Главная – Журналы – Геология и геофизика 2010 номер 12

Обоснованы способ измерения и параметры модели каротажного прибора, размещаемого в скважине для определения радиальных неоднородностей химического состава среды в околоскважинном пространстве с высоким пространственным разрешением. Зондирующим фактором, определяющим пространственное разрешение, является время, прошедшее от момента вылета нейтрона из прибора до момента регистрации прибором гамма-излучения от реакции неупругого рассеяния нейтрона (ГИНР) в среде. Интервал времени характеризует расстояние до точки рождения гамма-кванта, а энергия гамма-кванта, прошедшего сквозь среду без взаимодействий, определяет химический элемент, на котором произошло неупругое рассеяние.
Выполненное моделирование показало, что плотность неупругих рассеяний в каждый момент времени оказывается очень хорошо локализованной в пространстве благодаря невысокому числу актов рассеяния быстрых нейтронов: в среднем 1-2 акта. Компактная локализация актов неупругого рассеяния и является основанием для получения высокого радиального разрешения (а при необходимости - и азимутального) при зондировании среды быстрыми нейтронами и измерении нестационарных потоков ГИНР. Регистрация распределений ГИНР во времени обеспечивает также повышение глубинности зондирования, так как мощные потоки ГИНР от близлежащих областей поступают в детектор на малых временах и не перекрывают более слабые потоки ГИНР от дальних областей, так как те достигают детектора позже.
Для оценки радиальной разрешающей способности метода произведены расчеты отклика скважинного прибора в типичных моделях околоскважинного пространства, включающих саму скважину, железную колонну, цемент, зону проникновения бурового раствора и неизмененную породу. В качестве величин, используемых для определения положения границ пространственных неоднородностей и состава среды между этими границами, выбраны зависимости нерассеянных спектральных линий в спектрах ГИНР от времени для элементов Ca, Si, C, O, Fe. Результаты численного моделирования указывают на высокую чувствительность измерений к радиальным границам и на достаточное пространственное разрешение: около 1 см при временной дискретизации измерений на уровне 0.1 нс. Границы переходов от одной радиальной зоны к другой четко отмечаются на временных распределениях крутыми фронтами, длительностью от 0.1 нс (при угле коллимации источника 30°) до 0.15-0.4 нс (при растворе угла 90°).
Сформулирован метод решения обратной задачи, которая состоит в определении границ радиальных зон и химического состава среды в этих зонах. Поиск решения осуществляется в рамках заранее заданной на качественном уровне модели среды, например, "скважина - колонна - цемент - зона проникновения - неизмененная порода". Метод основан на поиске аппроксимирующих модельных кривых к измеренным временным распределениям нерассеянных потоков ГИНР для всех указанных элементов. Поиск ведется путем оптимизации по пространству искомых параметров - расстояний { r_S} от источника нейтронов до границ зон, и концентраций { C } заданных химических соединений в этих зонах. Начальные приближения для искомых параметров { r_S} и { C } рассчитываются путем линейной инверсии измерений, что оказывается весьма точным, так как вклад однократно рассеянных нейтронов в плотность неупругих рассеяний на малых временах (10 нс) составляет в среднем 50-90 %.
Модельные кривые рассчитываются путем численного моделирования процессов переноса нейтронов и гамма-квантов в среде. Подходящим методом расчета является метод Монте-Карло. Так как кратность рассеяния нейтронов невысока, а для гамма-квантов интерес представляет только нерассеянная составляющая, то процесс численного моделирования происходит быстро.
Для практической реализации метода требуется привлечение наиболее современных достижений в областях конструирования нейтронных генераторов, спектрометрических детекторов гамма-излучения и быстрых анализаторов для регистрации процессов субнаносекундной длительности. Использование генераторов "меченых" нейтронов, полупроводниковых Ge-детекторов с электронным охлаждением или быстрых сцинтиблоков высокого энергетического разрешения на основе сцинтилляторов LaBr₃ (Ce) и BaF₂ позволит внедрить предложенный метод в практику каротажных измерений.