JP2002512376A - Ｅｐｒ応答データを使用した原油含有地下層の間隙率および透水係数の測定方法 - Google Patents

Ｅｐｒ応答データを使用した原油含有地下層の間隙率および透水係数の測定方法

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JP2002512376A JP2000545048A JP2000545048A JP2002512376A JP 2002512376 A JP2002512376 A JP 2002512376A JP 2000545048 A JP2000545048 A JP 2000545048A JP 2000545048 A JP2000545048 A JP 2000545048A JP 2002512376 A JP2002512376 A JP 2002512376A
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Abstract

(57)【要約】 地下岩石層内の原油を探知し、その量を測定する方法および装置（１００）。ＥＰＲ測定は原油量を計算するために使用され、特定のタイプの原油を測定するために較正することができる。これらの測定をＮＭＲ測定と共に使用して、間隙サイズおよび透水係数の正確な推定値を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
（発明の技術分野） 本発明は、原油の地下層の位置を突き止めることに関し、より具体的にはその
ような層の間隙率および透水係数パラメータを決定することに関する。
【０００１】 （発明の背景） 原油探査の技術的進展により、以前は実行不可能または利益が少ないと考えら
れた場所から原油を取り出すことが可能になっている。例えば、核磁気共鳴（Ｎ
ＭＲ）技術が坑井ロギング適用例に使用され、試錐孔付近の土構造物内へ短い距
離に位置する水素含有物質が測定されてきた。ＮＭＲは、水中の水素、ならびに
、油および感度測定領域内に存在する可能性のある他の物質中の水素を同時に検
知することができ、それによりこれらの物質の存在と量を示すことができる。
【０００２】 時に、ＮＭＲ応答信号全体に寄与する水および油の成分が分析されることで、
それぞれの濃度の決定を可能にすることができる。他の場合では、ＮＭＲ単独で
は油および水の分離測定が可能でないことがある。
【０００３】 水素含有物質が地下岩石層内に含まれるとき、ＮＭＲ技法を使用して、間隙サ
イズ分布、ならびに岩石の間隙率および透水係数を決定できる。この情報により
特定の岩石層が、試錐で利益が出るように回収可能な十分な量の流体を含むかど
うかを決定できる。しかし、ＮＭＲの間隙率および透水係数推定は、通常、流体
中の油と水の変動する割合の効果間の区別をしない。
【０００４】 （発明の概要） 本発明では、磁気共鳴技術、具体的には、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）としても
知られている、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）を使用して、地下層内に含まれる原油
および他のある種の炭化水素固体および液体を検出し、それらの濃度を測定する
。そのような検出と測定値は、地表から評価可能な地表下深さまでについて得る
ことができる。それらは、地表にある自然開口（洞窟、開断層、断崖、シンクホ
ール、山腹など）の壁に隣接した場所、あるいは人工的な土地の貫通部（トンネ
ル、井戸、溝または試錐孔）内の場所からも得ることができる。
【０００５】 ＥＰＲデータを使用することは、ＥＰＲ応答信号が、高分子量（ＭＷ）炭化水
素化合物、常磁性および強磁性物質、ならびにいくつかの金属中にある破壊され
た結合による不対電子からのみ発せられるという点で特に有利である。自然に存
在する物質では、破壊した結合および常磁性イオンは、多くの原油、アスファル
ト、および石炭中に普通に見出されるが、それらに限定されるものではない。地
中、または他の場所でのこれらの物質の存在を、本発明によって検出し、測定す
ることができる。
【０００６】 本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）など他の磁気共鳴法に比べてより迅速な検出
および測定を提供する。そのような電子を偏極し、測定するのに要する時間は、
一般に数マイクロ秒以下の程度にある。
【０００７】 本発明は、ＥＰＲを核磁気共鳴（ＮＭＲ）と共に使用することも含み、特に坑
井ロギング適用例で、さらなる利点を提供する。
【０００８】 （発明の詳細な記述） 本明細書に記載する本発明は、地表下にある層および構造物に含まれる原油か
らＥＰＲ（電子常磁性共鳴）データを獲得し、これを解釈することを対象とする
。後述するように、ＥＳＲデータをＮＭＲ（核磁気共鳴）データが共に使用され
、間隙率および透水係数を決定できる。ＥＰＲは、電子スピン常磁性共鳴（ＥＳ
Ｒ）としても知られている。
【０００９】 図１に、本発明によるＥＰＲ探知機１００を示す。後述するように、図１は例
示的な実施形態であり、この実施形態の多くの変更例は本発明の範囲内にある。
基本的に探知機１００はＥＰＲ応答信号を得るための磁場を発生し、ＥＰＲ応答
信号を受信および解析して地下層の原油含有量を決定する。
【００１０】 探知機１００が行ったＥＰＲ解析を、やはり同じ探知機１００を使用し、ＮＭ
Ｒ応答信号の獲得、受信、および解析に適した磁場を発生することによって、Ｎ
ＭＲ解析で補うことが可能である。以下の図１についての記述はＥＰＲ探知に関
するものであるが、探知機１００はＮＭＲ検出にも使用できる。後述するように
、ＥＰＲ応答信号とＮＭＲ応答信号の両方を使用することによって、原油含有量
のみならず、間隙サイズなどの地下層の特徴をも決定できる。
【００１１】 磁石１０１は強度Ｂ0（ガウス）の磁場を感度領域に発生する。後述するよう
に、ＥＰＲ信号は感度領域内の物質から検出できる。
【００１２】 送信機１０２は、送受切換器１０３（またはサーキュレータまたはカプラ）を
介してアンテナ１０４に周波数ｆ0の電力を供給する。その結果、感度領域に強
度Ｂ1（ガウス）の電磁場をもたらす。検波感度を最大にするため、Ｂ1場の平面
は、Ｂ0場の平面に対して直交する。探知機１００の感度は、一般にｓｉｎθの
関数として変化し、ここでθはＢ1場ベクトルとＢ0場ベクトルの間の角度である
。
【００１３】 電磁場の波を送信することに加えて、アンテナ１０４はＥＰＲ応答信号を感度
ゾーンの物質から受信する。入って来る信号は、送受切換器１０３およびフィル
タ１０５を通って高周波（ＲＦ）増幅器／検波器１０６に伝達される。
【００１４】 図４と関連して後述するように、送信と受信の両方に同じアンテナ１０４を使
用することに対する代替形態として、第２の（受信）アンテナをＥＰＲ応答信号
の受信に使用できる。この受信アンテナは感度ゾーンを考慮して配置され、フィ
ルタ１０５を介してＲＦ増幅器／検波器１０６に接続されている。受信アンテナ
は、送信アンテナ１０４からの送信信号を直接受信しないように、かつ感度ゾー
ンからのＥＰＲ応答信号の直交偏波成分を最大に受信できるように、配向させ位
置付けられ得る。分離受信アンテナを使用した場合、送受切換器１０３を必要と
せず、送信機１０２を送信アンテナ１０４に直接接続できる。
【００１５】 「乱雑な」または「ノイズの多い」背景での検出などについて、一意の識別標
識を有するＥＰＲ応答信号を供給するために、探知機１００は変調機能を組み込
むことができる。様々の異なる変調技法を、単独で、または組合せで使用するこ
とができる。コイル１０７がこの目的に使用され、交流回路で付勢される。
【００１６】 一変調技法は磁場強度Ｂ0の変調をともなう。例として、共鳴によってＢ0がゆ
っくり掃引され、ピーク振幅の検波信号が検出され、記録される。特定の掃引範
囲での信号の存在が検出される。コイル１０７を使用する低周波場変調（すなわ
ち典型的には１００ＭＨｚ以下）と低速掃引を組み合わせると、安定性および使
用可能な検波感度が改善されると同時に、交流変調周波数でのＥＰＲ信号の同期
検波が可能になる。
【００１７】 送信周波数ｆ0上の電子磁気共鳴のための固定Ｂ0場は、周波数ｆ1の高周波電
流によって、コイル１０７内で変調されることができる。その結果、感度領域に
ある物質からの任意のＥＰＲ応答は、ｆ0ならびにｆ0±ｆ1のスペクトル成分を
含むことになる。ｆ1が通常のＥＰＲ信号の線幅よりも大きい場合、上側の（ｆ0 ＋ｆ1）側波帯または下側の（ｆ0−ｆ1）側波帯のみを通過させ、周波数ｆ0の強
力な直接送信信号を排除するようにフィルタ１０５が設定され得る。側波帯信号
振幅は、感度領域中の不対電子に比例する。より感度のよい検波のために、直角
位相検波手段が使用され、ｆ0を排除しながら上側側波帯と下側側波帯の両方を
同時に回復することができる。周波数制御器１０９は検出されたデータを使用し
て、送信機１０２の周波数をＥＰＲ周波数に保持する。
【００１８】 他の変調方法では、送信機１０２使用して、ＥＰＲ周波数ｆ0のパルス化ＲＦ
信号を発生させる。パルスは、後述する緩和時間Ｔ2に比べて短い。例えば、パ
ルス持続時間はスペクトル線幅の逆数である。ＥＰＲについて、そのような条件
は通常、２〜１０ナノ秒の範囲にある持続時間を有するパルスを必要とする。場
変調コイル１０７および場変調器１０８は、パルスモードでは必要でない。
【００１９】 ＥＰＲ応答信号は、増幅器／検出器１０６によって受信される。データプロセ
ッサ１１０は、後述する様々な計算を行うのに適したプログラミングを格納し、
これらを実行する。後述するように、プロセッサ１１０はＥＰＲ応答信号を解析
し、またＮＭＲ応答信号を解析することもできる。プロセッサ１１０は、プログ
ラミングを実行するための適切な実行メモリおよびプログラムメモリを有すると
想定されている。ユーザインタフェース１１１は、計算結果の表示および／また
はプリンタ出力を提供することができる。
【００２０】 図２Ａ〜２Ｋにアンテナ１０４の様々な実施形態を示す。以下の考察において
、異なるそれぞれのアンテナ１０４はアンテナ１０４［２Ｘ］として識別され、
２Ｘは関連する図番号２Ａ〜２Ｋに対応する。
【００２１】 図２Ａはループアンテナ１０４（２Ａ）を示す。ループ２０１はキャパシタ２
０２によってＥＳＲ周波数に同調される。ループ２０１は円形、正方形、長方形
、または任意の形状とすることができ、図示のように開状態または閉状態とする
ことができる。これは、単一巻きまたは複数巻きであってよく、インピーダンス
整合カプラを介し、または開状態の伝送線路セクションを介して給電され、遮蔽
されないループと共に高「Ｑ」共振空洞を形成する。
【００２２】 図２Ｂは容量性負荷ループアンテナ１０４（２Ｂ）を示す。これらは、リアク
タンス部分をチューンアウトするキャパシタ２０４によって分離された電線また
は金属ストリップのセグメント２０３から構成される。キャパシタンス２０４は
。これによって、広い領域が、キャパシタ２０４が無い場合よりも、高いＥＰＲ
周波数での共鳴を与えられることを可能にする。ループアンテナ１０４（２Ｂ）
は、アンテナ１０４（２Ｂ）と共に、高「Ｑ」共振器としても作用するインピー
ダンス整合回路網を介して、探知機１００に結合する。
【００２３】 図２Ｃは半波長ダイポールアンテナ１０４（２Ｃ）を示し、これは、整合され
た伝送線路を介して探知機１００に結合する。アンテナ１０４（２Ｃ）は金属板
の平面に近接してこれと平行に配置されて、指向性を改善し、Ｑを向上させる。
【００２４】 図２Ｄは直交ダイポ−ルアンテナ１０４（２Ｄ）を示す。２つのダイポール２
０５および２０６は互いに直交し、互いに９０度で電気的に位相付けされて円偏
波を生成し、あるいは０または１８０度で位相付けされて直線偏波を生成する。
直交ダイポールアンテナ１０４（２Ｄ）を金属板２０７の平面に近接して配置し
、指向性を改善し、Ｑを改善できる。
【００２５】 図２Ｅは、マイクロストリップ「パッチ」アンテナ１０４（２Ｅ）を示し、こ
れは、金属のバッキングプレート２１１から薄い低損失誘電体２１０によって分
離された金属導電層２０９を有する。層２０９は電気的にほぼ半波長の正方形で
あり、タップ点およびバッキングプレート２１１からインピーダンス整合同軸伝
送線路を介して給電されて、タップ点の位置により選択された、垂直Ｈ平面波、
水平Ｈ平面波、または円偏波を生成できる。層２０９は、円形、楕円形、または
長方形とすることができる。パッチアンテナ１０４（２Ｅ）は、その物理的サイ
ズ、絶縁層２１０の厚さ、絶縁層２１０の誘電率、およびバッキングプレート２
１１のサイズによって制御される高Ｑおよび指向性を有する。複数のパッチアン
テナ１０４（２Ｅ）をアレイ状に使用し、適切に位相付けさせて、より高い指向
性、より大きい近接場感度領域、およびビーム幅の減少した遠位場を発生させる
ことができる。円形パイプまたはロッド部分の周りに取り付けることができるよ
うに、アンテナ１０４（２Ｅ）の層構造は湾曲され得る。
【００２６】 図２Ｆは長方形パッチアンテナ１０４（２Ｆ）を示し、図２Ｇは湾曲したバッ
キングプレート上の長方形パッチアンテナ１０４（２Ｇ）を示す。金属導電層２
１２は、長さが実質的に半波長であるｆ0で共鳴するが、幅が実質的に半波長未
満である。これらのアンテナを使用して、直接偏波を生成できるが、円偏波は生
成しない。
【００２７】 図２Ｈは位相付きダイポールアレイアンテナ１０４（２Ｈ）を示し、金属チュ
ーブまたはロッド２２１の外周の周りに装着した位相付き垂直ダイポール２２０
を備える。ダイポール２２０は、物理的サイズ、インピーダンス、およびＱの制
約に適合するように選択された寸法だけ、ロッド２２１から離隔される。アンテ
ナ１０４（２Ｈ）は、試錐孔の外側にある層の特性を決定するのに使用される。
ダイポール２２０は、給電線路網２２２によって、互いに対して９０度で電気的
に位相付けされて、ロッド２２１を囲むＨ場と共にロッド２２１の周りに円パタ
ーンを生成する。ロッド２２１は軸方向に磁化されて、ロッドに平行なＨ場線を
発生する。これによって、感度ゾーンは、Ｂ場強度が送信周波数でのＥＰＲまた
はＮＭＲについて適切となる距離でロッド２２１を囲むようになる。ダイポール
２２０の追加の囲みアレイがロッド２２１の周りで使用され、ロッド２２１の軸
方向に対して同軸状でこれに沿った層内感度領域の軸方向長さを延ばすことがで
きる。
【００２８】 図２Ｉは位相付きパッチアレイアンテナ１０４（２Ｉ）を示す。これは、パッ
チ型アンテナ２２３が位相付き囲みアレイとして使用されていることを除き、概
念的に図２Ｈのアンテナと同様のものである。アンテナ１０４（２Ｉ）は、それ
を金属バッキングプレートによるロッド２２４（または磁石）の輪郭部に直接取
り付けるように装着できるのでの特に有利である。囲みパッチ２２３は給電線路
網によって電気的に９０度で位相付けされて、磁石に対し同軸的である円状感度
領域を生成する。給電点の選択により、パッチアレイからのＨ場は、様々な磁場
方向および形状の要件に合わせるように、垂直、水平、または円状に形成され得
る。パッチアレイは、感度領域を延長するために、ロッドに沿って垂直に積み重
ねられてもよい。
【００２９】 図２Ｊは、ホーンアンテナ１０４（２Ｊ）を示し、これは、ＥＳＲセンサと物
質の感度領域の間にある有効領域を延長することができる指向性パターンおよび
場密度を提供する。Ｂ1場をＢ0場に対して垂直にするために必要であれば、Ｂ1
場のＨ成分は鉛直または水平にされ得る。
【００３０】 図２Ｋは、ソレノイドコイルまたは螺旋アンテナ１０４（２Ｋ）を示す。螺旋
形状は直径がほぼ１波長である。感度領域はコイルの一端から軸に沿って延在す
る。指向性は巻き数とともに強まる。バッキングプレート（反射）が給電端で使
用される。
【００３１】 図３Ａ〜図３Ｇは磁石１０１の様々な実施形態を示す。これらの磁石１０１の
それぞれは、選択されたＥＰＲ周波数での共鳴を確立するのに必要なＢ0場を供
給する。以下の考察では、それぞれの異なる磁石１０１は、磁石１０１［３Ｘ］
として識別され、３Ｘは関連する図番号３Ａ〜３Ｇに対応する。
【００３２】 図３Ａはループ型電磁石１０１（３Ａ）であり、これは、電流を伝達し、ルー
プ面に直交して配向する磁場を発生する。電流は、静磁場、特に、ループ領域内
、およびループ領域の上下および周囲に延びる空間ボリューム内の地磁気強度に
対して加わる静磁場を供給する直流電流であってもよい。電流は、上述のように
磁場強度を変調する選択された周波数の交流電流であってもよい。ループは、円
形、正方形、長方形、三角形、または不定形形状を有することができる。そのサ
イズは、ループ領域の外側にある感度領域の所望の位置への最大距離と同等であ
る。ループを地表で動作させて、例えば、地表下にある物質からＥＰＲ信号を検
出する。電磁石１０１（３Ａ）は、所望の空間領域で偏極Ｂ0場をもたらすよう
に配向することが可能である。２つのループアンテナ１０１（３Ａ）を同一平面
上に並べて使用して、ループ間の空間内で、ループの上下両方において平面に対
して平行な磁場成分を発生できる。アンテナ１０４はこの領域で適切に偏極した
Ｂ1場をもたらすように配向される。
【００３３】 図３Ｂはロッド磁石１０１（３Ｂ）を示す。これは、軸に沿った場と、その長
さに沿った近接同軸Ｂ0場を供給する。Ｂ0場強度はロッドアンテナ１０１（３Ｂ
）から離れる距離に応じて減少するが、軸に直交する平面状では全角度で一定で
ある。所与の半径方向距離で、磁場は磁石１０１（３Ｂ）の中心の上下で対称に
変化する。磁場は、概ね軸に対して平行に配向するが、磁石１０１（３Ｂ）の端
部近傍で大きくずれている。磁石１０１（３Ｂ）を備えるアンテナ１０４は、Ｂ 0 場線に直交する平面に対して平行に配向するＢ1場を発生するはずである。すな
わち、Ｂ1は磁石１０１（３Ｂ）の軸に概ね直交する。最も高い感度領域は、Ｂ0 場とＢ1場が直交し、かつＢ0が所望周波数でＥＰＲ応答（使用されている場合は
、および／またはＮＭＲ応答）を生じさせる場所である。ロッド磁石１０１（３
Ｂ）は永久磁石またはソレノイド型電磁石であってよい。
【００３４】 図３Ｃは、その開放面が極であるＵ形状磁石１０１（３Ｃ）を示す。対象とな
るＢ1場は垂直に配向する。感度領域は、極の物理的延長の外側にあり、ギャッ
プ空間に対応する垂直領域にある。場強度は概ね、極平面から離れる距離に応じ
て減少する。Ｎ極とＳ極の間の強磁性プレート３１は、感度領域内の（極面の平
面からの）特定の距離領域にわたって、プレート３１が無い場合よりもＢ0場が
均一となる空間領域をもたらす。アンテナ１０４は、極間のギャップ内に位置し
、水平平面内、すなわち極平面に直交するＢ1場を発生する。磁石１０１（３Ｃ
）の極を結ぶ軸に関するＢ0の角度カバー範囲は９０度度以下の最大値である。
この角度範囲内で、この軸に対する一定強度線の位置は変化する。磁石１０１（
３Ｃ）は、図示のように正方形または長方形の断面を有してよく、または円形で
あってよい。
【００３５】 図３Ｄは他のＵ形状磁石１０１（３Ｄ）を示し、これは、軸の周りで角度に応
じて、３６０度にわたり、均一磁場を供給する。極は、周囲全体にわたり均一磁
気強度であり、接続ロッド（またはチューブ）に対しラジカルに偏極し、さらな
る磁場または強磁性リターンパスをもたらす。Ｂ0場は極から極にむかって配向
して、極間ギャップの周りに磁石から半径方向に外側へ広がる。Ｂ0場は概ね半
径方向距離とともに減少する。しかし、選択された壁の厚さおよび直径（極のそ
れに近い）を有する、ある長さのチューブ形である分路をギャップ内で使用する
と、選択された半径方向の距離の範囲で勾配が低減された領域がもたらされる。
アンテナ１０４はギャップ内で極間に、かつ強磁性分路の外側に位置付けられ、
好ましくは軸周りの角度の関数として均一強度の、Ｂ0に直交するＢ1場を発生す
る。
【００３６】 図２Ｂおよび図２Ｉのアンテナは、特に磁石１０１（３Ｄ）について有効であ
り、磁石１０１（３Ｄ）の周りの選択された距離で「ドーナツ型の」または円筒
形状の感度領域を生成する。Ｂ0場は、選択された送信周波数でのＥＰＲ（また
はＮＭＲ）に適している。
【００３７】 図３Ｅは、磁石の頂部および底部から出る磁束損失を最小化するために上記の
磁石を強化することを示す。主磁石３２を磁石１０１（４Ｂ）、１０１（３Ｃ）
、または１０１（３Ｄ）とすることができる。補助磁石３３および３４は、主磁
石の端部と同様に偏極し、より多くの束線を外側に半径方向に押しやり、Ｂ0場
強度を高める。
【００３８】 図３Ｆは、磁石１０１（３Ｆ）を示し、これは、軸に直交して偏極し、やはり
軸に直交して偏極したＢ0場を発生する。対象のＢ0場領域は極平面に直交し、磁
石１０１（３Ｆ）から離れる距離に応じて強度が減少する。Ｂ1場は軸平面に沿
って偏極する。感度ゾーンは極平面に直交し、軸に沿って中心線から選択された
距離にある。
【００３９】 図３Ｇは磁石１０１（３Ｇ）を示し、これは、試錐孔によりよく適合するよう
に丸くなっていることを除き、磁石１０１（３Ｆ）と同様である。各側のスロッ
トは、アンテナ１０４が選択された全半径の内側にあることを可能にする。
【００４０】 図４は、ＥＰＲ応答信号を誘導および検知するために組み合わせた磁石１０１
およびアンテナ１０４の一例を示す。Ｕ形状磁石１０１（３Ｃ）は感度領域にＢ 0 場をもたらす。アンテナ１０４（２Ｃ）は、ギャップ内に取り付けられ、Ｂ1場
をもたらす。図示のように、第１アンテナに直交して配向する第２アンテナ１０
４（２Ｃ）が使用され得る。２つのアンテナ１０４（２Ｃ）は、可能な程度に互
いに遮蔽される。アンテナ１０４（２Ｃ）の一方はＢ1場を発生する送信アンテ
ナである。アンテナ１０４（２Ｃ）の他方は、測定対象の物質からのＥＰＲ応答
信号を捕らえる受信アンテナである。両方のアンテナは、感度領域に対して直接
的かつ非遮蔽の経路を有する。図３の構成は、図１の実施形態に対する代替例で
あり、単一アンテナ１０４（２Ｃ）が、Ｂ1場を発生することと、感度領域内物
質からのＥＰＲ応答信号を捕らえることの両方に機能する。
【００４１】 （発明の実施） 本発明の方法は、地下岩石層からＥＰＲ応答データを獲得し、解析することを
含む。その結果、地下層内の原油濃度が決定される。ＮＭＲ応答データは、その
間隙率や層内にある全炭化水素物質など、層特性についてのさらなる情報を提供
するために、獲得および解析され得る。
【００４２】 ＮＭＲデータ獲得用装置は油探査の分野において知られている。ＥＰＲ応答信
号を獲得するために、上述した同じ磁石１０１およびアンテナ１０４が使用され
得る。しかし、偏極時間、励起周波数、および応答信号感度が異なるので、ＮＭ
Ｒには異なる制御エレクトロニクスの方がより適切であろう。たとえば、ＮＭＲ
偏極時間は一般に油に関して０．２〜０．８秒であり、水に関して２．０〜２．
５秒であるが、ＥＰＲの偏極時間はマイクロ秒の程度である。同一の静磁場では
、ＥＰＲ周波数はＮＭＲ周波数よりも６５８倍高く、感度も比例してより高くな
る。
【００４３】 ＮＭＲデータを得るために、評価すべき物質は静磁場Ｂ0内に配置される。過
渡ＮＭＲの場合、物質は好ましくは、やはり１つまたは複数の高周波（ＲＦ）場
Ｂ1のパルスにさらされる。ＲＦ周波数ν0が、ラーモア式 ν0＝γＢ0／２π （１） によってＢ0場と対応する場合、物質中の選択された原子核はＢ1場からエネルギ
ーを吸収し、検出可能な応答を発生することになる。上式で、γは特定の吸収原
子核の磁気回転比である。ＲＦパルス（または複数のパルス）に従い、共鳴原子
核は場の中にて角運動量ω0で歳差運動し、隣接するセンサコイルに低い過渡信
号電圧を誘起する。これらのＮＭＲ信号は、磁化減衰信号である。この方法は一
般に時間領域ＮＭＲと称し、応答信号のピーク振幅は、物質の測定ボリューム内
の選択原子種（例えば水素）の濃度に比例する。
【００４４】 原子核がエネルギーを吸収すると、熱平衡状態が擾乱され、吸収エネルギーが
指数関数的に周囲と交換される。これらの交換は、２つの予備的な時間定数、す
なわちスピン格子緩和時間（Ｔ1）と、スピン−スピン緩和時間または横緩和時
間（Ｔ2）とによって特徴付けられる。第１の時間定数Ｔ1は、測定にかけられた
物質内の原子核が磁場で偏極するのに必要な時間に関係する。Ｔ1はまた、ＮＭ
Ｒ測定の前に物質が磁場にさらされなければならない最低限の時間を示し、かつ
、それは同一標本に対してどの程度迅速にＮＭＲ測定を有利に繰り返せるかを決
定する。第２の時間定数Ｔ2は、完全磁場中においてＮＭＲ信号がどの程度迅速
に減衰するかを決定する。
【００４５】 一般に、低場ＮＭＲは、３つの有効な変数、すなわち、合計信号振幅および流
体充填間隙率に比例する平衡核磁化Ｍnと、２つの緩和時間定数であるＴ1および
Ｔ2を測定する。これらの変数は、間隙サイズ、産出可能液体、透水係数などの
石油物理特性と関連付けられ得る。
【００４６】 流体飽和した多孔岩石では、流体は岩石表面と相互作用してＮＭＲ緩和を促進
する。その結果、間隙内の流体のＴ2値はバルク流体よりも短くなる可能性があ
る。急速拡散限界では、Ｔ2緩和速度１／Ｔ2は、次式のように間隙の表面対体積
比（Ｓ／Ｖ）に比例する。 １／Ｔ2＝ρ（Ｓ／Ｖ）間隙 （２） 因子ρは表面緩和率であり、岩石表面が緩和速度を増速する能力の尺度である
。これは、堆積岩の広範な採取標本に関して適度に狭い範囲内に入り、通常１秒
あたり数マイクロメートルである。例えば、ρは炭酸塩に関して約０．０００５
ｃｍ／秒であり、砂岩に関して約０．００１５ｃｍ／秒である。体積Ｖは間隙の
サイズである。表面積Ｓは、間隙の形状および表面の粗さに応じて変動する。
【００４７】 ＮＭＲを使用した透水係数推定は、透水係数が長さの２乗の次元を有するとい
う事実に基づいており、ＮＭＲデータから得られた間隙サイズを使用する。間隙
のＳ／Ｖが既知となることによって、多孔性媒質の透水係数が推定され得る。炭
酸塩について、透水係数ｋについての以下の推定が使用され得る。 ｋ＝Φ4（Ｖ／Ｓ）2 （３） ここで、Φは間隙率である。従って、透水係数は（１／Ｔ2）2に比例する。
【００４８】 間隙率はＮＭＲ信号振幅からも測定され得る。ＮＭＲ陽子磁化振幅は、流体充
填間隙率に直接比例する。スピンースピン緩和測定の励起シーケンス（９０°−
ｔ−１８０°−エコー−遅延）において、流体が単一間隙サイズに含まれると想
定される場合、磁化ベクトルの１８０°回転に従うエコーは、 Ｍ（ｔ）＝Ｍ0ｅｘｐ（−ｔ／ＴI） （４） で与えられる。上式で、Ｍ0は平衡状態の磁化であり、Ｍ（ｔ）は、可変遅延時
間ｔで９０°測定パルスと１８０°測定パルスの間で観測された磁化である。多
孔性岩石について、観測された磁化は、全間隙の様々なＴ2変数に、すなわち様
々な間隙サイズに依存することになる。
【００４９】 ＮＭＲ緩和時間は間隙サイズに比例し、岩石が間隙サイズの広範な分布を有す
ることは知られているので、ＮＭＲ横緩和（Ｔ2）データは、指数関数の総和と
して表現できる。 Ｍ（ｔ）＝ΣＭiｅｘｐ（−ｔ／Ｔ2i） （５） 上式でＭiは緩和時間定数Ｔ2iを有するスピン数に比例する。Ｍ（ｔ）は流体飽
和した岩石の全ＮＭＲ磁化減衰の総和である。
【００５０】 Ｍ（ｔ）についての先述の式は、Ｔ2緩和時間分布に変換され得る。従って、
磁化減衰からの単一緩和時間が推定されるのではなく、緩和時間Ｍ（Ｔ2i）のス
ペクトル（分布）が推定される。
【００５１】 Ｍ（ｔ）からＴ2スペクトルを計算することは、簡単でない。緩和時間Ｔ2は、
流体のタイプ、陽子周波数、温度、間隙表面化学作用、および間隙サイズの関数
である。多孔性岩石について、観測された磁化は、全間隙のＴ2（すなわち間隙
サイズ）に依存することになる。時間にともなう磁化変動は、全Ｔ2にわたって
総和することによって得ることができる。 Ｍ（ｔ）＝Ｍ0∫ｅｘｐ（−ｔ／Ｔ2）ｆ（Ｔ2）ｄＴ2 （６） ここで積分の境界Ｔ2minおよびＴ2maxは、特定の岩石について予測されるＴ2の
最小値および最大値を表す。Ｔ2maxは、間隙を飽和させるのに使用するバルク流
体の値からとることができる。関数ｆ（Ｔ2）は所望のＴ2分布であり、間隙体積
分布に関係する。観測磁化Ｍ（ｔ）からｆ（Ｔ2）を抽出するには、先述の方程
式を解くことが必要である。
【００５２】 水飽和岩石においては、バルク水緩和時間Ｔ2間隙が約２〜３秒であることか
ら、バルク水緩和速度（１／Ｔ2B）は無視されることが多い。しかし、間隙内の
水については、Ｔ2はたかだか数ミリ秒から数１００ミリ秒であり、Ｔ2分布は、
上述のように、間隙の表面対体積比分布から生じる。Ｔ2は間隙サイズに線形的
に依存するので、Ｔ2分布は間隙サイズ分布に対応し、最大間隙は最長緩和時間
を有する。先述の方程式中のＭiをＴ2iに対してプロットした場合、１／Ｔ2につ
いての上記の方程式に従って再スケールされることで間隙サイズ分布を得ること
が可能であると結論できる。このＭ対Ｔ2iのデータは、ＮＭＲ緩和データを提示
するのに有効である。
【００５３】 上述の計算は、岩石が所与の流体で充填されていることを想定している。しか
し、実際は、流体は水と油の両方から構成され、これらはＮＭＲデータに異なっ
た影響を及ぼす。たとえば、油は、水よりもほぼ５〜１５％高い陽子密度を有す
る。この理由、および他の理由のため、ＮＭＲデータ単独から正確な間隙率およ
び透水係数の推定値を得ることが常に可能とは限らない。この理由のため、ＥＰ
Ｒデータを得るために探知機１００を使用が使用される。
【００５４】 電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）は、原理においてＮＭＲと類似しているが、その応
答は、原子核ではなく不対電子または遊離基に起因する。不対電子を有する標本
を強度Ｂ0の静磁場内に置いたとき、電子と磁場の間には相互作用がある。電子
の２つのスピン配向は、磁場がないときは縮退しているが、磁場内に置かれたと
きは分岐する。分岐する程度は、印加磁場強度に依存する。
【００５５】 これらエネルギー準位間の遷移を起こすためには、共鳴条件を満足しなければ
ならない。数学的な表現は、 ω0＝ｇβ0Ｂ0 （６） であり、ここでｇはスペクトル分岐因子であり、β0は電子のボーア磁子である
。通常、遊離基（不対電子）について、研究所内での測定は、Ｘバンドで行われ
る。共鳴について、Ｂ0場は約３３００ガウスであり、ＥＰＲ周波数はほぼ９．
２５ＧＨｚ（公称）を中心とする。
【００５６】 ＥＰＲは、静磁場１ガウス当たり２．８ＭＨｚの公称周波数で生じ、これは同
一磁場でのＮＭＲの場合の約６５８倍の大きさである。そのため、大多数の研究
所のＥＰＲ作業は、マイクロ波周波数（ＧＨｚ）で行われる。層へのよりよい（
より深い）浸透を求めて、試錐孔やその他の土地の測定に対するＥＰＲでは、比
較的低い周波数および中程度の磁場が使用される。これらの範囲は、それぞれ２
８〜２８００ＭＨｚ、ならびに１０〜１０００ガウスである。
【００５７】 図５Ａ〜図５Ｄは、４つの異なる油田から得た原油に関するＥＰＲ信号を示す
。静磁場強度（ガウス）がＥＰＲ応答信号振幅に対してプロットされている。Ｅ
ＰＲ信号は水またはガスによっては生成されないが、全てではないにしても、多
くの原油により生成される。ＥＰＲを使用して流体岩石中の油を検知することに
よって、油の量が直接測定され得る。ＥＰＲ信号振幅は、岩石内の油の量に比例
する。感度領域の既知の体積から、単位体積当たりの原油濃度が決定され得る。
所与の濃度に対して原油が全て同じ信号振幅を有するわけではないが、油の種類
毎に較正因子が容易に決定され、適用され得る。さらに、ＥＰＲスペクトルはい
くつかの油成分についての情報を提供する。図５Ｄでは、さらなる共鳴ピークが
あるが、これはおそらく、異種原子組成を有する２つ以上のラジカル種からの寄
与による。
【００５８】 ＥＰＲ測定とＮＭＲ測定の組合せを用いて、ＮＭＲ信号の水成分と油成分を分
離できる。具体的には、水素含有物質全体の濃度から原油濃度を差し引くことに
よって、水濃度が知られ得る。
【００５９】 いくつかの事実に基づいて、岩石標本中の水成分および油成分を、ＥＰＲ測定
とＮＭＲ測定の組合せから正確に測定できる。これらの事実には、ＥＰＲ応答信
号が水によってではなく、原油によって生成されること、油中の陽子密度は約５
〜１５％であり体積測定ベースで水よりも高いこと、ならびに油の表面緩和率は
水の約３分の１であることが含まれる。上記に表現した間隙サイズおよびＴ2緩
和速度は、以下のように書き直すことができる。 Ｉ／Ｔ2＝ｆ水ρ水(Ｓ／Ｖ)間隙＋ｆ油ρ油(Ｓ／Ｖ)間隙 ここで、ρ水、ρ油、ｆ水、ｆ油は、それぞれ水、油の表面緩和率、分率重量で
ある。示されているように、緩和速度は２つの項、すなわち、原油の効果を表す
項と、水の効果を表す項との総和である。
【００６０】 間隙内に油と水が共存しているとき、岩石表面と接触する流体の緩和速度（１
／Ｔ2）は、これらの表面によって増速される。水油混合物の油分率は、１／Ｔ2 計算の精度を高めるために使用できる。このことが、試錐孔付近または流体飽和
コア内の間隙サイズ分布および岩石層の推定精度を高めることになる。
【００６１】 たとえば、油５０％と水５０％の混合物について、炭酸塩内であれば、ρ水は
０．０００５ｃｍ／秒、ρ油は（１／３）０．０００５ｃｍ／秒、Ｔ2は０．５
秒なので、上式より、計算された間隙直径は１０ミクロンである。しかし、ＮＭ
Ｒ測定のみが用いられた場合、計算された間隙直径は１５ミクロンとなる。１０
ミクロン間隙サイズの場合の透水係数と、１５ミクロン間隙サイズの場合の透水
係数は、それぞれ、０．０４平方ミクロンと０．０９平方ミクロンになり、約２
：１の差を生じることになる。
【００６２】 （他の実施の形態） 本発明が詳細に記載されたが、様々な変更、代替、および改変が、添付の特許
請求の範囲に定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明
に対して行われ得ることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るＮＭＲ／ＥＳＲ探知機を示す図である。
【図２Ａ−２Ｋ】 図１のアンテナの様々な実施の形態を示す図である。
【図３Ａ−３Ｇ】 図１の磁石の様々な実施の形態を示す図である。
【図４】 Ｂ1場の発生および応答信号の検出が２つの異なるアンテナによって行われる
ようになっている、図１の磁石およびアンテナ、ならびに第２のアンテナを示す
図である。
【図５Ａ−５Ｄ】 ４つの異なる原油田からのＥＰＲ信号をそれぞれ示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ (72)発明者 ドゥ ロス サントス アルマンド アメリカ合衆国 78229 テキサス サン アントニオ ライシアム 48 39

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体充填地下層の石油物理特性を探知するＥＰＲ探知機であ
    って、 前記地下層内の感度領域に静磁場を供給する磁石と、 ＥＰＲ周波数で前記領域にＲＦ磁場を供給し、前記原油からＥＰＲ応答信号を
    受信する少なくとも１つのアンテナと、 電力を前記ＥＰＲ周波数で前記アンテナに供給するように動作可能な送信機と
    、 前記ＥＰＲ応答信号を前記アンテナから受信する検波器と、 前記ＥＰＲ応答信号の振幅を前記地下層内の推定原油量に関係付けることによ
    って、前記ＥＰＲ応答信号を解析するように動作可能なプロセッサとを備えたＥ
    ＰＲ探知機。
  2. 【請求項２】 前記送信機はさらにＮＭＲ周波数で電力を供給するように動
    作可能であり、前記アンテナがさらに前記ＮＭＲ周波数でＲＦ磁場を供給し、か
    つＮＭＲ応答信号を受信するように動作可能であり、前記プロセッサはさらに、
    前記ＮＭＲ応答信号の振幅を前記地下層内の水素含有流体の推定量に関係付ける
    ことによって、前記ＮＭＲ応答信号を解析するようにプログラムされている請求
    項１に記載のＥＰＲ探知機。
  3. 【請求項３】 前記ＲＦ磁場を供給し、前記応答信号を受信するために、同
    一のアンテナが使用される請求項１に記載のＥＰＲ探知機。
  4. 【請求項４】 前記ＲＦ磁場を供給し、前記応答信号を受信するために、別
    々のアンテナが使用される請求項１に記載のＥＰＲ探知機。
  5. 【請求項５】 前記プロセッサがさらに、ＥＰＲ応答データを様々なタイプ
    の原油を表すデータと比較するように動作可能である請求項１に記載のＥＰＲ探
    知機。
  6. 【請求項６】 前記磁石が、その開放面が極であるＵ形状磁石である請求項
    １に記載のＥＰＲ探知機。
  7. 【請求項７】 前記磁石が、３６０度にわたって均一磁場を供給するＵ形状
    磁石である請求項１に記載のＥＰＲ探知機。
  8. 【請求項８】 前記磁石が形状として概ね円柱状であり、前記磁石の長手方
    向軸に直交して偏極したものである請求項１に記載のＥＰＲ探知機。
  9. 【請求項９】 前記アンテナが、９０度で位相付けされたダイポールを有す
    る位相付きダイポールアレイアンテナである請求項１に記載のＥＰＲ探知機。
  10. 【請求項１０】 前記アンテナが少なくとも１つの長方形パッチアンテナで
    ある請求項１に記載の探知機。
  11. 【請求項１１】 流体充填地下層の石油物理特性を測定する、コンピュータ
    実施ＥＰＲ方法であって、 前記地下層内の感度領域に静磁場を供給するステップと、 ＥＰＲ周波数で前記領域にＲＦ磁場を供給するステップと、 前記原油からＥＰＲ応答信号を受信するステップと、 前記ＥＰＲ応答信号の振幅を前記地下層内の推定原油量に関係付けることによ
    って、前記ＥＰＲ応答信号を解析するステップとを含むＥＰＲ方法。
  12. 【請求項１２】 さらに、ＮＭＲ周波数で前記領域にＲＦ磁場を供給し、Ｎ
    ＭＲ応答信号を受信し、前記ＮＭＲ応答信号の振幅を前記地下層内の水素含有流
    体の推定量に関係付けることによって、前記ＮＭＲ応答信号を解析するステップ
    とを含む請求項１１に記載のＥＰＲ方法。
  13. 【請求項１３】 流体充填地下層の石油物理特性を探知するＥＰＲ／ＮＭＲ
    探知機であって、 前記地下層内の感度領域に静磁場を供給する磁石と、 ＥＰＲ周波数で前記領域にＲＦ磁場を供給し、前記原油からＥＰＲ応答信号を
    受信する少なくとも１つのアンテナと、 電力を前記ＥＰＲ周波数で供給するように動作可能な送信機と、 前記ＥＰＲ応答信号を前記アンテナから受信する検波器と、 前記ＥＰＲ応答信号の振幅を前記地下層内の推定原油量に関係付けることによ
    って、前記ＥＰＲ応答信号を解析するように動作可能なプロセッサと、 ＮＭＲ周波数で前記領域にＲＦ磁場を供給し、ＮＭＲ応答信号を受信する少な
    くとも１つのアンテナとを備え、前記プロセッサはさらに、前記ＮＭＲ応答信号
    の振幅を前記地下層内の水素含有流体の推定量に関係付けることによって、前記
    ＮＭＲ応答信号を解析するようにプログラムされ、ＥＰＲ／ＮＭＲ探知機はさら
    に、 電力を前記ＮＭＲ周波数で前記アンテナに供給するように動作可能な送信機を
    備え、 前記プロセッサはさらに前記流体中の油と水の比率を計算するように動作可能
    であるＥＰＲ／ＮＭＲ探知機。
  14. 【請求項１４】 前記プロセッサはさらに、ＮＭＲ緩和速度を決定し、前記
    地下層の間隙の間隙サイズ分布を前記緩和速度に基づいて計算するようにプログ
    ラムされている請求項１３に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ探知機。
  15. 【請求項１５】 前記プロセッサは、ＮＭＲ応答データにより測定された単
    一流体に関して前記間隙サイズ分布を計算する請求項１４に記載のＥＰＲ／ＮＭ
    Ｒ探知機。
  16. 【請求項１６】 前記プロセッサは、前記原油と水の比率値を使用して前記
    間隙サイズ分布を計算する請求項１４に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ探知機。
  17. 【請求項１７】 前記プロセッサはさらに、前記間隙サイズ分布に基づいて
    前記地下層の透水係数を計算する請求項１４に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ探知機。
  18. 【請求項１８】 前記プロセッサはさらに、前記ＮＭＲ応答信号の振幅に基
    づいて前記地下層の間隙サイズ分布を計算するようにプログラムされた請求項１
    ３に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ探知機。
  19. 【請求項１９】 前記プロセッサがさらに、応答信号の振幅および横緩和時
    間分布に基づいて前記地下層の間隙サイズ分布を計算するようにプログラムされ
    ている請求項１３に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ探知機。
  20. 【請求項２０】 同一の送信機はＥＰＲとＮＭＲの両方の周波数で電力を供
    給する請求項１３に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ探知機。
  21. 【請求項２１】 同一のアンテナはＥＰＲとＮＭＲの両方の応答信号のため
    のＲＦ磁場を供給する請求項１３に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ探知機。
  22. 【請求項２２】 同一のアンテナはＮＭＲＥＰＲの両方の応答信号を受信す
    る請求項１３に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ探知機。
  23. 【請求項２３】 流体充填地下層の石油物理特性を探知する、コンピュータ
    実施ＥＰＲ／ＮＭＲ方法であって、 前記地下層内の感度領域に静磁場を供給するステップと、 ＥＰＲ周波数で前記領域にＲＦ磁場を供給するステップと、 ＥＰＲ応答信号を受信するステップと、 前記ＥＰＲ応答信号の振幅を前記地下層内の推定原油量に関係付けることによ
    って、前記ＥＰＲ応答信号を解析するステップと、 ＮＭＲ周波数で前記領域内にＲＦ磁場を供給するステップと、 ＮＭＲ応答信号を受信するステップと、 前記ＮＭＲ応答信号の振幅を前記地下層内の水素含有流体の推定量に関係付け
    ることによって、前記ＮＭＲ応答信号を解析するステップと、 前記解析ステップ両方の結果を使用して、前記流体内の油と水の比率を計算す
    るステップとを含むＥＰＲ／ＮＭＲ方法。
  24. 【請求項２４】 ＮＭＲ緩和速度を決定し、前記地下層の間隙の間隙サイズ
    分布を前記緩和速度に基づいて計算するステップをさらに含む請求項２３に記載
    のＥＰＲ／ＮＭＲ方法。
  25. 【請求項２５】 前記間隙サイズ分布を、ＮＭＲ応答データにより測定され
    た単一流体について計算する請求項２４に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ方法。
  26. 【請求項２６】 前記間隙サイズ分布を、前記原油と水の比率値から計算す
    る請求項２４に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ方法。
  27. 【請求項２７】 前記間隙サイズ分布に基づいて前記地下層の透水係数を計
    算するステップをさらに含む請求項２３に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ方法。
  28. 【請求項２８】 前記ＮＭＲ応答信号の振幅に基づいて前記地下層の間隙サ
    イズ分布を計算するステップをさらに含む請求項２３に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ方
    法。
  29. 【請求項２９】 応答信号の振幅および横緩和時間分布に基づいて間隙サイ
    ズ分布を計算するステップをさらに含む請求項２３に記載のＥＰＲ／ＮＭＲ方法
    。
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