FR2604531A1 - Procede et appareil pour distinguer l'argile dispersee et stratifiee dans des formations souterraines - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE DES MOYENS DE DIAGRAPHIE POUR DISTINGUER L'ARGILE DISPERSEE ET STRATIFIEE DANS DES FORMATIONS SOUTERRAINES. ON UTILISE UN APPAREIL DESCENDU SUR CABLE CONSISTANT EN UN OUTIL DE DIAGRAPHIE A POLARISATION INDUITE A FREQUENCES MULTIPLES 10B FONCTIONNANT A DES FREQUENCES EXTREMEMENT BASSES, COMBINE AVEC D'AUTRES OUTILS DE DIAGRAPHIE 10A QUI MESURENT LA QUANTITE TOTALE D'ARGILE DANS LA FORMATION. ON EFFECTUE ALORS UNE DETERMINATION DE LA FRACTION DE LA TENEUR TOTALE EN ARGILE DANS LA FORMATION QUI EST DUE A DE L'ARGILE STRATIFIEE. APPLICATION A LA DETERMINATION DE LA PRODUCTIVITE DE GISEMENTS.

Description

La présente invention concerne la diagraphie d'une formation souterraine

pour déterminer la productibilité

des hydrocarbures contenus dans cette formation. En parti-

culier, la présente invention décrit un appareil et un procédé pour mesurer les quantités séparées d'argile

dispersée et stratifiée dans une formation souterraine.

Dans la diagraphie de puits, on rencontre fréquemment

des minéraux argileux contenus dans des formations de grès.

Ces minéraux argileux sont présents dans trois morpho-

logies fondamentales: argile dispersée (appelée aussi disséminée), argile stratifiée (appelée aussi schiste stratifié) et argile structurale. Dans le cas d'argile dispersée, les minéraux argileux sont disperses dans tout l'espace des pores et occupent une partie de cet espace des pores. Typiquement, les minéraux argileux revêtent au hasard les surfaces des grains de sable avec des particules d'argile séparées, discrètes. Ce type de morphologie d'argile est habituellement formé entre les grains de sable après que la matrice de grès a été déposée. Dans le cas d'argile stratifiée, l'argile est habituellement déposée sous la forme d'une couche géologique continue

entre des couches géologiques de sable. Les couches d'ar-

gile sont alors soumises à une compaction au cours du temps

géologique. Ces strates d'argile sont spatialement con-

tinues sur de longues distances et peuvent avoir des épaisseurs variant de quelques micromètres à des épaisseurs s'exprimant en mètres. L'argile stratifiée remplit aussi

l'espace des pores et remplace la matrice proportionnel-

lement à leur volume. La troisième morphologie d'argile, l'argile structurale, est bien moins courante. L'argile structurale remplace des grains de sable individuels dans

la matrice.

Le type de distribution de l'argile détermine dans une large mesure la porosité effective, la perméabilité et la productivité de réservoirs schisteux. En quantité -2- suffisante, les argiles peuvent avoir un effet nuisible sérieux sur le comportement d'un réservoir de pétrole. Une raison importante pour faire la distinction entre l'argile

dispersée et stratifiée est le fait que de l'argile stra-

tifiée est souvent présente entre des strates de sable propre (c'est-àdire exempt d'argile). L'épaisseur (minceur) des strates peut être telle que les outils de diagraphie normaux ne puissent pas distinguer les strates d'argile et que l'on observe seulement une réponse nette correspondant à la teneur moyenne en argile à la fois du sable propre et de l'argile stratifiée. La teneur moyenne en argile peut être si forte que, si elle était dispersée, le pétrophysicien en tirerait une conclusion pessimiste concernant la productibilité du réservoir; alors que, en fait, le sable exempt d'argile entre les strates d'argiles

peut avoir une excellente productivité pour les hydrocar-

bures. Un autre avantage de la distinction entre l'argile dispersée et stratifiée est que cela conduit à un nouveau calcul de la saturation en hydrocarbures, parce que les hydrocarbures sont presque toujours contenus dans le grès

et pas dans le schiste stratifié.

C'est donc un but de la présente invention de fournir un procédé et un appareil perfectionnés pour distinguer

l'argile dispersée et stratifiée dans des formations sou-

terraines; ce procédé et cet appareil pouvant être uti-

lisés facilement et économiquement non seulement à la sur-

face de la terre, mais aussi en temps réel lors d'une diagraphie de formationssouterraines dans un trou de sonde qui pénètre dans ces formations; permettant de mesurer une formation souterraine par polarisation induite; et mesurant aussi la quantité totale d'argile dans la même formation souterraine; combinant les résultats des mesures de polarisation induite et d'argile totale pour déterminer la fraction de la teneur totale en argile de la formation qui est due à l'argile stratifiée; et, dans un mode -3- de mise en oeuvre préféré, enseignant comment mesurer les quantités séparées d'argile dispersée et stratifiée en utilisant des outils de diagraphie à polarisation induite, tels que ceux décrits dans les brevets des E.U.A. N 4 359 687 et 4 583 046. Selon l'invention, il est prévu un procédé pour

distinguer l'argile dispersée et stratifiée dans des for-

mations souterraines, comprenant: la mesure d'au moins une portion d'une telle formation souterraine au moyen d'une mesure de polarisation induite; la mesure de la quantité totale d'argile dans la même formation souterraine; et

la combinaison des résultats de la mesure de polari-

sation induite et de la mesure de l'argile totale pour déterminer la fraction de la teneur totale en argile de la

formation qui est due à l'argile stratifiée.

Dans la présente invention, on décrit un procédé et

un appareil qui peuvent distinguer entre ces argiles dis-

persées et stratifiées, même lors d'une diagraphie en temps

réel dans un trou de sonde. De préférence, le fonction-

nement d'un outil de diagraphie à polarisation induite à fréquences multiples à des fréquences suffisamment basses, typiquement moins de 1 Hz, est combiné avec un ou plusieurs outils de diagraphie supplémentaires qui mesurent la teneur totale en argile dans la formation souterraine concernée. Comme expliqué plus complètement ici, à ces basses fréquences,

l'outil de diagraphie à polarisation induite répond seu-

lement à la teneur en argile dispersée contenue dans la formation, et la réponse de polarisation induite à des

couches d'argile stratifiée dans la formation est sensi-

blement égale à zéro. Pour mesurer la teneur totale en argile, on peut utiliser, par exemple, n'importe lesquels des outils de diagraphie suivants: une diagraphie des potentiels spontanés (SP), une diagraphie aux rayons gamma naturels (NR), une diagraphie au magnétisme nucléaire (NML) -4- ou une diagraphie diélectrique à fréquences multiples, dans l'intervalle de fréquences compris entre environ 1

et 300 MHz.

Les réponses de la diagraphie de polarisation induite et de la diagraphie d'argile totale (ou des diagraphies concernées) sont combinées dans des équations appropriées pour déterminer la fraction de la teneur totale en argile due à l'argile stratifiée (ou au schiste) et, donc, la teneur en argile dispersée dans la portion productive de

la formation souterraine.

Dans le mode de mise en oeuvre préféré, la présente invention peut ainsi permettre l'analyse en temps réel de la formation, au cours d'une diagraphie dans un trou de sonde, concernant l'argile dans les formations souterraines qui sont traversées par le trou de sonde. L'invention fournit ainsi une différenciation sensible et précise entre l'argile dispersée et stratifiée dans ces formations, sans qu'on ait à prélever des échantillons réels (carottes) et à les amener à la surface pour analyse. En fait, l'outil de diagraphie de polarisation induite est le seul outil de

diagraphie connu comme ayant la capacité de répondre dif-

féremment aux argiles dispersées et stratifiées et donc de déterminer leurs quantités relatives, rendant ainsi la présente invention extrêmement intéressante pour de telles applications. De plus, la grande souplesse de la présente invention est telle qu'elle peut être utilisée aussi dans un laboratoire, ou ailleurs, à la surface du sol. Par

exemple, une carotte prélevée antérieurement dans une for-

mation souterraine et amenée à la surface peut être ensuite mesurée par polarisation induite et les résultats peuvent être combinés avec des mesures d'argile totale effectuées

de manière appropriée pour distinguer entre l'argile dis-

persée et stratifiée dans la formation dans laquelle la

carotte a été prise.

-5- Ces buts et avantages, et d'autres, de l'invention

seront évidents d'après la description suivante avec réfé-

rence aux dessins annexés, o: La figure 1 représente un outil de diagraphie combiné qui combine un outil de diagraphie de polarisation induite

avec un outil de diagraphie d'argile totale.

La figure 2 représente schématiquement une formation

souterraine, comparant les cas d'argile dispersée, stra-

tifiée et structurale.

La figure 3 représente la conductivité en quadrature de polarisation induite en fonction de la fréquence d'un

schiste de Pierre (SH) et d'un grès de Berea (S.S.).

La figure 4 représente un exemple d'un diagramme de polarisation induite (COND.) dans un.puits combiné avec un diagramme de rayons gamma naturels (G.R.) dans le puits et un diagramme densité/neutron (POR.) dans le puits pour une formation souterraine dans laquelle la morphologie de l'argile change, passant d'une argile dispersée à une

argile stratifiée.

Avec référence aux dessins, on va maintenant expliquer les nouveaux moyens prefectionnés pour distinguer l'argile dispersée et stratifiée dans une formation souterraine et

le procédé utilisant ces moyens selon la présente invention.

La figure 1 représente un outil de diagraphie 10 disposé en face de diverses formations souterraines 40, 41 et 42 dans un trou de sonde 15. Comme expliqué plus loin, l'outil peut être un seul outil ou ce peut être un chapelet de plusieurs outils 10a, 10b (etc.), comme cela est usuel dans la technique. De manière classique, l'outil 10 est amené à plusieurs profondeurs dans le trou de sonde 15 et les mesures qu'il effectue peuvent être enregistrées pour

produire un diagramme correspondant.

La figure 2A illustre le premier de trois types fonda-

mentaux de distribution d'argile, appelé argile structurale.

Ici, l'argile 20 a remplacé des grains de sable individuels 21. -6-

Sur la figure 2B, on a représenté le type de distri-

bution d'argile appelé argile dispersée. Ici, des grains de sable 21 forment un grès poreux et perméable. La saumure dans l'espace des pores a, au cours du temps géologique, contenu les ions nécessaires pour la croissance des minéraux argileux dispersés 23 qui se développent sur les grains de sable dans l'espace des pores. Des minéraux argileux typiques que l'on trouve à l'état dispersé dans des formations souterraines sont la montmorillonite,

l'illitel la chlorite et la kaolinite. En quantité suf-

fisante, ces minéraux peuvent être nuisibles pour la

perméabilité et la productivité de la formation souterraine.

Au contraire, la figure 2C représente de l'argile stratifiée, dans laquelle des grains de sable propres 21

alternent avec des couches d'argile 24.

La quantité totale d'argile contenue dans ces cas peut être identique. Toutefois, le cas de l'argile dispersée (figure 2B) peut avoir un comportement de réservoir très médiocre, tandis que l'ensemble argile stratifiée/sable propre (figure 2C) peut avoir un excellent comportement

de réservoir.

Quand l'épaisseur des couches d'argile 24 est très petite par rapport à la résolution verticale de l'outil de diagraphie 10, les couches d'argile ne sont pas résolues en strates géologiques séparées, mais au lieu de cela une teneur moyenne en argile est mesurée par l'outil de diagraphie. La réponse de conductivité en quadrature CQ en

fonction de la fréquence (FREQ.) d'une formation souter-

raine contenant de l'argile dispersée (grès de Berea S.S)

est comparée sur la figure 3 au cas d'un schiste entiè-

rement stratifié (schiste de Pierre SH). A des fréquences suffisamment basses, typiquement moins de 1 Hz, la réponse de polarisation induite de l'argile stratifiéediminue substantiellement à zéro. Au contraire, l'argile dispersée

produit une conductivité en quadrature sensiblement indé-

pendante de la fréquence jusqu'à des fréquences considéra-

blement plus basses. Ainsi, à des fréquences suffisamment basses, la seule réponse de polarisation induite est due à l'argile dispersée. L'explication du comportement différent concernant la polarisation induite du schiste dispersé et stratifié est la suivante. La conductivité en quadrature dans les sables schisteux est due à un mécanisme de potentiel de membrane et à la présence de zones riches en argile et pauvres en argile, alternativement, dans l'espace des pores de la roche. Quand on applique un courant durant le cours de la mesure de polarisation induite, des excès et manques locaux d'électrolyte se développent autour des sites d'argile,

conduisant à une série d'excès et manques alternés d'élec-

trolyte dans les espaces des pores. Après achèvement de

l'application de courant, ces gradients localisés de con-

centration s'affaiblissent avec le temps et les ions se

redistribuent à leurs distributions d'équilibre initiales.

Les réponses de conductivité en quadrature résultent de

ces changements de concentration.

Pour que cela se produise, il doit y avoir des régions

substantiellement riches en argile et des régions substan-

tiellement dépourvues d'argile, comme on en trouve dans les formations contenant de l'argile dispersée parmi les grains de sable. La distribution au hasard des distances entre les

plaquettes d'argile dans le cas dispersé conduit à un com-

portement de la conductivité en quadrature sensiblement

indépendant de la fréquence.

Au contraire, pour du schiste stratifié, il y a des couches d'argile continues, de sorte que des excès et manques localisés de concentration ne se développent pas sur l'échelle de distance de 30 micromètres qui correspond à des fréquences voisines de 1 Hz. A des fréquences bien plus grandes, toutefois, la distance entre les sites de -8- charge dans les structures lamellaires d'argile devient importante et la polarisation induite se développe à des

fréquences bien plus grandes. La conductivité en quadra-

ture du schiste stratifié dépend ainsi de la fréquence et tombe sensiblement à zéro à des fréquences inférieures

à 1 Hz.

La figure 1 représente ainsi un outil de diagraphie de polarisation induite 10b tel que celui décrit dans les brevets des E.U.A. N 4 359 687 et 4 583 046, combiné avec un outil de diagraphie de teneur totale en argile 10a ou fonctionnant indépendamment. L'outil de diagraphie de polarisation induite 10b est de préférence un outil à fréquences multiples de manière à mesurer le comportement dépendant de la fréquence du schiste stratifié. Dans la pratique, on peut faire fonctionner l'outil de diagraphie de polarisation induite à plusieurs basses fréquences en

face de formations souterraines adjacentes afin de déter-

miner une fréquence assez basse pour supprimer la réponse

provenant des schistes stratifiés. L'autre outil de dia-

graphie peut être un outil de diagraphie des potentiels spontanés (SP), qui sont déjà mesurés par les outils de

diagraphie de polarisation induite des brevets des E.U.A.

N 4 359 687 et 4 583 046 précités, ou ce peut être un outil de diagraphie des rayons gamma naturels, de diagraphie par spectroscopie aux rayons gamma naturels, de diagraphie

combinée neutron-densité, de diagraphie par magnétisme nu-

cléaire (NML) ou dediagraphie diélectrique à fréquences mul-

tiples. Chacun de ces outils de diagraphie de l'argile totale répond à la totalité de l'argile présente dans la formation, et ne fait pas de distinction entre l'argile dispersée et stratifiée en strates plus petites que leurs résolutions verticales. La réponse de beaucoup de ces outils de diagraphie à la teneur totale en argile a été passée en revue par L. J. S. Burck dans un article intitulé "A Review of Log and Core Methods for Determining Cation -9- Exchange Capacity/Qv ", et publié dans Transactions, Eighth v European Formation Evaluation Symposium, Paper F, London Chapter, Society of Professional Well Log Analysts,

Londres, Angleterre, 14-15 mars 1983.

Les équations générales décrivant la conductivité en quadrature dans des schistes sableux ont été établies par H. J. Vinegar et M. H. Waxman, "Induced Polarization of Shaly Sands", Geophysics, vol. 49, pages 12671287, août 1984. Les équations analogues pour la conductivité en phase de ces sables ont été indiquées par M. H. Waxman et L. J. M. Smits, "Electrical Conductivities in Oil-Bearing Shaly Sands", Transactions AIME, vol. 243, Part II, pages 107-122, 1968. L'équation pour la conductivité en quadrature, CQ', est: S n*-i CQ ' - - f ()T(1) o (QV)T est la capacité d'échange de l'argile totale par unité de volume de pores, résultant de la présence de tous les minéraux argileux dans la formation concernée, à l'état tant dispersé que stratifié. La fraction d'argile dans la

formation qui est présente à l'état stratifié est f.

D'autres paramètres dans l'équation (1) sont: F* et n* sont le facteur de résistivité de la formation et l'exposant de saturation pour le sable schisteux, comme

défini par Waxman et Smits, Sw est la saturation frac-

tionnaire en eau, ç est la porosité (fractionnaire) de la formation telle que mesurée par des méthodes classiques sur des échantillons de la formation, ou par diagraphie de densité dans des opérations de diagraphie dans le puits et est la conductivité équivalente en quadrature ou déphasée des cations d'échange de l'argile. Des valeurs

empiriques de _ sont indiquées en fonction de 1a concen-

tration de la saumure et de la température par Vinegar et Waxman dans la publication citée ci-dessus. Les auteurs ont -10-

trouvé que la conductivité en quadrature est fournie seu-

lement par l'argile dispersée.

L'équation pour la conductivité en phase, Ci', est: n* QV sw sT CI' F* [Cw +] (2) o Cwest la conductivité en phase de la saumure contenue dans les pores de la formation et B est la conductivité équivalente en phase des cations d'échange de l'argile. Des valeurs de B en fonction de la concentration du chlorure de sodium sont indiquées par Waxman et Smits dans le

document cité ci-dessus; la variation de B avec la tempé-

rature est décrite par M. H. Waxman et E. C. Thomas, "Electrical Conductivities in Shaly Sands: I. Relation

Between Hydrocarbon Saturation and Resistivity Index.

II. The Temperature Coefficient of Electrical Conductivity",

Transactions AIME, vol. 257, Part I, pages 213-225, 1974.

Selon la présente invention, on a trouvé que l'argile dis-

persée et l'argile stratifiée ont un effet approximati-

vement égal dans la conductivité en phase. Ainsi, la con-

ductivité en phase répond à (QV)T et à la capacité totale d'échange de cations, comme représenté dans l'équation (3) ci-dessous. Le paramètre d'argile ou de schistosité (QV)T décrivant les contributions effectives de l'argile fournies par l'argile tant dispersée que stratifiée est: (CEC> rTPM (1 - 3)

() (CEC)T (3)

o (CEC)T est la capacité totale d'échange de cations de la formation, en poids à sec, comprenant les fractions tant d'argile dispersée que d'argile stratifiée et PM est la masse volumique des grains de la matrice rocheuse (prise habituellement comme étant 2,65 g/cm3 pour le grès). Il en -11résulte évidemment que le paramètre d'argile

concernant la fraction d'argile dispersée dans la for-

mation, (QV)disp, est égal à (Qv)T (l-f). S'il n'y a pas

d'hydrocarbures présents dans la formation ou si la con-

ductivité de la saumure dans la formation est connue ou peut être déterminée approximativement, les équations (1) et (2) sont suffisantes pour calculer les deux quantités (QV)T et f, c'est-à-dire la capacité totale d'échange de cations par unité de volume des pores et la fraction de

l'argile qui est stratifiée. Toutefois, si des hydrocar-

bures sont présents, il y a encore une troisième inconnue et une équation supplémentaire pour l'argile totale est nécessaire. L'équation supplémentaire pour la teneur totale en argile dépend de l'outil de diagraphie utilisé pour cette mesure. Pour la diagraphie des potentiels spontanée (SP), les équations théoriques, vérifiées par des expériences, ont été publiées par L.J.M. Smits, "SP Log Interpretation in Shaly Sands", Transactions AIME, vol. 243, Part II, pages 123-136, 1968. Ces équations indiquent la relation entre la composante électrochimique nette du diagramme des potentiels spontanés (après correction pour les effets électrocinétiques) et la somme algébrique de deux potentiels de diffusion entre le sable schisteux et les lits de schiste adjacents. Ce sont Esable schisteux' résultant de la jonction filtrat de boue/sable schisteux/ saumure de la formation et Eschiste' résultant de la

jonction saumure de la formation/schiste/filtrat de boue.

Smits décrit le potentiel de diffusion du sable schisteux ou potentiel de membrane, Esable schisteux' en fonction de (QV)T du sable schisteux et des.concentrations des deux électrolytes impliqués dans l'opération de diagraphie, le filtrat de boue et la saumure de la formation. Cette

équation a été réarrangée par E. C. Thomas, "The Determi-

nation of Qv from Membrane Potential Measurements on -12-

Shaly Sands", Journal Petroleum Technology, pages 1087-

1096, septembre 1976, de manière à faciliter les calculs d'ordinateur. L'équation, incluant la contribution de f.é.m. provenant d'électrodes de mesure argent-chlorure d'argent, est m2 2RT tNa hf RB(Q)T d n m (4 Esable schisteux F 1 + R B(vT l i Ici, T est la température, F est la quantité d'électricité en Faradays, R est la constante molaire des gaz, tNahf est le nombre de transport électrique de Hittorf pour l'ion de sodium en solution aqueuse, disponible aussi dans la documentation technique publiée, Rw est la résistivité moyenne géométrique de l'eau (égale à l'inverse de la conductivité de l'eau, Cw), met y, sont la molalité et l'activité ionique moyenne des solutions d'électrolyte chlorure de sodium. Les limites d'intégration, m1 et m2, sont les molalités du filtrat de boue et de la saumure de

la formation, respectivement.

La composante restante du potentiel électrochimique SP, Eschiste peut être déterminée approximativement d'après le potentiel de Nernst bien connu, en supposant que le schiste se comporte comme une mebrane sélectivement perméable parfaite: 2RT ER dl!n m (5) schiste F j d m2 Le paramètre d'argile totale (QV)T peut ainsi être

calculé en utilisant les équations (4) et (5), la compo-

sante électrochimique mesurée de la diagraphie de SP en face de la formation intéressante et les concentrations ou les activités thermodynamiques des sels de la saumure de la formation et du filtrat de boue. Des diagrammes ont été -13- présentés par Smits dans la publication citée ci-dessus

pour faciliter ces calculs. La diagraphie de SP a l'avan-

tage supplémentaire que la mesure de SP est déjà effectuée par les outils de diagraphie de polarisation induite des brevets des E.U.A. N 4 359 687 et 4 583 046 précités et que donc des outils de diagraphie supplémentaires

peuvent ne pas être nécessaires.

Toutefois, c'est souvent le cas que l'on utilise aussi d'autres outils de diagraphie, en plus de ceux pour diagraphie de résistivité. Alors, beaucoup des corrections qui sont nécessaires pour l'interprétation des diagraphies de SP ne sont pas nécessaires et on peut obtenir une plus

grande précision.

Si on utilise la diagraphie des rayons gamma naturels, alors on peut estimer (QV)T d'après des corrélations entre la réponse en rayons gamma et la capacité d'échange de cations de l'argile.Ces corrélations sont dues dans une large mesure à la présence de potassium (K40) dans le minéral argileux illite et dans une moindre mesure dans la kaolinite. De tels exemples sont donnés par W. L. Johnson et W. A. Linke, "Some Practical Applications to Improve Formation Evaluation of Sandstones in the Mackenzie Delta", SPWLA Nineteenth Annual Logging Symposium, Paper C, El Paso, Texas, 13-16 juin 1978. L'équation suivante illustre l'utilisation d'une telle relation: (a + b)PM (1 -) (6) o y est la déflexion des rayons gamma (unités API) par rapport à une formation exempte d'argile, 6 est la porosité, obtenue habituellement par une diagraphie de densité, et les constantes a et b sont étalonnées d'après des résultats de diagraphie ou de carottage.L'utilisation de diagraphies par spectroscopie aux rayons gamma naturels -14- comme celles possibles avec Spectralog (Dresser) ou NGT (Schlumberger) permet une amélioration supplémentaire par rapport à la diagraphie des rayons gamma naturels, car elle ne mesure pas seulement les comptes totaux de rayons gamma, mais fait aussi la distinction entre les émissions provenant de nucléides particuliers de la série du potassium (K40), de la série de l'uranium (Bi214) et de la série du thorium (Th308). E. Frost, Jr. et W. H. Fertl ont groupé les divers minéraux argileux d'après leurs concentrations relatives en potassium, uranium et thorium dans leur article "Integrated Core and Log Analysis Concepts in Shaley Clastic Reservoirs", CWSL Seventh Formation Evaluation Symposium, Paper C, Calgary, Alberta, Canada, 21-24 octobre 1979. Frost et Fertl ont établi des corrélations empiriques entre la capacité d'échange de cations de l'argile et les concentrations de thorium et de vTpade K 40, permettant ainsi une détermination de (QV)T par des

équations analogues à l'équation (6).

Si on utilise la diagraphie par magnétisme nucléaire (NML), la réponse en indice de fluides libres (FFI) de cet outil de diagraphie est due seulement aux fluides libres (eau et huile) à l'intérieur des pores. L'eau associée aux minéraux argileux (eau liée) a un très court temps de relaxation transversale T2, typiquement moins de 100 microsecondes. Cette eau n'est pas observée par la NML parce que le signal enregistré de NML commence environ millisecondes après interruption du champ magnétique de polarisation. Comme la NIL ne mesure pas l'eau associée à des argiles dispersées ou stratifiées, l'indice de

fluides libres sera inférieur ou égal à la porosité totale.

La NML ne répondra pas non plus aux fluides contenus dans

des espaces de pores de diamètre très inférieur à 1 micro-

mètre, en raison de leur très court temps de relaxation

spin-réseau T1; toutefois, dans des grès et roches sil-

teuses typiques, la majeure partie de la porosité est -15- contenue dans des espaces de pores plus grands que 1 micromètre. Ainsi, la cause majeure du fait que l'indice de fluides libres est inférieur à la porosité totale est la présence de minéraux argileux, et la différence entre le FFI déterminé par NML et la porosité déterminée par diagraphie de densité représente la partie de la porosité remplie par de l'eau liée à l'argile. On peut calculer (QV)T à partir de cette eau liée à l'argile en utilisant

des corrélations de laboratoire ou de diagraphie ap-

propriées, comme celle de H. J. Hill, O. J. Shirley et G. E. Klein, éditée par M. H. Waxman et E. G. Thomas, "Bound Water in Shaly Sands - its Relation to Qv ant Other Formation Properties", 'The Log Analyst, Vol. XX, N 3, mai-juin 1979:

V /V - (0.084 C0 -1/2 + 0.22) (%)T (7)

o Vs/Vp est le volume d'eau liée par unité de volume total des pores, et CO est la concentration de NaCl dans

la saumure en équivalents par litre.

La différence entre les réponses d'une diagraphie de

neutrons et d'une diagraphie de densité en face d'une for-

mation contenant des minéraux argileux est un autre indicateur utile del'argile totale, comme bien connu de l'homme de l'art. La diagraphie de densité répond à la totalité de l'eau dans la formation; donc, la porosité déduite d'une diagraphie de densité, eD' est identique aux

porosités obtenues par des méthodes classiques de labora-

toire, y compris une opération de séchage à 105 C, c'est-

à-dire que 0D = 0 comme cité dans les équations (3) et (6). De plus, toutefois, la diagraphie de neutrons répond aussi aux atomes d'hydrogène contenus dans les réseaux cristallins des minéraux argileux. Ainsi, la différence entre ces deux réponses de diagraphies, (<N - ^D)' o 5N est la porosité déduite d'une diagraphie de neutrons, est -16- l'indice d'hydrogène incrémental ( HI) résultant de la quantité totale de minéraux argileux présente dans la formation. Si un gaz ou un condensat est présent dans l'espace des pores du réservoir, des corrections bien connues doivent être appliquées aux réponses des dia-

graphies de neutrons et de densité.

Cette façon de faire a été formulée par I. Juhasz, "The Central Role of Qv and Formation Water Salinity in the Evaluation of Shaly Formations", Paper AA, SPXLA Twentieth Annual Logging Symposium, Tulsa, Oklahoma, 3-6 juin 1979, avec l'équation

(Q) = N -D. C (8)

v T OD C est une constante d'étalonnage donnée par l'équation: C (CEC)T, sec ' (Pargile,sec) (9) HIargile,sec o (CEC)T,sec est la capacité d'échange de cations du mélange total de minéraux argileux dans la formation à l'état sec, Pargilesec et HIargilesec sont la masse agl, sec argile volumique et l'indice d'hydrogène, respectivement, du mélange de minéraux argileux secs dans la formation. La

constante C est étalonnée d'après des résultats de dia-

graphie et de carottage.

De plus, si on utilise un outil de diagraphie dié-

lectrique à fréquences multiples, la dispersion de la

constante diélectrique entre deux fréquences dans l'in-

tervalle 1-300 MHz peut être utilisée comme mesure de la teneur totale en argile, (Qv)T, dans les deux morphologies

dispersée et stratifiée.

On a trouvé que tous ces outils de diagraphie, pour

les diagraphies d'induction et de résistivité, la dia-

graphie des potentiels spontanés (SP), la diagraphie par -17- des rayons gamma naturels, la diagraphie par spectroscopie aux rayons gamma naturels, les diagraphies combinées neutron-densité, la diagraphie par magnétisme nucléaire (NML) et la diagraphie diélectrique à fréquences multiples (dans l'intervalle de fréquence de 1-300 MHz) mesurent la teneur totale en argile (Q V)T, indépendamment de l'état dispersé ou stratifié. Toutefois, comme enseigné par la présente invention, seule la diagraphie à polarisation induite à fréquences multiples, effectuée à des fréquences extrêmement basses, est capable de répondre différemment aux minéraux argileux dispersés et stratifiée dans la

formation souterraine.

Trois équations sont nécessaires en vue de la r-éso-

lution pour trois inconnues. Dans le mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, les inconnues sont (Qv)T' qui est la capacité totale d'échange de cations par unité de volume des pores de la formation souterraine, Sw, qui est la saturation en eau et renseigne donc sur la saturation en huile So = 1 - Sw, et f, qui est la fraction d'argile qui

est stratifiée. La fraction d'argile dispersée est, évi-

demment, 1 - f. Les trois équations utilisées dans la détermination des inconnues ci-dessus sont l'équation (1), avec la conductivité en quadrature de la formation, CQ', obtenue grâce à l'util à polarisation induite à fréquences multiples, l'équation (2), avec la conductivité en phase de la formation, CI', obtenue par des diagraphies de résistivité ou d'induction, et l'équation (3), avec (QV)T obtenue directement par des mesures sur des carottes ou par des réponses de diagraphie dans le trou de sonde, en utilisant un ou plusieurs des divers outils de diagraphie cités ci-dessus. De telles formes en variante de l'équation (3) sont les équations (4) et (5), fournissant la somme

algébrique de Esable schisteux et Es chiste qui est la com-

posante électrochimique de la réponse de la diagraphie SP, l'équation (6), basée sur la réponse de la diagraphie des -18- rayons gamma naturels, des variantes de l'équation (6)

basées sur les réponses en thorium-potassium de la dia-

graphie par spectroscopie aux rayons gamma naturels et les équations (8) et (9), basées sur des réponses de diagraphie neutron-densité. D'autres réponses d'outils de diagraphie dans le trou de sonde qui renseignent sur la teneur totale en argile, comme dans la diagraphie par magnétisme nucléaire (NML) et la diagraphie diélectrique à fréquences multiples, donnent des expressions empiriques pour (QV)T et sont comprises dans le cadre général de la

présente invention.

La figure 4 représente schématiquement un exemple de l'utilisation de la présente invention dans une formation souterraine dont la morphologie varie, passant d'une argile dispersée à une argile stratifiée. Dans la zone d'argile dispersée désignée par la référence (40), les diagraphies

de conductivité en quadrature, de rayons gamma et neutron-

densité donnent des tracés différents les uns des autres.

Cela représente le comportement de l'argile dispersée.

Dans la zone d'argile dispersée et stratifiée désignée par

la référence (41), qui, à des fins d'illustration, repré-

sente une transition douce de la zone d'argile dispersée (40) à la zone de schiste (42), la conductivité en phase

(cond.), la diagraphie de rayons gamma (G.R.) et la dif-

férence neutron-densité montrent toutes un accroissement

de l'argile totale, tandis que la conductivité en quadra-

ture (CQ) présente une réponse décroissante. Enfin, dans

la zone de schiste (42), les résultats concernant la conduc-

tivité en phase (Ci), les rayons gamma (G.R.) et la dif-

férence de porosité neutron-densité (6N-OD) ont les valeurs les plus grandes, tandis que la conductivité en quadrature (CQ) donne une réponse zéro. Le schiste dans cette zone est donc totalement stratifié. Cela s'applique aussi à la zone

de schiste inférieure (42').

-19- La représentation des résultats de la présente invention peut consister en/diagramme concernant un puits

et comportant trois tracés représentant Qv' Sw et f.

Comme on peut le voir, donc, la présente invention a de nombreux avantages. Principalement, elle peut être utilisée pour fournir una analyse en temps réel, au cours d'une diagraphie dans un trou de sonde, de l'argile dans

les formations souterraines traversées par le trou de sonde.

Une différenciation sensible et précise est effectuée entre l'argile dispersée et l'argile stratifiée dans ces formations, sans qu'on ait à prélever des échantillons

réels (carottes) et à les amener à la surface pour analyse.

D'une manière importante, la souplesse de l'invention est telle que, bien que l'on pense actuellement que sa plus

grande valeur concerne l'utilisation dans de tels environ-

nements de trous de sonde, elle peut aussi être utilisée, par exemple, dans un laboratoire ou ailleurs à la surface

de la terre. Ainsi, par exemple, une carotte amenée préa-

lablement à la surface peut être mesurée par polarisation induite et les résultats peuvent être combinés avec des mesures concernant l'argile totale effectuées de manière

appropriée (par exemple par diagraphie comme enseigné ci-

dessus, ou par des mesures au laboratoire, etc) et la dis-

tinction entre l'argile dispersée et l'argile stratifiée peut être effectuée ensuite selon l'invention. De plus, les mesures par polarisation induite peuvent être effectuées initialement dans le domaine des temps, &vec transformation ensuite au domaine des fréquences (par exemple par transformation de Fourier), selon ce qui

peut être désiré pour l'analyse de formation particulière.

-20-

Claims (33)

REVENDICATIONS

1. Un procédé pour distinguer l'argile dispersée et stratifiée dans des formations souterraines, comprenant: la mesure d'au moins une portion d'une telle formation souterraine au moyen d'une mesure par polarisation induite; la mesure de la quantité totale d'argile dans la même formation souterraine; et

la combinaison des résfltats de la mesure par polari-

sation induite et de la mesure de l'argile totale pour déterminer la fraction de la teneur totale en argile de la

formation qui est due à l'argile stratifiée.

2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé

en outre en ce que l'étape de mesure.de la formation sou-

terraine comprend la mesure de la formation souterraine dans un trou de sonde qui traverse la formation, la mesure étant effectuée avec un outil de diagraphie à polarisation induite.

3. Un procédé selon la revendication 2, caractérisé en outre en ce que l'étape de mesure de la quantité d'argile dans la formation souterraine comprend, avec un outil de diagraphie dans un trou de sonde, la mesure de l'argile

dans un trou de sonde qui traverse la formation.

4. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé

en outre en ce que l'étape de mesure de la formation sou-

terraine comprend la mesure d'une carotte de la formation

souterraine au moyen de mesures par polarisation induite.

5. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que l'étape de mesure de la quantité d'argile comprend la mesure de l'argile dans une carotte de la

formation souterraine.

6. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que l'étape de mesure par polarisation induite comprend des mesures par polarisation induite à

fréquences multiples.

-21-

7. Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en outre en ce qu'il comprend l'exécution des mesures

par polarisation induite dans le domaine des fréquences.

8. Un procédé selon la revendication 7, caractérisé en outre en ce que en ce qu'on effectue les mesures par polarisation induite dans le domaine des fréquences avec un outil de diagraphie à polarisation induite à domaine de fréquences à fréquences multiples fonctionnant à au

moins une fréquence inférieure à 1 Hz.

9. Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en outre en ce qu'on effectue des mesures par polarisation

induite dans le domaine des temps.

10. Un procédé selon la revendication 9, caractérisé

en outre en ce qu'on transforme les mesures par polari-

sation induite dans le domaine des temps en mesures dans

le domaine des fréquences.

11. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé enoutre en ce que l'étape de mesure de la quantité totale d'argile dans la formation souterraine comprend la mesure

de l'argile avec un outil à potentiel spontané (SP).

12. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce qu'on mesure la quantité totale d'argile dans la formation souterraine en utilisant les équations: Esable schisteux = 2RT Na: RB()] I F 1 + RwB dQv Inm m1 et 2RT 2 schiste = F J dn m -22- o E = potentiel de diffusion entre les lits de sable/ sable'schisteux et les lits de schiste adjacents, T = température F = quantité d'électricité en Faradays, R = constante molaire des gaz, tNahf = nombre de transport électrique de Hittorf pour les Na ions de sodium en solution aqueuse, R = résistivité moyenne géométrique de l'eau (égale à w l'inverse de la conductivité de l'eau, Cw) , m et y+ = molalité et activité ionique moyenne des solutions d'électrolyte chlorure de sodium, m1 et m2 = molalités du filtrat de boue et de la saumure de la formation, respectivement, B = conductivité équivalente en phase des cations d'échange de l'argile et (QV)T = capacité d'échange de l'argile totale par unité

de volume des pores.

13. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que l'étape de mesure de la quantité totale d'argile dans la formation souterraine comprend la mesure de l'argile en utilisant une diagraphie aux rayons gamma naturels.

14. Un procédé selon la revendication 13, caractérisé en outre en ce qu'on mesure la quantité totale d'argile dans la formation souterraine en utilisant l'équation (a +b) PM (1 - $) (%T capacité d'échange de l'argile totale o (QV)T = par unité de volume des pores y = déflexion des rayons gamma (unités API) par rapport à une formation exempte d'argile = porosité a et b = constantes étalonnées d'après des résultats de diagraphie ou de carottage et PM = masse volumique des grains de la matrice rocheuse. -23-

15. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que l'étape de mesure de la quantité totale d'argile dans la formation souterraine comprend la mesure de l'argile en utilisant une diagraphie par spectroscopie

aux rayons gamma naturels.

16. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que l'étape de mesure de la quantité totale d'argile dans la formation souterraine comprend la mesure

de l'argile en utilisant la différence entre les dia-

graphies de neutrons et de densité.

17. Un procédé selon la revendication 16, caractérisé en outre en ce qu'on mesure la quantité totale d'argile dans la formation souterraine en utilisant l'équation: ONOD.

()T. C

o (Qv)T = capacité d'échange de l'argile totale par unité de volume des pores ON = porosité par diagraphie de neutrons D = porosité par diagraphie de densité C est une constante d'étalonnage donnée par l'équation: = (CEC)T,sec À (Pargilesec) HIargile,sec o (CEC)T sec = capacité d'échange de cations du mélange total de minéraux argileux dans la formation à l'état sec, et Pargile,sec et HIargile,sec = masse volumique et indice d'hydrogène, respectivement, du mélange de minéraux

argileux sec dans la formation.

18. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que l'étape de mesure de la quantité totale d'argile dans la formation souterraine comprend la mesure -24- de l'argile en utilisant la dispersion de la constante

diélectrique entre deux fréquences différentes.

19. Un procédé selon la revendication 18, caractérisé

en outre en ce qu'on détermine la dispersion de la cons-

tante diélectrique entre les deux fréquences différentes

en utilisant un outil de diagraphie diélectrique à fré-

quences multiples fonctionnant dans l'intervalle de fré-

quence essentiellement de 1 à 300 mHz.

20. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce qu'on effectue les étapes indiquées à plusieurs profondeurs dans un trou de sonde qui traverse

la formation.

21. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce qu'on enregistre les résultats de la combinaison

des étapes pour produire un diagramme correspondant.

22. Un procédé pour distinguer et mesurer séparément

l'argile dispersée et l'argile stratifiée dans des for-

mations souterraines traversées par un trou de sonde, comprenant les étapes selon lesquelles: on effectue une diagraphie d'une portion du trou de sonde avec un outil de diagraphie à polarisation induite à domaine de fréquence à fréquences multiples fonctionnant à au moins une fréquence inférieure à 1 Hz;

on mesure la quantité totale d'argile dans la for-

mation souterraine adjacente à la même portion du trou de sonde en utilisant une diagraphie SP et les équations: E 2RT tN f+ RB(, sable schisteux F ita RB () d m et 2RT m1 schiste F d ln my m2 -25- o E = potentiel de diffusion entre les lits de sable/ sable schisteux et les lits de schiste adjacents, T = température, F = quantité d'électricité en Faradays, R = constante molaire des gaz, tNahf = nombre de transport électrique de Hittorf pour l'ion de sodium en solution aqueuse, Rw = résistivité moyenne géométrique de l'eau (égale à l'inverse de la conductivité de l'eau, Cw), m et y, a molalité et activité ionique moyenne des solutions d'électrolyte chlorure de sodium, m1 et m2 = molalités du filtrat de boue et de la saumure de la formation, respectivement B = conductivité équivalente en phase des catiotLs d'échange de l'argile, et (QV)T = capacité d'échange de l'argile totale par unité de volume des pores;

on combine les résultats de la diagraphie par polari-

sation induite et de la mesure de l'argile totale par diagraphie SP pour déterminer la fraction de la teneur totale en argile dans la formation qui est due à de l'argile stnatifiée; on conduit ccs étapes à plusieurs profondeurs dans le trou de sonde; et on enregistre les résultats de cette combinaison

d'étapes pour produire un diagramme correspondant.

23. Un appareil pour distinguer l'argile dispersée et stratifiée dlns des formations souterraines, comprenant: des moyens de mesure par polarisation induite pour effectuer une mesure par polarisation induite d'une portion d'une telle formation souterraine; des moyens de mesure de l'argile totale pour mesurer

la quantité totale d'argile dans la même formation sou-

terraine; et des moyens de combinaison pour combiner les résultats -26- de la mesure par polarisation induite et de la mesure de l'argile totale pour déterminer la fraction de la teneur totale en argile dans la formation qui est due à de

l'argile stratifiée.

24. Un appareil selon la revendication 23, caractérisé en outre en ce que les moyens de mesure par polarisation induite comprennent un outil de diagraphie à polarisation induite pour mesurer la formation souterraine dans un

trou de sonde qui traverse la formation.

25. Un appareil selon la revendication 23, caractérisé en outre en ce que les moyens de mesure de l'argile totale comprennent un outil de diagraphie pour sondages afin de mesurer l'argile dans un trou de sonde qui traverse la formation.

26. Un appareil selon la revendication 23, caractérisé en outre en ce que les moyens de mesure par polarisation induite comprennent des moyens pour mesurer une carotte de la formation souterraine au moyen de mesurespar polarisation induite.

27. Un appareil selon la revendication 23, caractérisé en outre en ce que les moyens de mesure de l'argile totale comprennent des moyens pour mesurer l'argile dans une

carotte de la formation souterraine.

28. Un appareil selon la revendication 27, caractérisé

en outre en ce que les moyens pour effectuer une mesure par polari-

sation induite comprennent des moyens pour effectuer des

mesures par polarisation induite à fréquences multiples.

29. Un appareil selon la revendication 28, caractérisé en outre en ce que les moyens pour effectuer des mesures par polarisation indufite à fréquences multiples comprennent des moyens pour effectuer des mesures par polarisation

induite dans le domaine des fréquences.

30. Un appareil selon la revendication 29, caractérisé en outre en ce que les moyens pour effectuer des mesures par polarisation induite à fréquences multiples comprennent -27- un outil de diagraphie à polarisation induite à domaine de fréquence à,fréquences multiples que l'on fait fonctionner

à au moins une fréquence inférieure à 1 Hz.

31.-Un appareil selon la revendication 28, caractérisé en outre en ce que les moyens pour effectuer des mesures par polarisation induite à fréquences multiples comprennent des moyens pour effectuer des mesures par polarisation

induite dans le domaine des temps.

32. Un appareil selon la revendication 31, caractérisé en outre en ce qu'il comprend des moyens pour transformer les mesures par polarisation induite du domaine des temps

au domaine des fréquences.

33. Un appareil selon la revendication 23, caractérisé en outre en ce que les moyens de mesure de l'argile totale

comprennent un outil à potentiel spontané (SP).