NO321470B1 - Fremgangsmate og anordning for formasjonsevaluering under boring - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen er rettet mot en fremgangsmåte og anordning for logging under boring (LWD) og måling under boring (MWD) for å oppnå kjernemagnetiske ressonansedata (NMR) som angår petrofysiske egenskaper til en formasjon og for å redusere sensitiviteten til NMR målinger overfor verktøybevegelser.

Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte og en anordning som angitt i ingressen av henholdsvis vedlagte krav 1 og 12.

US-patent nr. 5280240 (Miller) beskriver et NMR apparat og fremgangsmåte for anvendelse for geofysisk undersøkelse av et borehull mens dette blir boret. Det patenterte apparatet er tilkoplet borkronen og følger denne gjennom borehullet mens dette blir dannet. I drift genererer apparatet et gradientstatisk magnetisk felt i et område av borehullet inntil apparatet. Dette statiske feltet strekker seg radialt i forhold til den langsgående akse til apparatet og har en generelt lik amplitude langs asimut i forhold til denne aksen. I det neste trinnet blir et pulset radiofrekvens, magnetisk felt generert for å eksitere kjerner i et hovedsakelig sylindrisk skall rundt verktøyet som i formasjonen definerer et sensitivt område som strekker seg langs lengden av verktøyet og har en tykkelse på omtrent 3 mm. På grunn av dette relativt smale sensitive området er det vanskelig å utføre standard kabel NMR relaksasjonstidsmålinger med dette verktøyet siden sidevibrasjoner under måletiden vil redusere nøyaktigheten til målingen.

US-patent 5557201 (Kleinberg et al.) beskriver en pulset NMR anordning hvor nøyaktigheten til målingen i forhold til verktøysidevibrasjoner blir økt ved at det tilveiebringes et større sensitivt område. Dette oppnås ved hjelp av en spesiell verktøyarkitektur vist på fig. 2A-B, som anvender to rørformede permanentmagneter 22 med samme poler vendende mot hverandre, og en antenne 26 posisjonert i uttagningen mellom de to magnetene. I drift tilveiebringer denne verktøyarkitekturen et sensitivt område i formasjonen som er større sideveis, men som er vesentlig redusert langs borehullaksen, på grunn av tilstedeværelsen av et enkelt stasjonært punkt i formasjonen. Det forventes derfor at vertikale bevegelser vil påvirke nøyaktigheten til verktøymålingen.

US patent nr. 5,486,762 (Freedman et al.) viser en anordning og fremgangsmåte for bestemmelse av petrofysiske egenskaper til en geologisk formasjon som omgir et borehull ved hjelp av kjernemagnetisk resonans uten å omfatte utsendelse av en radiofrekvenspuls som dekker et bredt frekvensområde og bestemmelse av en Ti relaksasjonskurve.

Følgelig føles et behov for forbedret sensitivitet ved pulsede NMR målinger som anvender pulsede NMR verktøy, i forhold til verktøybevegelser.

Den foreliggende oppfinnelsen angår en ny fremgangsmåte og anordning for formasjonsevaluering under boring av et borehull ved bruk av pulsede NMR verktøy med magnetiske felter som er rotasjonssymmetriske om den langsgående aksen til borehullet.

Den innledningsvis nevnte fremgangsmåte kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen ved de trekk som fremgår av vedlagte krav 1. Ytterligere utførelsesformer av fremgangsmåten fremgår av de underordnede krav 2-11.

Den innledningsvis nevnte anordning kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen ved de trekk som fremgår av vedlagte krav 12. Ytterligere utførselsformer av anordningen fremgår av de underordnede krav 13 og 14.

I en foretrukket utførelse er oppfinnelsen basert på NMR-relaksasjonstidsmålinger som bestemmer langsgående relaksasjonstider Tl. Spesielt omfatter dette trinnene å generere i det minste en radiofrekvenspuls som dekker et relativt bredt område av frekvenser for å mette kjernemagnetiseringen i et sylindrisk volum rundt verktøyet; å sende en utleserpuls ved en frekvens nær senteret av området av dekkede frekvenser, hvor utlesepulsen følger en forutbestemt ventetid; og påtrykke i det minste en refokuseringspuls som følger utlesepulsen; å motta i det minste et NMR ekko som korresponderer med utlesepulsen; å gjenta trinnene ovenfor i en forskjellig ventetid for å frembringe en flerhet av datapunkter på en Tl relaksasjonskurve; og å behandle den frembrakte Tl relaksasjonskurven for å avlede petrofysiske egenskaper i formasjonen.

Oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til tegningene der:

Fig. IA viser et sideoppriss, delvis i snitt, av den nedre enden av apparatet som er vist i US-patent nr. 5280243. Fig. IB er et forstørret snitt tatt langs linjen 2-2 på fig. IA. Fig. 2A viser et tverrsnitt av et verktøy for pulset NMR formasjonsevaluering, beskrevet i US-patent nr. 5557201.

Fig. 2B viser et statisk felt i et vertikalplan til det samme verktøyet.

Beskrivelsen av den foretrukne utførelsen av fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er foretatt med henvisning til verktøyet beskrevet i nevnte US-patent nr. 5280243 (Miller) som eies av eieren til den foreliggende patentsøknaden. Innholdet i Miller patentet er uttrykkelig innlemmet her for alle formål. De respektive figurene IA og IB viser et sideoppriss, delvis i snitt, av den nedre enden av Millerverktøyet i et forstørret snitt at langs linjen 2-2 på fig. IA. En bør imidlertid merke seg at fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen også kan anvendes med ethvert verktøy som genererer et rotasjonssymmetrisk magnetisk felt, innbefattende f.eks. verktøyet beskrevet i US-patent nr. 5557201 (Kleinberg) illustrert på fig. 2A og 2B.

Fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er basert på NMR relaksasjonstidsmålinger som bestemmer langsgående relaksasjonstider Tl, istedenfor tverrgående relaksasjonstider T2 som vanligvis anvendes av et kabelledningsverktøy. Spesielt har fremgangsmåten fordel av den magnetiske feltgradienten som kan tilnærmes i nærheten av det sensitive volumet som en lineær minskning av den magnetiske feltstyrken (og også NMR resonansfrekvensen) i den radiale retningen.

I en foretrukket utførelse blir ved starten av målingen en eller flere radiofrekvenspulser som dekker et relativt bredt område av frekvensen, eller det anvendes en eller flere pulser som varierer frekvensen, sendt for å mette kjernemagnetiseringen i et sylindrisk volum rundt verktøyet. Frekvensområdet kan f. eks. være 50-100 kHz og blir dekket i en spesiell utførelse ved bruk av en hurtig følge av korte radiofrekvenspulser tilsvarende den første pulsen i en standard CPMG puls sekvens, eller det anvendes en enkelt lang puls i en frekvens variasjon. Ved å endre frekvensområdet som anvendes i dette trinnet varieres posisjonen og bredden til det sensitive området i formasjonen. I en spesiell utførelse som anvender Millerverktøyet, metter et frekvensområde mellom 50 og 100 kHz kjernemagnetiseringen i et sylindrisk volum rundt verktøyet, hvor sylinderen har en vanlig diameter på 35,56 cm, en høyde på 60,96 cm og en tykkelse på omtrent 1,27 cm til 2,54 cm.

Etter metningstrinnet som vanligvis tar omtrent 1 ms blir, i henhold til den foreliggende oppfinnelsen en utløserpuls sendt ved en frekvens som ligger nær senteret til området av dekkede frekvenser. I alternative utførelser kan en eller påfølgende utlesepulser også anvendes. I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen består en utlesepulssekvens av en 90° puls fulgt av dataakkvisisjon, eller av en 90° puls fulgt av en 180° puls, fulgt av dataakkvisisjon, hvor trinnene med å påtrykke en 180° puls og dataakkvisisjon kan gjentas. Utlesepulssekvensen følger generelt en forutbestemt ventetid, som forklart mer detaljert nedenfor. I en spesiell utførelse blir utlesepulssekvensen sendt ved en senterfrekvens på omtrent 500 kHz og blir fulgt av én eller flere refokuserende pulser.

Etter utlesepulsen(e) blir korresponderende NMR ekko signaler mottatt, forsterket og lagret for ytterligere behandling. Fortrinnsvis blir bare det første, det andre eller en kombinasjon av disse beholdt. I samsvar med en foretrukket utførelse blir amplituden til det beholdte ekkosignalet tolket som nivået for kjernemagnetiseringen som er tilstede etter en bestemt ventetid. I det bestemte eksemplet ovenfor korresponderer senterfrekvensen til NMR ekkosignalene til en undersøkelsesdiameter på omtrent 35,56cm.

Måleprosessen beskrevet ovenfor blir gjentatt i en serie av økende ventetider hvis verdier f.eks. kan være likt fordelt på en logaritmisk skala. I en spesiell utførelse er ventetidene i trinn over verdiene 1 ms, 3 ms, 10 ms, 30 ms, 100 ms, 300 ms, 1000 ms og 3000 ms, 1000 ms og 3000 ms, og måleresultatene blir stablet for å frembringe flere datapunkter på en multikomponent Tl relaksasjonskurve. Et datapunkt som korresponderer med den lengste ventetiden oppnås med en utleserpulssekvens som ikke følger etter en metningspuls.

Til slutt, blir i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen den frembrakte Tl relaksasjonskurven brukt til å avlede geofysiske egenskaper i formasjonen, som kjent på området. Spesielt blir den resulterende Tl relaksasjonskurven behandlet for å trekke ut de dominerende Tl relaksasjonsmodi, fra hvilke mengder av bundet vann, fritt vann og hydrokarboner blir estimert. De karakteristiske Tl tidene til den overflatefuktende fasen kan også anvendes til å estimere formasjonssporestørrelsesfordelingen og formasjonspermeabilitet.

En bør merke seg at siden utlesepulsen og signalakkvisisjonen har en mye smalere båndbredde, vanligvis 5 til 10 kHz i forhold til 50 til 100 kHz metningsbåndbredde, vil måleresultatene som oppnås ved å bruke den forannevnte, beskrevne fremgangsmåten være mindre sensitive for sidebevegelser av verktøyet, og blir spesielt ikke påvirket av sideforskyvninger under ventetidsperioden som ikke overskrider 0,635 cm - 1,27 cm.

I samsvar med en annen foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelsen kan verktøyet som anvendes for å foreta målingene være utstyrt med akselerometre, slik som disse som produseres av Analog Devices, for å overvåke toppakselerasjonsverdier langs alle tre aksene under måleintervallet. Målinger hvorunder toppakselerasjoner indikerer at verktøyet kan være forskjøvet mer enn tillatelig ved utbredelsen av metningsområdet, blir forkastet før de stables for ytterligere å forbedre nøyaktigheten i den foreslåtte fremgangsmåten.

I samsvar med en annen foretrukket utførelse er verktøyet videre utstyrt med avstandsstykker i herdet stål som i et tilmålt borehull tillater sideforskyvninger av verktøyet bare innenfor området som er gitt av metningsbredden. Verktøyet kan naturligvis videre være utstyrt med akselerometre, som beskrevet ovenfor, for ytterligere nøyaktighet.

Mens oppfinnelsen er beskrevet med henvisning til en foretrukket utførelse, vil det forstås av vanlige fagkyndige på området at modifikasjoner kan utføres på strukturen og formen til oppfinnelsen uten å forlate rammen for denne slik den er definert i de etterfølgende patentkravene.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for å bestemme petrofysiske egenskaper til en geologisk formasjon under bruk av et NMR loggeverktøy,karakterisert vedde følgende trinn: (a) generere i det minste en radiofrekvenspuls som dekker et relativt bredt frekvensområde for å mette kjernemagnetisering i et sylindrisk volum rundt verktøyet; (b) sende en utlesepulssekvens ved en frekvens som ligger nær senteret av området av dekkede frekvenser, hvor utlesepulssekvensen følger en forutbestemt ventetid etter metningspulsen; (c) motta i det minste et NMR ekko som korresponderer med utlesepulssekvensen; (d) gjenta trinnene (a), (b) og (c) en eller flere ganger med en forskjellig ventetid for å frembringe en flerhet av datapunkter på en Tl relaksasjonskurve; og (e) behandle den frembrakte Tl relaksasjonskurven for å avlede petrofysiske egenskaper for formasjonen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den frembrakte Tl relaksasjonskurven blir behandlet for å avlede mengdene av bundet vann, fritt vann og hydrokarboner i formasjonen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den frembrakte relaksasjonskurven Tl blir behandlet for å utlede formasjonssporestørrelsesfordelinger og formasjonspermeabilitet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat området av frekvenser som skal mette kjernemagnetiseringen ligger mellom omtrent 50 kHz og 100 kHz.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat området av frekvenser dekkes ved at det brukes en hurtig rekkefølge av korte radiofrekvenspulser.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat området av frekvenser dekkes ved å bruke en enkelt puls i en frekvenssveip eller frekvensgj ennomgang.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat før trinnet med å motta NMR ekko utføres trinnet å påtrykke i det minste en refokuseringspuls på utlesepulsen.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat trinnet med å gjenta omfatter trinnene å sende utlesepulser fulgt av ventetider hvis verdier kan være likt fordelt på en logaritmisk skala.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat trinnet med å gjenta omfatter trinnene å sende utlesepulser fulgt av ventetider som har verdier på 3 ms, 10 ms, 30 ms og 100 ms.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den ytterligere omfatter trinnet å bore et borehull i den geologiske formasjonen samtidig med trinnene (a) til (e).

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat utlesepulssekvensen omfatter minst to utlesepulser, idet hver utlesepuls er på en frekvens som omtrentlig tilsvarer midten av det sylinderiske volumet.

12. Anordning for å bestemme petrofysikalske egenskaper i en geologisk formasjon ved bruk av et NMR loggeverktøy,karakterisert veden boreinnretning; en første innretning for å generere i det minste en radiofrekvenspuls som dekker et relativt bredt område av frekvensen for å mette kjernemagnetiseringen i et sylindrisk volum rundt verktøyet, en andre innretning for å generere utlesepulser med relativt smal båndbredde, en tidsinnstillingsinnretning for å tilveiebringe en forutbestemt ventetid mellom pulsene generert av den nevnte første og andre innretningen, en innretning for å motta NMR ekko signaler som korresponderer med genererte utlesepulser og innretning for å behandle de motta NMR ekko signalene for å frembringe en Tl relaksasjonskurve for å utlede petrofysikalske egenskaper i formasjonen.

13. Anordning som angitt i krav 12,karakterisert vedat den videre omfatter akselerometerinnretning for å overvåke toppakselerasjonsverdier langs tre ortogonale akser av verktøyet, hvor innretningen for å behandle de mottatte NMR ekko signalene omfatter innretninger for å forkaste ekkosignaler frembragt under måleintervaller når toppakselerasjonsverdiene overskrider en bestemt terskel.

14. Anordning som angitt i krav 12,karakterisert vedat den videre omfatter herdede avstandsstykker for å begrense sideforskyvninger av verktøyet innenfor et forutbestemt område.