При эксплуатации и бурении нефтяных и газовых скважин существует постоянная потребность в решении целого ряда задач, необходимых для разработки месторождений.
Ведущую роль в этом занимают геофизические методы исследования скважин. Одним из широко используемых и результативных методов оценки емкостных свойств и насыщения пластов-коллекторов является импульсный нейтронный каротаж (ИНК).
В состав аппаратуры ИНК входит источник быстрых нейтронов (т.н. генератор нейтронов) [1, 2] и набор детекторов тепловых и надтепловых нейтронов, формирующих ближний (БЗ) и дальний (ДЗ) зонды [3].
На показания измерений ИНК существенно влияют шумы. Важно исключить влияние нейтронов, проходящих напрямую от генератора нейтронов к детекторам. Для этого между источником нейтронов и детекторами помещают специальные нейтронопоглощающие фильтры - материалы, которые обладают высоким водородосодержанием (парафин, капролон и т.д.) или высоким сечением захвата нейтронов (кадмий, гадолиний и т.п.) [4].
Целью данной работы является изучение влияния толщины слоя капролона на ослабление потока нейтронов между источником быстрых нейтронов и детектором, а также влияния прослойки кадмия или гадолиния в капролоне на поглощение тепловых нейтронов.
Выбор капролона в качестве материала для фильтра обусловлен несколькими причинами: соотношением высокого водородосодержания с высокотемпературной ста- бильностью и механической прочностью.
Построение физической модели в нашем случае было невозможно вследствие высокой стоимости генератора нейтронов и детекторов. Однако для таких случаев в мировой практике широко распространен подход создания математических моделей эксперимента и численного моделирования.
Самыми надежными и популярными программными средствами моделирования нейтронного взаимодействия являются программы MCNP и Geant4, основанные на методах Монте-Карло [6, 7].
При выполнении вычислений в данной работе были использованы возможности программного пакета Geant4. На начальном этапе была создана модель капролонового фильтра, состоящего из цилиндра диаметром 100 мм и высотой 200 мм, который равномерно разделен на 9 блоков-цилиндров по 25мм (рис. 1).
Рис. 1. Капролоновый фильтр
Источник нейтронов помещен в точку с координатами (0,0,0), находящуюся между 0м и 1м блоками- цилиндрами. Все цилиндры, начиная с 1го, выступали в качестве детекторов. Замерялся поток нейтронов, проходящий через каждый цилиндр.
В результате моделирования для каждого детектора был рассчитан временной спад количества нейтронов в капролоне. Очевидно, что максимальное количество нейтронов было зарегистрировано в первом цилиндре. По мере увеличения толщины капролона поток нейтронов ослабляется (рис. 2).
Рис. 2. Распределение логарифма плотности нейтронов в зависимости от времени и расстояния от источника нейтронов: в капролоновом фильтре (слева) и в фильтре с добавлением кадмия (справа)
При обработке кривых спада количества нейтронов выделяют скважинную и пластовую компоненты [7]. Влияние скважинной компоненты, как правило, имеет место вплоть до 400-600 мкс.
Как видно из рис. 2, для времени 600 мкс наблюдается существенное ослабление потока нейтронов при толщине капролонового фильтра 10 см. При этом детектор регистрирует поток нейтронов порядка 1.3·103 нейтрон/с. Увеличение длины фильтра до 18 см приводит к снижению потока нейтронов до уровня 1.6·102 нейтрон/с.
Однако подобное удлинение не всегда возможно с точки зрения конструирования скважинной аппаратуры. Поэтому было предложено включить в состав фильтра вещество с высоким сечением захвата нейтронов. Были построены модели, в которых на расстоянии 75 и 100 мм от источника помещались пластины кадмия или гадолиния толщиной 1 мм. Результаты расчетов показывают при этом существенное уменьшение плотности нейтронов. Наилучшие результаты были получены в случае наличия прослоя кадмия на расстоянии 100 мм - при этом регистрируется поток нейтронов 8·101 нейтрон/с. Толщина капролона 75 мм оказывается недостаточной для существенного ослабления потока нейтронов. Замена кадмия гадолинием практически не сказывается на уменьшении плотности нейтронов по сравнению с кадмием при существенном увеличении стоимости фильтра.
Проведенное нами моделирование доказало успешность применения математических методов при конструировании узлов аппаратуры импульсного нейтронного каротажа. Данные моделирования представляют как теоретический, так и практический интерес.
Список литературы
1. Нейтронные генераторы для каротажной аппаратуры // ВНИИА. URL: http://www.vniia.ru/ng/karotazh.html (дата обращения: 08.01.2014).
2. 14.1 MeV Neutrons (DT) // NSD-GRADEL-FUSION URL: http://www.nsd-fusion.com/14mev.php (дата обращения: 08.01.2014).
3. Детекторы импульсных ионизирующих излучений // ВНИИА. URL: http://www.vniia.ru/proces/detektor.html (дата обращения: 08.01.2014).
4. Комаров С. Г. Геофизические методы исследования скважин. М.: Гостоптехиздат, 1963. 404 с. 44
5. Monte Carlo Code Group // Los Alamos National Laboratory URL: https://laws.lanl.gov/vhosts/mcnp.lanl.gov/index.shtml (дата обращения: 09.01.14).
6. Geant4 URL: http://geant4.web.cern.ch/geant4/ (дата обращения: 09.01.14).
7. Darwin V. Ellis, Julian M. Singer Well Logging for Earth Scientists. Second edition. The Netherlands: Springer, 2008. 692 с.
Автор: И. Ракаев, В. Косарев, Г. Гончарова, Б. Платов, КФУ, Институт геологии и нефтегазовых технологий
