NO156670B - Fremgangsmaate for bestemmelse av permeabiliteten i en formasjon. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for akustisk borehullslogging, og spesielt en fremgangsmåte for bestemmelse av permeabiliteten til en formasjon.

Det er velkjent at målinger av konduktiviteten og porøsi-teten av en formasjon er viktige når det gjelder å bestemme om den inneholder hydrokarboner, idet hydrokarboner blir funnet som ikke-konduktive fluider i porøse bergformasjoner. Det er også velkjent at hydrokarboner vanligvis ikke kan utvinnes fra porøse bergformasjoner med mindre formasjonene også er perme-able. Inntil nå er det ikke kjent noe apparat for nøyaktig måling av permeabiliteten av en bergformasjon på stedet. Etter at hydrokarboner er blitt detektert, har det følgelig vanligvis vært nødvendig å ta ut en sideveggkjerne fra en gitt formasjon for å måle dens permeabilitet i laboratoriet. En slik teknikk er tidkrevende og kostbar.

Metoder for akustisk borehullslogging er også velkjente, og den mulige anvendelse av slike teknikker for bestemmelse av permeabiliteten av en formasjon ble forutsatt av Rosenbaum i artikkelen "Synthetic Microseismograms: Logging In Porous Formations", Geophysics, vol. 39 nr. 1, februar 1974.

Rosenbaum undersøkte numerisk det ideelle tilfelle med

et borehull fylt med et ikke-viskøst fluidium omgitt av en formasjon som er porøs og som retter seg etter Biots teori. Hans undersøkelse viste at virkningen av porefluidumets mobi-litet på den beregnede responsen er stor og kan måles med et passende logge-apparat. Han forutsa videre at den relative amplituden av en rørbølge oppnådd fra et sonisk apparat med en bredbåndet frekvensrespons ville avhenge av formasjonens permeabilitet.

Som reaksjon på Rosenbaums forutsigelser er det blitt gjort minst ett forsøk på å anvende vanlige soniske logge-anordninger for bestemmelse av permeabilitet. I en artikkel med tittel "Permeability Profiles From Acoustic Logging", av J.J.Staal og J.D. Robinson, presentert for det 52nd Annual Fall Technical Conference and Exhibition of the Society of Petroleum Engineers of A.I.M.I. holdt i Denver, Colorado, 9. til 12. oktober 1977, ble det rapportert at med en stan-dard Schlumberg'sk sonisk sonde med sender-mottageravstand på opp til 5 fot (1,524 m) , kunne det detekteres en korrelasjon mellom permeabilitet og rørbølgedempning.

Selv om vanlige soniske logganordninger kan anvendes til permeabilitetsbestemmelse, finnes det et behov for for-bedrede teknikker til bestemmelse av permeabilitet.

U.S.-patent 3.962.674 beskriver utstyr for bestemmelse av permeabilitet ved hjelp av kompresjonsbølger. Videre er det fra britisk patent 1.534.854 kjent hvordan en akustisk sonde kan tilpasses deteksjon av rørbølger.

Nærmere bestemt tar således oppfinnelsen utgangspunkt i en fremgangsmåte av den type som omfatter føring av et apparat gjennom et borehull, hvilket apparat har en anordning for utsendelse av lavfrekvent akustisk energi, og en mottageranordning, pulsing av senderanordningen, og bestemmelse av amplituden av rørbølger som detekteres av mottageranordningen ved flere steder i borehullet.

Det nye og særegne ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen består i første rekke i detektering av den akustiske energi ved en første mottager som har en frekvensrespons mellom 0,1 KHz og 30 KHz i borehull, og at denne mottager er koblet til senderanordningen ved hjelp av en kabel som har en lengde større enn 5 fot (1,524 m) .

Ved å anvende en slik bredbåndet mottager er man i stand til på pålitelig måte å detektere alle komponenter av rør-bølgene og samtidig redusere til et minimum enhver ringing som kan opptre med smalere mottagerbåndbredder.

Videre vil den angitte spesielle innbyrdes avstand mellom sender og mottager sikre en tilstrekkelig separasjon av rørbølgene i det akustiske bølgemønster, slik at detek-sjonen blir lettere.

Endelig vil bruk av en kabel som koblingsmetode mellom senderen (kilden) og mottageren gjøre det lettere å detektere rørbølger ved at tilfeldige, uvedkommende signaler forhindres i å ha innvirkning, hvilket kan skje når en sender og en mottager er anbragt i en felles kapsling.

Mottageren er fortrinnsvis anordnet i en avstand på omkring 15 fot (4,57 m) fra senderanordningen. Fortrinnsvis blir den akustiske energi detektert i en avstand på omkring 20 fot (6, lm) fra senderanordningen med en andre mottager som har nevnte frekvensrespons, idet man bestemmer amplituden av rørbølger som detekteres av både den første og den andre mottageren ved de nevnte flere steder i borehullet.

Ytterligere trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er nærmere angitt i patentkravene.

Den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet mer detaljert under henvisning til de vedføyede tegninger,

der:

Figur 1 er et skjema over et akustisk borehulls-loggesystem for utførelse av en fremgangsmåte til bestemmelse av permeabiliteten av en bergformasjon i henhold til et eksempel på den foreliggende opp-

finnelse ;

figur 2 er et tverrsnitt av en av mottagerne

som anvendes i det systemet som er vist på

figur 1.

Figurene 3 og 4 er normaliserte bølgetog-registreringer som er tatt under anvendelse av loggesystemet på figur 1;

figur 5 viser logger over permeabiliteten

bestemt ut fra normaliserte rørbølgeamplituder detektert ved spesielle mellomrom ved bruk av systemet på figur 1, og også bestemt ved

hjelp av sideveggkjerner sammenlignet med skifrigheten over de samme mellomrom;

figur 6 er en plotting av anslått permeabilitet oppnådd ved bruk av systemet på figur 1 i forhold til permeabilitets-målinger som er tatt ved å anvende en kjerneteknikk; og

figur 7 er normaliserte bølgetogregistreringer tatt ved å anvende loggesystemet på figur 1 sammenlignet med et loggesystem av den tidligere type som har større sender-mottageravstand enn vanlig.

Det vises først til fig. 1 hvor det akustiske borehulls-logge-system omfatter en loggeanordning 10 som er forbundet ved hjelp av en første kabel 11 til systemets overflatekompo-nenter. Loggeanordningen 10 er plassert nede i et borehull 12 som er fylt med et fluidum, slik som boreslam som er anty-det ved referansetallet 14.

Komponentene på overflaten omfatter et kontrollpanel 16, som kabelen 11 er forbundet med over et skivehjul 18. En motor 20 som blir styrt fra kontrollpanelet 16 på overflaten, driver skivehjulet 18 for heving eller senking av loggeanordningen 10 i borehullet 12 . En utgangsinnretning slik som en digital registreringsanordning 22, er elektrisk koblet til kontrollpanelet for registrering og/eller fremvisning av de data som detekteres fra loggeanordningen 10.

Loggeanordningen 10 omfatter en sender 24 for utsending av en akustisk energipuls i borehullet 12. Pulsen har et frekvensspektrum sentrert omkring 20k Hz, men lave frekvenser som strekker seg ned til minst lk Hz blir også utsendt. En første bredbåndet akustisk mottager 28 er ved hjelp av en kabel 26 forbundet til senderen 24. Den bredbåndete akustiske mottageren 28 reagerer på frekvenser mellom omkring 0,lk Hz og 30k Hz og vil bli beskrevet mer detaljert under henvisning til fig. 2 nedenfor.

Kabelen 26 bør ha en lengde større enn 5 fot (1,524 m) , fortrinnsvis betydelig lenger. I henhold til en foretrukket utførelsesform er avstanden mellom senderen 24 og den første bredbåndede mottageren 28 omkring 15 fot (4,57 m). En andre kabellengde 30 forbinder den første bredbåndede akustiske mottageren 28 med en andre bredbåndet akustisk mottager 32 og en tredje kabellengde 34 forbinder den andre akustiske bredbåndede mottageren 32 med en tredje bredbåndet akustisk mottager 36. Avstanden mellom den andre mottageren 32 og senderen 24 er fortrinnsvis omkring 20 fot (6,1 m), mens avstanden mellom den tredje mottageren 36 og senderen 24 er omkring 25 fot (7,62 m). Det blir også foretrukket at mottagerne 28, 32 og 36 ikke er plassert i et eneste hus, men er koblet til senderen 24 bare ved hjelp av kablene 26, 30 og 34.

Det er velkjent at de første bølgene som ankommer ved hver av mottagerne i akustisk loggesystem er kompresjonsbøl-ger som vanligvis følges av skjærbølger, så av slambølger og endelig av rørbølger. Den forholdsvis store avstanden mellom sender og mottager i anordningen 10 gir tid for de forskjellige bølgepakkene til å skille seg fra hverandre slik at de forannevnte rørbølger lettére kan detekteres. Siden frekven-sen av rørbølgene i typiske borehullsomgivelser vil være av størrelsesorden 1500 Hz eller mindre, er det nødvendig med de forannevnte bredbåndede mottagerne 28, 32 og 36 for å registre-re bølgene. Mottagere som har den nødvendige båndbredde er vanligvis ikke i stand til å motstå de ugunstige omgivelsene som man støter på under akustisk logging. Mottagerne 28, 32 og 36 som brukes i anordningen 10 er imidlertid valgt slik at de har den nødvendige båndbredde og likevel er i stand til å motstå høyt trykk.

Det vises nå til fig. 2 hvor en slik mottager (28) vil bli beskrevet i detalj, idet man vil forstå at alle mottagerne 28, 32 og 36 er identiske. Mottageren 28 omfatter en sylinder 38 av piezo-elektrisk materiale som for å forhindre dynamiske trykkforandringer fra å bli overført til innsiden av sylinderen, er lukket med endeplater 40 og 42 av metall. Endeplatene er forbundet med en spole 44.

Presspasset inn i en åpning i endeplaten 42 er et rør

46 som, som nærmere forklart nedenunder, er avstemt til den nedre grensefrekvensen til det ønskede område, dvs. 0,1 k Hz. Lengden og tverrsnittsarealet av innsiden av røret 46 er slik at dynamiske trykkforandringer i frekvensområdet over grensefrekvensen ikke blir overført gjennom røret, men røret tilla-ter utligning av statisk trykk mellom utsiden og innsiden av sylinderen.

Endeplaten 42 har et parti 48 som passer inn i

sylinderen 38, og endeplaten 40 har et lignende parti 50. Periferiske riller i partiene 48, 50 opptar 0-ringer 52 og 54 som isolerer det piezoelektriske materiale i sylinderen 38 fra metallendeplatene og tetter endene av sylinderen. 0-ringene 56 og 58 isolerer videre det isoelektriske materiale fra endeplatene. Et hull 60 er anordnet i endeplaten 42 slik at sylinderen 38 kan evakueres og fylles med olje. Deretter holder en settskrue 62 oljen på plass. Sylinderen 38 har et leden-de belegg på sine innerflater og ytterflater og en elektrisk kontakt 64 er forbundet ved hjelp av en ledning til den leden-de innerflaten av sylinderen. Kontakten 64 er koblet til en elektrisk gjennomføring 66 som strekker seg gjennom en transduserbærer 68 montert på endeplaten 42 til en forforsterker (ikke vist) som er opptatt i et hus 70 som bærer bæreren 68.

En ytterligere transduserbærer 72 er montert ved den andre enden av mottageren og blir understøttet av et ytterligere hus 74. En kjernestang 76 som strekker seg gjennom midten av mottageren forbinder husene 70 og 74.

Et oljefylt gummirør 78 omgir mottageren og ledningene

80 og 82 omgir røret og sikrer det fast til husene 70 og 74.

Et hylster 84 omgir og beskytter røret. I bruk blir akustisk energi sendt ut ved hjelp av slisser i hylsteret 84 gjennom gummirøret 78 og oljen i dette til mottageren som er følsom for akustisk energi over hele det seismiske energiområde og høyere. Gummirøret 78 er selvsagt anordnet slik at det kan motstå det høye trykket i dype borehull.

Den kritiske dimensjonen til kanalen som dannes av røret 46, vil man best forstå ved å sammenligne med et analogt elektrisk lavpassfilter. Et elektrisk lavpassfilter omfatter en induktans og en kapasitans.

Volumet som omsluttes av den piezo-elektriske sylinderen (tank) og kanalen med mindre diameter (innsnevring) danner et akustisk filter. Materialet (vann eller olje) i tanken er stivhetsstyrt og er analogt med en kapasitans. Materialet i innsnevringen er massestyrt og derfor analogt med en induktans. Kapasitansen kan uttrykkes som:

hvor

C er kapasitansen,

V er volumet av materialet i sylinderen 38, p er densiteten av materialet i sylinderen, og v er lydhastigheten i dette materialet. Induktansen, L a, kan uttrykkes som

hvor

Lg er lengden av røret 46, og

Ac er tverrsnittsarealet av røret.

Grensefrekvensen, f , for et slikt lavpassfilter er gitt ved:

For eksempel en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse hvor innerdiameteren d_ av sylinderen 38 er 3,4925 cm, diameteren d^ av spole 44 er 1,5875 cm, og lengden L av sylinderen er 3,0163 cm. Også lengden L eav røret 46 er 3,81 cm med en innerdiameter på 0,0397 cm. Anta videre at materialet i sylinderen 38 er vann.

Tverrsnittsarealet til røret 46 er:

Ac <=> j (0,0397)<2> = 0,001236 cm<2> (4)

Tregheten som er ekvivalent med induktans, er gitt ved:

Volumet av innsiden av sylinderen er:

Masse som er ekvivalent med kapasitans, er gitt ved:

Av det foregående følger det at grensefrekvensen for denne spesielle utførelsesformen er:

Dette indikerer en nedre grensefrekvens på 180 Hz som blir forbedret bedre ved å fylle sylinderen med olje. En slik grensefrekvens er tilstrekkelig lav til å få mottageren 28 til å reagere på rørbølger.

Når det beskrevne apparat blir brukt til å bestemme permeabiliteten av en bergformasjon, blir anordningen 10 ført langs borehullet 12 og senderen 24 blir pulset og akustisk energi blir detektert ved mottagerne 28, 32 og 36. Fortrinnsvis for hver fot (0,3048 m) langs borehullet blir et bølgetog av 10 millisekunders varighet registrert ved overflaten fra hver av mottagerne 28, 30 og 32. Dette bølgetoget blir samp-let med 5 usek. intervaller og lagret. De digitale data kan, men behøver ikke nødvendigvis, bli behandlet av et datamaskin-program som bestemmer tiden for den første ankomst (P-bølge), utjevner amplituden av hvert bølgetog ved å bruke P-bølgen langs profilen og innretter ankomsten ved en tilfeldig tid. Dette blir gjort for å kompensere for mulige variasjoner i den akustiske energikilden under loggingen. Slike data er blitt utvunnet og plottet som vist på fig. 3 og 4 og blir brukt til å identifisere rørbølgeankomstene for hver mottager. Et passende tidsvindu av størrelsesorden 0,5 milli-sekunder omkring ankomsttidene for rørbølgen blir valgt.

Den maksimale amplitude fra topp til bunn i dette vinduet blir bestemt. Forandringen i amplitude med dybden blir ob-servert. En slik amplitude frembringer et mål på permeabiliteten .

Som man kan se av fig. 4, blir datakvaliteten forringet på grunn av vanskeligheten med å identifisere ankomsttidene for rørbølgen i skifer og følgelig er den foreliggende oppfinnelse mindre anvendelig i områder med høy skifrighet. Det vises imidlertid nå til fig. 5 hvor logger av den normaliserte amplitude for det valgte vindu omkring rørbølgean-komsten ble kalibrert og sammenlignet med permeabiliteten av kjerneprøver i de samme områder. Man kan se at det er god korrelasjon bortsett fra i de foran nevnte områder med høy skifrighet.

Fig. 6 er en kryssplotting av målte kjernepermeabilite-ter sammenlignet med anslåtte permeabiliteter bestemt ut fra rørbølgeamplituder under anvendelse av fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og man finner korrelasjon i hele området mellom 10 og 10 000 millidarcy.

Det vises nå til fig. 7 hvor det på den venstre side er vist bølgeformregistreringer under bruk av fremgangsmåten i henhold til nevnte ene eksempel, sammenlignet med bølgeform-registreringer som er gjort ved å anvende det apparat som an-tas å være teknikkens stand hvor avstanden mellom senderanordningen og den første mottageren var omkring 15 fot (4,57 m) . Anordningen i henhold til teknikkens stand anvendte imidlertid ikke en bredbåndsforsterker slik som den som brukes i anordningen 10. Mottageren og senderen i den innretningen var også innesluttet i et stivt hus i motsetning til kabelarrange-mentet i anordningen 10. Det går klart frem at identifiserin-gen av distinkte rørbølger var utelukket.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av permeabiliteten av en formasjon, omfattende følgende trinn: (a) føring av et apparat gjennom et borehull, hvilket apparat har en anordning for utsendelse av lavfrekvent akustisk energi, og en mottageranordning, (b) pulsing av senderanordningen, og (c) bestemmelse av amplituden av rørbølger som detekteres av mottageranordningen ved flere steder i borehullet, karakterisert ved detektering av den akustiske energi ved en første mottager som har en frekvensrespons mellom 0,1 KHz og 30 KHz i borehull, og at denne mottager er koblet til senderanordningen ved hjelp av en kabel som har en lengde større enn 5 fot (1,524 m).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det utsendes akustisk energi fra minst 1 KHz til 20 KHz og at det benyttes en mottager av en type som har en sylinder av piezo-elektrisk materiale med endeplater som tetter begge ender av sylinderen og en kanal gjennom en av endeplatene som overfører trykkendringer i omgivelsene, men ikke dynamiske trykkforandringer.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at forandringen i amplituden av rørbølgene observeres fra et av de nevnte flere steder til et annet av de nevnte flere steder i borehullet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at trinn (c) blir utført ved å måle den maksimale amplitude fra topp til bunn av nevnte rørbølger ved hvert av de nevnte flere steder.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den første mottageren er anordnet i en avstand på omkring 15 fot (4,57 m) fra senderanordningen .

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at den akustiske energi blir detektert i en avstand på omkring 20 fot (6,1 m) fra senderanordningen med en andre mottager som har nevnte frekvensrespons, idet trinn (c) omfatter bestemmelse av amplituden av rørbølger som detekteres av både den første og den andre mottageren ved de nevnte flere steder i borehullet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at forholdet mellom rørbølgeamplituden detektert av den første mottageren og rørbølgeamplituden detektert av den andre mottageren ved hvert av nevnte flere steder i borehullet detekteres.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at den akustiske energi detekteres ved en avstand på omkring 25 fot (7,62 m) fra senderanordningen med en tredje mottager som har nevnte frekvensrespons, idet trinn (c) omfatter bestemmelse av amplituden av rørbøl-ger detektert av den første, andre og tredje mottager ved flere steder i borehullet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at forholdet mellom rørbølgeamplituden detektert ved den andre mottager og rørbølgeamplituden detektert ved den tredje mottager ved hvert av stedene detekteres.

10. Fremgangsmåte ifølge noen av de forangående krav, karakterisert ved at senderanordningen og mottageren eller mottagerne er mekanisk koblet til hverandre bare ved hjelp av kabelen eller kablene.