интервалах. Перенумеруем литотипы пород в последовательности изменения величин λ_i , выберем пласт «опорной литологии» λ_оп и сформируем интерпретационный параметр в виде отношения

N_i(z)/ N_оп(z) ~ exp[z(1/λ_оп-1/λ_i)] ~ exp(zD_i) , (10.272)

где через D_i обозначена разность

D_i = 1/λ_оп-1/λ_i. (10.273)

При изменении длины зонда (это управляемый параметр) величина интерпретационного параметра ( ) на диаграмме рис.9.76 будет возрастающей при D_i > 0 или убывающей при D_i < 0, причем скорость роста или убывания определяется величиной модуля |D_i|.

Размер зонда z, см

Рис.10.9.«Литологическая инверсия» показаний ННМ и НГМ (по Ю.А.Гулину). Зависимость относительных показаний ННМ_нт и НГМ от длины зонда в пластах разного минерального состава. 1 и 2 – ангидрит; 3 и 4 – каменная соль; 5 и 6 – пористые известняки; 1,3,5 – НГМ; 2,4,6 – ННМ_нт. За единицу приняты показания в плотных известняках.

Необходимость использования физической эквивалентности пластовых флюидов (воды и газа) впервые возникла в связи с задачей определения газонасыщенности коллекторов по данным нейтронометрии скважин. В случае двухфазного флюида (вода, газ) эффективное водонасыщение неглинистого пласта оп­ределяется соотношением [6]

(10.274)

где р — давление газа; р₀ — давление, при котором плотности ядер водорода в воде и в сжатом газе совпадают (при t = 20 °C для воды без растворенного газа р₀ = 62,3 МПа). Это соотноше­ние устанавливает эквивалентность флюидов по плотности ядер водорода. Однако совпадение не обеспечивает совпа­дения параметров замедления , и длины диффузии тепловых нейтронов, т. е. не является условием физической эквивалентности пластовых флюидов (исключение составляет время жизни тепловых нейтронов, поскольку микросечение поглощения у водорода на два порядка больше, чем у углерода, и на три порядка больше, чем у кислорода). Физическая эквивалентность водородного газа и воды в действительности выполняется при давлении , слабо зависящем от начальной энергии нейтронов.

Поскольку нейтронные и термодинамические характеристики углеводородного и водородного газов различаются, физическая эквивалентность воды (нефти) и природного газа будет иметь место при давлении р₀:

(10.275)

где q — атомная единица массы; R — универсальная газовая по­стоянная; v — числа атомов в молекуле газа; Т — температура; Z — коэффициент сжимаемости; п — ядерная плотность газа; и — соответственно возраст (или площадь миграции) нейтронов в газе и воде (нефти) в пластовых условиях.

При одинаковом водородосодержании (точнее, при физиче­ской эквивалентности флюидов) газоносные и водоносные кол­лекторы не удовлетворяют условию физической эквивалентности, поскольку они отличаются объемом твердой фазы (плотностью). Этот плотностной эффект называют эффектом замещения или экскавационным эффектом [107] .

В задачах рудной геологии Е. И. Крапивский предложил при количест­венном определении концентраций нейтронных поглотителей пользоваться понятием эквивалентной концентрации. Эквивалентными называются такие составы и концентрации различных элементов-поглотителей, которым соответствуют одинаковые макросечения поглощения.