Разработка и внедрение методики оценки массовых содержаний породообразующих элементов в разрезах нефтяных скважин по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа (стр. 1 )

На правах рукописи

Разработка и внедрение методики оценки

массовых содержаний породообразующих элементов

в разрезах нефтяных скважин по данным спектрометрического нейтронного гамма-каротажа

Специальность 25.00.10 -

"Геофизика, геофизические методы поисков

полезных ископаемых"

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Дубна – 2011

Работа выполнена в Международном университете природы и человека «Дубна» и ООО "Нефтегазгеофизика»

Научный руководитель –	доктор технических наук, профессор Владислав Дмитриевич Неретин
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, профессор Борис Евгеньевич Лухминский доктор технических наук, профессор Михаил Самойлович Хозяинов
Ведущая организация –	трест «Сургутнефтегеофизика».

Защита состоится 23 декабря 2011 г. в 14.00 в аудитории 1-300 на заседании диссертационного совета Д 800.017.01 при Международном университете природы и человека «Дубна» Московская область, , ; e-mail *****@***ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ МО Международного университета природы, общества и человека «Дубна».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять Ученому секретарю диссертационного совета по указанному адресу.

Автореферат разослан _____ ноября 2011г.

 

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Результаты определения массовых содержаний основных породообразующих элементов используются для корреляции данных по скважинам при разведке и разработке нефтегазовых месторождений, для количественной оценки литологии при моделировании физических свойств пород, получения уточненных данных по пористости, глинистости для определения текущей нефтенасыщенности и в некоторых других приложениях.

При наличии керна решение данных задач, если и вызывает проблемы, то в большей степени технические. Однако, бурение скважин, особенно эксплуатационное бурение, происходит в большинстве случаев без отбора керна. В этом случае безальтернативными для определения элементного состава становятся ядерно-физические методы и, в первую очередь, метод спектрометрического нейтронного гамма-каротажа (СНГК).

Основа метода состоит в облучении породы потоком нейтронов и регистрации на некотором расстоянии от источника нейтронов энергетического спектра гамма-излучения. Так как спектральная характеристика гамма-излучения, испускаемого при радиационном захвате нейтронов ядрами разных элементов, уникальна, то регистрируемый спектр может служить источником для определения массовых содержаний элементов.

Существует ряд факторов, осложняющих оценку массовых содержаний и на протяжении многих лет сдерживающих темпы развития СНГК.

Во-первых, отсутствие необходимой модельной базы для набора библиотеки спектров отдельных элементов, на которые разлагается зарегистрированный спектр.

Во-вторых, процедура поэлементного разложения очень плохо обусловлена. Обусловленность системы быстро ухудшается с ростом ее порядка (числа определяемых элементов), причем тем быстрее, чем хуже энергетическое разрешение применяемого детектора.

В-третьих, при интерпретации данных СНГК необходимо учитывать фоновое излучение прибора и скважины. Сложность этой процедуры связана с необходимостью выявления и учета большого числа геолого-технических факторов.

Все это не позволяло СНГК занять достойное место в комплексе ГИС для нефтяной промышленности, ограничиваясь редкими случаями определения водонефтяного контакта по хлору. На сегодняшний день основной областью применения СНГК является исследование рудных и угольных скважин, и, обычно, целевым образом ориентированных на один-два «полезных» элемента, что позволяет обрабатывать зарегистрированные спектры по упрощенным «оконным» методикам.

Развитие вычислительной техники на современном этапе позволяет достаточно быстро и эффективно проводить решение прямых задач методом математического моделирования с использованием программного комплекса MCNP5 (Monte Carlo N-Particle Transport) и файлов оцененных ядерных данных ENDF (Evaluated Nuclear Data File). В совокупности с существующим натурным модельным парком такие прямые расчеты делают возможным воспроизведение показаний аппаратуры СНГК в различных геолого-технических условиях и, на основании этого, создание методики обработки зарегистрированных спектров.

Прогресс в микроэлектронике, появление высокоэффективных детекторов привели к повышению чувствительности и стабильности измерительной аппаратуры, повысили информативность данных спектрометрических методов.

Перечисленные выше факторы создали предпосылки для разработки и создания современного программно-методического обеспечения СНГК, направленного для решения задач нефтегазовой отрасли с целью оценки массовых содержаний элементов горных пород, пересекаемых скважиной. Это, в свою очередь, подтверждает актуальность данной работы.

Цель исследований:

Создание методики определения массовых содержаний элементов в горных породах, пересекаемых скважиной, по данным спектрометрического нейтронного гамма каротажа для решения задач нефтегазовой отрасли (на примере скважинной аппаратуры СНГК-89).

Задачи исследований:

-  Сформулировать основные геолого-технические условия скважинных исследований с целью математического моделирования скважинных измерений аппаратурой СНГК-89 при проведении расчетов методом Монте-Карло с соответствующей адаптацией программы MCNP5.

-  Обосновать и создать библиотеку спектров определяемых элементов породы, исследовать взаимное влияние элементов на точность определения их массовых содержаний, разработать схему обработки, обеспечивающую минимизацию погрешности их определения.

-  Исследовать на основании данных математического и натурного моделирования влияние технических условий проведения измерений и характеристик аппаратуры на точность определения массовых содержаний элементов, разработать алгоритмы их учета.

-  Разработать методику и программный пакет определения массовых содержаний породообразующих элементов по данным аппаратуры СНГК-89.

-  Оценить достоверность получаемых результатов при опробовании методики в условиях нефтегазовых месторождений Западной и Восточной Сибири.

Защищаемые положения

1.  Математическая модель аппаратуры СНГК-89 в рамках адаптированной программы MCNP5 для моделирования показаний аппаратуры спектрометрического нейтронного гамма каротажа при проведении скважинных исследований в нефтегазовых скважинах.

2.  Результаты математического моделирования по созданию библиотеки элементарных спектров породообразующих элементов и оценке влияния геолого-технических условий проведения каротажа на показания аппаратуры СНГК.

3.  Методика учета влияния технических условий проведения измерений, позволяющая повысить точность определения содержаний породообразующих элементов в породе за счет формирования спектров излучения прибора и скважины по показаниям зонда нейтронного каротажа по тепловым нейтронам.

4.  Алгоритмы автоматического согласования энергетических шкал и энергетического разрешения зарегистрированных гамма спектров, а также схема их разложения на элементарные спектры породообразующих элементов, позволяющие минимизировать погрешность определения массовых содержаний элементов.

5.  Методика и программный пакет определения массовых содержаний породообразующих элементов по данным аппаратуры СНГК-89.

Научная новизна

Создан математический аппарат, позволяющий воспроизводить показания аппаратуры СНГК-89 с необходимой для практики точностью, предоставляющий возможность выделения излучения различных геометрических зон, разделения неупругой и захватной составляющих излучения.

Разработана и обоснована методика обработки данных спектрометрического нейтронного гамма каротажа, позволяющая проводить определение массовых содержаний основных породообразующих элементов в разрезах нефтяных и газовых скважин с необходимой для практики ГИС точностью. В основе методики лежит новый подход к формированию фонового излучения СНГК по показаниям зонда нейтронного каротажа по тепловым нейтронам, позволяющий выделять пластовую составляющую излучения, непосредственно содержащую в себе информацию о составе горных пород.

Фактический материал

Разработка методики основывалась на данных математического моделирования с привлечением результатов натурных замеров в моделях пластов и скважинных измерений, выполненных аппаратурой СНГК-89 ().

В процессе работы и тестирования методики были использованы данные метрологических измерений в тресте «Сургутнефтегеофизика» и центре метрологии и сертификации геофизика» (г. Раменское), материалы ГИС, полученные на скважинах Лянторского, Ватлорского, Восточно-Вычьяхского и Талаканского месторождений. Привлекались данные исследований кернового материала, результаты изучения физических свойств бурового раствора и пластовых флюидов.

Наряду с программами, разработанными автором, в работе использовалась программа MCNP5, моделирующая перенос нейтронов и гамма-квантов в веществе, содержащая библиотеки ядерных данных.

Практическая значимость

Предлагаемая методика позволяют оперативно и достоверно оценивать массовые содержания основных породообразующих элементов по данным аппаратуры СНГК-89.

Результаты интерпретации данных СНГК в дальнейшем могут быть использованы при решении различных геологических задач: корреляции данных по скважинам при разведке и разработке месторождений, количественной оценки литологии при моделировании физических свойств пород и корректировки данных по пористости.

За период годов предлагаемая методика оценки массовых содержаний основных породообразующих элементов применительно к методу углеродно-кислородного каротажа (аппаратура АИМС) применялась при оценке карбонатности коллекторов для получения поправки на нефтенасыщенность более чем в 3000 скважинах для нефтяных компаний , «Лукойл», ТНК-BP, «Роснефть» и др.

Личный вклад

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, непосредственной разработке и обобщении результатов практического применения разработанного программно-методического обеспечения определения массовых содержаний основных породообразующих элементов, в том числе:

- выполнена постановка задачи и сформулированы основные геолого-технические условия скважинных исследований для проведения математического моделирования скважинных измерений аппаратурой СНГК-89 (совместно с );

- выполнены адаптация программы MCNP5 для решения поставленной прямой задачи, проведена серия расчетов по моделированию показаний аппаратуры СНГК-89 в различных геолого-технических условиях, создана библиотека спектров определяемых элементов, исследовано взаимное влияние элементов на точность определения их массовых содержаний;

- исследовано влияние технических условий каротажа и характеристик аппаратуры на точность определения массовых содержаний элементов, разработаны алгоритмы их учета;

- разработана методика и программный пакет определения массовых содержаний породообразующих элементов по данным аппаратуры СНГК-89 (совместно с , );

- проанализированы данные математического и натурного моделирования, на их основании разработана схема обработки данных СНГК, реализованная автором в виде программы обработки данных СНГК-89, проведена оценка достоверности полученных результатов на месторождениях Западной и Восточной Сибири (совместно с , ).

Апробация работы

Результаты работы докладывались на научно-практической конференции

«Ядерная геофизика – 2004» (2004 г., г. Санкт-Петербург) и на 18-й научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов в Международном университете природы, общества и человека «Дубна».

(2011 г., г. Дубна)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ в реферируемых журналах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем работы 107 страниц текста, 36 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 53 наименования.

Диссертационная работа подготовлена в Международном университете природы и человека «Дубна» под научным руководством д. т.н., профессора , общее научное руководство производил заведующий отделом радиоактивного каротажа к. т.н. , которым автор искренне благодарен.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность всем коллегам отдела радиоактивного каротажа ООО “Нефтегазгеофизика”, с которыми проведена основная часть исследований, и, прежде всего, , .

Постоянное содействие в практической реализации идеи работы оказы-вали генеральный директор ООО “Нефтегазгеофизика” д. т.н. , управляющий трестом “Сургутнефтегеофизика” . Автор выражает глубокую признательность сотрудникам геологического отдела треста “Сургутнефтегеофизика” за помощь в поиске и подборе фактического материала.

Содержание работы

Во введении изложены актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, способы и методы решения задач, показаны научная новизна и практическая значимость работы. Выполнен аналитический обзор развития спектрометрического нейтронного гамма метода и изложено современное состояние методического обеспечения данного метода.

Впервые спектроскопические исследования гамма-излучения радиационного захвата нейтронов в скважинах были осуществлены в Советском Союзе лабораторией ядерной геофизики МНИ им. (, , и др.) при разработке методики отбивки водонефтяного контакта по хлору в гг.

Начиная с 1960 г. в лабораториях МИНХ и Г П им. (, , ) был начат широкий цикл исследований по выяснению возможностей СНГК. Результаты исследований показали, что при состоянии измерительной техники того времени метод СНГК может быть использован для выявления в разрезах скважин железных, титановых, хромовых, никелевых руд, медистых песчаников и бурых углей. Аналогичные исследования проводились ВНИИЯГГом (, и др.), ЦНИГРИ (, ) и другими организациями СССР.

Позднее в 1980-х годах в ряде зарубежных публикаций была рассмотрена универсальная схема вычисления массовых содержаний элементов, использующая модель замыкания оксидов и позволяющая в дальнейшем определять литологический состав породы (J. A. Grau, R. C. Hertzog).

Однако временем реализации метода для условий нефтегазовой геофизики можно считать 90-е годы, когда появилась аппаратура ECS компании Schlumberger с программными средствами обработки, обеспечивающая определение массовых содержаний Si, Ca, Fe, S, Cl, H и некоторых других элементов. Большой вклад в разработку методики коли-чественной интерпретации данных СНГК внесли M. M. Herron и S. L. Herron.

В тоже время компания Halliburton (L. A. Jacobson и D. F. Wyatt) реализовала возможность определения массового содержания элементов в породе по данным импульсной модификации СНГК.

В настоящее время во ВНИИА г. Москва также ведется разработка аппаратуры спектрометрического ИНГК нового поколения и его метрологического обеспечения (, и др.), позволяющего получать информации о составе горной породы с абсолютной погрешностью по основным элементам 2-5%.

Ряд отечественных компаний в настоящее время производит аппаратуру СНГК ( «ВНИИГИС» г. Октябрьский, г. Краснодар, г. Тверь). Однако методика количественной интерпретации данных до уровня определения массовых содержаний породообразующих элементов находится в стадии разработки и замедляет процесс внедрения метода СНГК в практику геофизических исследований.

Серьезной помехой для обработки данных СНГК является излучение скважины и прибора, которое сопоставимо с информативным сигналом. Анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта по опубликованным материалам показал, что большинство авторов ограничиваются упоминанием о необходимости очистки измеренного сигнала от фонового излучения без описания принципиальной схемы. В то время как корректный учет излучения скважины и прибора, по мнению автора, является одним из ключевых моментов в методике интерпретации данных СНГК.

Величина и форма мешающего излучения зависит от большого числа геолого-технических факторов и не являются постоянными. Величина фонового излучения определяется плотностью нейтронов в скважине и изменяется по ее разрезу в соответствии с нейтронными свойствами горных пород. Установление функциональных зависимостей между измеряемыми параметрами, характеризующими нейтронный поток, и вкладом излучения прибора и скважины в регистрируемый спектр позволяет повысить информативность данных СНГК. Решение данной задачи возможно средствами математического моделирования.

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с адаптацией программы MCNP5 для решения геофизических задач; обосновывается математическая модель аппаратуры СНГК-89, разработанная с целью воспроизведения показаний аппаратуры средствами математического моделирования; излагается принцип формирования библиотеки стандартных спектров.

Математическая модель аппаратуры характеризуется несколькими составляющими: моделью геометрии расчетов, моделью переноса и взаимодействия ядерного излучения с веществом, функцией источника частиц и функцией детектора. Для получения корректных данных при проведении математического моделирования необходимо учитывать не только процессы, связанные с переносом нейтронов и гамма-квантов в породе, но и процессы, происходящие в детекторе, и, в частности, прохождение электронов через вещество и связанное с ним гамма-излучение.

Модель геометрии расчетов, используемая при моделировании показаний аппаратуры СНГК, включает в себя однородный бесконечный пласт, скважину и прибор. На зондовую часть охранного кожуха прибора нанесена борная защита.

Точечный источник нейтронов располагается на оси прибора и изотропно излучает нейтроны в соответствии со спектральной весовой функцией Pu-Be источника.

При переносе нейтронов учитывается упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват нейтронов. Радиационный захват нейтронов разыгрывается по аналоговой схеме. Для моделирования рассеяния медленных нейтронов на атомах водорода используется s(a, b)-обработка, позволяющая учитывать эффекты химической связи в молекуле воды и тепловое движение атомов. Модель переноса гамма излучения включает фотоэлектрическое поглощение, с последующим учетом флуоресцентных гамма-квантов, комптоновское рассеяние гамма-квантов, а также образование пар электрон-позитрон. Перенос электронов не моделируется, но гамма излучение, индуцированное электронами, учитывается по модели тормозного излучения в толстой мишени.

Гамма излучение неупругого рассеяния нейтронов и радиационного захвата тепловых нейтронов регистрируется детектором, расположенным на фиксированном расстоянии от источника и размещенным в сосуде Дьюара. Энергетическая шкала имеет диапазон 0-10 МэВ и представлена 512 каналами.

Математическое моделирование проводилось с использованием пакета программ MCNP5. Программа MCNP5 была разработана в Лос-Аламосской национальной лаборатории в США и предназначалась для решения задач в области физики ядерных реакторов и радиационной защиты. Изначально она не обладает всеми функциональными возможностями необходимыми для решения геофизических задач. В частности, при моделировании нейтронного гамма-каротажа отсутствует возможность регистрации отдельных энергетических импульсов, создаваемых в детекторе несколькими гамма-квантами, порожденных от одного нейтрона. Задача спектрометрического нейтронного гамма-каротажа может решаться только в два этапа: моделирование процессов переноса нейтронов и гамма-квантов в системе прибор-скважина-пласт, без учета процессов в детекторе и расчет процессов, происходящих непосредственно в детекторе.

Для прямого моделирования задачи автором была проведена адаптации программы, включающая в себя разработку алгоритма регистрации гамма-излучения для моделирования показаний аппаратуры СНГК-89 с дополнительной возможностью выделения гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов.

Внесение изменений в программу МCNP5 проводилось с учетом решаемых методических задач. Поэтому геометрия задачи условно поделена на три зоны: прибор, скважина, пласт. При регистрации гамма-излучения детектором формируются три (по месту рождения гамма-кванта) составляющих спектра: излучение прибора, скважины и пласта. Такое разделение позволило в дальнейшем сформировать библиотеку спектров отдельных элементов, выделить информативный сигнал и оценить излучение скважины и прибора в регистрируемом приборе спектре.

Спектры, полученные математическим моделированием, не учитывают энергетическое разрешение аппаратуры, т. е. являются спектрами поглощенной энергии с разрешением, определяемым канальностью расчетных спектров. Для приведения расчетных спектров к аппаратурному виду выполнялось преобразование

(1)

где E0 – энергия аппаратурного спектра, E – поглощенная энергия, - расчетный спектр поглощенной энергии, – аппаратурный спектр, – функция, характеризующая энергетическое разрешение прибора (определялась по замерам реальной аппаратурой на физических моделях).

Соответствие расчетных спектров, приведенных к аппаратурному виду, спектрам, зарегистрированным аппаратурой СНГК-89, проверялось по выполненным на натурных моделях замерам. На рис. 1 приведен пример сопоставления измеренных и расчетных спектры в одних и тех же условиях измерений. Этот рисунок наглядно показывает адекватность разработанной математической модели аппаратуры и корректность используемого программного обеспечения. Расчетные данные достаточно точно воспроизводят реальные показания аппаратуры СНГК-89 и могут быть использованы для дальнейшей методической работы.

По результатам математического и физического моделирования была сформирована библиотека стандартных спектров элементов, излучения скважины и прибора. Математическим моделированием были получены спектры водорода, натрия, титана и гадолиния. Спектры кальция, кремния, серы, хлора, железа и “прибора” были получены измерениями на натурных моделях и приведены к единым стандартным условиям измерений по данным расчетов методом Монте-Карло. Спектр прибора включает в себя гамма-излучения радиационного захвата нейтронов в материале прибора, гамма-излучения неупругого рассеяния нейтронов и прямое гамма-излучение от источника нейтронов.

Сформированная библиотека тестировалась на решении задачи восстановления аппаратурных спектров. На рис. 2 приведен пример сопоставления аппаратурных спектров, измеренных на натурных моделях пластов, и спектров, восстановленных по результатам разложения. Полученные результаты показывают принципиальную возможность использования данной библиотеки при обработке данных СНГК.

Рис. 1. Сопоставление измеренных и расчетных спектров:

а - бак с водой; б - водонасыщенный кальцит пористостью 0.8 % , dc=216 мм;

в - водонасыщенный кварцит пористостью 16.5%, dc=216мм. Синий цвет – спектр математического моделирования, красный цвет – измеренный спектр

Рис. 2. Сопоставление измеренных и восстановленных спектров:

а - насыпная модель песчаник с известняком 14,9%, dc=196 мм; б - модель стеклянные шарики 37%, dc=196 мм; Синий цвет – спектр, восстановленный по результатам разложения, красный цвет – измеренный спектр

Вторая глава посвящена разработанной схеме обработки данных СНГК, обеспечивающей минимизацию погрешности определения массовых содержаний элементов в породе. Данная методика основывается на достоверных данных математического и натурного моделирования, использует устойчивые математические алгоритмы, учитывает геолого-технологические условия проведения каротажа и характеристики аппаратуры.

В основе методики обработки спектров аппаратуры СНГК-89 лежит схема разложения зарегистрированных спектров на модельные спектры. Однако, в отличие от традиционно принятой схемы, при обработке данных аппаратуры СНГК-89 разложению подвергается не весь зарегистрированный спектр, а лишь пластовая составляющая излучения. Для выделения пластовой составляющей спектра исследуемый (регистрируемый аппаратурой) спектр рассматривается как сумма спектров, сформированных прибором, скважиной и пластом.

Для корректного выделения пластовой составляющей излучения и разложения полученного спектра на составляющие необходимо обеспечить идентичность энергетических шкал и энергетического разрешения всех участвующих в обработке спектров – регистрируемого, приборного, скважинного и модельных. На рис. 3 приведен пример выделения пластовой составляющей регистрируемого спектра до согласования энергетического разрешения спектров (рис. 3А) и после согласования энергетического разрешения (рис. 3Б). Несогласованность энергетического разрешения в 2% по линии водорода уже приводит к серьезному искажению выделенной пластовой составляющей спектра излучения (рис. 3А). На рис. 4 приведены зависимости погрешности определения массовых содержаний элементов, обусловленные несогласованностью энергетических шкал исследуемого и модельных спектров. Зависимости были получены путем деформации спектров, зарегистрированных аппаратурой СНГК-89 на моделях с известным содержанием элементов.

Рис. 3. Влияние несогласованности энергетического разрешения на

корректность выделения пластовой составляющей регистрируемого спектра:

1 – регистрируемый спектр, 2 – спектр излучения пласта, А – до согласования энергетического разрешения, Б – после согласования энергетического разрешения спектров

Рис.4. Абсолютная погрешность определения массовых содержаний элементов, обусловленная несогласованностью энергетических шкал исследуемого и модельных спектров: сдвиг энергетической шкалы указан для линии железа 7650 кэВ: 1 – кальций, 2 – кремний, 3 – водород

Схема обработки данных аппаратуры СНГК-89 состоит из следующих этапов:

– согласование энергетических шкал измеренных и модельных спектров,

– согласование энергетических разрешений измеренных и модельных спектров,

– формирование пластовой составляющей излучения,

– разложение спектра пластовой составляющей на модельные спектры,

– определение массовых содержаний элементов.

Рассмотрим каждый из этапов обработки.

1.  Согласование энергетических шкал измеренных и модельных спектров.

Зарегистрированные аппаратурой СНГК-89 данные представляют собой 512 канальные спектры. Изменение внешних условий в процессе каротажа (главным образом температуры) приводит к искажению энергетической шкалы регистрируемых спектров.

Анализ исследований, проведенных на аппаратурных спектрах и спектрах полученных математическим моделированием, показал, что для обеспечения необходимой точности определения массовых содержаний элементов (кальция, кремния, серы, железа, хлора и др.) требования к согласованности шкал составляют 40-60 кэВ.

Процедура согласования энергетических шкал заключается в определении коэффициентов a и b линейного преобразования энергетической шкалы текущего спектра к энергетической шкале опорного спектра методом наименьших квадратов

(2)

где а - коэффициент преобразования энергетической шкалы, b - сдвиг нуля энергетической шкалы.

Опорный спектр формируется автоматически в соответствии с техническими условиями измерений и типом разреза (терригенный, карбонатный) из спектров, полученных математическим моделированием. Эти спектры имеют согласованные энергетические шкалы, явно выраженные характеристические линии с хорошим разрешением. Использование аппаратурных спектров, полученных натурным моделированием, в отличие от расчетных спектров, снижает качество стабилизации энергетической шкалы.

2.  Согласование энергетических разрешений измеренных и модельных спектров.

Изменение температуры и загрузки спектрометрического тракта также приводят к изменению энергетического разрешения регистрируемых спектров.

Несогласованность энергетического разрешения, в первую очередь, увеличивает погрешность определения водорода и, как следствие этого, возрастает погрешность определения и других элементов. Рассогласование энергетического разрешения на 1,5% увеличивает погрешность определения водорода на 0,3%, при этом содержание водорода в породе в общем случае не превышает 1-2%, погрешность определения других элементов может достигать 2-3%.

Для повышения качества обработки данных СНГК необходимо проводится согласование энергетического разрешения зарегистрированных и модельных спектров. Измеренные спектры имеют худшее разрешение, чем модельные спектры. Поэтому задачу согласования энергетического разрешения спектров легче решать путем увеличения разрешения модельных спектров.

Библиотека модельных спектров для обработки данных СНГК сформирована из спектров, измеренных на натурных моделях, и спектров, полученных математическим моделированием.

Спектры, полученные математическим моделированием, не учитывают энергетическое разрешение аппаратуры. Для согласования разрешения спектров использовалось распределение Гаусса (1).

Стандартное отклонение непосредственно связано с энергетическим разрешением, и поскольку согласование разрешения спектров осуществляется по пику водорода, то эту функцию удобно записать в виде

(3)

где - разрешение зарегистрированных спектров по пику водорода, - функция, характеризующая зависимость разрешения от энергии регистрируемой частицы (определяется по модельным замерам с реальной аппаратурой).

При согласовании разрешений модельных спектров, полученных на натурных моделях, воспользоваться выше описанной схемой напрямую нельзя, поскольку аппаратурные спектры изначально имеют некоторое разрешение

, а функция Гаусса не является ни аддитивной, ни мультипликативной относительно разрешения (стандартного отклонения). При изменении разрешения (увеличении) аппаратурных спектров стандартное отклонение вычисляется по формуле

(4)

где - кажущееся разрешение, которое необходимо наложить на аппаратурный спектр (не нулевого разрешения) для получения спектра с разрешением .

Кажущееся разрешение определяется по функциональной зависимости , которая была получена путем исследования спектров математического моделирования. На рис. 5 представлена функциональная зависимость , построенная для модельных спектров с начальным разрешением по водороду 7%.

Предлагаемая схема согласования энергетического разрешения была опробована на скважинном материале. Опробование показало, что данный подход позволяет достаточно точно согласовывать энергетическое разрешение без построения итерационных схем, требующих дополнительных временных затрат.

Рис. 5. Функциональная зависимость для определения кажущегося разрешения

3.  Выделение пластовой составляющей излучения.

В предлагаемой методике регистрируемый аппаратурой СНГК спектр S(E) рассматривается как сумма спектров, сформированных несколькими геометрическими зонами (прибором, скважиной и пластом):

S(E) = Sпл(E) + Sскв(E) + Sпр(E), (5)

где Sпл(E), Sскв(E), Sпр(E) – составляющие излучения пласта, скважины и прибора, соответственно.

Информацию о составе горных пород несет в себе пластовая составляющая излучения. Поэтому для определения массовых содержаний элементов в породе необходимо очистить зарегистрированный спектр от излучения прибора и скважины

Sпл(E) = S(E) - Sпр(E) - Sскв(E). (6)

Спектр излучения прибора Sпр(E) для экранированной бором аппаратуры слабо зависит от условий измерений и является стандартным для данного типа аппаратуры. При формировании излучения прибора необходимо учитывать только мощность источника A:

S пр(E) )=A×φпр(E), (7)

где φпр(E) – спектр излучения прибора для единичной мощности источника.

Излучение скважины непостоянно и зависит от многих геолого-технических факторов: конструкции скважины, типа промывочной жидкости, мощности источника и нейтронных характеристик породы. Конфигурация спектра излучения скважины определяется конструкцией скважины и типом (составом) промывочной жидкости. При обработке открытого ствола в набор стандартных спектров включены спектры пресного, минерализованного и глинистого раствора, соответствующие единичной мощности источника и диаметру скважины 196мм. Амплитуда спектров излучения скважины зависит от мощности источника A, диаметра скважины dc, минерализации Cпж, плотности раствора σпж и распределения поля тепловых нейтронов в системе пласт-скважина. Диаметр скважины, минерализация и плотность раствора определяются техническими условиями проведения каротажа и считаются постоянными (условно) в интервале исследования. Распределение тепловых нейтронов определяется по показаниям нейтронного каротажа. Зависимость излучения скважины от перечисленных выше параметров имеет вид