CN1151385C - 确定岩层中油饱和度的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定井孔穿入的大地岩层中的油饱和度的方法。该方法包括在彼此分隔的位置测量碳和氧的相对量，并由此计算所述井孔中在各个彼此分隔位置的表观持油率。根据在各个彼此分隔位置确定的表观持油率之间的差值，计算井孔中的修正的持油率。根据碳和氧的相对量和修正的持油率，确定所述岩层中在各个彼此分隔位置的表观油饱和度。根据在各个彼此分隔位置的表观油饱和度之间的差值，确定修正的岩层油饱和度。

Description

确定岩层中油饱和度的方法

技术领域

本发明涉及电缆测井领域。更具体地说，本发明涉及通过分析中子诱发的伽马射线光谱测量结果来确定填充于大地岩层孔隙中的烃的分数量。

背景技术

一种称为碳-氧测井的诱发伽马射线光谱测井技术被用于确定大地岩层孔隙中的石油的分数量。碳-氧测量仪器一般包括一个可控高能中子源和一个或几个伽马射线探测器，该伽马射线探测器能够产生相应于它探测到的伽马射线的能级的输出。中子源周期地向地层中发射中子的短时“脉冲”。本领域中已知的中子源通常发射平均能级约为14兆电子伏特(MeV)的中子。从中子源发射出的高能中子和大地岩层中的原子核碰撞。一些称为“非弹性”碰撞的碰撞导致高能中子保持其初始能量的基本部分。非弹性碰撞中损失的能量通常以伽马射线的形式释放。对于地岩层中的每种特定的核同位素，非弹性碰撞诱发的伽马射线的能级是唯一的。由于探测器产生对应于探测到的伽马射线的能级的信号，因而通过表征探测到的非弹性伽马射线的能量光谱，可确定某一核同位素在地层中的相对分布量。

在碳-氧测井中，和氧原子核的非弹性中子碰撞诱发能级为6.1MeV的伽马射线，及较少的能级为7.1MeV的伽马射线。和碳原子核的非弹性中子碰撞诱发能级为4.4MeV的伽马射线。通过确定在这些能级的每一个能级探测到的伽马射线的相对数量，可确定碳原子核数目和氧原子核数目的比率，即所谓的“碳-氧比率”。由于碳-氧比率可帮助区分大岩地层孔隙中的油和水，因而碳-氧比率具有特殊意义。水中基本上不包含有碳，只有氧。而油中氧的含量低，但是通常具有很高的碳含量。

由于许多原因，其中之一是井孔中液体的影响，碳-氧测井难以实现。井孔中的液体通常具有很高含量的氧和/或碳，这取决于液体中的多少部分是油或水。非弹性碰撞伽马射线从井孔中发射出，于是具有大体上和试图从大地岩层中探测到的伽马射线一样的光谱特性。此外，从井孔中发射出的非弹性伽马射线计数率一般高于从大地岩层中发射出的非弹性伽马射线计数率，这是因为井孔中(其中仪器被浸入液体中)单位体积的液体含量高于大地岩层中单位体积的液体含量。液体只占据大地岩层中称为孔隙的空隙，孔隙的体积一般不会超过大地岩层总体积的40％，实际上经常低于该值。

在Roscoe等的标题为“测定井孔周围的地岩层中的油和水饱和度的方法”的欧洲专利EP0465276B1中说明了一种考虑到井孔中液体的影响，修正碳/氧测井的方法。该专利中描述的方法包括在两个彼此分隔的探测器测量伽马射线，确定在每个探测器碳和氧的量。在每个探测器碳和氧的量被换算为油体积关于水体积的线性函数(称为“持油率”)。在每个探测器碳和氧量之间的差被用于求解该线性方程，以得出井孔中油的持油率和填充有油的孔隙的体积分数(所谓的“油饱和度”)。

欧洲专利EP0465276B1的方法的缺点是利用线性标度来描述在每个探测器的碳和氧量，和井孔中的持油率及地层中油饱和度之间的关系。碳和氧量相对于井孔中的持油率，及相对于大地岩层中的油饱和度并非必需是线性的。

发明内容

本发明是一种用于确定井孔穿入的大地岩层中的油饱和度。井孔和岩层中的碳和氧的相对量的测量通过对在彼此分隔位置从大地岩层探测到的中子诱发的非弹性伽马射线的光谱分析完成。本方法包括根据碳和氧的相对量的测量结果计算在每个彼此分隔位置的井孔中的表观持油率。通过将测得的碳和氧的含量值和碳和氧数量与预选已知值的持油率的经验关系作比较，来确定表观持油率。为一批岩层孔隙率值，岩层的各种矿物成分，以及在其中得出测量结果的井孔的各种直径值确定该经验关系。根据在每个彼此分隔位置确定的表观持油率的值之间的差，计算修正的井孔中的持油率。根据对于得出伽马射线测量结果的仪器的特定配置的，表观持油率差值关于持油率的已知值的经验关系，来确定修正的持油率。该配置指的是探测器的数目和每个探测器距离源的距离。

根据碳和氧的相对量和修正的持油率在每个彼此分隔的位置来确定岩层中的表观油饱和度。通过将测得的碳和氧值和对于已知的油饱和度值的经验关系作比较来确定表观油饱和度。根据每个彼此分隔位置的表观饱和度之间的差确定修正的岩层中的油饱和度。通过将所述差值和对于作出测量结果的仪器的特定配置的、差值关于已知饱和度值的经验关系比较，从表观饱和度的差确定修正的饱和度。

附图说明

图1表示的是本发明的方法中使用的碳-氧测井仪器的布置。

图2表示了将利用本发明计算得到的井孔持油率和已知的持油率值比较的图。

图3表示了将利用本发明计算得到的岩层油饱和度和已知的油饱和度值比较的图。

图4表示了将利用本发明计算得到的井孔持油率，与图2中的已知的持油率值外加对结果的计数统计进行比较的图。

图5表示了将利用本发明计算得到的岩层油饱和度与图3中的已知的油饱和度值外加计数统计进行比较的图。

图6到9分别表示了类似于图2到5中表示的结果，不同之处在于井孔直径为8.5英寸，而图2到图5中井孔直径为6英寸。

具体实施方式

图1表示了本发明的方法中使用的用于测量的碳-氧测井仪器。仪器10包括一个可控高能中子源12。中子源选自本领域已知的、发射出高能中子的受控持续脉冲的源种类。例如参见Ethridge的美国专利4996017。脉冲的定时可由遥测装置/控制器组件4控制，该遥测装置/控制器组件包括本领域熟知的用于控制脉冲时间的电路。仪器10包括一个近探测器N，它最好由和光电倍增管14光学耦接的碘化钠或类似闪烁体晶体8构成。远探测器F包括一个类似的闪烁体晶体6和光电倍增管16。在此将进一步说明的对本发明的测试结果是在闪烁体晶体8直径为1英寸，4英寸长，其最近端距离源12的最近端的距离约为13英寸的情况下完成的。同样出于测试本发明的方法的目的，晶体6的直径约为1英寸，约为6英寸长，其最近端距离源12的最近端的距离约为22英寸。需要明白的是在本发明的方法中源12和探测器N，F之间的距离也可为其它值。此外，本发明并不被限于只具有两个彼此分隔的探测器N，F的仪器。在本发明中也可使用具有多于两个轴向分隔的探测器的仪器。在测试本发明的方法中使用两探测器的仪器是为了使说明更易于理解。同样需要明白的是，本发明使用的进行测量的碳-氧测井仪器中也可使用其它尺寸，及其它成分的闪烁体晶体，例如锗化铋及氧代原硅酸镥。

各个光电倍增管14，16的电输出可被导引到遥测装置/控制器组件4。遥测装置/控制器组件4可包括众所周知的用于测量各个光电倍增管14，16为响应各个晶体6，8发出的闪烁而产生的电压脉冲的幅度的电路(图中未示出)，从而可确定各个探测到的伽马射线的能级。遥测装置/控制器组件4可包括用于将对应于在由遥测装置/控制器组件4中的幅度测定电路测定的各个能级探测到的伽马射线的数目的信号传给测井电缆2的电路(图中未独立地表示出)。仪器被置于井孔22中的同时，为了分析，在地面可对信号进行译码和解释，但是需要明白的是，仪器10也可包括一个存储器或类似的记录设备(图中未示出)以存储信号，直到从井孔22中取出仪器为止。

井孔22穿通大地岩层18。井孔22中充满液体20，液体通常由油和水的混合物构成。根据在各个探测器N，F探测到的伽马射线的数目可确定液体20中油的分数量(称为持油率)。液体也可填充大地岩层18中的孔隙。大地岩层的孔隙中的液体也可由油和水的混合物构成。根据在特定能级探测到的伽马射线的数目，也可确定孔隙中的总的液体体积中的油的分数量(称为油饱和度)。例如参见Scott等的“用于自流井中的新补偿通管碳/氧工具”，SPWLA 32nd Annual LoggingSymposium，Jun.16-19，1991。更具体地说，在各个能级探测到的伽马射线的数目可被用于确定井孔22和岩层中的碳和氧的相对量。根据探测到的伽马射线的数目来确定碳和氧的相对量的方法在本领域是周知的。例如参见Odom的美国专利5374823。

为了根据各个探测器的伽马射线计数值来测量碳和氧的相对量，本发明的方法包括四个处理步骤。这些处理步骤基于如下判定，即由仪器10探测到的伽马射线指示的碳和氧的相对量和油和水的体积分数，尤其是井孔22中的油和水的体积分数之间的关系并不是线性的。

首先，根据在各个探测器N，F测量到的碳和氧的相对量，为井孔22中的液体20确定表观持油率。根据如下表达式可确定井孔中在各个探测器N，F的表观持油率H² ₀：

$H_o^i={\left(\frac{{\mathrm{CO}}^i-{\mathrm{CO}}_{B\min }^i}{{\mathrm{\ΔCO}}_B^i}\right)}^n---\left(1\right)$

在方程(1)中，COⁱ代表在第i个探测器测定的碳的量和氧的量的比率。对于前面描述的仪器10，由于它具有两个探测器，因而i可等于1或2，但是如同前面解释的一样，本发明可采用具有多于两个探测器的仪器。数值COⁱ _Bmin表示当井孔22中的液体完全由水构成(H₀＝0)，及当岩层18的孔隙中的液体也完全由水构成时，在第i个探测器预期的CO比率值。ΔCO_B表示当井孔22中的液体完全由油构成(H₀＝1)时，及当井孔22中的液体完全由水构成时，在第i个探测器获得的CO比率值之间的预期的差值。应该注意的是计算预期差值ΔCOⁱ中使用的CO比率测量值均可在岩层18的孔隙中的液体完全由水构成的条件下测定。这一假定可用的原因在于CO比率值受井孔22中的持油率的影响比受岩层18中的油饱和度的影响大得多。但是，COⁱ _Bmin和ΔCO_B主要取决于岩层18中的孔隙的体积分数(称为孔隙率)，岩层18的矿物成分，及井孔的直径。大地岩层18的孔隙率可从岩心样品或从若干众所周知的测井测量结果的任一个中确定。通过实验室试验，或通过本领域周知的Monte Carlo模型之类的模拟方法可确定对于多种矿物成分和大量的井孔直径及孔隙率的COⁱ _Bmin和ΔCO_B值。在实验室试验或通过模拟，通过将持油率的若干已知值在持油率值从零到1的整个范围内和从方程(1)确定的持油率值拟合，来确定方程(1)中的指数n。方程(1)定义的关系式对于仪器10中的各个探测器N，F是唯一的。术语“配置”包括中子源类型，及探测器晶体的大小，化学成分及距离中子源的距离之类的内容。

接下来，根据一个持油率模型，从各个探测器N，F的表观持油率可确定井孔中的持油率的修正值。该持油率模型的数学表达式为：

$H_o=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{H}_o^i+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\ΔH}}_o^{\mathrm{ij}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}{\left({\mathrm{\ΔH}}_o^{\mathrm{ij}}\right)}^3---\left(2\right)$

在方程(2)中，ΔH₀ ^ij表示第i个和第j个探测器的表观井孔持油率之间的差值，N代表探测器的总数。针对使用大量持油率值的一系列实验室试验(或一系列计算机模拟)，通过最小化持油率H₀的真实值和方程(2)计算得到的模拟值之间的差值，可确定系数A，B和C。使用本领域周知的最小二乘拟合法可使该差值最小。对于仪器10中的源12和探测器N，F的各配置，方程(2)定义的关系式将是唯一的。

下面，在各个探测器N，F，根据在各个探测器N，F作出的CO比率测量结果可确定岩层18的孔隙中的表观油饱和度。相对于如前由方程(2)确定的井孔持油率的计算值，确定表观油饱和度值。对于井孔持油率的计算值，在第i个探测器的表观岩层油饱和度可根据如下表达式确定：

$S_o^i\left(H_o\right)=\frac{{\mathrm{CO}}^i-{{\mathrm{CO}}^i}_{F\min }\left(H_o\right)}{\mathrm{\Δ}{{\mathrm{CO}}^i}_F\left(H_o\right)}---\left(3\right)$

方程(3)中，COⁱ表示在第i个探测器的CO比率测量结果，COⁱ _Fmin(H₀)表示当岩层18中的油饱和度等于零(S₀＝0)，及井孔22的持油率等于H₀时，在第i个探测器的预定CO比率测量结果。ΔCOⁱ _F(H₀)表示当孔隙中的液体完全由油构成及当该液体完全由水构成，并且井孔22中的持油率等于H₀时，在第i个探测器作出的CO比率测量结果之间的预期差值。COⁱ _Fmin(H₀)和ΔCOⁱ _F(H₀)将受许多因素影响，其中包括井孔22的直径，大地岩层的矿物成分，及孔隙率的值。更重要的是，COⁱ _Fmin(H₀)和ΔCOⁱ _F(H₀)的值将受到井孔22中的持油率值的影响。对于任何特定的矿物成分，孔隙率值及井孔直径，对于井孔22中的持油率的各种值，通过实验室试验或Monte Carlo模型之类的数值模拟方法，可确定COⁱ _Fmin(H₀)和ΔCOⁱ _F(H₀)。

方程(3)确定的各个探测器N，F的表观油饱和度可被用于根据如下表达式计算修正的油饱和度值：

$S_o=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i{S}_o^i+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\ΔS}}_o^{\mathrm{ij}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{ij}}{\left({\mathrm{\ΔS}}_o^{\mathrm{ij}}\right)}^3---\left(4\right)$

其中ΔS₀ ^ij代表第i个和第j个探测器的表观油饱和度值之间的差值，并且如同方程(2)中一样，N表示探测器的总数。对于一系列已知油饱和度和孔隙率值，及一系列已知的井孔持油率值，通过使利用方程(4)计算得到的油饱和度和在实验室模型或模拟中使用的实际的油饱和度之间的差值最小，可确定系数D，E和F。采用本领域周知的最小二乘法可使该差值最小。对于仪器10中采用的源和探测器的各配置，系数D，E及F是唯一的。对于井孔22中的各个持油率值，系数D，E及F也是唯一的。对于特定仪器，在持油率值的整个范围内，可确定系数组。系数组可存储在查找表中。可根据系数表中表示的，和方程(2)中计算的持油率最为接近的井孔持油率，来从查找表中选定进行特定饱和度计算时实际使用的系数组。

另一方面，可为各个单个的探测器N、F计算修正的油饱和度。由方程(3)将在特定探测器的CO测量结果换算为表观饱和度值。将该表观饱和度插入实验室试验或模拟确定的，和方程(2)确定的修正井孔持油率最为接近的两个持油率值之间。如果使用这一计算修正的油饱和度的备选方法，应该注意的是在测量结果的统计精度和测量结果对岩层18中的油饱和度的灵敏度之间存在折衷。使用从近探测器N之类的距离更接近的探测器得到的CO测量结果得到的结果的统计变化很小。选择远探测器F之类的远距离探测器可改善结果对岩层中的油饱和度的灵敏性，但是统计变化较大。

用数值模拟法检测本发明的方法。首先，为仪器10中的各个探测器N，F的各种持油率值，导出CO比率和井孔持油率之间的经验关系。

表1表示了用于为方程(1)中的表达式导出经验关系的各种参数：

           表1

参数	模拟中使用的值
		岩层孔隙率	0，10，20，30，40％
岩层油饱和度	0，100％
		矿物成分	石灰石
井孔直径	6.0和8.5英寸
		井孔持油率	0，25，50，75，100％

接下来，模拟仪器的CO响应的模型，从而为图1中所示及前面描述的仪器10导出示于方程(2)和(4)中的经验关系式。在确定方程(2)和(4)中的经验关系式的系数后，对两种通常的岩层孔隙率值的一组随机油饱和度值和持油率值，测试本方法的有效性。使用的参数示于表2：

                    表2

测试#	岩层孔隙率(％)	岩层油饱和度(％)	井孔持油率(％)
				1	20	75	80
2	20	10	75
				3	20	0	75
4	25	80	60
				5	25	0	50
6	25	50	40
				7	25	40	30
8	20	50	20

表2所示的参数被用于模拟如图1所示配置的仪器的各个探测器的CO响应。随后用在此描述的方法处理模拟的各个探测器的CO响应。随后将使用本发明的方法计算得到的油饱和度和持油率和表2所示的饱和度和持油率值比较。表2的参数和利用本发明的方法的计算值之间的差值图示于图2-9中。

图2表示了用本发明的方法计算得到的6’井孔中持油率和示于表2的各个持油率值之间的差值。各个持油率值包括差值，即“误差”的五个独立图解指示。对于这些描述的各个模拟的测试结果被进行五次，每次不同，以测试本方法的统计精度及其总精度。在图2中，各个持油率的所有五个图解指示均相同，这是因为图2所示的模拟并不包括模拟的伽马射线计数速率的统计量。

图3表示了在和示于图2的模拟一样的测试条件下，根据本发明的方法计算得到的岩层油饱和度的结果。

图4表示了采用本发明的方法得到的持油率计算结果，和图2中的一样，只是加上了等同于以2英尺/分钟的速率在井孔(图1中的22)中移动仪器(图1中的10)的统计量。正如本领域周知的，该速率是碳/氧测井的常用的速度。

图5表示了如图3一样的岩层油饱和度计算值，只是加上了等同于以2英尺/分钟的速率在井孔中移动仪器的统计值，该速率和用于示于图4的结果的速率一样。

图6到9分别表示了关于本发明的方法的，和图2到图5的结果类似的测试结果，不同之处在于对于图6到9所示的结果的模拟是在井孔直径为8.5英寸下进行的。

本发明提供一种改进的确定井孔持油率和岩层油饱和度的方法，该方法不需要事先了解井孔中的持油率。

本领域有经验人员在不脱离在此说明的本发明的精神的情况下，可作出本发明的其它实施例。于是本发明只应受到附加的权利要求的限制。

Claims (19)

1.一种确定井孔穿入的大地岩层中的油饱和度的方法，它包含：

用高能中子脉冲辐照所述大地岩层；

在距离所述中子源的彼此分隔的位置，探测从所述岩层发射出的非弹性伽马射线；

根据所述非弹性伽马射线的能谱，确定在各个彼此分隔位置的碳和氧的相对量；

根据所述碳和氧的相对量，计算所述井孔中在各个彼此分隔位置的表观持油率；

根据在各个彼此分隔位置的所述表观持油率之间的差值，计算所述井孔中的修正的持油率；

根据所述碳和氧的相对量和所述修正持油率，计算所述岩层中在各个彼此分隔位置的表观油饱和度；及

根据在各个彼此分隔位置的所述表观饱和度之间的差值，计算所述岩层中的修正的油饱和度。

2.如权利要求1所述的方法，其中根据所述碳和氧的相对量与真实的持油率的经验关系式确定所述表观持油率，就所述大地岩层的预定矿物成分、所述大地岩层中的孔隙的预定体积分数及所述井孔的预定直径确定所述经验关系式。

3.如权利要求2所述的方法，其中根据实验室试验确定所述经验关系式。

4.如权利要求2所述的方法，其中根据数值模拟确定所述经验关系式。

5.如权利要求1所述的方法，其中通过在所述真实的持油率的一个取值范围内使所述表观持油率和真实持油率之间的差值最小，来确定所述修正的持油率。

6.如权利要求5所述的方法，其中根据实验室试验来确定所述表观持油率和所述真实持油率之间的所述差值。

7.如权利要求5所述的方法，其中根据数值模拟来确定所述表观持油率和所述真实持油率之间的所述差值。

8.如权利要求1所述的方法，其中根据所述碳和氧的相对量与真实的油饱和度的经验关系式确定所述表观油饱和度，就所述大地岩层的预定矿物成分、所述大地岩层中的孔隙的预定体积分数及所述修正的持油率确定所述经验关系式。

9.如权利要求8所述的方法，其中根据实验室试验来确定所述经验关系式。

10.如权利要求8所述的方法，其中根据数值模拟来确定所述经验关系式。

11.如权利要求8所述的方法，其中通过在所述真实的油饱和度在所述修正的持油率下的取值范围内使所述修正的油饱和度和真实油饱和度之间的差值最小，来确定所述修正的油饱和度。

12.如权利要求11所述的方法，其中根据数值模拟来确定所述修正的油饱和度和所述真实的油饱和度之间的所述差值。

13.如权利要求11所述的方法，其中根据实验室试验来确定所述修正的油饱和度和所述真实的油饱和度之间的所述差值。

14.一种根据岩层中的碳和氧的相对量的测量结果来确定大地岩层中的油饱和度的方法，所述测量结果通过对在彼此分隔的位置，从所述大地岩层探测到的中子诱发的非弹性伽马射线进行光谱分析得到，该方法包含：

根据所述碳和氧的相对量，计算所述井孔中在各个所述彼此分隔位置的表观持油率；

根据在各个所述彼此分隔位置的所述表观持油率之间的差值，计算所述井孔中的修正的持油率；

根据所述碳和氧的相对量和所述修正持油率，计算所述岩层中在各个所述彼此分隔位置的表观饱和度；

通过将所述表观饱和度插入和所述修正的持油率最接近的所述持油率的选择值之间来计算修正的饱和度，所述修正的持油率为对其根据所述的碳和氧的相对量确定所述饱和度的一个经验值的修正持油率。

15.如权利要求14所述的方法，其中根据实验室试验来确定所述经验值。

16.如权利要求14所述的方法，其中根据数值模拟来确定所述经验值。

17.如权利要求14所述的方法，其中通过在所述真实持油率的一个取值范围内使所述表观持油率和真实持油率之间的差值最小，来确定所述修正的持油率。

18.如权利要求14所述的方法，其中根据实验室试验来确定所述表观持油率和所述真实持油率之间的所述差值。

19.如权利要求14所述的方法，其中根据数值模拟来确定所述表观持油率和所述真实持油率之间的所述差值。

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