NO145773B - Fremgangsmaate for bestemmelse av den partielle vannmetning i skiferformasjoner - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for bestemmelse av en formasjons partielle vannmetning ved elektrisk motstandsmåling av en underjordisk skifersandformasjon som gjennomtrenges av et borehull, og som er metet med naturlige formasjonsmetningsstoffer, som omfatter delvis vann og delvis et elektrisk inert fluidum.

En teknikk som er vanlig for bestemmelse av nærvær av hydrokarboner i jordformasjoner omfatter elektrisk måling av borehull, som er boret i formasjonene. Normalt vil formasjoner som i hovedsak er metet med hydrokarboner, vise stor spesifikk motstand, mens formasjoner som hovedsakelig er mettet med vann eller saltoppløsning vil vise lavere spesifikk motstand. Det har imidlertid vist seg at nærvær av skifer-leire i en formasjon reduserer formasjonens spesifikke motstand i en slik utstrekning at kommersielt drivverdige re-servoarer i skiferformasjoner med leirskifer viser en spesifikk motstand som tyder på at forekomsten ikke er drivverdig.

Søkerens US Patent nr. 3.895.289 viser en relasjon mellom dielektrisitetskonstanten for en skifersandformasjon, 100 % vannmettet, og en ledningsparameter i forhold til skiferformasjonen, samt angir en fremgangsmåte for bestemmelse om det er nok, skifer i en formasjon til at det må tas i betraktning ved vurdering av resultater fra elektriske målinger. Derimot angis ikke en fremgangsmåte for kvantitativ bestemmelse av den partielle hydrokarbonmetning og partielle vann-(saltvann)metning av formasjonen.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å av-hjelpe denne mangel og å tilveiebringe en fremgangsmåte for bestemmelse av vannmetningen. Dette oppnås ved en fremgangsmåte som er kjennetegnet ved det som fremgår av kravene.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives

nærmere ved hjelp av tegningen, hvor:

Fig. 1 er en skjematisk gjengivelse av måleutstyr anordnet i et borehull og over jorden for gjennomføring av jordmålinger ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 2A og 2B er side- og frontriss av en buefjær som egner seg til bruk sammen med anordningen ifølge

fig. 1.

Fig. 3 er en annen skjematisk gjengivelse av måleutstyr anordnet i et borehull og over jorden for gjennom-føring av jordmålinger ifølge oppfinnelsen. Fig. 4A og 4B er side- og frontriss av en buefjær til bruk sammen med apparatet ifølge fig. 3. Fig. 5 er et elektrisk diagram, dels i skjematisk og dels i blokkform, av elektrisk utstyr som egner seg til bruk i forbindelse med utstyret ifølge fig. 1, 2A, 2B,

3, 4A og 4B.

Fig. 5B er et elektrisk diagram som illustrerer den elektriske krets for en jordformasjon under en elektrisk motstandsmåling i et borehull, og som vil øke forståelsen av funksjonen av apparatet som vist i fig. 1-4B. Fig. 6 er et bølgeformdiagram til bruk i forbindelse med fig. 5A. Fig. 7 er en grafisk gjengivelse av den målte forandring i dielektrisitetskonstanten ved partiell vannmetning for fire skifersandformasjonsprøver.

Graden av vann-(saltvanns)metning av en formasjon under overflaten, som delvis er mettet med et vandig materiale og delvis med elektrisk indifferent materiale, bestemmes på grunnlag av målin'ger av dielektrisitetskonstanten.

Det har vist seg at dielektrisitetskonstanten for en skifersandformasjon forandres som funksjon av vann-(saltvanns-)metning og at denne variasjon bestemmes av rela-sjonen K/KQ= Swp, hvor

K = dielektrisitetskonstanten

K = dielektrisitetskonstanten ved 100% vannmet-o

ning

S = vannmetning

p = skifrighetseksponent

Det har også vist seg at denne relasjon ikke blir signifi-kant påvirket av en forandring av saltholdighetsgraden av den mettede vandige oppløsning.

Når det bores et borehull i en formasjon, vil formasjonsvæskene i nærheten av borehullveggen vanligvis bli fortrengt av borevæskene. I en formasjon som er mettet med metningsvæsker, som vann og flytende hydrokarboner, kan en delvis vannmetning av formasjonen bestemmes ut fra "grunne" målinger av dielektrisitetskonstanten nær borehullveggen og "dypere" målinger av dielektrisitetskonstantene i deler av formasjonen som ikke er gjennomtrengt av borevæsker, hvis formasjonens verdi for "p" er kjent.

En hovedfordel ved foreliggende oppfinnelse er at den muliggjør bestemmelse•av den sannsynlige drivverdighet av et hydrokarbonreservoar som befinner seg i en skifer-sand-formasjon på grunnlag av brønnmålingsinformasjoner.

Ledningsevneligningen for skifrig sand som er 100% mettet med en vandig oppløsning er som følger:

Artikkelen "Electrical Conductivities in Oil Bearing Shaly

Sands", av M.H. Waxman og L.J.M. Smits, Society of Petroleum Engineers Journal, juni 1968, side 107, beskriver det teore-tiske grunnlag for denne ligning. I ligningen har betegnel-sene følgende betydning: C0= spesifikk ledningsevne for skifrig sand,

100% mettet med vandig oppløsning, mho cm

F<*>= formasjonsmotstandsfaktor for skifrig sand, ;som har vist seg å stå i forhold til porø-sitet, ved det som er kjent som Archies før-ste empiriske ligning ;F<*>= <fT<m>

(Se Archie, G.E., "The Electrical Resistivity Log as and Aid in Determining Some Reservoir Characteristics", Trans., AIME (1942),

bd. 146, side 54-67. Konstanten m har en verdi på tilnærmet 2, men varierer noe avhen-gig av sandegenskapene).

C = spesifikk ledningsevne av den mettede vandige

oppløsning, mho cm

Q = kationutvekslingskapasitet pr. porevolum-enhet, m.ekv./ml

B = ekvivalent ledningsevne av leirutvekslings-kationer som funksjon av C ved 25°C,

2 -1 w

mho cm m.ekv.

Det er kjent at det eksisterer et forhold mellom dielektrisitetskonstanten, målt med frekvenser på mindre enn ca. 5 0 kHz, av en 100% saltvannsmettet skifersandformasjon og betegnelsen BQ^, ledningsevneparameteren med relasjon til skifrighet.

Ved at BQ^verdien for et antall skifer-sand-jordprøver ved 100% vannmetning og tilsvarende verdi av dielektrisitetskonstanten for hver prøve bestemmes, kan det utarbeides en korrelasjon som muliggjør bestemmelse av BQ^ verdien for et parti av en jordformasjon på grunnlag av måling av dielektrisitetskonstanten .

Vi har eksperimentelt fastslått at dielektrisitetskonstanten for en skifer-sandformasjon også varierer som funksjon av vannmetning. Dielektrisitetskonstanten for skifer-sandf ormas jonsprøver som er målt ved vannmetning på mindre enn 100% har vist seg å ha relasjon til dielektrisitetskonstanten målt ved 100% vannmetning ved ligningen:

hvor

K . = dielektrisitetskonstanten

K = dielektrisitetskonstanten ved 100% vann-

o

metning

S = delvis vannmetning

to ^

p = skifrighetseksponent

Fig. 7 er en grafisk gjengivelse av forandringen i dielektrisitetskonstant ved forandring i vannmetningen for en bestemt gruppe skifrige sandprøver. Her antydes en verdi for "p" på ca. 0,8, men verdien av "p" kan være annerledes

for andre formasjoner med avvikende struktur, leirfordeling eller andre egenskaper. Fra den informasjon som disponeres

for tiden, fremgår at verdien av "p" kan variere fra 0,7

til 1,3.

Det er også eksperimentelt fastslått at denne relasjon ikke vesentlig påvirkes av en forandring av vannets saltholdighet. Denne oppdagelse er av spesiell betydning, fordi den gjør det mulig å bestemme delvis vannmetning ut fra målinger av dielektrisitetskonstanten.

Den målte dielektrisitetskonstant forandres imidlertid som funksjon av frekvensen av det elektriske signal som benyttes til måling av dielektrisitetskonstanten. Dielektrisitetskonstanten har vist seg å avta med økt frekvens. Ved frekvenser over 50 kHz vil dielektrisitetskonstanten resulterende fra skiferformasjonen ikke være stor nok til praktisk gjennomføring av oppfinnelsen.

Under normale brønnboringer vil naturlig forekommende formasjonsvæsker nær brønnboringen fortrenges av borevæsker. Hvis det benyttes borevæsker basert på vann, vil et parti av formasjonen nær brønnboringen bli tilnærmet . 100% vannmettet. Verdier for K o kan da bestemmes ved måling av dielektrisitetskonstanten i nevnte parti av en formasjon nær borehullet. Ved måling av dielektrisitetskonstanten i stort sett samme parti av formasjonen, men på en dybde fra borehullet som ikke gjennomtrenges av borevæsker, kan den partielle vann-(saltvanns)metning av formasjonen bestemmes for enhver skifer-sand-formasjon med en kjent verdi for "p".

Oppfinnelsen tillater således bestemmelse av den partielle vannmetning av en skifer-sand-formasjon som delvis er mettet med vann og delvis med en elektrisk indifferent væske. Den elektrisk indifferente væskeandel av slike for-mas jons-metningsvæsker , som kan bestå av flytende hydrokarboner, er derfor lik 1-S^. Partiell hydrokarbonmetning betegnes heretter med Su.

ri

Det skal bemerkes at hvis det elektrisk indifferente metningsmateriale er sammensatt av fast stoff som ikke fortrenges av vandig borevæske, vil den "grunne" dielektrisitetskonstantmåling som beskrevet ovenfor ikke gi en nøy-aktig verdi av K . Verdier av K kan imidlertid også bestem-o o mes for et parti av en formasjon ved måling av dielektrisitetskonstanten i en nærliggende sone i formasjonen, som er vannmettet, hvis en slik vannarm eksisterer.

For gjennomføring av oppfinnelsen er det nødven-dig å måle dielektrisitetskonstanten for en formasjon. Som anført tidligere krever oppfinnelsen gjennomføring av en "dyp" og en "grunn" dielektrisitetskonstantmåling.

Fig. 1 illustrerer et apparat for gjennomføring av grunne dielektrisitetskonstantmålinger. Apparatet omfatter et avlangt hus 1, til hvilket det på vanlig måte er festet et antall buefjærer 5, som hver bærer et antall elektrodekontakter 7A og 7B (se fig. 2A og 2B) anordnet slik på buefjærene at de presses i kontakt med veggene for et borehull 3. Huset 1 henger fra en målekabel 11, som er viklet på en trommel 15 og løper over en skive 13 på vanlig måte, slik at den henger hensiktsmessig ned i borehullet. Elektriske ledere i målekabelen 11, som leder elektriske signaler fra utstyret i huset, er forbundet med elektriske ledere i en elektrisk ledning 17, som i sin tur er forbundet med den elektriske utstyrspakke 18 på overflaten. Den elektriske utstyrspakke 18 kan bl.a. omfatte et passende registrerings- og avlesningsapparat.

Elektrodene 7A og 7B på buefjærene 5 er under-støttet av elektriske isolasjoner og anordnet i tilstrekke-lig innbyrdes avstand, slik at elektriske strømmer og fluss-linjer som flyter mellom dem, trenger den ønskede strekning inn i jordformasjonen. Denne avstand kan med fordel være ca. 127 mm. Elektrodene 7A og 7B er forbundet med elektriske ledere 9 som er elektrisk isolert fra borehullvæsker. Lederne 9 oppretter forbindelse med det elektroniske utstyr i huset 1.

Fig. 3 illustrerer et apparat for-"dype" dielektrisitetskonstantmålinger, i et parti av formasjonen som ikke er gjennomtrengt av borevæskene. Dette apparat er identisk med apparatet ifølge fig. 1, bortsett fra at elektrodekon-taktene har større avstand. Hver buefjær (se fig. 4A og 4B) omfatter bare en av elektrodene i et elektrodepar. Elektriske strømmer og flukslinjer vil flyte mellom elektroden 8A som er anordnet på en øvre buefjær og elektroden 8B anordnet på en nedre buefjær. Avstanden mellom elektrodene i et elektrodepar kan fortrinnsvis være ca. 152 cm.

Fig. 5A viser et elektrisk skjema, delvis i blokkform, av et apparat som er egnet til bruk i forbindelse med apparatet som ovenfor er omtalt for måling av kapasi-tans i et borehull, på grunnlag av hvilken dielektrisitetskonstanten bestemmes. Apparatet ifølge fig. 5A er oppdelt" i to avsnitt, overflateutstyret og borehullutstyret. Overflateutstyret er forbundet med kabelen 17 (vist i fig. 1 og 3) og er via kablene 17 og 11 forbundet med borehullutstyret og elektriske ledere i huset 1. Overflateutstyret omfatter en kraftkilde 21, som fortrinnsvis er en likestrømkilde, en registrerings-oscillograf 23 og en måler 25 for tidsmåling av en spenning som utledes av borehullutstyret. Kraftkilden 21 er via kablene 17 og 11 elektrisk forbundet med en fir-kantpulsgenerator 27 i huset 1.Firkantpulsgeneratoren 27 kan være en multivibrator. Utgangen fra generatoren er via lederen 37 forbundet med kontaktorganet 7A (forutsatt at formen ifølge fig. 1 benyttes), og er via motstanden 39 for lav motstand forbundet med kontaktorganet 7B. Kontaktelektrodene 7A og 7B er utført slik at de har et meget stort kontaktområde mot jordformasjonen, slik at kontaktimpedansen vil bli nokså lav. Kontaktelektrodene kan være platinerte elektroder med stor nok diameter til å redusere kontaktimpedansen til et minimum ved at kontaktmotstanden og kontaktimpedansen gjøres så ringe som mulig. (Kombinasjonen av kontaktene og borehullveggen svarer til en motstand og en kondensator i parallell.)

Spenningen som opptrer gjennom motstanden 39 til-føres inngangen for portforsterkeren 29. Et portsignal av-ledes fra lederen 37 for generatoren 27, slik at utgangs-spenningen fra generatoren•27 i realiteten kopler forsterke-ren 2 9 inn og ut. Utgangssignalene fra portforsterkeren blir via lederne 31 tilført registreringsoscillografen 23 i overflateutstyret.Utgangssignalene fra portforsterkeren er portsignalet som vist i fig. 6D og et signal som svarer til generatorens 27 utgang, som vist i fig. 6A. Spenningen som opptrer i motstanden 39, overføres også til jordens overflate for registrering av måleren 25. Om ønsket, og hvis registreringsoscillografen er utstyrt med tilstrekke-

lig mange inngangskretser, kan signalet som opptrer i motstanden 39, samtidig registreres av registreringsoscillografen 23.

På grunn av den kapasitive reaktans mellom kontaktene 7A og 7B som følge av den effektive kondensator som opprettes av kontaktene og formasjonen i kontakt med dem, vil strøm som passerer gjennom motstanden 39, lede spenningen som fremkalles av generatoren 27. Kontaktimpedansen av kontaktene 7A og 7B er meget lav og vil ikke inn-føre signifikante feil i målingene. Den kapasitive reaktans vil fremkalles så å si utelukkende av den effektive kapasitet Cp av jorden. De stiplede streker i fig. 6B illustrerer bølgeformen som ville opprettes, hvis det ikke var noen kapasitiv reaktans i kretsen. Den tette strek represen-

terer den bølgeform som vanligvis fremkalles.

De elektrisk egenskaper ved formasjonsprøven

kan representeres av en kapasitiv komponent C f og en motstands-komponent R f i parallell, som illustrert i fig. 5B. Strøm-men fra generatoren 27 flyter gjennom formasjonsprøven og gjennom motstanden 39. Hvis vi betegner den pulserende spenningsamplityde i motstanden 39 med Vrog motstandens 39 motstandsverdi med R, er det innlysende at. I = ^— .

Hvis den pulserende spenningsamplityde som fremkalles av generatoren 27 betegnes med Eq, fås formasjonsprøvens motstand Rf ved:

Det vil fremgå av det ovenstående at den effektive motstand i formasjonen kan bestemmes ut fra de regi-strerte spenningsverdier generert av generatoren 27, spenningen som opprettes i motstanden 39 og motstandsverdien for motstanden 39.

Tidsintegralen "T" for hver spenningspuls som opptrer ved utgangen for generatoren 29 og illustreres ved bølgeformen i fig. 4D er klart gitt ved formelen: hvor

Fra det ovenstående vil det være innlysende at kapasitansen for en jordprøve kan måles ved bruk av det ovenfor omtalte apparat.

Instrumentet kan være kalibrert for direkte måling av dielektrisitetskonstanten. Først skaffes et antall jordprøver med et vidt spektrum av dielektrisitets-konstanter. Prøvene kan være oppnådd fra tidligere kjerneboring i jorden eller de kan være spesielt skaffet tilveie for kalibrering av instrumentet. Dielektrisitetskonstanten for hver prøve oppnås deretter ved hjelp av teknikker som er kjent på området, som angitt i tekstene: "Solid State Magnetic and Dielectric Devices", Library of Congress Catalog Card Number 59-6769, John Wiley&Sons, New York, 1959 og "Theory of Dielectrics" av H. Frohlich, University Press, Oxford, 1958. En jordprøve kan f.eks. anbringes mellom le-dende plater med kjente dimensjoner og den resulterende kapa-sive reaktans av kondensatoren kan deretter måles. Dielektrisitetskonstanten for jordprøven kan beregnes på grunnlag av platens flate og avstanden mellom platene. Slike teknikker har vært kjent i mange år og vil ikke bli nærmere omtalt.

Når dielektrisitetskonstanten for forskjellige jordprøver er bestemt, blir disse prøver eller jordprøver fra samme formasjoner, med samme dielektrisitetskonstant, anordnet i kontakt med kontaktene 7A og 7B. Tykkelsen ,av hver formasjonsprøve bør være stor nok, slik at de elektriske kraftlinjer mellom kontaktparene bare passerer gjennom formasjonsprøven. Utstyret som vist i fig. 5A aktiviseres deretter, slik at generatoren 27 genererer et i det vesentlige firkant-pulstog med et frekvensspektrum som overveiende ligger under 5 0 kHz, som illustrert i fig. 6A.

Et antall jordprøver med kjent dielektrisitetskonstant anbringes etter tur i kontakt med elektrodene og flaten for det integrerte signal (som er tidsintegralen "T") registreres av oscillografen 23 og måles for hver prøve. Det vil derve'd fremkomme et forhold mellom inte-gralen for portsignalet og dielektrisitetskonstanten for jordprøvene som er anordnet mellom elektrodene. Dielektrisitetskonstanten for en ukjent jordprøve oppnås ved måling av de ovenfor nevnte parametere og korrelasjon med kalibreringskurven. Som nevnt ovenfor, har dielektrisitetskonstanten for skifrige sandformasjoner vist seg å variere med frekvensen. Bølgeformer som har i det vesentlige samme frekvensspektrum må derfor brukes for alle dielektrisitetskonstantmålinger som utføres i kalibrerings-instrumenter ved opprettelse av kalibreringskurver og måling av formasjonens dielektrisitetskonstant.

Ovenstående beskrivelse av en foretrukken ut-førelsesform av oppfinnelsen viser en fremgangsmåte for bestemmelse av vannandelen i formasjons-metningsstoffer. Den gjenstående del av metningsstoffene, som består av elektrisk indifferent materiale, er således lik 1-S . Den elektrisk indifferente formasjon kan være hydrokarboner eller annet materiale, som svovel. Kjerneboring eller andre formasjonsprøver vil antyde arten av det elektrisk indifferente materiale. Hvis prøver antyder nærvær av hydrokarboner, er ovenstående fremgangsmåte meget nyttig for oppnåelse av en kvantitativ vurdering av metnings-stof f enes vann- og hydrokarbonfaser.

Det skal bemerkes at hvis det benyttes borevæsker basert på olje, vil ovenstående fremgangsmåter for bestemmelse av partiell vannmetning av en formasjon ikke være praktiske. Under slike forhold ville det bli nødven-dig å bestemme verdien av Kq ved måling av dielektrisitetskonstanten i kjerner i laboratoriet.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av en formasjons partielle vannmetning ved elektrisk motstandsmåling av en underjordisk skifersandformasjon som gjennomtrenges av et borehull, og som er mettet med naturlige formasjonsmetningsstoffer, som omfatter delvis vann og delvis et elektrisk inert fluidum,karakterisert ved: at det foretas en første måling av dielektrisitetskonstanten ved frekvenser lavere enn ca. 5 0 kHz ved et første sted i formasjonen, hvor de naturlige formasjonsmetningsmidler er blitt forskjøvet av et vandig metningsmiddel hvorved det bestemmes en verdi Kq for dielektrisitetskonstanten ved 100% vannmetning, at det foretas en andre måling av dielektrisitetskonstanten ved frekvenser lavere enn ca. 5 0 kHz på et andre sted i formasjonen beliggende til det første sted, og mettet med naturlige formasjonsmetningsmidler, hvorved det bestemmes en verdi K for dielektrisitetskonstanten, at skifrighetseksponenten enten fastsettes skjønnsmessig, eller at skifrighetseksponenten bestemmes ved uttrekning av en kjerneprøve fra formasjonen, måling av dielektrisitetskonstanten for kjerneprøven ved en valgt frekvens lavere enn ca. 5 0 kHz ved forutbestemte nivåer for partiell vannmetning for derved å bestemme verdiene for dielektrisitetskonstanten svarende til de nevnte valgte nivåer for den partielle vannmetning, anvendelse av de tilsvarende verdier for dielektrisitetskonstanten og den partielle vannmetning for grafisk å bestemme verdien av skifrighetseksponenten fra uttrykket K = K S p , og at det samme uttrykk så benyttes for å bestemme den partielle vannmetning, idet K = dielektrisitetskonstanten Kq = dielektrisitetskonstanten ved 100% vann metning S = partiell vannmetning p = skifrighetseksponenten

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat den første måling av dielektrisitetskonstanten gjennomføres i et parti av formasjonen som ligger nær et borehull som er boret i formasjonen ved bruk av et vandig borefluidum og hvor det vandige metningsmiddel består av nevnte vandige borefluider.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2,karakterisert vedat gjennomføringen av den første måling av dielektrisitetskonstanten omfatter dannelsen av en elektrisk spenningsbølgeform mellom to elektroder i anlegg mot borehullets vegg og med en slik innbyrdes avstand at banen for den elektriske strøm og flukslinjer mellom elektrodene overveiende forløper gjennom partier av formasjonene som er mettet med de vandige borefluider og måling av en karakteristikk for den resulterende strøm, og at den andre måling av dielektrisitetskonstanten omfatter dannelsen av en elektrisk spenningsbølgeform mellom to elektroder som er i anlegg mot borehullveggen og har en slik innbyrdes avstand at banen for den elektriske strøm og flukslinjene som flyter mellom dem overveiende forløper gjennom partier av formasjonen som er mettet med de naturlig forekommende formasjonsmetningsmidler og at en karakteristikk av den resulterende strøm måles.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 2,karakterisert vedat elektrodene har en innbyrdes avstand på ca. 127 mm for gjennomføring av første måling av dielektrisitetskonstanten og på ca. 152 cm for gjennom-føring av den andre måling av dielektrisitetskonstanten.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat målingene av dielektrisitetskonstanten gjennomføres i kjernen som er tatt opp av formasjonen .