10.1. Способы измерений иннм (ингм) и алгоритмы определения диффузионных характеристик горных пород

Показания импульсных нейтронных методов зависят от тех же физических свойств горных пород, что и показания при исследованиях со стационарными источниками нейтронов. Од­нако ИННМ выгодно отличаются от стационарных нейтронных методов возможностью количественного определения диффузи­онных характеристик горных пород, высокой чувствительностью к изменению минерализации (хлоросодержания) пластовой жидкости, значительно меньшим уровнем помех от скважины, большей глубинностью исследования.

Эффективность ИННМ существенно зависит от способов проведения измерений. Ниже кратко рассматриваются достоинства и недостатки существующих способов измерений им­пульсными методами.

Однозондовые модификации импульсных методов

Дифференциальный способ (Ю. С. Шимелевич, А. С. Школьников). Он основан на измерении за время Т плотности потока тепловых нейтронов в скважине в момент времени Т после инжекции импульса быстрых нейтронов, т. е.

Главные достоинства дифференциального способа - высо­кая чувствительность показаний к изменению хлоросодержания пород, возможность регистрации непрерывной кривой ИННМ по стволу скважины и экспрессность проведения измерений. Существенным его недостатком является сильное влияние из­менений свойств внутрискважинной среды и положения прибора в скважине.

Интегральный способ (А. Л. Поляченко). Этот спо­соб состоит в регистрации тепловых нейтронов, попавших в детектор через время Т после прекращения импульса быстрых нейтронов:

(10.245)

С течением времени относительное влияние скважины на по­казания уменьшается, и они все в большей степени определя­ются диффузионными характеристиками самого пласта. Из. (132) приближенно следует, что

Отсюда видно, что использование интегральных показаний означает дополнительный учет тех нейтронов, которые вносят сравнительно большую информацию о пласте.

Этот способ позволяет получать материалы измерений в виде непрерывных кривых. Однако результаты измерений зави­сят от условий проведения исследований в скважинах так же сильно, как при дифференциальном способе.

Способ интегральных отношений (В. Ф. Захарченко). Существенным недостатком рассмотренных выше спо­собов проведения измерений ИННМ является необходимость учета скважинных условий. В. Ф. Захарченко указал на воз­можность уменьшения влияния скважинных условий путем регистрации отношения интегральных показаний ИННМ на двух временных задержках

Способ проведения ИННМ, основанный на измерении инте­гральных отношений, позволяет устранить недостатки предыду­щих способов измерений. Развитием этого способа является следующий.

Способ декремента затухания (Ю. С. Шимелевич, А. С. Школьников, Ю. И. Соколов). Величиной, характе­ризующей изменение во времени плотности тепловых нейтронов и по своему физическому смыслу непосредственно связанной с поглощающими свойствами пласта, является декремент зату­хания

Важное достоинство этого способа - сравнительно слабая зависимость показаний прибора от условий измерений и прин­ципиальная возможность количественного определения времени жизни тепловых нейтронов.

Поле тепловых нейтронов, возникающее после выключения импульсного источника, описывается однородным уравнением нестационарной диффузии, которое удобно записать в виде [108]

Все члены этого уравнения имеют ясный физический смысл. Слева записан декремент затухания поля тепловых нейтронов, измеряемый экспериментально.

Независимо от конкретных условий измерений величина состоит из двух слагаемых: обратного времени жизни тепловых нейтронов (которое не зависит от времени, а в бесконечной однородной среде - и от координат и декремента «диффузи­онного спада» ):

Таким образом,

В бесконечной однородной среде декремент затухания рас­пределения тепловых нейтронов, усредненного по всему пространству, совпадает с обратным временем жизни тепловых нейт­ронов ( ). В системе скважина — пласт измеренная величи­на приобретает временную и пространственную зависимость и может быть больше или меньше (в соответствии со знаком лапласиана плотности нейтронов N).

В однозондовых модификациях ИННМ определяемым пара­метром является кажущееся время жизни тепловых нейтронов которое зависит от физических свойств горных пород и является основой для количественной интерпретации материа­лов ИННМ. Для интерпретации данных ИННМ можно исполь­зовать непосредственно параметр без перехода от кажущихся значений времени жизни тепловых нейтронов к истинным. Вели­чина характеризует важный петрофизический параметр горных по­род — макроскопическое сечение поглощения тепловых нейтро­нов .

Общепринятая методика измерения декремента затухания сводится к регистрации зависимости плотности тепловых нейт­ронов от времени при максимально возможных с используемой аппаратурой временных задержках в отдельных точках разреза. Такой способ измерений не обладает экспрессностью.

Устранить этот недостаток можно путем измерения декремен­та затухания при относительно небольших задержках, доста­точных для значительного снижения влияния скважины и обес­печивающих высокую скорость счета. При этом определяемые значения могут больше отличаться от истинных значений , чем при измерениях по точкам, но зато появляется возможность регистрации декремента затухания в виде непрерывной кривой по стволу скважины. Такой способ (ИННМ - ) позволяет уменьшить помехи от влияния скважинных условий по сравнению с дифференциальным ИННМ, более точно привязать результаты измерений к исследуемому разрезу, исключить пропуск мало­мощных продуктивных интервалов и повысить производительность ИННМ.

Повышение эффективности метода ИННМ - достигается путем автоматизации процесса измерения декремента затухания и представления результатов в удобном для интерпретации ви­де [74].

Способы определения декремента затухания основываются на представлении, что плотность нейтронов п (t) в скважине изменяется по закону

(10.246)

Тогда числа нейтронов, зарегистрированных во временном канале t спустя времена , после облучающего импульса определяются выражением

(10.247)

Отсюда декремент затухания нейтронов

(10.248)

Декремент затухания  может непрерывно регистрироваться: по стволу скважины в одном из следующих вариантов: 1) непо­средственная регистрация параметра ; 2) регистрация значе­ний кажущегося времени жизни нейтронов 3) регист­рация отношения показаний двух временных каналов с различ­ными задержками. Все эти варианты обеспечивают в принципе одинаковую точность измерения  или _к, которая зависит от временных задержек, условий измерений и скорости счета. Однако на практике в зависимости от конкретных геологических условий тот или иной вариант оказывается более целесообраз­ным, поэтому вычислительные устройства для непрерывной циф­ровой регистрации декремента затухания разработаны для всех трех вариантов [74].

Временную зависимость плотности тепловых нейтронов в скважине можно представить в виде [81]

(10.249)

где индексы 1 и 2 соответствуют параметрам сред, заполняю­щих и окружающих скважину радиуса r_c; S(...) —«функция скважины», описывающая возмущение, вносимое скважиной (и заполняющей ее средой) в результат измерений.

Спад плотности тепловых нейтронов в скважине при ИННМ происходит в первом приближении по сумме двух экспонент с декрементами затухания, равными обратным временам жизни тепловых нейтронов в скважине и пласте.

Функция S определяет уровень помех, т. е. отношение ампли­туды шумов к полезному сигналу. С увеличением времени ве­личина возмущения S(t) экспоненциально убывает тем быстрее, чем меньше радиус скважины и чем больше контрастность пласта и заполнения скважины по макросечению по­глощения.

При с увеличением времени задержки или размера зонда распределение нейтронов в скважине приближается к то­му распределению, которое устанавливается в однородном пла­сте без скважины [81]:

(10.250)

(10.251)

Здесь D — коэффициент диффузии тепловых нейтронов в пла­сте; L_s — эффективная длина замедления нейтронов в системе скважина—пласт; t_as— асимптотическое время задержки, оп­ределяемое уравнением

Применив к (133) алгоритм определения декремента зату­хания, получим

(10.252)

где

Поправка характеризует величину абсолютного отклонения измеренной величины  от значения [62].