CN1109253C - 地层电导率的测定 - Google Patents

Abstract

一种测定由不同地层组成的地岩层电导率的方法，其中包含有钻井流体的钻井伸进上述岩层。本方法包括把感应测井工具下降到钻井中去并定位于由所选地层包围的地点。本工具包括适宜于在所述地层中诱导出不同频率磁场的磁场发射装置以及适宜于在离发射装置不同间距处接收响应磁场的并提供一个代表每一响应磁场信号的磁场接收装置，至少要选择二个不同的频率和二个不同的间距。为了每一所选频率及所选间距的不同组合，发射装置操作时要使在所述地层中能诱导出所选频率的磁场来，这个磁场在工具附近诱导出一个相应的响应磁场。操作接收装置时要使它在所选离发射装置间距处工作从而提供一个代表响应磁场的信号。把这些信号进行组合以产生一个组合信号，此组合信号与钻井区电导率及所选地层附近地层之电导率的相关性已有所降低。

Description

地岩层电导率的测定的方法和设备

技术领域

本发明涉及由不同地层组成的地岩层电导率的方法，其中一个包含钻井流体的钻井伸入岩层之中。这种方法又可称作测井法。更具本地说来，本发明涉及对地岩层中若干选定层的电导率之测定。这样测得的电导率可以用来测定各个独立的地层的组成以及测定这些地层中是否存在象油、水和气这些流体。本发明还涉及地岩层电导率的测定的设备。

背景技术

通常、在由页岩及沙交替组成的多层碎片型储层中，用传统感应测井工具，要检出含烃区是不容易的。如果由于工具的垂直分辨率太低使得感应测井工具对一些太薄的地层不能单独检测出来，则工具的读数是岩层的平均电导率。在一个垂直的井眼中，普通的感应测井工具的磁偶极矩在垂直方向上时，其读数是沙与页岩综合起来的一个平均导电率，可是这个电导率是由页岩层较高的电导率所主导的。一个横向感应测井工具的磁偶极矩是在水平方向上时，其读数是由含烃沙层的较低电导率主导的平均电导率。

如果岩层中页岩与沙的含量已经弄清，例如用γ-线工具或核工具经过测量后得到的，那么把传统的感应测井工具与横向测井工具综合起来应用就可以测定各个页岩与沙层的电导率，其前提为同类型的地层之电导率相同。但是，横向感应测井工具的响应很难判读清楚，因为其响应受井眼效应和钻井流体侵入效应的很大的影响。

一种降低井眼效应对横向感应测井工具响应影响的已知方法公开在泰白劳夫斯基等人1979年的论文“在各向异性介质中带横向检测器的感应聚焦探头的径向特性，”苏联地质学及地球物理学，20，80-90页。在此公开的方法中，使用了一种感应测井工具，它包含一个磁场发生装置，它适宜于在岩层中诱导出一个磁场来，还包括一个适宜于在离磁场发生装置不同间距上接收响应磁场并提供代表每个响应磁场的信号之磁场接收装置。可是，用这个工具的测量结果很不规则，固而很难判读。当这个工具在一系列的地层中运作时，这个问题甚至会变得更明显。

发明内容

所以，本发明的目的是提供测定多层岩层中一个地层特性的方法，用这个方法得到的测井响应很容易判读清楚，同时本方法可以在即使各个地层相对很薄时对上述特性有一个准确的显示。

本发明进一步的目的是提供一个实施本方法用的设备。

为实现本发明上述目的，按照本发明提供了一种测定由不同地层组成的地岩层之电导率的方法，其中一个包含着钻井流体的钻井伸进所述岩层，本方法包括：

-把一个感应测井工具下降到钻井之中、四周是所选地层的地点，这个工具由以下各项组成：磁场发射装置，它适合于在所述地岩层中诱导出不同频率的磁场，磁场接收装置，它适合于在离感应装置不同间距的地方接收响应磁场并且提供代表每个响应磁场的信号；

-选择二个以上的频率和二个以上的上述不同间距；

-为了对每个所选频率及所选间距作不同组合，操作发射装置以使地岩层中诱导出一个所选频率的磁场来；这个磁场诱导出一个相应的响应磁场，在离发射装置的所选间距上操作接收装置以提供一个信号，各信号代表对于各所选频率及所选间距的响应磁场；和

-以一定的方式把信号组合起来从而使产生出来的组合信号对钻井区电导率及所选地层的邻近地层之电导率之相关性有所降低；

其中，所述的工具由第一对线圈及第二对线圈组成，每一对线圈包括一个发射线圈与一个接收线圈，第一对线圈之发射线圈与接收线圈间的间距较第二对要大些，发射线圈限定了一发射装置，接收线圈限定了一接收装置，所述的各对线圈拥有一个共同的中点，这个中点就是在连接这对线圈的直线上并与这对线圈等距离。

为实现本发明的目的，本发明还提供了一种测定位于一个以上地层附近的地层电导率用的设备，其包含有钻井流体的钻井伸进上述地岩层，本设备包括：

-把一个感应测井工具下放到钻井中去并定位在一个由所选地层包围的地点的装置，所述的工具由第一对线圈及第二对线圈组成，每一对线圈包括一个发射线圈与一个接收线圈，第一对线圈之发射线圈与接收线圈间的间距较第二对要大些，发射线圈限定了一发射装置，接收线圈限定了一接收装置，所述的各对线圈拥有一个共同的中点，这个中点就是在连接这对线圈的直线上并与这对线圈等距离；

-选择二个以上的不同频率以及选择二个以上不同间距的装置；

-对每个所选频率及所选间距进行不同组合用的操作发射装置的装置，它可以使得在所述地层中诱导出一个所选频率的磁场；此磁场在工具附近诱导出一个相应的响应磁场。还有操作接收装置使其在离发射装置不同间距处工作的装置，用来提供一个代表响应磁场的信号；和

-组合信号的装置，其组合方式使得从这些展开式中消除所述的线性项和非线性项，从而使产生出来的组合信号对钻井区电导率及所选地层的邻近地层之电导率之相关性有所降低。

所述频率及所选间距的不同组合包括第一频率与第一间距的组合、第二频率与第一间距的组合、第一频率与第二间距的组合以及第二频率与第二间距的组合。

组合信号可以用以下的实用方式来取得：每个信号包含了一个成为响应磁场频率线性函数的线性成分，此成分实质上依赖于钻井区电导率；上述信号还包括成为响应磁场频率非线性函数并与附近地层的电导率有实质性依赖关系的主导的非线性成分；在从组合信号中消除主导的非线性成分之前，就把线性成分从组合信号中消除掉。

优选地，上述信号的组合可用以下方式来有效地实现，这就是上述线圈的排列使得至少发射线圈与接收线圈中有一个的磁偶极矩与其他线圈的磁偶极矩相反。

为了使流过各地层并流过地层边界的电流达到一个最佳的流道，比较适宜的方法是每个线圈排列得使其产生的磁偶极矩大体上与上述地层的延伸方向并行。在钻井大体上垂直地延伸而地层水平地延伸时，较适宜的方法是让每个线圈排列得使其磁偶极矩大体上为水平方向。

在岩层中要诱导出来的磁场，其频率适宜于选为40-200KHz，最好是50-150KHz之间。

附图说明

下面参照附图通过实例来详细地说明本发明，附图中：

图1示意地示出一个伸入多层岩层内的一个钻井，本发明的方法中使用的感应测并工具已下降到此钻井这中。

具体实施方式

图1中的钻井延伸入一个岩层中，这个岩层包括一个含烃沙层3，它位于上页岩层5及下页岩层7之间，页岩层5、7的电导率比含烃沙层3要高些。按本发明的感应测井工具9已经用穿过防喷装置13(图中示意地画出)的钢丝绳11放入钻井1，防喷装置13位于钻井1顶端的地面15上。测井工具9设有二个发射线圈17、18及二个接收线圈19、20。17、18、19、20中每个线圈都用一套沿钢丝绳11延伸着的导线与地面设备22相连接，地面设备22包括一个电源，用来向发射线圈17、18提供功率；还包括一个信号处理器以接收并处理从接收线圈19、20来的电信号。

线圈17、18、19、20形成横向线圈，也就是线圈的取向使其磁偶极矩24、26、28、30与钻井轴相垂直，而其中磁偶极矩28的方向与磁偶极矩24、26、30相反。其次，线圈17、18、19、20大体上是沿测井工具9的纵轴线相互对准着的。同时，它们的排列使线圈副17、20以及线圈副18、19都具有一个共同的中点32，这个中点的限定为位于每对线圈之间的距离之一半的那个点。每一对线圈的间距下面均称为工具间距。线圈副17、20的间距为L₁，而线圈副18、19的间距则为L₂，因此L₁＞L₂。

在正常操作中，地面设备22中的电源将一个频率为f₁的交流电供给发射线圈17，从而使岩层中诱导出一个磁偶极矩24的磁场。这个磁场向沙层3延伸，并在沙层3中诱导出一个电流，这个电流由一组局部涡流组成。这种涡流的大小决定于其离发生线圈17的距离以及这个点上岩层的电导率和发射线圈17工作的频率。原则上，局部涡流又起到新的电流的诱导源的作用。新的电流又诱导出更新的电流，等等。在沙层3中诱导出来的电流诱导出一个响应磁场，它与感应磁场不同相并在接收线圈20中诱导出一个响应电流。由于在沙层3中的感应电流之大小决定于沙层3的电导率，接收线圈20中响应电流的大小也决定于这个电导率，从而提供了一个沙层3电导率的指示。可是，发射线圈17产生的磁场不但向沙层3延伸而且也在钻井流体中以及沙层5、7中延伸，以致在钻井流体及沙层5、7中诱导出电流来，它们导致在接收线圈20的响应电流中出现附加的成分来。这些附加的成分可以与发射线圈17工作的频率成线性关系，或者与频率的高次项成正比。通常，如果钻井1的容量相对较大，则高次项就成为主导；如果频率或电导率相对较高，结果也会这样。如果不是这种情况，钻井流体对接收线圈17总响应的主导作用会形成一个与频率成线性关系的成分。

接收线圈20收到的响应磁场h(f₁)可以写成频率的级数展开式：

h(f₁)＝f₁h₁+f₁ ^3/2h₂+f₁ ²h₃+……                     (1)

式中，h₁，h₂，h₃是响应磁场h(f)的级数展开项。

f₁h₁成分大体上依赖钻井区的电导率，就是说，这一项依赖钻井流体的电导率。

随后，一个频率为f₂的交流电被地区设备22之电源送入发生线圈17从而使岩层里诱导出一个频率为f₂的磁场。交流电频率f₂要适当地选择使它与向线圈17提供过的交流电的频率f₁有所不同。与频率为f₁的磁场相似，频率为f₂的磁场在地层3、5、7中诱导出一个电流；此电流在岩层中诱导出一个响应磁场，后者又在接收线圈20中诱导出一个响应电流。接收线圈20收到的响应磁场可以用频率的级数展开式写出来：

h(f₂)＝f₂h₁+f₂ ^3/2h₂+f₂ ²h₃+……                    (2)(2)式中之成分f₂h₁主要地依赖钻井区的电导率。

用一个恰当的方式把公式(1)及(2)组合起来，f₁h₁及f₂h₁这二个成分就可以消除掉。形成的式子为：

h(f₁，f₂)＝h(f₁)-(f₁/h₂)h(f₂)                     (3)

用这个方式，与频率或线性关系的各项就被消除掉了，从而钻井区对公式(3)的影响大体上得到消除。可是，一个缺点是附近地层(称作肩床层)的影响显著地增加起来，从而垂直分辨率降低了。这是由于这样一个事实形成的，这就是与f^3/2成正比的各项之垂直分辨率很低。

本发明应用了以下一种见解，那就是与f^3/2正比的各项实质上与工具间距无关，从而以频率聚焦响应之垂直分辨率可以用以下的方法来加以改善，这就是把二个工具间距不同的频率聚焦发射/接收线圈对之各个响应组合在一起。这样一来，与f^3/2正比的各项可以消除掉。如果所用的频率选得使二个发射/接收线圈对的都相等，那么只要让发射线圈17、18的磁偶极矩相同但是又让接收线圈19、20的磁偶极矩与之相反，就能适当地实现上述的消除。另一种方法是发射/接收线圈对使用不同的频率对。

因此，下一步，发射线圈18用来在岩层中诱导出一个磁场和其相应的电流场，而接收线圈19用来提供能表示响应磁场的信号。向发射线圈18提供的交流电流之频率为f₁，也就是与先前向发射线圈17提供的电流频率相同。响应磁场h¹可以用一个与公式(1)相似的级数展开式写出来；这个级数展开式包含一个主要与钻井区电导率有关的f₁h₁ ¹成分以及一个主要与页岩层5、7电导率有关的成分f₁ ^3/2h₂ ¹。下一步，一个频率为f₂的交流电流被提供给发射线圈18，也就是其频率与先前向发射线圈17提供的电流频率相同。响应磁场h¹可以用一个与公式(2)相似的级数展开式写出来；此级数展开式包含了一个主要与钻井区电导率有关的f₂h₁ ¹成分，以及一个主要与页岩层5、7电导率有关的成分f₂ ^3/2h₂ ¹。把这些级数展开式按照参照公式(1)及(2)说明过的相似方式来组合起来，与频率成线性关系的各项可以消除掉，从而最终形成以下的式子：

h¹(f₁，f₂)＝h¹(f₁)-(f₁/f₂)h₁(f₂)          (4)

把公式(3)及(4)组合在一起，带f₁ ^3/2及f₂ ^3/2各项的成分即可消除，以致最终形成的式子中钻井区及页岩层5、7电导率的影响实质上已消除掉。最终的公式是由地面设备22以一个组合信号的形式提供的。

从上所述，我们可以得出这样一个结论，就是如果对不同频率和不同工具间距进行组合，我们就可以得到一个代表某一选定地层地导率的信号，而把钻井区及邻近地层的影响实质上消除掉。

Claims (8)

1.一种测定由不同地层组成的地岩层之电导率的方法，其中一个包含着钻井流体的钻井伸进所述岩层，本方法包括：

-把一个感应测井工具下降到钻井之中、四周是所选地层的地点，这个工具由以下各项组成：磁场发射装置，它适合于在所述地岩层中诱导出不同频率的磁场，磁场接收装置，它适合于在离感应装置不同间距的地方接收响应磁场并且提供代表每个响应磁场的信号；

-选择二个以上的频率和二个以上的上述不同间距；

-为了对每个所选频率及所选间距作不同组合，操作发射装置以使地岩层中诱导出一个所选频率的磁场来；这个磁场诱导出一个相应的响应磁场，在离发射装置的所选间距上操作接收装置以提供一个信号，各信号代表对于各所选频率及所选间距的响应磁场；和

-以一定的方式把信号组合起来从而使产生出来的组合信号对钻井区电导率及所选地层的邻近地层之电导率之相关性有所降低；

其中，所述的工具由第一对线圈及第二对线圈组成，每一对线圈包括一个发射线圈与一个接收线圈，第一对线圈之发射线圈与接收线圈间的间距较第二对要大些，发射线圈限定了一发射装置，接收线圈限定了一接收装置，所述的各对线圈拥有一个共同的中点，这个中点就是在连接这对线圈的直线上并与这对线圈等距离。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于所述所选频率及所选间距的不同组合包括：

-第一频率与第一间距之组合；

-第二频率与第一间距之组合；

-第一频率与第二间距之组合；

-第二频率与第二间距之组合；

3.按照权利要求1或2中的方法，其特征在于每个信号包含了一个成为响应磁场频率之线性函数的成分并且此成分实质上与钻井区电导率有关，每个信号还包括成为响应磁场之非线性函数的成分，此成分实质上与邻近地层电导率有关，上述线性成分在把非线性成分从组合信号中消除之前就已从组合信号中消除掉。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于所述线圈排列成至少发射线圈及接收线圈中的一个，其磁偶极矩与其他线圈的磁偶极矩相反。

5.按照权利要求1或4的方法，其特征在于每个线圈排列得使它们产生的磁偶极矩与上述地层延伸的方向并行。

6.按照权利要求5的方法，其特征在于钻井延伸的方向是垂直的，所述地层延伸方向是水平的；其中每个线圈排列得使其磁偶极矩为水平的。

7.按照权利要求1的方法，其特征在于要在岩层中诱导出来的磁场频率宜选为40-200KHz之间。

8.一种测定位于一个以上地层附近的地层电导率用的设备，其包含有钻井流体的钻井伸进上述地岩层，本设备包括：

-把一个感应测井工具下放到钻井中去并定位在一个由所选地层包围的地点的装置，所述的工具由第一对线圈及第二对线圈组成，每一对线圈包括一个发射线圈与一个接收线圈，第一对线圈之发射线圈与接收线圈间的间距较第二对要大些，发射线圈限定了一发射装置，接收线圈限定了一接收装置，所述的各对线圈拥有一个共同的中点，这个中点就是在连接这对线圈的直线上并与这对线圈等距离；

-选择二个以上的不同频率以及选择二个以上不同间距的装置；

-对每个所选频率及所选间距进行不同组合用的操作发射装置的装置，它可以使得在所述地层中诱导出一个所选频率的磁场；此磁场在工具附近诱导出一个相应的响应磁场；还有操作接收装置使其在离发射装置不同间距处工作的装置，用来提供一个代表响应磁场的信号；和

-组合信号的装置，其组合方式使得从这些展开式中消除所述的线性项和非线性项，从而使产生出来的组合信号对钻井区电导率及所选地层的邻近地层之电导率之相关性有所降低。