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專利名稱：量度總核磁共振孔隙率的方法和儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與一般決定鉆孔橫過土地層的孔隙率有關，特別是，與量度土地層總孔隙率有關。
核磁共振探測工具，例如Kenyon等人的美國專利US-4,933,638和Kleinberg等人的美國專利US-5,055,787及US-50,055,788所透露，通過量度從脈沖回波次序信號的振幅率和衰變率，可量度巖石小隙空間的氫原子數(shù)目和核磁共振(NMR)張弛率。核磁探灣工具發(fā)出一道RF脈沖進入地層，然后監(jiān)察回流的脈沖，稱為自旋回波。核磁共振探測工具量度的信號，例如CMR，即Schlumberger工具標志(混合磁共振)，亦即以前稱為PNMT的Schlumberger脈沖核磁工具，與小隙空間中液體的氫核密度成比例。因為水和充液的碳氫化合物的氫氣密度都是大致不變的，探測到的信號可以予以校準，給出孔隙空間液體的容量分數(shù)。
已有事例指示出，束縛性及非束縛性液體可以通過充滿巖石的張弛時間予以分辨。可參看C.Straley、C.E.Morriss、W.E.Kenyon及J.J.Howard著的“部分充水巖石的NMR實驗室自由流體指標及與鉆孔紀錄的比較”所載紀錄分析，1995年1月/2月號，第40頁(該文是1991年6月16日至19日在第32屆周年探測紀錄研討會上提交的論文)。水受泥物質的束縛，孔隙中的水因為太細，無法被現(xiàn)有的壓力梯度沖洗，而重(粘)的碳水化合物則迅速松弛。松弛慢的液體粘度低，會留在大孔內。因此，如果有足夠的滲透率的話，可以從地層提取慢松弛的液體。
從非束縛液體分辨束縛液體的截流張弛時間Tc，在自旋晶格松弛時證實為50毫秒(T1)，在自旋-自旋松弛時定為33毫秒(T2)，用于充滿的砂石及100psi的毛細壓力。在粘土、粉砂或微孔隙中，T2的敏感度約為3毫秒，用在此之前稱為NMR的量度技術，使用CMR工具時，可能會低估巖石的總孔隙率。在巖石基巖石的氫核以及一些粘土束縛的水，松弛迅速，無法被VMR工具探測到。因此，CMR孔隙率量度所產(chǎn)生的有效孔隙率，并不包括粘土束縛水的作用在內。可參看Robert Freedman的美國專利US-5,291,137和R.Freedman與C.E.Morriss著的“由NMR探測工具處理數(shù)據(jù)”，SPE30560(該篇論文在1995年10月22日至25日舉行的SPE周年技術會議及展覽中提出)。因此，對迅速松弛時間敏感以及可聯(lián)系粘土的束縛水而言，需要有一個總的孔隙率量度，除自由流量和毛細束縛的孔隙率外，還包括有粘土束縛的水和微孔隙。
本發(fā)明的目的在于提供一種方法和儀器，以克服以前用于鉆孔橫向地層技術中的缺點。其在鉆孔中產(chǎn)生一個振蕩的磁場，感應從地層所選核子的多重自旋回波信號，然后量度自旋回波信號，并決定每個信號的值。將多重信號價值為第一組及第二組。第一組包括早期的回波信號，而第二組包括所余的回波信號。再將第二組的回波分為多組，并從第二組的每個分組產(chǎn)生一個窗總值，然后再產(chǎn)生一個多重的窗總值。根據(jù)多重窗總值和第一組的每個信號的價值，決定地層的歸屬。
本發(fā)明的優(yōu)點可從以下結合附圖的說明看出。應注意這些圖只是圖例而已，并非用來限制本發(fā)明。


圖1示出一個核磁共振探測系統(tǒng)圖2示出一個鉆井時進行探測的核磁共振探測系統(tǒng)；圖3示出一個以前用來決定地層有效孔隙率技術的流程；圖4示出決定地層總孔隙率步驟的流程；圖5示出使用五個3毫秒及0.3毫秒的T2切斷核心樣本，比較T2的分配情況；圖6示出使用探測輸出，比較有效的孔隙率及總體孔隙率的情況；
圖7示出一個有頁巖疊蓋的氣層地層探測的輸出；圖8示出一個含頁巖砂土的地層探測的輸出；和圖9示出一個含粘度碳水化合物的地層探測的輸出。
圖1展示一個核磁共振(NMR)的探測系統(tǒng)，包括一個置放在鉆孔12中的NMR探測工具10，該工具通過纜索連接置放在鉆孔表面的處理系統(tǒng)14，該處理系統(tǒng)用以處理探測工具10傳輸?shù)难鼐砩闲械男盘枴Ａ硪粋€可能，是將處理系統(tǒng)14置放在井下。工具10有一個可收取的臂16。當啟動該臂時，可將工具面壓向鉆孔壁18。工具10內有天線20和磁鐵22。天線20產(chǎn)生振蕩的無線電頻率磁場，而磁鐵22產(chǎn)生一個靜磁場。RF磁場和靜磁場均指引趨向位于鉆孔12橫向地層部分的調查響度24處。進行作業(yè)時，工具10用振蕩磁場脈沖磁性地調整地層的核自旋粒子，然后通過一段時間在調查響度一致的場上探測翻轉粒子的旋進，量度調查響度24。
本發(fā)明的適用于鉆井時進行探測工程。圖2示出一個NMR的鉆井探測工具。工具30包括一個鉆頭32、鉆桿柱34、和一個位于鉆稱38的脈沖的NMR儀器。脈沖的NMR儀器包括一磁鐵40、一個RF天線42、及一個電子電路44。鉆稱38是外在組件，當鉆井時，會接觸到鉆孔的鉆液和巖石的切削面以及地層。鉆頭32和鉆桿柱34包括在一個鉆地層的鉆孔12中。工具30并包含一個鉆取鉆孔時標記脈沖核磁共振(NMR)的量度裝置。電子電器44包括一個處理NMR量度的處理系統(tǒng)46。另一種方法是，也可以將處理系統(tǒng)46放置在沿井身上行的地方。
圖3示出以前決定有效孔隙率(CMRP)的方法，也就是，使用一個NMR的探測工具，決定自由流體的總量和毛細束縛的方法。當NMR探測工具開始用多重的RF脈沖激發(fā)地層的時候，工具開始從地層收取多重性的自旋波。在步驟100，信號角θ，被估計為同相(Rj)及正交(Xj)振幅的函數(shù)，如下式θ^=arctan[Σj=1JX-jΣj=1JR-j]----(1)]]>在步驟110，每個自旋回波收發(fā)器的電壓脈沖信號加噪音振幅(Aj(+))和振幅(Aj(-))，是由以下公式?jīng)Q定的A-j(+)=R-jcosθ^+X-jsinθ^,]]>A-j(-)=R-jsinθ^-X-jcosθ^----(2)]]>在步驟120，RMS噪音是以(Aj(-))估計的。然后，在步驟130，窗總值Im.m+1是從信號加噪音幅(Aj(+))計算出來的。第一個窗總值I1.2，是從位于第一時間窗的多重個別信號加噪音振幅A1(+)，A2(-).....，AN(+)的總和得來的。第二個窗總數(shù)I2.3和第三個窗總數(shù)I3.4，均按上述求和相連的信號加噪音振幅Aj(+)的方法，分別聯(lián)系第二時間窗和聯(lián)系第三時間窗予以決定的。窗總和涉及從NMR工具沿井身上行傳輸?shù)街梅旁诒砻娴奶幚硐到y(tǒng)。處理系統(tǒng)計算T2分配，并結合分配函數(shù)P(T2)決定有效的孔隙性，即，自由流體與毛細束縛孔隙率的總和。
圖4示出本發(fā)明方法的流程，即利用NMR工具決定地層的總孔隙率(TCMR)。在步驟210，工具下降入鉆孔，在有地層響度外產(chǎn)生靜磁場，然后根據(jù)相位交替次序，例如Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)次序或類似脈沖次序產(chǎn)生振蕩磁場，感應地層響度，按下式用NMR探測工具予以量度W-90°±x·(tcp-180°y-tcp-回波j)(3)其中，j是收集的CPMG回波的指數(shù)，W是每個CPMG次序前必須有的等候時間，以便縱向的磁化能在初始90°脈沖之前恢復，而tcp是Carr-Purcell間距。在本發(fā)明的偏選裝置中，最低的回波間距2tcp約為0.2毫秒。回波間距越短，越會改善粘土束縛水包含資料的回波數(shù)目，因而可以改善在短T2信號的信噪比。
在步驟220，NMR工具探測到在鉆孔周圍地層感應的回波信號，并決定每個信號的值。在步驟230，回波信號分為第一組信號，包括早時間的回波，及第二組信號，包括余下的回波。早時間的回波包括T2松弛時間少于3毫秒的信號的作用。早時間回波的數(shù)目，與回波間距有關。在本發(fā)明的偏選裝置中，回波間距距約為0.2毫秒，于是約有六個早時間的回波。在步驟240，余下的回波被分為多個窗斗，每個窗斗的總數(shù)由求和每個位于窗口的回波信號予以決定。在步驟250，每個早期的回波值，以及多種窗的總和，均來自NMR工具沿井身上行的表面的處理系統(tǒng)。本發(fā)明也可將處理系統(tǒng)置放在井下。處理系統(tǒng)可置放在沿井身上行或井下位置。步驟260決定地層的歸屬，例如地層粘土束縛水的容量、地層碳水化合物的飽和、或總的孔隙率(TCMR)，即，自由流體、毛細束縛及粘土束縛孔隙率。處理系統(tǒng)計算分配函數(shù)P(T2)，及回應每個早時間回波及多重窗總和的總體孔隙率輸出。
本發(fā)明中，粘土束縛水cbw，是由結合分配函數(shù)P(T2)，根據(jù)以下公式?jīng)Q定的
其中，TCBW是預先決定的切斷松弛時間，用以分別粘土束縛的水。總孔隙率TCMR，是由結合分配函數(shù)P(T2)，根據(jù)以下的公式?jīng)Q定的
TCMR量度提供孔隙率的額外資料，同時探測粘土束縛水和微孔隙，圖5示出從一個完全允有頁巖性的砂地層提取的核心樣本的T2分配。其示出的孔隙率由T＝0.3毫秒至約為T＝3.0毫秒，代表了TCMR與CMRP的分別。在這段距離內的CMRP與TCMR孔隙率差別，是因與細孔及粘土束縛水有關的微孔隙所致。與此類似，圖6示出在白云巖地層使用CMRP與TCMR探測從T2分配輸出的有效孔隙率(CMRP)與總體孔隙率(TCMR)的比較。地層有微孔隙，可由T2分配振幅從T＝0.3毫秒至約為T＝3.0毫秒看出。因為有微孔隙，在探測一段距離內，CMRP孔隙率的讀數(shù)會比TCMR孔隙率的低。在探測距離內CMRP與TCMR孔隙率的分別，是因為與細孔及粘土束縛水有關的微孔隙造成。
有人指出，包含在頁巖地層孔內的束縛水量，與粘土材料的正離子交換能量有關。參看H.Hill、O.Shirley與G.Klein的“頁巖砂土的束縛水-其與Qv及其他地層物質的關系”，載于20期“探測分析3-19”(1979年)。對于總孔隙率的量度，利用以下Hill-Shirley-Klein方法所得的探測數(shù)據(jù)，提供了一個有效的方法，可得出Qv對孔隙正常化的正離子交換能量Qv=φcbw0.28*φTCMR----(6)]]>有人指出，含油的頁巖砌土的導電性，可以用與水飽和度有關的電阻率、水的電阻性及每個地層孔隙量的正離子交換能量，予以說明。參看W.Waxman和L.Smits的“含油頁巖砂土的導電性”載于243期“石油工程學刊”，107-122頁(1968年)。水的飽和度SW，是用以下Waxman-Smits的方法決定的Sw=(F*·Rw/Rt)1/n*(1+B·Qv.Rw/Sw)1/n*----(7)]]>其中，F(xiàn)*是用于頁巖砂土的地層電阻率，RW是平衡水鹽溶液的電阻，Rt是部分水飽和砂土的電阻，n*是頁巖砂土飽和指數(shù)，及B是粘土交換正離子的相等傳導力。碳水化合物飽和度按SHC-1-SW方式予以決定。
另一種方法，是根據(jù)雙水模式從一個孔隙水的份數(shù)中排除鹽來決定碳水化合物的飽和度。參看C.Clavier、G.Coates和J.Dumanoir的“用｀雙水｀模型詮釋頁巖砂土的理論性及實驗性基礎”，載石油工程學會譯件5859號上(1977)。使用雙水模型決定水飽和度Swt的公式如下Swt=(F0·Ctβ·Qv)1/n-1----(8)]]>其中，F(xiàn)o是用于頁巖砂土的地層電阻率，一如雙水模型所用者Ct是含碳水化合物地層的真實導電率；β是鈉抗衡離子；Qv是每個單位孔隙量的粘土抗衡離子的濃縮度；而n是飽和指數(shù)。碳水化合物飽和度由SHC＝1-SWT方式說明。
圖7示出在包括頁巖疊蓋的氣層一段距離內的有效孔隙率(CMRP)、總孔隙率(TCMR)、中子孔隙率紀錄(NPHI)和密度孔隙率(DPHI)的比較。在418至433呎的距離，橫過的中子密度探測被頁巖性妨礙，有礙氣體對中子探測的效應。CMRP探測并不提供3毫秒以下的T2值資料。所以，CMRP與在418至433呎的密度探測孔隙率之差，可以取決于粘土束縛水、微孔隙，或因氣體造成的減伍氫指數(shù)。所以，CMRP密度探測孔隙率之差，在頁巖砂土中不是一個可靠的指示。反之，TCMR密度孔隙紀錄的差別，則能準確指示出頁巖砂土有氣體。在本發(fā)明中，氣體飽和度Sg，和氣體經(jīng)改正的孔隙率，是根據(jù)以下關系予以決定的Sg＝DPHI-TCRM/DPHI*(1-HI*P)+λ*TCMR′ (9)φ＝DPHI*(1-HI*P)+λ*TCMR/(1-HI*P)＝λ，其中(10)P＝1-exp(-W/Tl，g)及(11)λ＝ρf-ρg/ρma-ρf(12)其中HI是在油層氣溫及壓力下的氣體氫指數(shù)；P是極化因素值，范圍在0-1，并表示氣體極化的程度；λ是密度探測的氣體效應；W是有足夠長度的等待時間，以便能極化所有的液體(除氣體外)；Tl，g是用于氣體的自旋間格松弛時間；ρg是油層溫度和壓力下的氣體密度；ρF是液體密度；及ρma是用來量度大密度計算DPHI的基質密度。
已有人指出，水飽和砂土的滲透性或含油砂土，可以用與束縛液體量有關的孔隙率來說明。在本發(fā)明中，對總孔隙率的量度提供了一個有效的獨立方法，但用Timur-Coates的方法，取得了改進的估計k=a(φTCMR)4(φTCMR-φBFVφBFV)2,----(13)]]>其中TCMR是總孔隙率，BFV是用束縛束體切斷為33毫秒的束縛液體(包括粘土束縛水)，a是一系數(shù)，k提供了一個用毫達西量度的估計滲透率。在一個氣體飽和的地層中，等定氣體的經(jīng)改進的孔隙率公式(10)，被用于總孔隙率的公式(13)取代，以便估計地層的滲透率。
圖8示出伽馬射線探測與TC＝12毫秒的束縛液體孔隙率的相互關系。一個束縛液體容量bf′，是通過結合分配分數(shù)P(T2)根據(jù)以下公式?jīng)Q的
其中TC是一個預先決定的切斷松弛時間，為8至12毫秒，以便區(qū)分頁巖。TCMR量度提供了一個準確的頁巖指示，獨立于地層的天然幅射以外。在一些例子中，伽馬射線無法區(qū)別砂土與頁巖，特別是當砂含有類似鉀長石材料時。
參看圖9，在300至338呎包括粘性碳水化合物的地帶，及在毗連下面潮濕地帶的TCMR和CMRP紀錄的回應中，提供了一個明顯的油區(qū)定界。TCMR與CMRP之間的逆差，提供了一個油區(qū)的明顯定義。TCMR量度提供了一個探測及量化約為10,000cp粘性的碳水化合物信號。
上面有關現(xiàn)時發(fā)明的偏選及其他選擇裝置的說明，僅作展示和陳述目的。其用意并不是對發(fā)明的限制。雖然發(fā)明是與使用核磁性繩索，或用進行鉆井時測試的工具來量度總孔隙率的儀器和方法有關，但本發(fā)明也可用于量度其他地層性質。當然，本領域技術人員可進行許多修改。選擇上述裝置和說明，僅在于能更好地說明本發(fā)明原則及其實際應用，以便其他對技術熟悉的人，可以就特別的用途，按本發(fā)明使用不同的裝置或作不同的修改。
權利要求
1.確定橫向土地層鉆孔屬性的方法，包括以下步驟(a)在鉆孔內產(chǎn)生振蕩磁場，用以從所選地層核子中，感應多重自旋回波信號；(b)量度自旋回波信號，并決定每個信號的值；(c)將多重值分為第一組及第二組；第一組包含早時間回波信號，第二組包含所余的回波信號；(d)將第二組再分為多重分組；(e)為第二組的每個分組產(chǎn)生一個窗總值，以產(chǎn)生多個窗總值；及(f)根據(jù)窗總值及第一組的每個信號值，決定地層的屬性。
2.如權利要求1的方法，其特征在于還包括步驟(g)產(chǎn)生一個回應多重窗值及第一組每個信號值的紀錄輸出和松弛時間分配。
3.如權利要求2的方法，其特征在于還包括步驟(h)按照松弛時間分配，決定地層總孔隙率的指示。
4.如權利要求2的方法，其特征在于還包括步驟(h)按照松弛時間分配，決定地層粘土束縛水量的指示。
5.如權利要求3的方法，其特征在于還包括步驟(i)產(chǎn)生紀錄輸出，指出地層的密度；(j)根據(jù)密度紀錄，決定地層的密度孔隙率；及(k)根據(jù)(h)步驟決定的密度孔隙率及總孔隙率，決定氣體屬性。
6.如權利要求3的方法，其特征在于還包括步驟(i)產(chǎn)生紀錄輸出，指出地層的密度；(j)根據(jù)密度紀錄，決定地層的密度孔隙率；及(k)根據(jù)(h)步驟決定的密度孔隙率及總孔隙率，決定地層孔隙率，并改正用于紀錄輸出的氣體效應上。
7.如權利要求1的方法，其特征在于，還包括提供鉆井儀器的步驟，用該鉆井在土地層鉆出鉆孔；及在進行鉆孔時量度自旋回波信號。
8.確定橫向土地層鉆孔屬性的儀器，包括(a)一個探測工具，該探測工具(i)產(chǎn)生振蕩磁場裝置，從地層所選的核子中，感應多種自旋回波信號；(ii)量度自旋回波信號的裝置，決定每個信號的值；(b)分開多重值成為第一組及第二組的裝置，其中第一組包含早時間的回波信號，第二組包含所余回波信號；(c)將第二組再分為多重分組的裝置；(d)為第二組每個分組產(chǎn)生窗總值的裝置，用以產(chǎn)生一個多重的窗總值；及(e)根據(jù)窗總值及第一組的每個信號值，決定地層屬性的裝置。
9.如權利要求8的儀器，其特征在于還包括(f)產(chǎn)生一個回應多重窗值及第一組每個信號值的紀錄輸出和松弛時間分配的裝置。
10.如權利要求9的儀器，其特征在于還包括(g)根據(jù)松弛時間分配，決定地層總孔隙率的指示的裝置。
11.如權利要求9的儀器，其特征在于還包括(g)根據(jù)松弛時間分配，決定地層粘土束縛水量的指示的裝置。
12.如權利要求10的儀器，其特征在于還包括(h)產(chǎn)生紀錄輸出的裝置，用于指出地層的密度；(i)根據(jù)密度紀錄，決定地層的密度孔隙率的裝置；及(j)根據(jù)(g)步驟的裝置決定的密度孔隙率及總孔隙率，決定氣體屬性的裝置。
13.如權利要求10的儀器，其特征在于還包括(h)產(chǎn)生紀錄輸出的裝置，用于指出地層的密度；(i)根據(jù)密度紀錄，決定地層的密度孔隙率的裝置；及(j)根據(jù)(g)步驟的裝置決定的密度孔隙率及總孔隙率，決定地層孔隙性，并改正用于紀錄輸出的氣體效應上的裝置。
14.如權利要求8的儀器，其特征在于還包括所述探測工具包含繩索探井工具。
15.如權利要求8的儀器，其特征在于還包括所述探測工具包含鉆井時進行探測的工具。
16.確定橫向土地層鉆孔屬性的方法，包括以下步驟從松弛時間分配決定地層總體孔隙率；產(chǎn)生一個紀錄輸出，指示地層的密度；根據(jù)密度紀錄，決定地層密度的孔隙率；及根據(jù)密度紀錄及總孔隙率，決定地層孔隙率并進行修正而用于紀錄輸出氣體效應上。
17.確定橫向土地層鉆孔屬性的方法，包括以下步驟在鉆孔內產(chǎn)生振蕩磁場，從地層所選的核子中，感應多種自旋回波信號；處理自旋回波信號，決定地層的總孔隙率；產(chǎn)生紀錄輸出，指出地層密度；根據(jù)密度紀錄，決定地層密度孔隙率；及根據(jù)密度孔隙和總孔隙率，決定地層孔隙率并進行修正而用于紀錄輸出氣體效應上。
全文摘要
量度橫向地層鉆孔總核磁共振孔隙率的方法,所述總孔隙率除自由流體和毛細束縛孔隙率外,還包括粘土束縛孔隙率及微孔隙率。在鉆孔內產(chǎn)生振蕩磁場,按共相交替次序感應地層響度信號,用探測工具量度。減少回波間距及改善信噪比,恢復短的T
文檔編號G01V11/00GK1197214SQ9810629
公開日1998年10月28日 申請日期1998年4月9日 優(yōu)先權日1997年4月9日
發(fā)明者R·弗雷德曼, C·E·莫里斯, A·波伊德, C·弗勞姆 申請人:施盧默格海外有限公司