CN1185507C - 确定地层中流体数量的方法 - Google Patents

Abstract

一种选自至少两种被含在地层中的流体中的一种流体数量的确定方法，该方法包括对该地层区施加磁场；对该地层区进行脉冲回波测量；选择来自该流体，流体数量的NMR回波响应和以取决于所述流体数量的方式影响该NMR回波响应的变量之间的关系；在NMR测量过程中改变这些变量，所测到的NMR回波响应以取决于所述流体数量的方式受到影响。所选择流体的数量通过将NMR回波响应和选择的关系式对照而得到确定。

Description

确定地层中流体数量的方法

本发明涉及采用核磁共振技术(NMR)确定地层中流体数量的方法。从含有烃流体和水的地层中得到烃的工业，通常需要确定地层中水的饱和度，或反之，烃的饱和度，以评估从该地层中生产烃的技术和经济上的可行性。例如，对一个新油田，或者对一个还剩有或遗有油量的半废弃油田来说，期望作这种评估。

被普遍用于确定地层中油，气或水的测井技术是核磁共振测井法。该技术探测含在地层中水和油的核磁横向弛豫的时间过程。

观察到的磁化强度回波高度衰减曲线基本上是多指数函数，可以表达为：

$M\left(t\right)=M\left(0\right){{\∫}^{~}}_{0}P\left(T_2\right)e^{-t/T2}d{T}_2---\left(1\right)$

其中P(T₂)dT₂表示横向弛豫时间在T₂和T₂+dT之间的流体数量。

然后根据地层中对不同流体所观察到的NMR弛豫时间来确定油、气或水的饱和度。然而，为了区分地层中水和油产生的信号，需要这些信号有明显不同的NMR弛豫时间。这也许正是弛豫时间小于几毫秒，而水的弛豫时间是十到几百毫秒的重油存在下的。通常这种差别不是很明显，所以区分水和油仅能是通过用具有顺磁性离子的泥浆滤液去置换靠近钻孔处地层中的水，它能将水的弛豫时间缩短到几毫秒。复合NMR衰变曲线一般在长于20ms的时间测定，可理解为它只能是由油引起的。尽管这种技术得到成功地运用，但是它的缺点是必须使用特殊的泥浆以获得所要求的在井身周围地层中置入的泥浆滤液，这使得已有的方法费钱费时。另外不能保证完全置换且不易检查。还有，这种技术通常用于制造蓄物池，而且在测量还未完成之前置入的砂可能会漂移离开井身。

EP-A-489578揭示了一种在钻孔中进行脉冲-回波NMR测量的方法。该方法使静态的磁场和磁场梯度作用在钻孔周围的地层中，接着施加一系列NMR电磁脉冲。NMR回波的衰减用于确定扩散系数D和横向弛豫时间T₂。该出版物指出扩散系数D可以用来确定水和烃的饱和程度。然而，并没有公开水和烃的饱和程度是如何确定的。甚至，公开物中只提到了单扩散系数D，它只与水有关或只与碳氢化物流体有关。

本发明的目的是提出一种确定至少含有二种流体的地层中流体数量的经改进的方法。

根据本发明，这里提出了一种选自至少二种被含于地层中的流体中的流体数量的确定方法，包括：

a)在该地层区施加磁场；

b)在该地层区进行脉冲-回波NMR测量；

c)选择由该流体，流体数量产生的NMR回波响应和以取决于所述流体数量的方式影响NMR回波响应的至少一个变量之间的关系；

d)在NMR测量过程中改变该至少一个变量，以取决于所述流体数量的方式影响测定的NMR回波响应；

e)通过将NMR回波响应与已选择的关系相对照，确定所选流体点的比例。

由于NMR回波的时间过程以取决于所述流体数量的方式受到影响，且测得的NMR回波是来自各个流体回波的叠加，可以通过变量的改变对所测的NMR回波响应的影响去区分来自各个流体的回波。

这些流体适宜具有不同的NMR扩散系数，不同的NMR扩散系数含在选择的关系式中，该电磁场有磁场梯度，该至少一个变量为NMR脉冲间隔和磁场梯度的乘积。该乘积数值的变化可以通过改变NMR脉冲间隔和/或磁场梯度来实现。

在存在磁场梯度的时候，所测的NMR回波的时间过程受到分子自扩散的影响。因此，可以通过对所测到的NMR回波响应的扩散效应去区分各个流体的回波。

在NMR测量过程中最好出现至少两个不同长度的NMR脉冲时间间隔，该不同长度的脉冲时间间隔适当地作用于单个NMR测井序列，周期性地作用于单个测井通道，或独立的测井通道中。

适当的NMR测井序列是卡-珀赛-梅玻姆-吉尔(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)(CPEG)序列，因此

TR-90°±x-(t_cp，j-180°_y-t_cp，j-响应_j)

其中

TR：序列间等待的时间；

t_cp，j：是Carr-Purcell间隔；

x，y：分别表示90°和180°脉冲相位；

j：回波信号的指数

对单一流体，在一个有梯度的磁场中和恒定的t_cp时，NMR回波衰变曲线可以写成：

M(t)＝M(o)∑Ai exp(-t/T_2，i)exp(-tγ²DG²t_cp ^2/3)

      (1-exp(-TR/T_1，i))                       (3)

其中，A_i是具有横向弛豫时间T_2i的流体的数量；

M(o)是t＝0时刻的信号幅度

T_2，i是流体数量A_i的横向弛豫时间

T_1，i是流体数量A_i的纵向弛豫时间

γ是该流体核子的旋磁率

G是磁场的梯度

D是多孔岩中流体分子的自扩散系数。

从含有几种流体的地层中产生的NMR回波曲线是各个流体产生回波的叠加，因此

M(t)＝∑M_j(t)              (4)

其中M_j(t)是第j个流体数量的NMR回波衰减，如方程(3)所述。

扩散系数D的大小与流体的温度和粘度有关，且近似为经验关系式

D＝2.5T/300η(10^-9m²/s)                   (5)

其中T是温度(K)；η是粘度(cp)。

在多孔流体中分子扩散必然受到限制，这意味着D不是常量，而是有效扩散时间2t_cp和孔体系几何形状的函数。

应当清楚的是将来自不同流体的回波区分开来是根据不同扩散系数对NMR响应所产生的作用(改变脉冲时间间隔)，和/或根据不同的纵向弛豫时间对NMR响应所产生的作用(改变TR)。

在本发明优选的实施例中，该至少一个变量包括有NMR脉冲序列之间的等待时间，该等待时间例如在CPMG序列中是指TR。

更具吸引力的是应用呈NMR脉冲间隔和磁场梯度的乘积的形式的第一个变量和以NMR脉冲序列之间等待时间这种形式出现的第二个变量(在CPMG序列中的TR)。应当理解的是第一个变量将和磁场梯度一起施加于具有不同NMR扩散系数的流体中去。

所发明的方法中的步骤e)最好包括对所测的NMR回波响应和所选择的关系式采用反演(inversion)法。

最好采用恰当的方程式(4)，同时将改变至少一个变量(如第一和第二变量)所得到的被测量的NMR回波响应数据反演，因为这种方法允许该变量有更宽的范围，对各个衰减曲线允许有可能的不同噪音水平，而且能顾及任意数量的衰减曲线。

实施例

参见附图，下面说明的是对一个岩石地层样品采用梯度磁场NMR测量方法，确定含有中等比重油和水的岩石地层中水的饱和度，其中

图1-4简要地示出了所含油饱和度分别为0.15，0.3，0.45，0.6的地层的NMR衰变曲线；

图5简要地示出了对两个不同的脉冲时间间隔NMR回波信号之比随不同时刻油饱和度变化的关系。

选出两个横向弛豫时间和相应的两个容积部分来模拟水。具有短弛豫时间的部分表示结合水且保持恒定，而具有长弛豫时间的部分代表流动着的水且随油的饱和度而变化。油用一个横向弛豫时间和相应的容积来模拟。参数值选择如下：

T_2，w，1＝10ms

A_w，1＝0.25

T_2，w，2＝100ms

A_w，2＝0.60；0.45；0.30；0.15

D_w＝3.0E-9m²/s

T_2，0＝50ms

A₀＝0.15；0.30；0.45；0.60

G＝0.2T/m

γ＝2π42.565MHz/T

图1-4中任何一个图表示经过归一化处理的两个脉冲时间间隔(2t_cp)的NMR回波衰减曲线，每个图中上面的那条曲线(编号1a，1b，1c，1d)表示脉冲时间间隔2t_cp＝2ms时NMR响应随时间t的变化，下面的曲线(编号2a，2b，2c，2d)表示脉冲时间间隔2t_cp＝6ms时NMR响应随时间t的变化。另外，图1中油的饱和度A₀＝0.15，图2中A₀＝0.3，图3中A₀＝0.45，图4中A₀＝0.6。

显然图中上部曲线(1a，1b，1c，1d)和下部曲线(2a，2b，2c，2d)之间的距离随油饱和度的增加而减小。因此采用至少两个不同的脉冲时间间隔，可确定上部和下部曲线之间的距离，根据此距离可以确定油的饱和度。

建议通过采用适当的数值极小化方法将整个曲线和方程(4)的适当形式相拟合确定水的饱和度(或油的饱和度)，本发明方法的灵敏度可以从图5中得到，图5表示对选定的时间t，曲线3，4，5，6表示比值R＝M(t，2t_cp-6)/M(t，2t_cp＝2)。随着油饱和度A₀的变化而变化。曲线3选定的t值为t＝90ms，曲线4中t＝48ms，曲线5中t＝18ms，曲线6中t＝12ms。

在油和水参数实际值的范围内重复该方法，可以发现本发明方法只是很小程度上取决于油参数的实际值。如果没有关于这些参数的信息可用，水饱和度预计的误差最高为0.1。如果油的粘度可以估计在小数点两位的精度，相应的水饱和度的误差与整个测量精度相比可以忽略不计。

本方法例如可以用于在地层中形成钻孔的情况下，或者用于从地层中取得钻土取样的实验室中。

另外，本方法对于在为了置换出地层中的油对地层采用注水或气驱的条件下确定残留油的饱和度具有吸引力。

Claims (9)

1.一种从选自至少两种被含于地层中的流体中的一种流体数量的确定方法，其中包括：

a)在该地层区中施加磁场；和

b)在该地层区中进行脉冲-回波NMR测量，特征在于流体具有不同的NMR扩散系统，且磁场有磁场梯度，特征还在于该方法还包括下述步骤：

c)选择由该流体、流体数量、流体的NMR扩散系数得到的NMR回波响应，和以取决于所述流体数量的方式影响NMR回波响应的至少一个变量之间的关系，其中至少一个变量包括NMR脉冲间隔和磁场梯度的乘积；

d)在NMR测量过程中改变该至少一个变量，以取决于所述流体数量的方式影响NMR回波响应；和

e)通过用所选择的关系同时反演由至少一个变量的不同值得到的NMR回波响应数据，确定所选流体占的比例。

2.权利要求1的方法，其中至少有两个不同长度的NMR脉冲间隔用于NMR测量。

3.权利要求1或2中的方法，其中NMR脉冲间隔和磁场梯度的乘积形成第一个变量，其中至少一个变量包括的第二个变量为在NMR脉冲序列之间的等待时间。

4.权利要求3的方法，其中将通过改变第一和第二个变量得到的测量的NMR回波响应数据同时反演。

5.权利要求1，2或4中任一项的方法，其中NMR测量包括如上所定义的CPMG序列。

6.权利要求1，2或4中任一项的方法，其关系式有如上所定义的形式：M(t)＝∑Mj(t)。

7.权利要求1，2或4中任一项的方法，其中该地层含有烃和水，所选的流体包括烃流体。

8.权利要求7的方法，其中所选的流体至少包括油和气中的一个。

9.权利要求8的方法，其中所选的流体包括对地层施加注水或气驱后含在地层中的剩油或遗留下的油。

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