CN100445766C - 确定岩石物性参数的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种确定岩石样品的一个或多个参数的方法，该方法包括测量样品的磁化率，并且使用测量的磁化率确定参数值。例如，可以将测量的磁化率用于确定样品的一种或两种组分的分数含量。优选将预定的参数信息如渗透率以磁化率(或其函数)函数形式储存。使用该储存的信息，可以基于测量的磁化率确定研究的样品的参数值。

Description

确定岩石物性参数的方法和装置
本发明涉及一种从磁化率的测量值确定一种或多种岩石物性参数的方法和工具。具体而言，本发明涉及一种从磁化率的测量值确定渗透率的方法和工具。
发明背景
在石油行业中，在岩心分析实验室或者井下钢缆测井或随钻测井(MWD)操作中，磁化率测量都不是常规进行的。渗透率测量通常是对岩心样品直接进行的。这种直接测量要求清洁和测量样品，对于仅来自一个井的所有岩心栓，这可能花费数天或数周。由于岩心的切割和处理非常昂贵，通常只对钻井的小部分进行渗透率测量。尽管一些技术，如核磁共振(NMR)，已经被用于预测渗透率，但是这些技术相对复杂而且成本高。
发明概述
根据本发明的一个方面，提供一种确定岩石样品的一个或多个参数的方法，该方法包括测量样品的磁化率，和使用测量的磁化率确定参数值。
通过使用测量的磁化率，可以获得各种参数如渗透率的实际值。该方法可以通过比较测量的磁化率(或其函数)与作为磁化率(或其函数)的函数储存的参数值而容易且有效地进行。为此，实施本发明的方法还包括储存作为磁化率(或其函数)函数的参数信息并且使用该参数信息确定样品的参数值。优选这是对不同材料品种进行的。
所述参数可以是渗透率(k)、单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)和流动区指标(flow zone indicator)(FZI)中的一个或多个。该参数还可以是钢缆(wireline)γ射线响应。本发明至少部分属于以前未知的实现，即这些参数可能与磁化率(或其函数)相关。
实施本发明的方法对于估计渗透率特别有用。渗透率是流体流过岩石的能力，是确定如何最好地接近石油以及在油田或气田中确定何处钻井的关键参数。为了提供相关数据，渗透率测量可以使用各种大小的岩石样品进行，但是优选完整的岩心岩石样品，切片岩心岩石样品或常规岩心栓样品。
优选该方法还包括表征样品以确定其至少两种组分或者使用样品的预定表征；使用两种测量的磁化率和确定组分的磁化率来确定至少一种组分对总样品贡献的分数，随后使用确定的分数确定参数值。在这种情况下，储存的相关信息将是分数含量的函数。
可以使用以下等式确定总样品中组分的分数：FB＝(χA-χT)/(χA-χB)，其中A和B是两种组分，FB是组分B的分数，并且χA、χB和χT分别是A、B和总样品的磁化率。
该方法可用于在实验室中对岩心样品(岩心栓，切片岩心，整个岩心或者甚至钻孔切屑)进行的磁化率测量。该方法还可以用于井下磁化率数据，从而能够在原位进行矿物含量和岩石物性参数的估计。这种方法还可用于目前已知的井下数据活动(例如钢缆γ射线)，从而能够再次在原位进行矿物含量和岩石物性参数的估计。通过使磁化率和/或分数含量与各种参数相关，并且另外与钢缆γ射线响应相关，该方法能够从钢缆γ射线工具数据推导矿物含量以及跟着发生的岩石物性参数预测信息。因此，通过比较从一些代表性的岩心样品的测量的磁化率测量值与获自同一油井或气井的钢缆γ射线测井数据(log data)，可以从钢缆γ射线结果对于同一井中其它的大的未取心(uncored)间隔和同一井场中的其它井全部都预测矿物含量和岩石物性参数。
根据本发明的另一方面，提供一种计算机程序，所述的计算机程序优选储存在数据载体或计算机可读的介质上，该程序具有用于接收或存取测量的样品磁化率并且使用测量的磁化率确定参数值的代码或指令。
参数可以包括渗透率(k)，单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)和流动区指标(FZI)。
可运行代码或指令来存取以磁化率(或其函数)函数形式储存的参数信息，并且使用该参数信息确定样品的参数值。优选这是对不同材料品种进行的。
优选该计算机程序具有用于接受样品的至少两种组分的识别；确定两种确定组分的磁化率；并且使用测量的磁化率和两种确定组分的磁化率来确定至少一种组分对总样品贡献的分数的代码或指令，其中可运行所述的用于确定参数值的代码或指令，以使用确定的分数来确定参数值。
可运行用于确定总样品中组分的分数的代码或指令以使用以下等式：FB＝(χA-χT)/(χA-χB)，其中A和B是两种组分，FB是组分B的分数，并且χA、χB和χT分别是A、B和总样品的磁化率。
可运行代码或指令来对组分之一测定的分数含量和预定数据进行比较，所述的预定数据是作为所述组分分数含量的函数的一个或多个参数的测量值，从而确定该组分的这种参数值。所述参数可以是渗透率、单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)和流动区指标(FZI)中的一个或多个。
根据本发明的再一方面，提供一种用于确定岩石样品的一个或多个参数的系统，可运行该系统以接收或存取样品磁化率的测量值，并且使用测量的磁化率确定参数值。
所述参数可以包括渗透率(k)、单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)和流动区指标(FZI)。
可运行该系统以存取作为磁化率(或其函数)的函数储存的参数信息，并且使用该参数信息确定样品的参数值。优选这是对不同材料的一个范围进行的。
优选可运行该系统以接受样品的至少两种组分的识别；确定两种确定组分的磁化率；使用测量的磁化率和两种确定组分的磁化率来确定至少一种组分对总样品贡献的分数，然后使用测定的分数确定参数值。
可运行该系统以使用以下等式确定总样品的分数：FB＝(χA-χT)/(χA-χB)，其中A和B是两种组分，FB是组分B的分数，并且χA、χB和χT分别是A、B和总样品的磁化率。
该系统可以包括用于对组分之一测定的分数含量和预定数据进行比较，所述的预定数据是作为所述组分分数含量的函数的一个或多个参数的测量值，从而确定该组分的这种参数值的装置。所述参数可以是渗透率、单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)和流动区指标(FZI)中的一个或多个。
可以提供用于测量样品磁化率并且提供测量值给用于确定的设备的设备。测量样品磁化率的设备可以是实验室工具或井下/井底工具。
该系统可以包括用于储存样品和两种组分的磁化率的存储器。备选地或者另外地，该系统可以包括用于输入数据的用户输入。备选地或者另外地，该系统可以包括用于显示确定的信息的用户显示器。
根据本发明的再一方面，提供一种用于确定岩石样品的一个或多个参数的工具，可运行该工具以测量样品的磁化率，并且使用测量的磁化率确定参数值。所述参数包括渗透率(k)、单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)和流动区指标(FZI)，作为已知组分分数含量的函数。可运行该工具以存取以磁化率(或其函数)函数形式储存的参数信息，并且使用该参数信息确定样品的参数值。优选这是对不同材料品种进行的。
根据本发明的再一方面，提供一种确定参数值的方法，该方法包括测量磁化率和测量或确定多个参数；对于每个参数储存与测量的磁化率或其函数相关的数据；测量一个参数并且使用相关的数据和所述测量参数推断一个或多个其它参数。所述的多个参数可包括渗透率、单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)、流动区指标(FZI)和钢缆γ射线响应。所述的一个参数的测量可以包括测量钢缆γ射线响应并且使用相关的数据推知一个或多个其它参数的值。
附图简述
下面将只通过举例说明的方式并且参考附图描述本发明的各个方面，在附图中：
图1是显示各种矿物的磁化率的表；
图2是水平岩塞渗透率对磁推导的伊利石含量的图表；
图3是磁化率对单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)的图表；
图4是磁推导的伊利石含量对流动区指标(FZI)的图表；
图5是井下工具的框图，和
图6是钢缆γ射线对磁推导的伊利石含量的图表。
发明详述
实施本发明的方法包括测量样品的磁化率，并且使用测量的磁化率确定岩石物性参数值，例如渗透率。这可以是通过使原始测量的磁化率数据与以磁化率函数形式储存的参数数据相关联，或者通过处理该磁化率数据，然后将其与以处理后的数据的函数形式储存的参数数据比较而进行的。例如，处理的数据可以是至少一种组分对总样品贡献的分数。这将在稍后更详细地描述。在任一种情况下，该方法都可以以软件或硬件或它们的组合形式实施。
测量的岩心样品的原始磁化率表示在岩石中所有负磁化率(反磁性的)和正磁化率(例如顺磁或亚铁磁性的)矿物组分的组合信号。这意味着岩石样品根据它们的组成可以具有正的或负的净磁化率。原始磁化率的测量可以在岩心栓，以及另外的钻屑，整个岩心或切片岩心上进行，因此不必切割岩心栓。这对于松散的岩心是特别有用的，这样的岩心通常难以或者不可切割出粘着的岩塞。可以使用任何测量磁化率的技术。
为了使用磁化率信息确定样品的分数组成，首先假定样品由简单的两组分混合物组成，其包含具有固有负磁化率(反磁性)的矿物A和具有固有正磁化率(顺磁性或亚铁磁性或铁磁性或反亚铁磁性)的矿物B，矿物A和B的磁化率都是已知的。实际上，对于油井或气井给定部分的矿物A和B的最适当选择可以通过最初的表征钻屑，并且使用已知的方法如将不同的钢缆测井结果交叉在已知模板上来确定基质矿物学而进行。
对于两组分样品，单位质量(或体积)的总磁化率信号χT是两种组分的总和：
χT＝{(FB)(χB)}+{(FA)(χA)}            (1)
或者备选地，
χT＝{(FB)(χB)}+{(1-FB)(χA)}          (2)
其中FA是矿物A的分数，FB是矿物B的分数，并且χA和χB是矿物A和B的单位质量(或体积)的已知磁化率。
由于χT是岩石样品的测量的磁化率，并且χA和χB是已知的，则矿物B的分数为：
FB＝(χA-χT)/(χA-χB)          (3)
于是同样如下简单地获得矿物A的分数：
FA＝1-FB                         (4)
通过将这些分数乘以100％，可以获得岩石样品中矿物A和B的百分比。
将原始磁化率信号转化成矿物百分比(即，将其处理成正数)具有某些优点。首先，可以快速鉴别含有异常矿物学的钻孔样品间隔。这可以用以下方法进行：观察作为钻孔样品下深度的函数的磁化率，确定任何峰或谷。对于一种或者多种组分(特别是组分B)，大于100％的值清楚地表示存在其它矿物。其次，可以在对数图上将这种磁推导的矿物含量与预定的数据进行对比，所述的预定数据是作为分数含量的函数的一个或多个岩石物性参数的测量值。以这种方式，对于样品的该组分，可以确定这种参数的值。可以以这种方式确定的参数的实例包括渗透率、单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)和流动区指标(FZI)。这在稍后将参考具体实例进行更详细的描述。
大多数沉积岩的主要成分，在沙岩情况下通常是石英或者在黑金刚石情况下是方解石，是反磁性的，具有低的负磁化率值。相反，重要的渗透率控制粘土矿物，例如伊利石，是顺磁性的，具有明显更高的正磁化率。因此，在许多情况下，确定例如伊利石的渗透率可以确定整个样品的渗透率。各种普通材料的磁化率示于图1中。该数据推导自Hunt，C.P.，Moskowitz，B.M.和Banerjee，S.K.，1995，Magnetic properties of rocks andminerals，in Ahrens，T.J.编辑，Rock Physics and Phase Relations：a Handbookof Physical Constants：American Geophysical Union reference shelf 3，189-204页。
在许多沉积层序中，例如北海油层滨面相，在没有明显的其它顺磁性或亚铁磁性矿物的情况下，石英和顺磁性粘土(通常是伊利石或绿泥石)是磁化率信号的主要载体。假设这些层序中的岩石是石英(反磁性组分)和伊利石(顺磁性组分)的简单混合物，则单位质量的岩石样品的总磁化率信号χT是两种组分的总和：
χT＝{(F1)(χI)}+{(1-FI)(χQ)}      (5)
其中FI是伊利石的分数，(1-FI)是石英的分数，并且χI和χQ是伊利石和石英的单位质量(或体积)的公知磁化率。由于χT是可测量的(例如，可以使用磁化率桥快速测量)，并且χI和χQ是已知的，则伊利石的分数FI为：
FI＝(χQ-χT)/(χQ-χI)            (6)
于是简单获得石英的分数(1-FI)。因此，可以快速获得伊利石的量(FI)的上限，由于假设在该分析中总磁化率信号的正分量完全归因于伊利石。利用该信息，可以参考储存的预定数据确定岩石物性参数，所述的预定数据是作为伊利石分数含量的函数的一个或多个参数的测量值。
各种储存的对数交叉图示于图2到4中。这些是预定的并且用于将测量的磁化率，或者其函数如分数矿物含量的函数，与特定的参数值相关联。例如，图2和4显示，磁推导的伊利石含量与流体渗透率(k)以及流动区指标(FZI)具有强的经验相关性。因此，仅通过确定伊利石的百分比含量，就可以快速推导或预测这些参数。对于一些参数，不必确定矿物的分数含量，取而代之的是可以使用原始测量的磁化率数据。例如，如图3中所示，单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)显示与原始测量的磁化率强相关。因此，仅从磁化率的测量即可快速推导该参数的估计值。
在许多情况下，如在上述的典型北海油层岩石样品的实例中，简单的两组分模型混合物是良好的近似。但是，许多岩石样品由三种或更多种组分组成。在这些情况下，如果可以从一些代表性的X射线衍射(XRD)或薄片分析估计其它组分的含量，则此处公开的磁方法可用于快速估计其它大间隔/样品中感兴趣的一种或两种组分，在所述的大间隔/样品中，其它分析将太费时或者昂贵。
如果感兴趣的组分矿物B是顺磁性矿物(例如渗透率控制粘土)，并且存在其它亚铁磁性(或铁磁性或反亚铁磁性)矿物，则将FB被过高评估，除非考虑到这些其它组分。但是，这些其它(带有剩磁)的组分的存在可以通过观察样品是否可以获得实验室感应的剩磁容易地确定。最容易的做法是将岩石样品放入脉冲磁场中。在这些条件下，任何亚铁磁性(或铁磁性或反亚铁磁性)矿物的存在将获得等温剩余磁化强度(IRM)，这可以用已知的磁强计技术测量。唯一的例外是超顺磁性粒子，这些粒子不会获得剩磁。
在岩石由两种或多种反磁性矿物(例如石英和正长石)加上一种顺磁性矿物(例如伊利石)的情况下，则顺磁性矿物含量(FB)的磁估计将不受到等式(1)和(2)中的假定的显著影响，即岩石中总反磁性信号完全归因于一种假设的反磁性矿物，因为许多反磁性矿物，例如方解石和正长石(参见图1)具有与石英非常类似的磁化率值。
图5显示了井下工具。该工具具有一个或多个线圈(优选双线圈系统)形式的磁传感器1。其位于坚固的圆柱形非磁性壳体2中。该壳体具有适合如在油气行业中使用的典型的钻孔直径的直径(约10cm，但是工具钻孔的大小可以更小或更大)。圆柱体的长度为约1m。在传感器壳体之上的是包含电子仪器3的圆柱形外壳，所述的电子仪器3处理来自传感器线圈系统的信号。该外壳的长度也约为1m，但是比传感器壳体的直径更小。围绕电子仪器外壳的是适合在油层温度和压力下保护电子仪器外壳的外圆柱体4。在电子仪器外壳之上的是封装在适合钢缆测井操作的电缆5中的线输出。使用磁传感器1，可以获得工具附近和壳体2外部的材料的磁化率的直接测量值。这种数据输出通过电缆中的导线传递到表面记录装置6。典型地，表面设备包括用于储存样品和两种组分的磁化率以及参数相关数据/图表的存储器(未示出)。该系统包括用于输入数据的用户输入和用于显示确定信息的用户显示器。
利用图5的工具，能够在井下原位测量磁化率作为钢缆测井线的部分。该工具将在油或气层温度(高达至少120℃)和约6000-10000psi(约40-70MPa)下操作。还可以将该工具与井下测量的另一形式结合，这些工具是随钻测井(MWD)。
原始磁化率的井下测量可以潜在地高分辨率显示钻孔中的主岩石带。这是因为净的负磁化率信号表示岩石中反磁性矿物(例如石英)为主，而净的正磁化率信号表示岩石具有相当数量的正磁化率的矿物。磁化率从正向负的变化表示材料的变化，因此表示新的岩石带。这些材料可以是顺磁性的(例如伊利石粘土)，亚铁磁性的(例如磁铁矿)，或者反亚铁磁性的(例如赤铁矿)。这些磁化率带还可以与宽渗透率带井底相关。通常，负磁化率区对应于高渗透率区(存在低渗透率反磁性水泥的情况除外)，而正磁化率区趋向于对应低渗透率区。利用磁化率测量，可以比γ射线工具更精确地定量不同岩性之间的截止，因为磁工具的潜在分辨率更高。
实施本发明的方法提供仅从磁化率的测量值确定两组分样品(一种组分具有负磁化率，而另一种具有正磁化率)的分数含量的机理。此外，它可用于提供与磁化率直接相关的任何参数的信息，例如矿物含量和如上所列的岩石物性参数。另外，已经发现，由测量的磁化率推导的分数含量数据可以与钢缆γ射线数据相关。例如，如图5所示，从一些北海油井中的岩心材料获得的磁推导的伊利石含量与钢缆γ射线结果具有强的经验相关性。因此，通过测量具有一种材料例如伊利石的不同分数含量的样品品种的磁化率和钢缆γ射线响应，得到分数含量信息并且将其作为钢缆γ射线数据的函数储存，可以从同一井或相邻井没有岩心的其它部分的γ射线结果定量伊利石的分数含量。由于这种情况下的伊利石含量与γ射线结果相关，如在其它情况下通过经验发现的，其很可能还与渗透率、单位孔体积的阳离子交换容量和流动区指标相关。因此，所有这些参数可以再次从钢缆γ射线数据预测。
本发明提供许多优点。例如，与已知的实验室岩心γ射线方法相比，此处公开的如在实验室中应用的方法能够进行更高分辨率的测量。与已知的实验室核磁共振(NMR)测量比较，此处公开的方法要快很多，不要求样品制备，并且与进行该比较的样品中的岩石的实际渗透率的相关性更好。这意味着在一天内可以进行数百个常规岩心栓(等价于来自一个或两个油井或气井的所有岩心栓)的测量和处理，从而可以在同一天进行渗透率的估计。因此，可以在比目前可能的早很多的阶段作出关键的探测和钻井决定。另外，可以对廉价并且是岩心材料的快速来源的钻屑进行测量。更加有用的一个特征在于，本发明还可以定量样品清洁的效果，例如除去粘土的效果。这是因为可以在用于比较目的的清洁之前和之后进行测量和数据解释。此外，该方法是非破坏性和环境友好的，因此对于持续性问题具有积极的益处。另外，其可应用于井底磁化率数据，从而可以磁推导矿物含量，并且可以对于在油层温度和压力下的原位测量估计岩石物性参数(渗透率k，单位孔体积的阳离子交换容量Qv和流动区指标FZI)。
技术人员将理解，可以在不背离本发明的情况下对公开的布置进行变化。例如，尽管本发明已经参考油井或气井进行了主要描述，但是应当理解其可以应用于来自任何钻孔的任何样品。此外，尽管本发明参考包括伊利石的样品进行了主要描述，其可以应用于许多岩石样品，如主要包含反磁性矿物(例如石英)和顺磁性矿物(例如绿泥石)的砂岩，或者包含反磁性矿物(例如方解石)和亚铁磁性矿物(例如磁铁矿)的黑金刚石。其它组分可以以不同的方式与岩石物性参数相关，但是其它组分矿物的相关数据可以潜在地用于预测这些参数。因此，如上具体实施方案的描述仅用于举例，而不是用于限制。对于本领域技术人员而言，显然可以在不显著改变所述操作的情况下进行微小的修改。

Claims (15)

1.一种确定岩石样品的一个或多个参数的方法，该方法包括测量样品的磁化率，并且使用测量的磁化率确定参数值，其中所述参数包括分数矿物含量，流体渗透率(k)，单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)和流动区指标(FZI)。
2.根据权利要求1的方法，该方法包括将预定的参数信息以磁化率(或其函数)的函数形式储存，并且使用该储存的信息，基于测量的磁化率确定样品的参数值。
3.根据权利要求1的方法，该方法包括表征样品以确定其至少两种组分或者使用样品的预定特征；使用测量的磁化率和两种确定组分的磁化率来确定至少一种组分对总样品贡献的分数，随后使用确定的分数来确定参数值。
4.根据权利要求3的方法，其中使用以下等式确定总样品中组分的分数：FB＝(χA-χT)/(χA-χB)，其中A和B是两种组分，FB是组分B的分数，并且χA、χB和χT分别是A、B和总样品的磁化率。
5.根据权利要求1的方法，其中磁化率的测量是在实验室或井下进行的。
6.根据权利要求5的方法，其中磁化率的测量是在井下钻井的同时测量的，从而提供随钻测井(MWD)。
7.一种用于确定岩石样品的一个或多个参数的系统，可运行该系统以接收或存取样品磁化率的测量值，并且使用测量的磁化率确定参数值，其中所述参数包括分数矿物含量，流体渗透率(k)，单位孔体积的阳离子交换容量(Qv)和流动区指标(FZI)，所述系统包括用于测量样品磁化率并且提供测量值给用于确定的设备的设备。
8.根据权利要求7的系统，该系统是可运行的，用以存取作为磁化率(或其函数)的函数储存的参数信息，并且使用该参数信息确定样品的参数值。
9.根据权利要求7的系统，该系统是可运行的，使用测量的磁化率和样品的两种组分的磁化率来确定至少一种组分对总样品贡献的分数，然后使用测定的分数确定参数值。
10.根据权利要求9的系统，可运行该系统以使用以下等式确定总样品的分数：FB＝(χA-χT)/(χA-χB)，其中A和B是两种组分，FB是组分B的分数，并且χA、χB和χT分别是A、B和总样品的磁化率。
11.根据权利要求9或权利要求10的系统，该系统是可运行的，以将组分之一的分数含量和预定数据进行比较，所述的预定数据是作为所述组分分数含量的函数的一个或多个参数的测量值，从而确定该组分的这种参数值
12.根据权利要求7的系统，其中所述的测量样品磁化率的设备是井下或井底工具。
13.根据权利要求7的系统，该系统包括用于储存样品和两种组分的磁化率的存储器。
14.根据权利要求7的系统，该系统包括用于输入数据的用户输入。
15.根据权利要求7的系统，该系统包括用于显示确定的信息的用户显示器。
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