CN101303417A - 用于分析具有共用和不同特性的数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于分析具有共用和不同特性的数据的方法。一种利用两个或更多个数据集确定地层特性的方法，其中解对应于表示共用和不同地层特性的数据集。该方法分析所述数据集，并对所述共用和不同地层特性计算分布，由其来确定地层特性。

Description

用于分析具有共用和不同特性的数据的方法
技术领域
本申请要求于2006年7月26日提交的美国临时申请No.60/820,417的优先权和权益。
背景技术
比如Schlumberger的MR SCANNERTM的当前生成核磁共振(NMR)测井工具进行多个测量，其中几个获取参数被改变。该参数是改变的，以便包括NMR响应的变化，根据流体和/或岩石特性分析和解释该NMR响应。典型地，等待时间(WT)和回波间隔(TE)被改变。对于全部测量，测量回波的链(train)，其构成原始NMR信号。回波链衰减的分析提供横向弛豫时间T2的分布。监控具有不同的WT的回波链振幅的改变允许人们确定纵向弛豫时间T1。类似地，衰减比率和具有不同TE的回波链振幅的变化允许我们测量分子扩散率D。
倘若利用获取参数的合适范围获取足够的测量，那么可以执行全部数据的同步反演，以获取T2-T1-D空间中的3维分布。在MRSCANNERTM和CMRTM流体特征测量和解释中普遍采用该方法。利用同步反演而不是T2，T1和D分布的单独评估的优点是(i)精度的改善，以及(ii)测量的数量的减小，因此需用于析取完全分布的总时间减小。
除了WT和TE变化之外，某些NMR测井工具获取不同频率处的数据。改变频率的效用是改变NMR测量的勘察深度(DOI)。例如，MRSCANNERTM工具具有勘察的体积，该勘察的体积在天线前形成薄(～1-3mm)的弧形。从天线表面的弧形的距离取决于频率。较低的频率对应于距离天线更远的弧形。由于该工具利用被相对于钻孔壁被挤压的天线偏心运行，因此较低的频率意味着更深的勘察深度。
两个相对的策略已被采用，以用于评估在不同的频率(即不同的DOI)处获取的数据。第一策略包括组合来自全部DOI的数据，并且执行单个反演。该方法用于提高对答案的单个集的精确度，并且是合适的，倘若流体分布在测量过程中访问的DOI的范围内不改变。组合或平均在不同的频率处获取的数据会引起不一致的数据集和错误的解释，如果流体分布随着DOI变化。利用MR SCANNERTM获取的结果已经表明，流体分布可以在从井孔进入地层的第一几英寸范围内显著改变。由于进入地层的钻井流体滤液的侵入，出现流体变化。侵入的钻井流体(滤液)移位可移动原生流体，水和碳氢化合物。考虑到这些观察，第二策略已被采用，以用于MR SCANNERTM。获取充分的测量，以允许在每一个DOI处(也就是在每一个频率处)的独立的反演和解释。该方法是非常通用的，并且正确地考虑到改变流体分布。然而，它对于测量精确度不是最佳的。这对于更深的DOI(更低的频率)是特别重要的，其典型地具有更差的信噪比。
已经提出几种方法，以便处理进入分布的NMR回波衰减链组的反演。然而这些方法单独或独立地以集处理每一个实验。
发明内容
本发明包括用以反演两个或更多个不同数据集的方法，其中对应于不同数据集的解部分不同和部分相同。该方法分析测量共用和不同特性的数据，计算对于共用特性的公共分布和对于不同特性的不同分布。本发明的优选实施例是用于组合来自不同的DOI的NMR测量，以便提高一个DOI处的精确度，同时主要保持来自不同DOI的流体分布的独立性的方法。在该上下文中，该方法包括用于NMR应用的部分约束的4维反演。
在一个实施例中，数据集是在不同的DOI处获取的NMR回波链的组。解是T2，T1，T1/T2和D分布(或多维分布)，其部分对于全部DOI是相等的(例如束缚流体体积(“BFV”)部分)，而分布的其余部分(自由流体体积，“BFV”)可以随着DOI改变。在另一个实施例中，可以分析来自各个传送器-接收器间隔的电阻率测量，以便确定比如束缚流体电阻率，自由流体电阻率和对应饱和度的特性。具体特性是共用的还是不同的取决于测量的情况。对于某些测量类型，特性可以是共用的，但对于其他测量类型，该相同的特性可以是不同的。共用特性被认为是同等的或者另外在相关数据集之中或之间是相关的，而不同特性被认为是不相关的，不精确相关的，或者它们的关系在那些数据集之间或之中是未知的。
本发明允许在利用较低的精确度数据(例如来自较深的DOI)同步反演在一组测量(例如在窄DOI处)中获取的高精确度数据，从而使得到的多个解(也就是来自不同的DOI的T1，T2，D分布)得益于高精确度数据，同时保持独立性的一些测量。
附图说明
图1A-1D是示出了对用于勘察的两个不同深度的页岩水和含气砂层的分子扩散率与纵向弛豫时间的关系图。
图2A是示出了依据本发明对勘察#1的深度的分子扩散率与纵向弛豫时间的关系图。
图2B是示出了用于勘察#1的深度的加权因子的绘图。
图2C是示出了依据本发明对勘察#2的深度的分子扩散率与纵向弛豫时间的关系图。
图2D是示出了用于勘察#2的深度的加权因子的绘图。
图3A和3B是示出了利用分别用于勘察#1和#2的深度的标准反演技术的流体分析结果的绘图。
图3C和3D是示出了利用用于本发明的分别用于勘察#1和#2的深度的反演技术的流体分析结果的绘图。
图4A是利用用于勘察#1和#2的深度的标准反演技术的束缚流体体积的绘图。
图4B是利用用于勘察#1和#2的深度的标准反演技术的磁共振孔隙度的绘图。
图4C是利用用于勘察#1和#2的深度的本发明的反演技术的束缚流体体积的绘图。
图4D是利用用于勘察#1和#2的深度的本发明的反演技术的磁共振孔隙度的绘图。
具体实施方式
今天，具有多个传感器和更复杂的捕获序列的越来越多的复杂NMR测井工具需要新的和更完善的反演算法。用以提供更多解或增加可靠性的组合不同的测量的问题需要仔细的注意。
最直接的钻孔NMR捕获是利用CPMG序列测量的单个回波链(通常形成用以寻址振铃的相位交替对或PAP)。该数据被反演成关于横向弛豫时间T2的振幅分布。该问题可被写成：回波＝Kernel*解，其中“回波”表示测量的回波，“解”是振幅分布，并且“Kernel”是测量的核矩阵(kernel matrix)。该核包括按比例定为1的振幅分布中的各个分量的响应。该方程描述该测量作为成比例的各个分量响应的叠加。
如果捕获相同采样的两个测量回波1和回波2(利用两个不同的传感器或分别通过Kernel1和Kernel2描述的捕获序列)，公共解可被建立为下述的解：
Figure A20071013810300071
其是两个反演问题的直接解。
然而，该方法在两个不同的核不能完全描述两个不同测量之间的差时出现问题。例如，不是该解的一部分的其他参数也可以影响该测量。普遍遇到的一个问题(并因此很好地研究)是完全极化的CPMG测量(在长的等待时间之后)与许多短等待时间测量(脉冲)一起的公共反演，其可以为了更好的信噪比而被更快速地重复。在这种情况中，用于脉冲(第二测量)的核也取决于极化时间和纵向弛豫时间(T1)。已经提出了对于该问题的几种解决方法。
正确的解决方法是延拓模型和包括核所依赖的全部参数。在这种情况中，解将包括纵向弛豫时间T1以及横向弛豫时间T2。这引起两维分布。实际上，已经使用T1/T2比代替第二量纲T1。
进一步用以利用两个不同回波间隔实验的延拓该相同的技术引起三维反演。在这种情况中，核也取决于流体扩散率(经由扩散编辑序列中首先两个回波上的回波间隔或长回波间隔)。该解现在是具有T2，T1/T2和作为变量的扩散率的三维分布。然而需要注意，该技术被引入不是用于为了不同获取的公共反演而协调不同的测量，而是获取关于附加参数、扩散率的信息。该技术可被进一步延拓，以便包括取决于时间的扩散率测量的限度(约束程度)。
为了包括更多的独立参数而延拓解允许我们从大量的不同获取得到更多的信息。然而，这种延拓在具有不良信噪比的情况中不必改进解的数值稳定性，或改进可靠性。如早先指出的，在反演中组合多个测量提高了稳定性，如果全部测量对相同的参数敏感(也就是它们的核取决于相同的参数)。如果测量也取决于其他参数，那么该解不得不被延拓以解决冲突。本发明组合两个或更多个获取物，并且仅部分地延拓该解。
利用钻井流体(泥浆)典型地钻井油井。泥浆提供润滑，传送岩屑至表面，并且执行各种其他任务。通常将泥浆重量选择成使钻孔静水压力超过地层压力，从而在钻井的同时包括地层流体。这种过度的压力导致泥浆滤液，该泥浆滤液侵入接近井孔的地层，并且移位一些地层流体。
在过去已经指出，通过比较来自在进入地层的勘察的多个深度处进行的测量的NMR 3D分布，可以推断关于侵入的信息。为了目测数据，一般将3D信息(T2，T1和扩散)塌陷(collapse)成2D投影。在下面的例子中，从3D分布生成D-T1图。为了描述本发明的方法，提出具体的例子，其中第4维是进入地层的径向距离(也就是DOI)。然而，本发明不限于此，并且可以包括这样的实施例，其中第4维不是进入地层的径向距离，而是另一维，比如时间。例如，可以以精确相同的方式分析分开某一时间的两个测量，并且该量将是“时间变化”。在利用有线线路NMR测量的钻孔NMR的同时，这将用于组合测井，从而可以解决侵入差。
从利用油基泥浆钻孔的井中的页岩水和含气砂层获取下面的例子中的数据(见图1A-1D)。最左侧的D-T1图(图1A和1C)来自利用进入地层的1.5英寸的DOI(MR SCANNERTM的Shell 1)获取的数据，并且最右侧的D-T1图(图1B和1D)来自利用2.7英寸的DOI(MR SCANNERTM的Shell 4)获取的数据。最下面的图(图1C和1D)来自含水砂层，并且最上的图(图1A和1B)来自含气砂层。
从1.5至2.7英寸，我们观察到(图1C和1D)在含水砂层中，油基泥浆信号减小，并且水信号增加。类似地，在上部图(图1A和1B)中，我们观察到随着勘察的径向深度的增加，油基泥浆信号减小，并且气体信号增加。
众所周知，NMR信号的强度涉及磁场强度的振幅。利用油田NMR装置，磁场的强度随着进入地层的半径减小。因此信噪比相比较浅的对于较深的勘察测量来说更差。这是用以组合来自勘察的不同径向深度的回波衰减链的激发因素，以便改进信噪比，特别是对于较深的测量。然而，观察到的侵入效应表示将分别分析测量。本方法增大了总信噪比，同时保持径向侵入的完整性。
典型地，地层流体将在较大的孔中被替代，在未被扰动的较小的孔中留下流体。在图1A-1D中示出的D-T1图中，涉及从侵入改变的区域是具有随后的T1成分(自由流体)的那些区域。不被期望径向改变的图的部分是与早先的T1成分(束缚流体)相关的那些区域。
在本发明的一个实施例中，利用公共模型(解)组合和描述来自两个实验的回波衰减链，以便束缚流体是共用的，同时保持自由流体是不同的。通过“共用”，我们的意思是在两个实验中的具体地层特性(例如束缚水)之间存在关系，并且通过“不同”，我们的意思是不存在这种关系。通常，两个独立的D-T1图由利用Shell 1和Shell 4获取的数据构成(例如图1A和1B)。利用一起来自Shell1和Shell 4的回波衰减链产生D-T1分布，而不是产生独立的图。这可以通过为Shell 1和4中的束缚流体和自由流体选择不同的加权因子来完成。在反演时，利用选择的加权因子将产生两个分布。
具体的加权因子可被选择成：
(1)被施加至Shell 1数据和Shell 4数据的加权对用于每一个分布的束缚流体是0.5。最终结果是两个分布中的束缚流体是相等的，并且利用来自两个实验的全部数据进行计算；以及
(2)被施加至Shell 1数据的加权对于来自Shell 1分布的自由流体等于1，并且对于来自Shell 4分布的自由流体等于0。类似地，被施加至Shell 1数据的加权对于来自Shell 4分布的自由流体等于0，并且对于来自Shell 4分布的自由流体等于1。最终结果是利用Shell 1数据计算来自Shell 1分布的自由流体，并且利用Shell 4数据计算来自Shell 4分布的自由流体。
因此，两个分布具有独立的自由流体，而相同的束缚流体。利用对自由流体的小但积极的效应，对束缚流体显著地增加信噪比。注意，对束缚流体的加权因子在该例子中是相等的，但本发明不限于此。
在数学上该程序可被写成：
Figure A20071013810300101
在这里，回波1和回波2描述了Shell 1和Shell 4的回波数据。W1和W2是沿主对角线具有在上面描述的加权函数的对角矩阵。Kernel1和Kernel2是分别对Shell 1和4的测量核。注意，这些可以是不同的，因为它们的相应获取参数(例如回波间隔和梯度)可以不同。该解由两部分构成：sol1和sol2。利用例如具有Tikhonov正则化的标准反演或利用现有技术的最大熵反演法，可以计算该解。对于每一个单独的Shell，该解可被写成：sol_sh1＝W1*sol1+W2*sol2和sol_sh4＝W2*sol1+W1*sol2。由于加权因子W1和W2对于束缚流体体积区域是相同的，因此两种解在该区域中将都是相同的。然而，两种解在自由流体区域中可以是不同的。
注意，该方法可以被容易地延拓至三个Shell的公共反演或其他测量组合(例如主天线Shell 3和MR SCANNERTM的高分辨率天线)。进一步注意，可以不同地选择用于过渡的T2的截止时间，并且该截止时间不必必须与用于束缚流体体积的T1或T2截止时间一致。潜在的假定是对于两个Shell的响应对于具有短于该截止的T1或T2的流体是相同的，而对于具有较长的弛豫时间的流体，它可以改变。在实践中，可根据预期的侵入轮廓和/或泥浆弛豫时间选择该截止。
为了进一步描述该方法，创建合成数据集。生成利用在表1中示出的获取参数的回波衰减链。
Figure A20071013810300102
表1 NMR序列参数
与在表2中示出的NMR特性相关的地层体积用于产生数据。
流体     流体体积Shell 1(v/v)     流体体积Shell 4(v/v)     T1(msec)   扩散(cm2/sec)
束缚水     0.10     0.10     10  5.05e-05
自由水     0.15     0.05     200  5.05e-05
油     0.05     0.15     200  1.26e-06
表2  输入流体
利用分别被施加至Shell 1和Shell 4的随机高斯噪声的2和4pu/回波生成一百个实现。
回波衰减链然后运行通过反演过程和对孔隙度和流体含量进行分析得到的3D图。在图2A-2D中示出反演的结果。在图2A-2D中示出的数据是合成的，并且描绘了被水基泥浆滤液侵入的油砂。束缚流体是水线上的最左侧亮点。泥浆滤液是水线上的最右侧亮点。地层油是油线上的亮点。
随着人们从分布#1(图2A)行进至分布#2(图2C)并且地层油相应增加，自由流体从多至少地改变。束缚流体在两个分布中被共用。
分布加权因子在该分析中起到重要的作用。在该例子中，存在两个加权因子，一个用于每一个分布。加权因子在一个轴上具有勘察深度，并且在第二轴上具有T1的常用对数。在Z轴中示出加权因子的振幅(见图2B和2D)。
为了比较现有技术，进行两次反演。第一次利用现有的MR3D独立地计算Shell 1和Shell 4数据。第二次利用MR4D应用用于利用共用和不同特性分析NMR实验的方法。在图3A-3D和图4A-4D中示出结果。
从视觉上容易看出：独立计算(MR3D)的Shell 4(轨迹2)答案具有最大的标准偏差。它表明束缚流体是对该标准偏差的最大贡献者。显而易见地，利用用于全部勘察深度的共用束缚流体(MR4D)计算的答案具有较小的可变性。表3示出了束缚流体，自由流体和总孔隙度的标准偏差。
表3  统计结果
用于观察结果的感兴趣的方法是从Shell 1至Shell 4中的那些相同的量比较束缚流体和总孔隙度(图4A-4D)。这清楚地示出，束缚流体结果当被独立分析时是非常不同的，并且当应用用于利用共用和不同特性分析NMR实验的方法时是类似的。
尽管上面给出的例子具体涉及了NMR类型的测量，但是本发明的方法可以延拓至其他测量技术，比如电阻率，声波，核，电介质和地震测井。例如，对于电阻率测井，共用的地层特性可以是原生地层的电阻率或钻井流体的电阻率，并且不同地层特性可以是对于各种勘察深度的侵入区的电阻率。钻井流体电阻率和原生地层电阻率的分布可以是恒定的，而侵入区的分布是多值的。通常，分布可以是单个的或多值的。

Claims (19)

1、一种用于利用在穿过地层的井孔中布置的测井工具确定地球地层特性的方法，包括：
利用测井工具获得两个或更多个数据集，其中所述数据集测量共用和不同地层特性；
由所述数据集计算对于每一个共用地层特性的公共分布和对于每一个不同地层特性的不同分布；以及
利用所述公共分布和/或不同分布确定地层特性。
2、如权利要求1的方法，其中所述数据集取决于从由时间，等待时间，回波间隔，场梯度，极化，勘察深度，磁场强度，频率，信噪比，采样率和脉冲序列构成的组中选择的一个或多个测量参数。
3、如权利要求1的方法，其中所述测井工具是核磁共振工具，电阻率工具，声波工具，核工具，地震工具，或那些工具的任何组合。
4、如权利要求1的方法，其中所述共用和不同地层特性包括束缚流体，自由流体，可湿性，纵向弛豫时间，横向弛豫时间，扩散率，约束度，透水性和NMR孔隙度。
5、如权利要求1的方法，其中所述共用和不同地层特性包括原生电阻率，侵入区电阻率和钻井流体电阻率。
6、如权利要求1的方法，其中所述共用和不同地层特性包括固态成分的体积，不可移动和可移动的流体，以及密度和中子孔隙度。
7、如权利要求1的方法，其中所述共用和不同地层特性包括剪切波形，压缩波形，斯通利波形，斯通利渗透性，剪切模量，体模量，泊松比，声波孔隙度，和断裂特性。
8、如权利要求1的方法，其中所述共用地层特性被认为是相等的或者另外在相关数据集之中或之间是相关的，并且所述不同地层特性被认为是不相关的，不精确相关的，或者它们的关系在它们的对应数据集之中或之间是未知的。
9、如权利要求1的方法，其中所述计算包括利用加权因子标度所述共用和不同地层特性的响应。
10、如权利要求9的方法，其中所述加权因子具有函数相关性。
11、如权利要求1的方法，其中所述公共和不同分布被描绘为时间，横向弛豫时间，扩散率，纵向弛豫时间，和从井孔的径向距离的函数。
12、如权利要求1的方法，其中所述计算包括利用测量的共用和不同集执行反演。
13、如权利要求12的方法，其中所述反演利用该两个或更多个数据集中的一些或全部同时执行。
14、如权利要求12的方法，其中所述执行包括对不同的数据集部分地组合解。
15、一种用于利用在穿过地层的井孔中布置的测井工具确定地球地层特性的方法，包括：
利用测井工具获得两个或更多个数据集，其中所述数据集测量共用和不同地层特性；
利用加权因子标度所述共用和不同地层特性的响应；
利用测量的共用和不同集执行反演；以及
由所述数据集计算对于每一个共用地层特性的公共分布和对于每一个不同地层特性的不同分布；
利用所述公共分布和/或不同分布确定地层特性。
16、如权利要求15的方法，其中所述加权因子具有函数相关性。
17、如权利要求15的方法，其中所述反演利用该两个或更多个数据集中的一些或全部同时执行。
18、如权利要求15的方法，其中所述执行包括对不同的数据集部分地组合解。
19、如权利要求15的方法，其中所述测井工具是核磁共振工具，电阻率工具，声波工具，核工具，地震工具，或那些工具的任何组合。
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