NO313064B1 - Fremgangsmåte og apparat til måling av resistiviteten i undergrunnsformasjoner - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår resistivitetslogging av undergrunnsformasjoner fra et borehull. Mer bestemt skaffer oppfinnelsen fremgangsmåter og et apparat for å utføre resistivitetsmålinger ved forskjellige avstander innenfor formasjonen fra borehullet og for å skaffe tredimensjonale bilder av resistiviteten i formasjonen nær borehullet.

Resistivitetsmålinger av undergrunnsformasjoner fra et borehull er blitt utført ved hjelp av en rekke metoder. Laterologmetoden omfatter å gjøre en måling med et verktøy som har en strømemitterende elektrode og spenningselektroder på hver side av denne og som drives .for å føre strøm inn i formasjonen og er beskrevet i "Well Logging for Earth Scientists", D.V. Ellis, Elsevier, 1987, sidene 84-97. Det enkleste laterologelektrode-verktøyet er Laterolog-3 beskrevet av H.-G. Doll i AIME Petroleum Transactions, bind 192, sidene 305-396 (1951). Laterolog-3 omfatter en sentral strømelektrode med en enkelt spenningselektrode på hver side av denne. Strømelektroden og spenningselektrodene holdes alle på en forhåndsbestemt spenning og måle-strømmen som går inn i formasjonen fra den sentrale strømelektrode måles. En mer avansert form av laterologen har ytterligere overvåkingselektroder på hver side av den strømemitterende elektrode og skaffer ytterligere spen-ningskildeelektroder for å forhindre at strøm går langs borehullet og for å fokusere målestrømmen dypere inn i formasjonen. Slike laterologer innbefatter overvåkingselektroder for å detektere en eventuell strøm i borehullet og skaffe tilbakekoblingssignaler for å styre spenningen som påtrykkes spen-ningskildeelektrodene og således aktivt fokusere strømmen i formasjonen.

En ytterligere utvikling av laterologen er beskrevet i US-PS nr. 5 343 153 og vist på figur 1. Dette verktøyet omfatter et verktøylegeme 10 med en strøm-kildeelektrode 14, spenningselektroder 16 og overvåkningselektroder 18. Strømkildeelektroden 14 er delt asimutalt i en serie asimutalelektroder Az. Ved bruk injiseres en strøm i formasjonen fra strømelektroden 14, mens spenningselektrodene 16 holdes på en spenning tilstrekkelig til å forhindre strøm fra strømelektroden 14 fra å gå langs borehullet 20. Spenningen som er nødvendig for å oppnå denne tilstanden, bestemmes ved å måle spenningsfallet mellom overvåkningselektrodene 18 og benytter dette spenningsfallet i et tilbakekoblingssystem for å styre spenningen som påtrykkes spenningselektrodene 16. Strømmen som går ut av elektrode 14 holdes på et forhåndsbestemt nivå, spenningen som er nødvendig for å gjøre dette måles, og resistiviteten i formasjonen utledes av den målte spenning. Asimutal diskriminering oppnås ved å måle spenningen på hver asimutalelektrode Az når formasjonsresistivitet bestemmes. Målestrømmen fra strømelektroden blir i dette tilfellet aktivt fokusert inn i formasjonen ved bruk av tilbakekobling fra overvåkningselektrodene for å styre spenningselektrodene. For å tvinge strømmen dypere inn i formasjonen, må returpunktet for strømmen som ellers ville være den armerte kledning på kabelen benyttet til opphengning av verktøyet i borehullet, fjernes så langt som mulig fra verktøyhodet. Dette oppnås ved å benytte en isolerende stropp for å koble laterologverktøyet til kabelen. Stroppen har en elektrisk isolert ytre overflate med en armerings-kabel i midten av lederkablene. Stroppen leverer strøm til verktøyet og sørger for dataoverføringen fra verktøyet uten å gi en returvei for målestrømmen.

Andre eksempler på aktivt fokuserte laterologverktøy kan finnes i US-PS nr. 3 772 589, 5 396 175 og 5 399 971.

Ved andre fremgangsmåter for å foreta resistivitetsmålinger ved en rekke undersøkelsesdybder føres en strøm inn i formasjonen, og spenningen måles ved forskjellige steder i borehullet adskilt fra strømelektrodene med en gruppe av måleelektroder, se f.eks. US-PS nr. 3 256 480, 4 675 610, 4 675 611,4 677 385 og 4 677386. Disse ufokuserte elektrodemålinger blir sterkt påvirket av borehullet og ville være vanskelige å tolke. De ufokuserte elektrodemålinger vil også være vanskelige å tolke i et tynt, resistivt lag omgitt av ledende skuldre.

Hensikten med oppfinnelsen er å skaffe et verktøy med flere undersøkelses-dybder hvor individuelle målinger fokuseres.

I henhold til et første trekk ved oppfinnelsen skaffes det her en fremgangsmåte til å måle formasjonsresistivitet med bruk av et verktøy som omfatter en sentral strømelektrode og en rekke spenningselektroder anordnet i par på hver side av strømelektroden. Det er foretrukket å gjøre en serie målinger med forskjellige antall av par av spenningselektroder holdt på den forhåndsbestemte spenning slik at resistiviteten i formasjonen kan bestemmes med forskjellige undersøkelsesdybder. På denne måte fokuseres disse målinger og blir relativt upåvirket av borehullet eller av tilstøtende lag i formasjonen.

For å skaffe asimutal diskriminering blir i en foretrukket utførelse den sentrale strømelektrode segmentert asimutalt i en rekke elektroder, og strømmen som går ut av hvert asimutalsegment, måles separat. Dette kan gi resistivitetsavbildninger av formasjonen som omgir borehullet. Den asimutale avbildningsmulighet kan benyttes til strategrafisk eller litologisk analyse av formasjonen og til å detektere sprekker i fjellet. Den tredimensjonale avbildningsmulighet kan benyttes i awiksbrønner eller horisontale brønner for å detektere asymmetrisk invasjon eller til å lokalisere en laggrense nær borehullet.

Et annet trekk ved oppfinnelsen skaffer et borehulloggeverktøy som på seg har anordnet en strømelektrode og en rekke spenningselektroder på hver side av denne. Det er anordnet organer for å holde strømelektroden og påfølgende par av tilstøtende spenningselektroder på den forhåndsbestemte spenning, samtidig som strøm tillates å gå ut av strømelektroden og inn i formasjonen. Det er også anordnet organer for å måle for hvert spenningsenergiserings-mønster strømmen som går ut av hvert asimutalsegment på strømelektroden. Ytterligere organer er også anordnet for å bestemme fordelingen av resistivitet i formasjonen basert på disse målinger.

Foretrukket er det anordnet organer for å påtrykke forskjellige spenningsenergiseringsmønstre, hvor et varierende antall påfølgende par av spenningselektroder holdes på den forhåndsbestemte spenning slik at strøm-men fokuseres inn i formasjonen. Ved å øke antallet par av spenningselektroder holdt på den forhåndsbestemte spenning, tvinges strømmen dypere og dypere inn i formasjonen og undersøkelsesdybden økes. De resterende spenningselektroder holdes på den samme spenning som armeringen til oppheng-ningskabelen og virker som strømreturer. Således kan verktøyet foreta dype målinger som gir sann formasjonsresistivitet uten behov for en isolerende stropp.

Gruppeverktøy i henhold til oppfinnelsen tillater resistivitetsmålinger i et borehull for bestemmelse av den tredimensjonale fordeling av resistiviteten i formasjonen.

I en foretrukket utførelse er den sentrale strømelektrode segmentert i et antall asimutale elektroder, og strømmen som går ut av hvert asimutalsegment, blir målt separat. Dé asimutale elektroder og spenningselektrodene er adskilt av elektrisk isolerende spalter. Det er spesielt foretrukket at spaltene skal være så små som mulig med hensyn til elektrodestørrelsen, samtidig som elektrisk isolasjon opprettholdes. Denne utførelsen forbedrer strømfokuseringen, reduserer virkningen av elektrodekontaktimpedans og letter analysen av målinger basert på modellering av strømflyten. Ved å summere strømmen som går fra alle asimutalsegmenter, kan den totale strøm som går inn i formasjonen fås og gi samme resultater som en enkelt strømelektrode. Dette kan være nyttig i meget resistive formasjoner, hvor de individuelle asimutale strømmer er utilstrekkelig til å foreta en nøyaktig bestemmelse av resistiviteten.

Ved å utføre en serie målinger med strømmen fokusert progressivt dypere inn i formasjonen, er det mulig å få en nøyaktig bestemmelse av den sanne formasjonsresistivitet i nærvær av invasjon, i lys av det faktum at grunne målinger tillater korreksjon av mer dypt fokuserte strømmer som må gå gjen-nom det invaderte område. Med denne fremgangsmåte fås en nøyaktig bestemmelse av den sanne formasjonsresistivitet uten behov for å benytte en isolerende stropp. Fordi strømreturveiene er relativt korte, kan driftsfrekven-sen ligge rundt 1000 Hz, som er mer hensiktsmessig fra et teknisk synspunkt enn de lave frekvenser, typisk 100 Hz, som vanligvis benyttes til dype latero-logmålinger.

Bestemmelsen av resistiviteten ved forskjellige undersøkelsesdybder kan benyttes på strømmen som går ut av hver asimutalsektor og gi et tredimen-sjonalt bilde av resistiviteten i formasjonen.

Fig. 1 viser et verktøy i henhold til kjent teknikk.

Fig. 2 viser et verktøy i henhold til en utførelse av oppfinnelsen.

Fig. 3a og 3b viser detaljer og tverrsnitt av strømelektroden til verktøyet på fig. 2. Fig. 4a-e viser spenningsmønsteret benyttet for å skaffe resistivitetslogger med forskjellige undersøkelsesdybder.

Fig. 5 viser et svitsjesystem til bruk i verktøyet på fig. 2.

Fig. 6 viser en simulert logg i en modellformasjon med uinvaderte, tynne lag og gjengir resistiviteten registrert av 5 av 13 kanaler. Fig. 7a viser et resistivitetskart av en modellformasjon med invaderte tynne lag. Fig. 7b viser den sanne lagresistivitet og invasjonsresistivitet i modellforma-sjonen på fig. 7a. Fig. 7c viser en simulert logg av resistiviteten registrert i 5 av 13 kanaler i formasjonen på fig. 7a. Fig. 7d viser et rekonstruert resistivitetskart skaffet ved å behandle data inn-samlet av gruppelaterologverktøyet. Fig. 7e viser et rekonstruert resistivitetskart med grunne og dype resistivitetsverdier. Fig. 8a-e viser simulerte, asimutale resistivitetsavbildninger av et tynt lag slik det ville bli registrert av fem kanaler i gruppelaterologen i en awiksbrønn med en fallvinkel på 60° i forhold til vertikalen.

På fig. 2 er det vist en sonde 20 opphengt i et borehull 22 ved hjelp av en opphengningskabel 24 som er forbundet med overflaten til en vinsj 26 og til en datainnsamlings- og behandlingsanordning 28 på den vanlige måte benyttet ved brønnlogging.

Sonden 20 har en isolerende dor (ikke vist) hvorpå det er anordnet en sirku-lær gruppe av tolv strømelektroder CE 1-CE 12 (ikke alle vist) og en serie av 26 spenningselektroder A1-A13 og Al'-A13' (ikke alle vist) anordnet symmetrisk på hver side av strømelektrodegruppen. En signalkilde V skaffer en spenning til strømelektrodene CE og til minst et par av spenningselektroder Al-A 1* tilstøtende denne og etter valg til hvilket som helst antall av påfølgende symmetriske par Al-Al' relativt til strømelektrodene CE. De resterende spenningselektroder som ikke aktiveres, befinner seg på jordpotensial (elektrisk forbundet med opphengningskabelarmeringen) og virker således som en strømretur. Et digitalt amperemeter er anordnet for å måle strømmen som går i formasjonen fra hver av strømelektrodene CE1-CE12. ;Det er mulig med tretten forskjellige arrangementer av ;spenningsenergiseringsmønstre (kanaler) og tolv strømmålinger, noe som samlet gir 156 målinger på et gitt sted i borehullet. De tolv strømelektroder CE 1-CE 12 gir målinger i tolv asimutretninger, slik det vil fremgå av fig. 3. De tretten spenningskanaler tillater fokusering av strømmen til tretten forskjellige, effektive dybder inne i formasjonen, idet jo mer energi ;spenningselektrodene tilføres, dess dypere fokuserer strømmen inne i formasjonen. Fig. 4 viser energiseringsmønsteret til elektrodene for noen av kanalene H1-H5 relativt til elektrodeposisjonen på verktøyet (vist delvis til ven-stre). For kanal Hl energiseres spenningselektrodene Al og Al' til potensial V, mens A2-A13 og A2'-A13' holdes på nullpotensial. Strømelektrodene CE 1-CE 12 holdes alltid på samme potensial som Al og AT. For hvert energiseringsmønster, måles strømmen I som kommer fra hver av elektrodene CE 1-CE 12 ved hjelp av et digitalt amperemeter. Forholdet V/I er indikativt for resistiviteten til formasjonen for den valgte undersøkelsesdybde og asimutretning. Resistivitetsdataene overføres ved telemetri til datainnsamlings- og analyseenheten 28 på overflaten, hvor de kan vises og lagres for videre behandling og analyse. Fig. 5 viser svitsje- og multipleksingsarrangementet benyttet til å levere spenningssignalet til elektrodene til de forskjellige kanaler. Et 4 kHz signal benyttet for kanalene H1-H7, et 2 kHz signal benyttes for kanalene H8-H11 og et 1 kHz signal benyttes for kanalene H12-H13, slik det er oppsummert i tabellen nedenfor. Svitsjearrangementet drives slik at 125 signalsykler leve-res til hver elektrode for de respektive kanaler,* noe som gjør at alle kanaler kan samples hvert 0,25 s. For en maksimal loggehastighet på 0,3 m/s, betyr dette at alle kanaler samples for hver 0,075 m av loggen.

Ved dens enkleste driftsform blir den totale strøm som går ut av elektroden CE registrert, dvs. at det ikke er noen asimutal diskriminering. For hver vertikal posisjon zb av sonden i borehullet registreres tretten resistivitetsmålinger (kanaler) a. For å rekonstruere resistivitetsfordelingen i formasjonen, blir data fra en rekke posisjoner som omgir sonden behandlet samtidig. Typisk blir et sett av målinger registrert i trinn på 7,5 cm over et intervall på 30,5 m (121 måleposisjoner zb) behandlet sammen, svarende til samlet 1573 individuelle målinger (13 x 121). Formasjonen som omgir den 10,5 m lange seksjon av borehullet kan deles i radiale celler som strekker seg 2,54 m inn i formasjonen, idet hver celle er 2,5 cm dyp, noe som gir et 6171 celler (i=0,50, j=0, ...,120) med størrelse 2,5 x 7,5 cm for det valgte intervall på 10,5 m av loggen. De individuelle målinger behandles på en datamaskin for å gi konduktivitetsfordelingen CT(pi>zj) i hver celle i, j. Resistiviteten (målt i enheter på ohm-meter) er l/a, den resiproke til konduktiviteten (målt i enheter på siemens/m).

Fremgangsmåten benyttet til å tolke de målte data i form av formasjonskonduktivitet består i å løse ligninger på en datamaskin for å minimere en positiv bestemt funksjon (en Lagrangsk L). (Det vil skjønnes at den følgende fremgangsmåte kan implementeres ved hjelp av et datamaskinprogram hvorav noen av trinnene nedenfor ikke vil kodes direkte som vist. Den følgende fremgangsmåte representerer på papiret virkningen av en slik koding). Den følgende Lagrangske minimeres:

hvor er den målte dataverdi, er verdien for målingen predikert av en modell for en formasjon med estimert konduktivitet a, og er en straffefunksjon som virker slik at den straffer store forandringer i o mellom tilstøtende celler. Ved en laggrense forventes en stor forandring i konduktiviteten. Celler nær en laggrense er utelatt fra den ovenstående straffefunksjon. Laggrenser kan identifiseres fra rådataene. Det første skritt er å velge en initial konduktivitetsfordeling <o>"^) Et passende initialt valg er et homogent mediumestimat over undersøkelsesvolu-met. Etter å ha funnet en verdi for o^-j , beregnes kvantiteten

er den predikerte måling ved posisjonen zb for et

gitt verktøy og en formasjonskonduktivitet a(<0>). Den predikerte måleverdi beregnes ved å simulere den elektriske strøm som går i et medium med den antatte modellkonduktivitetsfordeling a(<0>).

I modellberegningen kan det også beregnes en sensivitetsfunksjon

hvor <j)a(zb) er potensialet i en celle (i> j} med verktøyet i posisjon zb og elektrodene for kanalen a energisert. <j) er potensialet som svarer til en hypotetisk måling når bare senterelektroden er energisert.

Disse beregnede verdier kombineres for å gi

Det nye estimat av M"' Z blir uttrykt ved hjelp av den tidligere

' sensivitetsfunksjonen og forskjellen mellom det nye estimat av

konduktiviteten og de tidligere estimat. Disse relasjoner gir et system på 6171 x6171 lineære ligninger som løses i datamaskinen for det nye konduk-tivitetestimat <})(<1>). Prosessen gjentas inntil det oppnås en tilfredsstillende tilpasning til måledataene. Den oppdaterte verdi av konduktivitetsestimatet i hver celle gir fordelingen av konduktiviteter i formasjonen for det valgte intervall av loggen. Den samme generelle tolkingsmetode benyttes når en serie asimutale målinger fås, i hvilket tilfelle antallet celler økes og konduktivitetsestimatene tar hensyn til asimutvinkelen såvel som den verti-kale posisjon i formasjonen og den radiale avstand fra borehullet.

Verdien bestemt for konduktiviteten i hver celle kan representeres ved en farge og/eller gråtetthet på en rekonstruert avbildning som angir resistivitetsfordelingen rundt borehullet. Dette tillater i sin tur karakterisering av formasjonen, blant annet innbefattet bestemmelsen av graden av invasjon. Invasjonsprofilen i radialretningen kan bestemmes, men med begrenset oppløsning fordi antallet kanaler som står til rådighet, er begrenset. Resistivitetsavbildningene kan kombineres med andre brønnloggmålinger for å skaffe ytterligere karakterisering av formasjonsegenskapene. Hvis f.eks. porøsiteten til bergarten og formasjonsvannresistiviteten er kjent, er det mulig å estimere hydrokarbonmetningen i formasjonen.

Fig. 6 viser en logg av resistiviteten (ohm-meter) med hensyn på loggedyb-den (meter) slik den ville bli registrert av kanalene Hl, H4, H7, Hl0 og Hl3

i en formasjon med tynne lag og ingen invasjon. God overenstemmelse mellom den målte resistivitet og formasjonsr.esistiviteten kan ses for tykkelser så små som 0,3 m.

Fig. 7a viser et resistivitetskart av en formasjon med invaderte, tynne lag. Den sanne lagresistivitet og invasjonsresistivitet er vist på fig. 7b i konvensjonelt resistivitetsloggformat. Fig. 7c viser resistivitetsloggen som ville bli registrert i denne formasjonen av kanalene Hl, H4, H7, Hl0 og Hl3. Det ses at kanalene går progressivt inn i formasjonen og gir en indikasjon på nærvær av invasjon. Med databehandling av dataene fra alle tretten kanaler fås en avbildning av resistivitetsfordelingen, vist på fig. 7d. Den rekonstruerte avbildning på fig. 7d viser god overenstemmelse med det opprinnelige resistivitetskart på fig. 7a. De rekonstruerte grunne og dype resistivitetsverdier, vist på fig. 7e, ligger nær de opprinnelige resistivitetslogger vist på fig. 7b.

Ved bruk av asimutdiskrimineringen som kan fås med verktøyet som beskrevet ovenfor, er det mulig å bestemme asimutfordelingen til resistiviteten med forskjellige dybder i formasjonen, noe som kan være spesielt nyttig for identifikasjon av fallende lag. Fig. 8a-e viser asimutale resistivitetsmålinger gjort ved posisjonene 0°, 90° og 180° omkring borehullet for de fem kanaler som tidligere ble betraktet, i nærvær av et lag med 60° fall og den tilsvarende registrerte avbildning omkring borehullet gjengitt i gråskala. Denne evnen kan også benyttes til å identifisere og karakterisere sprekker omkring borehullet.

Claims (12)

1. En fremgangsmåte for å bestemme resistiviteten til en undergrunnsformasjon som omgir et borehull, karakterisert ved at den omfatter: a) å plassere et verktøy i borehullet tilstøtende formasjonen som skal undersøkes, der verktøyet omfatter et verktøylegeme som har en sentral strømelektrode anordnet på seg og en serie spenningselektroder arrangert i par, der elektrodene til hvert par er anordnet på motsatte sider av strøm-elektroden; b) å eksitere strømelektroden og minst paret av spenningselektroder tilstøtende til denne til en forhåndsbestemt spenning, der nevnte spenningselektroder blir eksitert ved å anvende et eksitasjonssignal som har en frekvens valgt i henhold til avstanden til spenningselektrodene fra strøm-elektroden; c) å sende ut strøm fra strømelektroden inn i formasjonen; d) å måle strømmen sendt ut i formasjonen; og, e) å bestemme resistiviteten til formasjonen fra den målte strømmen.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved atb) omfatter å velge frekvensen til å være høyere når spenningselektroden er nærmere strømelektroden og lavere når spenningselektrodene er lenger fra strømelektroden.

3. En fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor i d) frekvensen er i området fra omkring 1000 Hz til omkring 4000 Hz.

4. En fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor i a) det er anordnet 13 par med spenningselektroder.

5. En fremgangsmåte i henhold til krav 1, hvor i b) det er anvendt et eksitasjonssignal på et første 7 par av spenningselektroder som har en frekvens på omkring 4000 Hz, et eksitasjonssignal blir anvendt på et etterfølgende 4 par av spenningselektroder som har en frekvens på omkring 2000 Hz, og et eksitasjonssignal blir anvendt på et gjenværende to par av spenningselektroder som har en frekvens på omkring 1000 Hz.

6. En fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at verktøylegemet er forbundet direkte til en opphengingskabel for opphenging i borehullet uten en isolerende stropp plassert mellom dem.

7. Apparat for å bestemme resistiviteten til en undergrunnsformasjon, karakterisert ved at den omfatter: a) et verktøylegeme, b) en strømelektrode for å sende ut en strøm inn i formasjonen anordnet på verktøylegeme, c) midler for å eksitere strømelektroden inn i en forhåndsbestemt spenning, d) en serie av par av elektroder, anordnet på verktøylegemet på hver side av strømelektroden, e) anordning for selektivt å eksitere minst et par av spenningselektroder til den forhåndsbestemte spenningen for å fokusere strømmen inn i formasjonen, hvor nevnte anordning anvender et eksitasjonssignal som har en frekvens valgt i henhold til avstanden til spenningselektrodene fra strømelektroden, f) anordning for å måle strømmen, og g) anordning for å bestemme resistiviteten til formasjonen fra den målte strømmen.

8. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at frekvensen er valgt til å være høyere når spenningselektroden er nær strømelektroden og lavere når spenningselektrodene er lenger ifra strømelektroden.

9. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at frekvensen er i området fra omkring 1000 Hz til omkring 4000 Hz.

10. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at 13 par av spenningselektroder er tilveiebrakt.

11. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at et eksitasjonssignal er anvendt på et første 7 par av spenningselektroder som har en frekvens på omkring 4000 Hz, et eksitasjonssignal er anvendt på et etterfølgende fire par av spenningselektroder som har en frekvens på omkring 2000 Hz, og et eksitasjonssignal blir anvendt på et gjenværende to par av spenningselektroder som har en frekvens på omkring 1000 Hz.

12. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at verktøylegemet er forbundet direkte til en opphengskabel for opphenging i borehullet uten at en isolerende stropp er plassert mellom.