CN101363315B - 定量化薄层地层的电阻率和含烃饱和度的方法 - Google Patents

Abstract

一种估算层状地下地层中烃体积的方法，包括测定地层中的垂直电阻率和水平电阻率。测定地层各层的束缚水饱和度和总孔隙度。根据各层的束缚水饱和度和总孔隙度以及各层的估算的束缚水总体积，计算地层的水平电阻率值和垂直电阻率值。将这些估算值与测定的水平电阻率和垂直电阻率进行比较。调整各层中所估算的束缚水饱和度并反复估算该值，直到估算值与测定的垂直电阻率和水平电阻率值之间的差值降到所选的阈值以下。由各层经调整的束缚水饱和度估算烃体积。

Description

定量化薄层地层的电阻率和含烃饱和度的方法

技术领域

本发明总体上涉及测井数据的分析领域。更具体地，本发明涉及利用厚度方向具有较粗糙分辨率的测井数据，定量化具有较小地层厚度的层状地下地层中的烃体积的方法。

背景技术

利用测井数据(well logs)定量估算地下地层中存在的烃体积。测井数据是通过沿钻透地下地层的井眼移动具有传感器的各种测井仪获得的。常规测井仪中的传感器测量地下地层的特定岩石物理性质，包括例如电阻率、声速、密度、自然γ射线、中子孔隙度和介电常数。

不同类型测井仪中的传感器具有不同的轴向分辨率(沿井眼方向的分辨率)，并且勘测到井眼周围地层中的横向深度(沿井眼方向的横向勘测)不同。作为总的原则，横向勘测深度越大，相应的轴向分辨率就越粗糙。对于某些类型的测量，勘测较大的横向深度是重要的，因为钻井可能导致自然存在于地下地层中的流体被钻井所用的液相流体所置换。因此，对于一些分析，包括测定烃类占据的岩石体积分数而言，必须获得与距离井眼一定横向深度处的电阻率密切相关的电阻率的测量结果，因为该地层基本上未受到井筒流体进入地层的干扰。获得如此横向深度的测量结果，不可避免地导致轴向分辨率较粗糙的测量。

精细的轴向分辨率特别重要，因为一些地层是由多层较薄的(地层厚度一般由横断地层平面的直线定义)含烃的(因而通常为产烃的)岩石地层纹层构成，该含烃的岩石地层纹层与含粘土的(因而基本上为非渗透和非生产性的)岩石地层纹层交错。

现有技术已知的电阻率测量装置可以具有距离测井仪轴线约1～3米的横向勘测深度。相应地，这类测井仪的轴向分辨率为约1～3米。其它装置，例如密度和中子孔隙度装置，可以具有的轴向分辨率和横向勘测深度为约1/10至1/2米。举例来说，介电常数测量装置可具有的轴向分辨率和横向勘测深度为约1/10米或更小。声速测量装置可具有约1/10至1米的轴向分辨率。

本发明的受让人出售使用的其它电阻率测量装置(商标为RTSCANNER)沿地层各层的方向以及垂直于各层的方向提供估算的地层电阻率。这些电阻率值在本发明的说明书中分别称为水平电阻率和垂直电阻率。已经证实该装置可用于鉴定上述由交替的生产层和非生产层构成的地下地层。然而，前述仪器所提供的较粗糙的轴向测量分辨率限制了这些层状地层的定量评价的精度。仍需要解释(interpret)测井数据的方法，以定量地估算包括薄纹层的地下地层的烃体积。

发明内容

估算层状地下地层中烃体积的方法包括测定地层的垂直电阻率和水平电阻率。测定地层各层的束缚水饱和度和总孔隙度。根据各层的束缚水(bound water)饱和度和总孔隙度并根据所估算的各层的束缚水总体积(bulkvolume)，计算地层的水平电阻率值和垂直电阻率值。将估算值与测定的水平电阻率和垂直电阻率进行比较。调整所估算的各层的束缚水饱和度并反复估算该值，直到估算值与所测定的垂直电阻率值之间的差值降到所选的阈值以下。由经过调整的各层的束缚水饱和度估算烃体积。

根据本发明其它方面的测井方法包括沿着钻透层状地下地层的井眼移动测井仪。所述仪器包括用于测定地层垂直电阻率和水平电阻率的第一传感装置，及测定地层总孔隙度和束缚水饱和度的第二传感装置。第二传感装置具有比第一传感装置精细的轴向分辨率。由第一传感装置的测量结果，确定层状地层的水平电阻率值和垂直电阻率值。由第二传感装置的测量结果，确定地层各层的束缚水饱和度和总孔隙度。根据各层的束缚水饱和度和总孔隙度并根据估算的各层的束缚水总体积，估算地层的水平电阻率值和垂直电阻率值。将估算值和所测定的水平电阻率和垂直电阻率进行比较。调整所估算的各层的束缚水饱和度并反复估算该值，直至估算值与所测定的垂直电阻率和水平电阻率之间的差值降到所选的阈值以下。由经过调整的各层的束缚水饱和度估算烃体积。

通过下述说明和所附权利要求书，将会清楚本发明的其它方面和优点。

附图说明

图1示出了沿着钻过地下地层的井眼移动的测井仪。

图2是本发明的方法实例的流程图。

具体实施方式

图1示出了沿着钻透地下地层12(包括含烃地层14)的井眼10移动的示例性测井仪16。测井仪16包括至少一个具有精细轴向分辨率的测量装置16B和至少一个具有粗糙轴向分辨率的测量装置16A，与具有精细轴向分辨率的测量装置16B相比，测量装置16A勘测进入井眼10周围地层12和14中的横向深度更大。具有精细轴向分辨率的测量装置16B可包括安装在与井眼10的侧壁紧密接触的制动板(skid)或垫板16C中的传感元件(未单独示出)。支撑臂(back up arm)16D或其它偏置装置可以提供迫使制动板或垫板16C与井壁接触的力。可以配置具有粗糙轴向分辨率的测量装置16A，以便在井眼10的中央或者在选定的偏离井眼中央或偏离井壁的位置进行操作。

测井仪16可通过铠装电缆18穿越井眼10，所述电缆18可通过绞盘20或者本领域已知的相似的缠绕装置伸缩。电缆10可以与布置在地面的记录单元22电通信，该记录单元22可以记录、解码和解释测井仪16的信号。可以清楚理解的是，测井仪16沿井眼10传输的方式并不是对本发明的范围的限制。现有技术中已知的其它传输装置，例如，钻杆、挠性油管、生产油管上的装置和/或随钻装置也可以和测井仪16一起使用，这不超出本发明的范围。

所关心的地层14可包括含烃(因而产烃)岩石层14A的多个较薄层或纹层(lamination)，岩石层14A与基本上不渗透因而为生产性的岩石层14B交错。通常，生产性岩石层14A的电阻率会高于非生产性岩石层14B的电阻率，因为其孔隙(pore space)至少部分地为不导电的烃所占据。为了接下来的说明，可以认为生产层14A是由多种砂岩(石英砂多孔岩)成分构成的，而非生产层14B可以认为是由多种页岩(固态岩粒的基本上所有的粘土矿物)组成。对于这些层而言，也可以采用其它矿物成分，然而，本领域的技术人员应当认识到，图1所示的层状类型的感兴趣地层14常常与砂岩层和页岩层交错构成的地层相关。

在本实例中，轴向分辨率粗糙的装置16A可包括电阻率传感装置(未示出)，该电阻率传感装置可以测量感兴趣地层14沿井眼10轴向(或者垂直于地层各层方向)的相应的电阻率，该电阻率称为“垂直电阻率”。轴向分辨率粗糙的装置16A还可以包括测量垂直于井眼轴方向(或者沿地层方向)的电阻率的传感元件，该电阻率称为“水平电阻率”。这类测量可进行到足以对生产层14A中的流体含量作出响应的横向勘测深度，其中井眼10的流体尚未影响地层14A孔隙中存在的流体。轴向分辨率粗糙的装置16A可包括以商标RTSCANNER提供服务的装置，该商标是本发明受让人的商标。

根据本发明的方法的目的是测定为烃类所占据的生产性岩石层14A的体积分数，该生产性岩石层14A距离井眼10的横向深度足够深，基本上未受钻井时用于井眼10内的液体的置换所干扰。

轴向分辨率精细的测量装置16B可包括介电常数传感器(未单独示出)，该传感器可定量估算生产性岩石层14A各层中以及非生产性岩石层14B各层中占据孔隙的水的最小体积分数(“束缚水饱和度”-Sw_irr)。介电常数传感器在本领域中是已知的，其包括电磁波发射器以及一个或多个与该发射器间隔放置的电磁波接收器。依据电磁波的频率，一个或多个接收器测量的由天线传播的电磁波的衰减和/或相移与接触制动板或垫板16C的地层的介电常数相关。

轴向分辨率精细的测量装置16B还可以包括一种或多种类型的传感装置(未单独示出)，该传感装置可以测量井眼10周围各种地层12和14中的孔隙体积分数(“孔隙率”)。这种孔隙率测量装置的非限制性实例包括声速、γ-γ密度、中子孔隙度和核磁共振(“NMR”)驰豫测量(relaxometry)装置。在一些实例中，NMR驰豫的测量结果可用于测定层14A和14B每一层中令人感兴趣的量。

在接下来的说明中，术语“饱和度”意指孔隙被指定物质所占据的体积分数。因此，“水饱和度”(Sw)意指全部岩石孔隙被水所占据的分数。任意物质的饱和度的范围可以为0～100％(或者使用小数表示法时的1)。物质的“容积(bulk volume)”是指总体积或者岩石地层被特定物质所占据的分数。因此，岩石孔隙中存在的任何物质的容积的可能数值范围必定限于孔隙的体积分数(“孔隙率”)。

在本发明的方法中，令人感兴趣的饱和度值之一是“束缚水饱和度”。束缚水饱和度是孔隙被水所占据的体积分数，该水基本上不能从岩石孔隙移出，因为它通过表面张力(毛细管压力)附着在岩粒上。非生产性岩石层14B中的束缚水饱和度值以Sw_irr(clay)表示，因为在该实例中假设这种层14B完全由粘土矿和束缚水组成，该束缚水饱和度值可通过常数d与非生产性岩石层孔隙中的“束缚”水(通过毛细管压力结合到岩粒上的水)的体积分数相关。常数d通过下列表达式与束缚水饱和度Sw_irr(clay)相关：

Sw_irr(clay)＝d*Swb    (1)

其中Swb表示特定层的束缚水饱和度。Swb可以由某些测井测量结果如前述的介电常数和NMR驰豫测量结果测定。

在任何岩石层中，包括在生产层14A中，束缚水饱和度可通过以下表达式与上述粘土束缚水饱和度值相关联：

${\mathrm{Sw}}_{\mathrm{irr}}={\mathrm{Sw}}_{\mathrm{irr}}\left(\mathrm{clay}\right)+\frac{{\mathrm{BV}}_{\mathrm{irr}}}{{\mathrm{\φ}}_t}---\left(2\right)$

其中BV_irr表示在基本不含粘土的(“净”)岩石地层中毛细管力束缚(固定)的水的体积分数，φ_t表示岩石地层中孔隙的总体积分数(“孔隙率”)。孔隙率φ_t可由测井的测量结果获得，其非限定性实例包括体积密度、中子孔隙度、声速、核磁共振驰豫测井及其组合。出于本发明的目的，仅需用于获得φ_t和Swb的测量具有足够精细的轴向分辨率，以便能够测定各层的孔隙率。

前面就层14A和14B的每一层定义了BV_irr、d、Swb、Sw_irr和φ_t值。在某些实例中，前述各数值可由记录仪22记录的每个样品的数值进行确定。在一些实例中，记录单元可记录各测井仪每移动2英寸(约5cm)的样品测量结果。与分立的各地层(如14A和14B所示的层)相对应的数值，可由测井数据通过“二乘法(squaring)”或者其它已知的离散层测井分析技术得到。

对于令人感兴趣的整个地层14而言，其垂直电阻率的模拟值或期望值Rv(mod)可以通过下面的表达式由层14A和14B之各层的参数d和BV_irr获得：

$\mathrm{Rv}\left(\mathrm{mod}\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\φ}}_t^{m\left(\mathrm{net}\right)}*[{\mathrm{Swb}}_i\mathrm{Cwb}+\min (1-{\mathrm{Swb}}_i,\frac{\mathrm{BVirr}}{{\mathrm{\φt}}_i}+{\mathrm{dSwb}}_i)\mathrm{Cwf}]}---\left(3\right)$

其中n表示层数，Cwb表示各层中束缚水的电导率，Cwf表示各层中游离水或可移动水的电导率。Cwb和Cwf可以由相邻“净”地层或相邻页岩层的电导率测量结果及相关的孔隙率测量结果测定，也可以由各层的精细分辨率测量结果获得。在第i层的Swb可如前述一样由测井测量结果获得。数值m(net)表示根据下面Archie方程测定的各层“胶结指数”的“净”值：

$R_0=\frac{{\mathrm{aR}}_w}{{\mathrm{\φ}}^m}---\left(4\right)$

其中R₀表示其孔隙完全被电阻率为Rw的水所充满的多孔地层的电阻率，及a为根据经验确定的常数。如果所测定的第i层的Swb高于预先选定的最小值(该最小值可由测井数据测定或估算)，则可以设定该层的胶结指数m(net)为在基本上全部是页岩的岩石地层中所测定的数值。该胶结指数可利用令人感兴趣的地层14或者相邻页岩地层中的页岩层的垂直电阻率测量值和孔隙率值测定。如果第i层的Swb为或者小于预先选定的最小值，则可以设定该层的胶结指数为生产性地层14A的胶结指数。该胶结指数可利用上述方程(4)用生产层的测井测量结果测定。这类测量可包括轴向分辨率较精细(因而勘测深度浅)的电阻率测量，因为置换孔隙中天然流体的井眼流体的电阻率可以很容易地由地表测量结果测定。

令人感兴趣的地层14的水平电阻率Rh的模拟值或期望值，同样可以根据下面的表达式由层14A和14B之各层的参数d和BV_irr获得：

$\mathrm{Rh}\left(\mathrm{mod}\right)=\frac{n}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_t^{m\left(\mathrm{sand}\right)}*[{\mathrm{Swb}}_i\mathrm{Cwb}+\min (1-{\mathrm{Swb}}_i,\frac{\mathrm{BVirr}}{{\mathrm{\φt}}_i}+{\mathrm{dSwb}}_i)\mathrm{Cwf}]}---\left(5\right)$

其中与方程(3)相同的那些参数表示同样的物理参数。可以测定各个层的Rv和Rh值，作为方程式(3)和(5)各自求和项中的第i层值，该个别的值可以平均化，这将参照方程式(7)和(8)说明如下，作为对该方法的质量控制检验(quality control check)。

在本发明的方法中，对各层的d和BV_irr值设置初始值，并按上述关于所感兴趣的地层14的方程(3)和(5)中所示，计算Rv和Rh的模拟值。然后将Rv和Rh的模拟值与分辨率粗糙的测量装置16A测得的Rv和Rh值进行比较。调整各层的d和BV_irr值，并再次计算Rv和Rh的模拟值。可以通过变量递增法，通过增加d和BV_irr值以固定的增量进行调整，也可以通过诸如模拟退火算法(simulated annealing)等方法进行调整。在授权给Chunduru等人的美国专利5740124中记载了在测井反演(well log inversion)中的模拟退火算法。重复前述步骤，直至Rv和Rh的估算(模拟)值与测量值基本相等，或者它们之间的差值降到所选定的阈值以下为止。当Rv和Rh的模拟值与测量值基本相等或者所述差值降到选定的阈值以下时，测定各层的d和BV_irr值。

利用由上述反演测定的d和BV_irr，通过下面的表达式，可以计算各层中烃占据总岩石体积的体积分数V_hyd：

$V_{\mathrm{hyd}}=\mathrm{\φt}-(\mathrm{\φt}*\mathrm{Swb})-(\mathrm{\φt}*\mathrm{dSwb}+\frac{\mathrm{BVirr}}{\mathrm{\φt}})---\left(6\right)$

在某些情况下，每层的d和BV_irr值的反演过程可能不会收敛于一个值。此时，通过单独对Rv和Rh各自进行上述的反演过程，可以确定垂直电阻率测量和水平电阻率测量中各自的d和BV_irr的个别值，且该反演方法的结果用于层状地层分析过程是本领域中已知的。

通过计算所有层的Rv和Rh的平均值，并将平均的Rv和Rh模拟值与轴向分辨率粗糙的测量装置16A的测量值比较，可以获得对各层的Rv和Rh模拟值的质量控制检验。该平均值可通过下面的表达式确定：

$\mathrm{Rv}\left(\mathrm{avg}\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Rv}}_i\left(\mathrm{mod}\right)---\left(7\right)$

$\mathrm{Rh}\left(\mathrm{avg}\right)=n/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Rh}}_i^{-1}\left(\mathrm{mod}\right)---\left(8\right)$

图2示出了本发明方法的一个实例的流程图。在30处，测定各层的总孔隙度。总孔隙度可利用上述各种轴向分辨率精细的测量进行测定。在32处，测定各层的束缚水饱和度。束缚水饱和度可利用上述某些轴向分辨率精细的测量进行测定。

分别在38和40处，测定生产性地层的各Rh和Rv值。该Rh和Rv值可以由上述轴向分辨率粗糙的测量装置获得。分别在34和36处，对各层的d和BV_irr值设置初始值。为了提高反演过程的运算速度，可以限制d和BV_irr的值，使d大于零而使BV_irr小于1。在42处，参照上面的方程式(5)所示，由各层的d和BV_irr值确定感兴趣地层的Rh的期望值。在44处，参照上面的方程式(3)所示，可测定地层的Rv值。在46处，比较计算值和得自轴向分辨率粗糙的测量装置(图1中的16A)的数值。如果差值降到选定的阈值以下，则可以参照方程式(6)所述那样计算感兴趣地层的烃体积。如果差值高于选定的阈值，则可以调整各层的d和BV_irr值，并在48处重复计算Rv和Rh。重复前述过程，直至在46处的差值降到选定的阈值以下。

与采用现有方法能够提供的估算相比，根据本发明的方法对层状地下地层的烃体积提供了更精确的估算。

尽管根据有限数量的实施方案对本发明进行了描述，但本领域技术人员得益于本发明的公开内容，将认识到，可以构思其它实施方案而不偏离在此公开的本发明的范围。因此，本发明的范围应仅限于所附权利要求书。

Claims (9)

1.一种估算层状地下地层中烃体积的方法，包括：

测定地层中的垂直电阻率和水平电阻率；

测定地层各层的束缚水饱和度和总孔隙度；

根据各层的束缚水饱和度和总孔隙度以及各层中估算的束缚水总体积，估算地层的水平电阻率值和垂直电阻率值；

将这些估算值和测定的水平电阻率和垂直电阻率进行比较；

调整各层中所估算的束缚水饱和度并反复估算该值，直到估算值与测定的垂直电阻率和水平电阻率之间的差值降到所选的阈值以下；及

由各层经调整的束缚水饱和度估算烃体积。

2.权利要求1的方法，其中各层中的总孔隙度是由声速、密度、核磁共振驰豫法及中子孔隙度测井中至少一种方法的测量结果测定的。

3.权利要求1的方法，其中各层中的束缚水饱和度是由电磁波衰减和核磁共振驰豫法测井中至少一种方法的测量结果测定的。

4.权利要求1的方法，其中所测定的垂直电阻率和水平电阻率是由轴向分辨率比用于测定束缚水饱和度的测量更粗略的测量结果获得的，其中所述轴向分辨率为沿井眼方向的分辨率。

5.权利要求1的方法，还包括利用各层的束缚水饱和度和总孔隙度估算各层的水平电阻率值和垂直电阻率值，及将各层的水平电阻率平均值和各层的垂直电阻率平均值分别与所测定的水平电阻率值和垂直电阻率值进行比较。

6.一种测井方法，包括：

沿着钻过层状地下地层的井眼移动测井仪，该测井仪包括测定地层中垂直电阻率和水平电阻率的第一传感装置以及测定地层中总孔隙度和束缚水饱和度的第二传感装置，第二传感装置的轴向分辨率比第一传感装置精细；

由第一传感装置的测量结果，测定层状地层中水平电阻率值和垂直电阻率值；

由第二传感装置的测量结果，测定各地层的束缚水饱和度和总孔隙度；

根据各层的束缚水饱和度和总孔隙度以及各层的估算的束缚水总体积，估算地层的水平电阻率值和垂直电阻率值；

将这些估算值和测定的水平电阻率和垂直电阻率进行比较；

调整所估算的各层的束缚水饱和度并反复估算该值，直到估算值与测定的垂直电阻率和水平电阻率之间的差值降到所选的阈值以下；及

由调整的各层的束缚水饱和度估算烃体积。

7.权利要求6的方法，其中第一传感装置包括用于测量声速、密度、核磁共振驰豫和中子孔隙度中至少一种的传感器。

8.权利要求6的方法，其中各层的束缚水饱和度是由电磁波衰减和核磁共振驰豫法测井中至少一种的测量结果测定的。

9.权利要求6的方法，还包括利用各层的束缚水饱和度和总孔隙度估算各层的水平电阻率值和垂直电阻率值，及将各层的水平电阻率平均值和各层的垂直电阻率平均值分别与所测定的垂直电阻率值和水平电阻率值进行比较。

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