專利名稱：評估地質層中流體飽和度特性的方法
技術領域：
本發明一般涉及地質層評估技術。本發明進一步涉及分析電阻率測量結果來評估流體含量。具體來說，本發明涉及通過電阻率和孔隙率值來評估頁巖質砂層(shaly-sand formation)和其它地層中水和烴的飽和度。
背景技術：
用于評估油層碳氫化合物含量的常用方法必須使用電阻率測量。依據已知分析技術，將一種或多種有關孔隙率的測量與電阻率R(或其倒數，電導率，C)的測量相結合，以推斷地層孔隙中流體含量的特性。地層中共生水和烴的體積分數可以通過總地層的電阻率Rt和孔隙率與共生水的電阻率之間的經驗關系獲得。一個名為“Archie關系式”或“Archie等式”的這種關系式被廣泛應用于流體儲層的計算中，用以從無頁巖的地層的纜式測井曲線中獲得對水飽和度的評估。參見，例如Archie，“The Electrical Resistivity Log as an Aid inDetermining Some Reservoir Characteristics”，Transactions AIME，146(1942)，p.54-62.。
Archie等式通過將儲層性質孔隙率、水電導率和總電導率與參數a，m和n相結合從而提供了對總水飽和度Sw的評估。這種關系通常用于評估被地層水填充的孔隙率的體積分數Sw。水飽和度Sw通常用以測定地層中某區域出產烴的潛力。給定該體積分數時，則假定剩余的體積分數S0由烴占有。
在Archie關系式中，水飽和度Sw由下述表達式給出Swn=R0Rt=1Rt·aRwΦm---(1)]]>
或Swn=CtΦm·Cw---(2)]]>其中Sw＝地層水(formation water)飽和度，分數，Ct＝巖石電導率，mho/m，Cw＝鹽水電導率，mho/m，Rw＝地層水電阻率ohm-m，Rt＝地層巖石電阻率ohm-m，Ф＝孔隙率，分數，n＝飽和度指數，和m＝膠結指數(cementation exponent)。
常量n和m是經驗確定值，它們將孔隙率(由Ф表示)與被水完全飽和的多孔巖地層的電阻率R0相關聯。n和m值通常通過巖心數據分析來評估，或通過對所述關心的地層以往的經驗可以得知。地層電阻率Rw，表示在地層孔隙中所含的地層水的電阻率。通過現場測量和/或測井分析評估可以獲得該地層水電阻率。另一方面，地層巖石的電阻率Rt值通常由深電阻率測井讀數獲得。通過孔隙率測井記錄，例如，密度、中子或聲波測井可估算孔隙率值。
當該評估值應用到頁巖質砂層時，由Archie等式得到的總水飽和度評估值的準確性開始降低。頁巖質砂層包括保留水的粘土礦和粘土組分。該高電導率的水增加了電導率測定值，而減少了電阻率測定值。然而Archie等式假定地層水是地層中唯一的電導率來源。如果在Archie等式中使用不正確的電阻率值以及其它的常規計算，就可能導致對水飽和度的過高估計并可能忽視所存在的烴含量。
因此已經開發了擴展的Archie等式用以說明與頁巖中的粘土礦和組分相關的水電導率的影響，由此提供了對水飽和度更準確的評估。為此引入了“二元水等式”或“二元水方法”和相似的模型(參見，例如，Clavier等人，“The Theoryand Experimental Bases for the‘Dual Water’Model of the Interpretation of ShalySands”，SPE 6859，1977，pp.3-18)(為各種用途在此作為參考被引入并且成為本公開內容的一部分)。
二元水模型考慮了頁巖質砂巖石粘土組分中的的離子雙層。根據該模型，粘土片由于晶格中離子取代和邊緣處斷鍵而帶上負電荷。當粘土與鹽溶液接觸時鈉陽離子(Na+)保持懸浮在粘土表面附近，并且作為電荷平衡的陽離子。結果使得鹽溶液中的Cl-陰離子被從粘土的表面排斥。進一步，單層吸附水在粘土表面形成并且通過水合Na+離子層而結合。該層起到進一步平衡粘土片的負電荷的作用。依據陽離子交換量(CEC)的測定，Na+離子的濃度提供了另一種電導率的來源。
上述觀察之后，Waxman和Smits提出了經驗推導的飽和度-電阻率關系式以計算能夠保持可采出的烴的孔隙的體積分數。該關系式假定陽離子導電性和中性氯化鈉的導電性在孔隙中獨立起作用，從而導致了平行的導電路徑。參見，例如，M.H.Waxman等人，“Electrical Conductivities in Oil Bearing ShaleSands”，SPE Journal，vol.8，no.2，Society of Petroleum Engineers，(1968)。該模型通過下述Waxman-Smits等式表示Ct=Swn·CWF*+B·Qv·Swn-1F*---(3)]]>其中，Ct＝巖石電導率，Sw＝水飽和度，n＝頁巖地層的飽和度指數，B＝粘土反離子(clay counterions)的當量電導，Qv＝單位孔隙體積的陽離子交換量，Cw＝水電導率，和F*＝互聯孔隙率地層因子。
在Waxman-Smits模型中，假定頁巖地層的性質類似同樣孔隙率、變曲度和流體飽和度的潔凈的無頁巖地層，只不過水看起來比其體積鹽度導電性更高。表觀水電導率的增加取決于反離子的存在。
該二元水等式通過考慮排除在雙層之外的陰離子而修正了Waxman-Smits等式。(參見，例如，Kurniawon，Fnu，“Evaluation of the Hydrocarbon Potential inLow-Salinity Shaly Sand.”Louisiana State University，Masters’Thesis；2002年4月4日)。該二元水模型表示，反離子電導率受到反離子在其中的粘土結合水以及位于粘土表面某距離外的游離水的限制。Id.該模型表明，表觀水的電導率取決于粘土結合水和游離水的相對體積。該二元水模型合理地假定束縛水(irreducible water)和游離水或流動水具有同樣的電導率并且將這兩個體積作為單一體積考慮。
在二元水等式中，水飽和度Sw由下式表示Sw=swb·(cwf-cbw)2·cwf+[4cudc·cwf·phitmDwa+((cwf-cbw)+swb·phitmDwa)22cwf·phitmDwn]---(4)]]>其中，Swb＝被粘土結合水飽和的總孔隙率分數部分(fractional portion)，Cwt＝游離可移動水的電導率，Cbw＝粘土結合水的電導率，cudc＝深電導率(deep conductivity)，phit＝總孔隙率，和mDwa＝膠結指數。
發明內容
本發明的一個方面是提供一種評估水飽和度特性的方法。該方法適用于鉆井鉆入的并且包括由在鉆井上操作的外部工藝(例如，EOR工藝)引入地層的注入流體的地質層。該方法必須進行電磁感應測量來指示地層電阻值。也可以獲得地層的總孔隙率值。然后，該方法需要確定地層中的粘土結合水、游離水和束縛水各自的體積分數，其中引入地層的注入流體導致游離水量。此外該方法還需要確定地層中粘土結合水、游離水和束縛水各自的電導率值。最后由地層總孔隙率和電導率值與粘土結合水、游離水以及束縛水各自的電導率值和體積分數的結合關系式來確定地層中水飽和度。該關系式優選由這里稱為三元水等式的等式提供。
在本發明的另一個方面，提供了一種用于評估儲液層(reservoir)中飽和度差值水平的方法。從生產的初始狀態到外部流體注入工藝執行之后(例如，注水工藝)存在的生產后期狀態，可測定飽和度差值水平，由此將新的注入流體引入儲液層的參照區(reference region)。在初始狀態中，本發明的方法必須在儲液層的參考區進行電阻率測量，然后，從電阻率測量值得出對參照區的初始總水飽和度的評估。進一步，在儲液層上執行流體注入工藝，由此將注入流體引入該儲液層的參照區域。發展到后期狀態(例如，四年后)，在該參照區域進行第二套電阻率測量。從第二電阻率測量得出對該參照區的后期總水飽和度的評估。從束縛水、游離水和粘土結合水各自的體積分數的關系式(例如，采用三元水等式)可獲得該總水飽和度。在這個關系式中，認為游離水具有與束縛水和粘土結合水不同的電導性質。然后，將該后期總水飽和度與初始總水飽和度相比較。利用這種方法，可評估參照區域的初始狀態和后期狀態之間的水飽和度差。
將結合說明本發明不同方面的附圖對本發明進行描述。尤其是，圖1是儲液層的一個示例斷面的體積組分的圖解表示；圖2是表示依據本發明對儲液層中水飽和度的評估方法的簡單流程圖；圖3是適于本發明使用的示例性電磁斷層成像系統和儲液層的簡單示意圖；圖4是依據本發明對儲液層中飽和度差(differential saturation)的評估方法的簡單流程圖；和圖5儲液層中飽和度差的二維圖像。
具體實施例方式
在本發明的一個方面中，利用數學或巖石物理模型，比“二元水”模型和其它的現有技術模型更準確地來評估特定地層內的總水飽和度。本發明的方法尤其適合于評估頁巖質砂地層和其它引入了外部流體的地層中的水飽和度水平。在本發明的各種實施方案中，通過結合孔隙率值與電磁斷層成像技術測量值來評估水飽和度水平。
圖1描繪了地層(或儲液層)的頁巖質砂區域的體積分數部分的圖解表示或模型100。簡化示意圖100假定地層的液體分數包括三個水分來源。這些來源包括游離水104、束縛水106和粘土結合水108中每個的量。此處所使用術語“游離水”可以替換為術語“可采出的水”、“自由流動水”、“流動的水”或“地層水”。流體體積或孔隙也可由一定體積分數的烴110所占據，其特征在于它是本文所描述的評估技術的最終目的。進一步，地層樣品包括固體體積的干粘土112和清潔基質114。在整個發明詳述中可以參考圖示100以幫助說明在本發明的評估技術下對不同水源的處理。
在二元水模型中，合理地將游離水量和束縛水量看成具有相同的電導率。因此，為了評估水飽和度，將這兩個水源作為單一水量的組分處理。在特定的儲液層中和在特定的儲液層情況下這種假設是不正確的。尤其是，申請人發現當其應用到引入了新的高電導性流體的頁巖質砂儲液層時，，二元水模型和類似的現有技術模型的準確性打了折扣。可以通過例如，改進的采油(EOR)工藝或通過使鉆井流體進入地層的鉆井操作可將這種流體引入。本發明尤其適合于評估在該儲液層和該儲液層情況下的水飽和度。在本發明評估方法的一個方面，為了評估流體含量，將三種水源的體積分數單獨考慮并且認為具有不同的、獨立的電性質(例如，電導率)。
為了描述的目的，被測地層或儲液層和/或鉆井在這些新流體引入之前可稱為處于初始狀態，之后在這些流體已被引入到儲液層的區域中或部分中時可稱為后期狀態。可選擇的，施加于地層的操作可以表示為注入前(流體引入之前)或注入后(在流體引入之后)。在后期狀態，儲液層中含有的水是三種而不是兩種不同的類型1)與粘土相聯的流體(粘土結合水)；2)可以自由在儲液層附近移動的水，或游離或可流動水；和3)束縛在砂粒間的束縛水。在本發明的再一個方面，評估方法認為游離或可流動水的電導率不再和束縛水(通過新流體的注入，量和性質均已改變)相同。
在EOR工藝之后地層的狀態(例如，注入后)提供了本發明方法尤其適合的應用。因此，在整個說明書中將參考與后注入過程相關的情況。EOR注入水的應用需要，例如，由操作員將外部來源的水注入儲液層。該注入水不同于原來保留在地層中的水，并且具有不同于束縛水的電性質的特征。這樣，二元水假設(即束縛水與游離或流動水具有相同電導率)必然會使準確度降低。
在上述討論中，本發明的評估方法和技術尤其適合于應用到特定地層以及特定地層或儲液層的情況。所述地層可以是任何包含三種上述水源的這種地層。為了便于描述，被測地層在此簡單描述為頁巖或頁巖質砂地層。不過，應當理解的是，盡管該地層類型可能是最適用的，但是本發明的方法也可以應用到具有其它流體源的其它地層中。因此，在發明詳述中使用的術語“頁巖”或“頁巖質砂”不應當被解釋為本發明具體限定在該地層類型。
三元水等式引入至少第三電導流體需要一種新方法以更加準確定量儲液層中的水和烴的含量。一種優選的方法，依據本發明可以稱為“三元水模型”或“三元水等式”。三元水等式給出了總水飽和度Sw，使用下述關系式或表達式Sw=swb·(cwf-cbw)+swi·(cwf-cwi)2·cwf+[4cudc·cwf·phitmDwa+((swb·(cwf-cbw)+swi·(cwf-cwi))phitmDwa)22·cwf·phitmDwa]---(5)]]>其中，Swb＝被粘土結合水飽和的總孔隙率分數部分，Swi＝束縛水飽和度，Cwf＝可自由流動水的電導率，Cbw＝粘土結合水的電導率，Cwi＝束縛水的電導率，cudc＝深電導率，phit＝總孔隙率，和mDwa＝膠結指數。
參照圖2簡化流程圖，提供了一種用以評估儲液層，尤其是儲液層參照區域或部分的水飽和度特性的方法。當然，該方法十分適用于有關已引入了注入流體的頁巖質砂地層。不過，首先應當注意到，圖2的方法僅作為示例性目的并且作為依據本發明的突出的優選實施方案。因此下面的描述不應當視為將本發明限定到具體的步驟和對象。
優選方法首先可以在所述地層中進行電磁斷層成像測量(202)，例如電阻率測量。適當測量方法是本領域公知的，并且可以在多個電阻率測井類型之一上進行變換。類似地，可以對指示電阻率的參數提供的不同測量方法。從電阻率值可獲得地層的電導率。為了求解三元水等式，獲得深電導率值cudc。該電導率值也可稱為總測定電導率，并且其與實際電導率Rt(Rt＝1/cudc)成反比。在地層中(從鉆孔)數英尺處(例如大于約90”)進行測量以獲得深電導率值，通常認為該值指示了未受干擾的地層。已知有許多電阻率測定工具或裝置，并且適合用于本發明的方法。
對于有關巖石物理、工程學或其它相關領域中的技術人員來說，在閱讀和/或瀏覽了本發明所公開的內容后，顯然本發明的方法尤其適用于井間(crosswell)電磁測量。因此從井間電磁感應測量獲得的電阻率測量值可以容易得到，并且十分適用于本評估方法。圖3以簡化形式示出了可以與依據本發明的評估方法一起使用的井間電磁斷層成像系統設置。
下一個步驟204需要獲得地層的孔隙率值。總孔隙率(phit)定義為巖石中流體(水、油或氣)所占的總孔隙或體積。該孔隙包括任何烴流體、可流動的水、毛細結合或束縛水以及粘土結合水。正如本領域所公知的，可以通過孔隙率測井、電阻率測井或從巖心分析獲得孔隙率值。
可以通過使用，例如，密度測井工具、NMR工具、聲波測井裝置和/或中子測井工具來獲得孔隙率的測量值。也可以通過聲波測井、中子測井、共振測井以及中子-密度組合測井來獲得孔隙率值。對于相關巖石物理或其它相關領域中的技術人員來說，在閱讀說明書和/或瀏覽了本文給出的附圖后，如何結合或使用已知手段用以獲得用于本發明評估方法的孔隙率信息就成為顯而易見的。
在一個適合的方法中，所需要的孔隙率值由密度測井獲得，并且然后針對巖性(利用顆粒密度)和流體密度(利用侵入區域電阻率或中子測井)進行校正。為了完成它，推薦的孔隙率fT的等式fT＝(rma-r)/(rma-(rhc·(1-Sxo)+rmf·Sxo)) (6)其中rma是顆粒密度(通常在巖心材料上進行實驗室測定)，r是密度測井測量值，rhc是原位烴密度(來自壓力數據或取樣)，rmf是泥漿濾液密度(通常來自校正圖)，sxo是侵入區域的水飽和度。求解該方程需要迭代法，因為不管使用哪一個飽和度模型(Archie，二元水等)sxo都取決于fT’。
在本發明方法進一步的步驟206中，進行測量以確定粘土體積，Vcl。在本發明的一個實施方案中，首先進行測量以獲得γ射線(Gr)，譜線(Sp)和干重分數。例如，通過使用來自Schlumberger的稱為元素捕獲光譜學(ECS)的工具可獲得該測量結果。結合這些測量結果得到本發明的評估方法所需的粘土體積值Vcl。從粘土體積Vcl，則可定量粘土結合水的體積或Vwb(208)。
在隨后的步驟210，212中，獲得水源的電導率值。首先，獲得地層水電導率Cwf(210)。在儲液層的注入后狀態，注入水的電導率Cwf可以通過直接測量注入流體獲得。然后，可采用來自產品的地層水估計值或現場測量值以確定束縛水的電導率Cwi以及初始地層水的電導率Cwf。此外，粘土結合水的電導率Cbw根據地層中粘土的類型以及粘土體積Vcl來確定。
在上述步驟(202，204，206，210，212)確定和獲得的值提供了解三元水等式所需的變元。使用傳統的計算機處理器，將這些變元輸入等式(214)，則可解出水飽和度值Sw(216)。
三元水模型的實施例應用在本發明評估方法的實施例應用中，采用了三元水等式來測量由于將第三導電流體引入到儲液層中而引起的電導率的變化。如同井間(crosswell)操作一樣，在測井之間收集到的電阻率數據可以使操作員監控EOR注入程序的進展。當注入的流體從注入井移開時，新的導電流體改變了該區域的總電阻率。這種變化可以解釋或轉換成水飽和度的改變，因此提供了一種對該區域內流體移動的監測方法。這也能夠追蹤隨時間改變位置的可采石油和注入該區域的水、氣體或蒸氣。本發明評估水飽和度特性的方法十分適用于監測油/水含量的這種變化。這個過程可稱為飽和度差監測，并且優選利用三元水模型以求出一組水飽和度水平。
圖3是一個典型的用于進行地層310中電阻率測量的系統的大致描繪。該設置表示了一個井間電磁系統，它利用第一鉆井312a和第二鉆井312b以測量鉆井312a和鉆井312b之間的地層310中的電阻率。鉆井312a、312b通過套管316a、316b形成管道。發射器T位于第一套管316a內，并且可操作來向地層中發射，以及產生信號，所述信號由跨過地層310設置的接收器R接收。接收器R安放在第二鉆井的套管316b內。通常，發射器T包括纏繞在可透過磁力線的磁心上的線圈和電容。接收器R通常包括一個或多個天線。圖3提供了一種對適合于實施本發明方法的一些步驟的系統進行示例的電磁斷層成像系統。圖3還表示了一個實例性地層310，如下文進一步描述的，本發明的評估方法可以應用于它。
圖4是表示在在頁巖質砂地層，如圖3中的地層310中，評估水飽和度差值水平的方法的基本步驟的簡化流程圖。依據本發明的一個實施方案，該方法評估在地層310內的儲液層中隨時間變化的水飽和度差(即，飽和度差值監測)水平。至少會及時執行兩種單獨的評估(1)在生產初始狀態的評估；和(2)在完成外部流體注入過程后存在的生產后期狀態的評估。例如，該注入過程可以是改進的采油過程或鉆井過程，其中新的流體被引入儲液層的參照區域。
在該方法的起始步驟中，在初始狀態中在儲液層內的參照區域進行電阻率測量(402)(利用，例如圖3中的電磁斷層成像系統)。如前面所討論的，關于圖2的流程圖，可以使用許多本領域普遍公知的方法來獲得電阻率的測量結果。還可以獲得地層參照區域的總孔隙率值(404)。同樣，獲得需要的總孔隙率值的方法是本領域所普遍公知的，并且已在上述涉及圖2的流程圖中討論了。利用這些數值，可以采用二元水模型和類似的模型評估參照區域內的初始總水飽和度(406)。這些模型是合適的，因為該參照區域實際上未受到外部來源流體的干擾。從電阻率測量值以及總孔隙率的值，可以進行評估。
在上述評估之后(406)，實施生產或注入過程(408)。該過程必需將流體引入到參考區域附近的儲液層中和參考區域中。完成注入工藝(406)標志著儲液層后期狀態的開始。在該后期狀態中，在參照區域進行第二組電阻率測量(410)。該測量可以以與初始狀態進行的測量的(參見，例如步驟402)同樣的方式進行。此外，可獲得同一參照區域的第二組總孔隙率值(412)。總孔隙率值通常由于注入工藝而改變。
在具有電阻率(或更詳細來說，深電導率，cudc)和孔隙率值的情況下，可實現對參照區域的第二總水飽和度的評估(414)。在該評估步驟414中，從束縛水、可流動水和粘土結合水的各自關系式可獲得水飽和度值。更具體來說，可流動水(例如，由注入流體改變)被認為與束縛水具有不同的電導率性質，并且同樣，認為具有不同電導體積。如前述所討論的，在該步驟中采用的優選關系式由三元水等式給出。
然后該方法采用了優選步驟416，在后期狀態中將參照區域的總水飽和度水平和初始總水飽和度水平相比較。這樣，評估了參照區域隨時間變化的水飽和度差(在初始狀態和后期狀態之間)。優選的是，在儲液層的多個參照區域測定水飽和度差值水平評估值，更優選地，持續性地沿著儲液層的垂直和水平方向。
圖5給出了具有前述參照區域的儲液層的飽和度差地圖500。圖5的地圖是前述及圖4的流程圖所表示的水飽和度差的評估方法的結果。
圖5的地圖500是儲液層的二維地圖，全圖由顏色指示來表示飽和度差值水平。地圖500本身是本發明方法的一個應用結果的示例。沿左邊界的字母標記(例如，DPT、DD PT等)表示儲液層中不同的深度或層。優選的，地圖500的右側提供一彩色標號502。該彩色標號502表示在初始狀態和后期狀態之間油飽和度變化的不同程度。彩色標號502的彩色譜從頂端顯示的“紅色”到底端顯示的“藍色”。在這兩端之間是“綠色”和“黃色”區域。對于該特定地圖500來說，紅色區域表示了油飽和度增加大約6％，而藍色區域表示油飽和度降低大約6％。如上所討論的，油或烴飽和度水平作為水飽和度水平的剩余分數進行測定。彩色標號502和其中彩色指示由此可以很容易轉換成水飽和度Sw，從而取代油飽和度S0。為了便于描述地圖500的黑白版本(如圖5所示)，用清楚的陰影和常用指示和彩色區域劃界來取代彩色碼。對不同飽和度的地圖500的簡單分析給出了對外部注入工藝有效性的評估。
由地圖500繪制的儲液層已經進行了需要新流體注入的EOR水注入過程。在這種情況下，期望頁巖存在并且因此采用二元水模型(或從Archie等式導出的類似模型)評估在起始年某一時間的流體飽和度水平(初始狀態)。因為水注入工藝需要在儲液層中引入注入流體，所以采用三元水模型來計算第四年(后期狀態)的流體飽和度。通過比較在起始年(初始狀態)到第4年(后期狀態)在參照區域的水飽和度水平和油飽和度水平而獲得飽和度差。然后在飽和度差地圖上通過彩色代碼指示出油或水飽和度的百分比變化。就被測儲液層而言，在整個圖繪儲液層的垂直和水平方向持續性地做了注入前和后的評估。
圖5中的地圖500給出了儲液層不同層的飽和度水平的變化。這些差值確定了在參考區域中的空間分布和流體運動，其可能為生產機制的結果。這樣，就評估了在參照區域實施的注入工藝例如水注入工藝的有效性。
例如，可以對由地圖500所繪制的儲液層進行三種一般觀察。首先，地圖500顯示了在D標記上從右到左的方向上油帶形成的證據。該證據表現為在左側以及緊靠表明飽和度水平下降的“藍色”區域的左側是對應于飽和度(So)水平增加的“紅色”區域。這表明在“藍色”區域附近實施的注入工藝有效地從右到左推動油水平，并且將油在儲液層的“紅色”區域集中。此外，低于JPT標記的增加飽和度水平表明該區域的孔隙率可能正被致密化。可通過指示該區域中所有的移動孔隙已被烴充滿的的注入前信息得到該評估。對于測井操作員來說，它表明該區域的飽和度水平不能更進一步增加了。地圖500還指示了在標記EE和J之間降低的飽和度水平(如“藍色”到“綠色”級別指示)。在這種情況下，注入水僅已經在低于FF的水平線下實施；因此這表明有向上走向并且從注入區域的左邊到右邊的斷裂趨勢。
三元水模型的推導下面的討論給出了從通常接受的Archie等式導出的三元水等式。該推導過程提供了對三元水等式有效性的支持。它也有助于相關領域的普通技術人員理解該模型。
流體混合物電導率通常表達式為cwa=ΣvjcwjΣvj,j:1-n---(7)]]>其中vt是從j等于1到n的vj之和，vj是總液體體積vt的體積分數組分；cwj是第j個液體組分電導率，通常進行毫歐計；和cwa是總液體電導率。對于二元水模型，n等于2，其給出為cwa＝(wf·cwf+vwb·cbw)/(vwf+vwb)(8)其中vwf是游離水的體積、vwb是粘土結合水的體積、cwf是游離水的電導率和cbw是結合水的電導率。因為按照飽和度表示體積較方便并且飽和度是包含油和水的總孔隙或孔隙率的分數，因此電導率可以作如下表示cwa＝[(swt-swb)cwf+(swb·cbw)]/[swt-swb)+swb]＝[(swt-swb)·cwf+(swb)·(cbw)]/swt＝cwf+(swb·(cbw-cwf))/swt (9)對一個三元液體體系，即，三元水的問題，相應等式為cwa＝[(vwf·cwf)+(vwi·cwi)+(vwb·cbw)]/(vwf+vwi+vwb)＝[(swt-swi-swb)·cwf+(swi·cwi)+(swb·cbw)]/swt (10)其中swi＝(vwf+vwb)/phit和cwi是束縛水的電導率。
使用Module capability of Mathematica(由Wolfram Research Company ofChampaign提供，Illinois，USA)可以得到正向和反演模型(三元水等式的推導)以分別確定流體混合物的總測量電導率和電導率。正向模型可以表示為CUDC＝CWA·SWTndwa·PHITmdwa(11)其中
CUDC＝來自測井或井間斷層成像結果的總測定電導率Cwa＝表觀水電導率，Swt＝總水飽和度，ndwa和mdwa＝常量，和PHIT＝總孔隙率。
正向模型定義為各項的線性組合，其中所述項包括用飽和度表示的流體體積分數。為了該目的，在Archie等式中，項“mdwa”和“ndwa”等價于“n”和“m”。項CUDC等價于Rt，因為Rt等于1/CUDC或1/Ct(總電導率分之一)。
1/Rt＝(1/Rwa)·(swn·phitm) (12)或swn＝Rwa/(Rt·phitm) (13)，其為Archie等式。
三元水等式與Archie等式的一個不同點在于Archie等式使用“rw＝1/cw”作為水電導率或水電阻率，而三元水等式使用“Cwa”或表示為所有待測電導流體(即，在儲液層中的導電性水)體積加權和的表觀水電導率。
反演模型提供了一種按照Cwa的方式來解正向模型的方法。通過插入Cwa到Archie等式中(取決于Cwa的定義)，得到二元水等式或三元水等式。
使用數學模型Mnthematica Module表達式以證實導出的正向模型表達式我們可以定義一函數cudcDwa，該函數計算深電導率作為孔隙率、膠結指數、飽和度指數、游離水電導率、結合水電導率、總水飽和度和結合水飽和度的函數。該函數由下面的數學表達式給出(*cudcDwa[phit_，mDwa_，n_，cwf_，cwi_，swt_，swb_，swi_]:＝Module[{cwa，cudc}，cwa＝cwf+(swi(cwi-cwf)+(cbw-cwi)swb)/swt； (14)cudc＝swa swtnphitmDwa]*)(*cudcDwa[phit_，mDwa_，n_，cwf_，cwi_，swt_，swb_，swi_]:＝Module[{cwa，cudc}，cwa＝((swt-swi-swb)cwf+swi cwi+swb cbw/swt；cudc＝cwa swtn phitmDwa]*)(15)可以使用飽和度指數2運行函數cudcDwa·[phit，mDwa，2，cwf，cwi，cbw，swt，swb，swi](16)
phitmDwa·swt·(cbw swb+cwi swi)+cwf(-swb-swi+swt)) (17)當swi為零時，上述等式簡化成二元水等式cudcDwa·[phit，mDwa，2，cwf，cwi，cbw，swt，swb，0] (18)phitmDwa·swt·(cbw swb+cwf(-swb+swt)) (19)反演模型在飽和度指數為2的情況下測定了正向模型，可以使用Mathematica解出swt的函數(計算的目的)soll＝Solve[cudc＝＝phitmDwa·swt2((swt-swi-swb)cwf+swi cwi+swb cbw)/swt，swt] (20){{swt→(1/2cwf)(-cbw swb+cwf swb+cwf swi-cwi swi-phit-mDwa√(4cudc cwf phitmDwa+(-cbw phitmDwaswb+cwf phitmDwaswb+cwf phitmDwaswi-cwi phitmDwaswi)2))}，(21){swt→(1/2cwf)(-cbw swb+cwf swb+cwf swi-cwi swi-phit-mDwa√(4cudc cwfphitmDwa+(-cbw phitmDwaswb+cwf phitmDwaswb+cwf phitmDwaswi-cwi phitmDwaswi)2))}}(22)顯然第二個解答是正確的，因為其沒有假想結果。可以將變量soll賦給該解，所述解是列表。為了得出第二個解，我們必須使用soll[[2，1，2]] (23)(1/2cwf)(-cbw swb+cwf swb+cwf swi-cwi swi+phit-mDwa√(4cudc cwf phitmDwa+(-cbw phitmDwaswb+cwf phitmDwaswb+cwf phitmDwaswi-cwi phitmDwaswi)2))(24)為了評估，可以將其寫成，
sola＝[(swb(swf-cbw)+swi·(cwf-cwi)/2cwf]+(√(4cudc cwf phitmDwa+((swb(cwf-cbw)+swi·(cwf-cwi))phitmDwa)2))/(2cwf phitmDwa)(25)(-cbw+cwf)swb+(cwf-cwi)swi2cwf+]]>phit-mDwa4cudccwfphitmDwa+phit2mDwa((-cbw+cwf)swb+(cwf-cwi)swi)22cwf---(26)]]>為了檢驗書寫的sola中沒有錯誤，我們可以評估soll[[2，1，2]]和sola之間的差化簡[soll[[2，1，2]]-sola](27)結果為零，因此sola和soll[[2，1，2]]是相等的。
數值測試使用樣品深度水平數據集可以檢驗上述表達式的準確性。計算的目的是檢測從sola和soll得到的答案是否相同。使用“/”操作符完成soll[[2，1，2]]/.{cudc→1.5，phit→0.27，mDwa→1.9，swb→0.2，swi→0.1，cwi→40，cwf→25，cbw→32}0.793705(28)Sola給出了相同的答案sola/.{cudc→1.5，phit→0.27，mDwa→1.9，swb→0.2，swi→0.1，cwi→40，cwf →25，cbw →32}0.793705(29)現在，可以產生一個函數，其中對于該特殊的問題水飽和度是cudc的函數
swtCudc[cudc_]:＝sola/.{phit→0.27，mDwa→1.9，swb→0.2，swi→0.1，cwi→40，cwf→40，cbw→32}swtCudc[cudc]0.02+0.1504250.0176776+13.2957cudc---(30)]]>雖然對本發明的特定實施方案做了描述和說明，但是應當清楚的是對特定描述和說明的實施方案的細節可以做出改變，而不超出所附權利要求及其等價物中所定義的本發明確切的實質和范圍。例如，利用三元水模型的方法除了評估注入水過程外，還可以用于評估油層中不同情況。
權利要求
1.一種評估鉆井鉆入的并包括由在該地層上進行的外部注入工藝向該地層引入的注入流體的地質層中的水飽和度特性方法，所述方法包括步驟在鉆井附近的地層中進行電磁感應測量，該測量用以指示該地層的電阻率值；獲得該地層的總孔隙率值；確定該地層中的粘土結合水、游離水和束縛水各自的體積分數，其中引入所述地層中的注入流體導致所述游離水體積；確定該地層中的粘土結合水、游離水和束縛水各自的電導率值；和由所述地層的總孔隙率和電導率值與粘土結合水、游離水和束縛水各自的電導率和體積分數值之間的關系確定地層中總水飽和度。
2.權利要求1的方法，其中所述地層是頁巖地層，所述確定電導率值的步驟包括由注入流體電導率的測量值獲得游離水的電導率值。
3.權利要求2的方法，其中由三元水等式給出的關系式獲得總水飽和度。
4.一種評估從生產的初始狀態到進行了外部流體注入工藝并由此將新注入流體引入儲液層的參照區域后存在的生產后期狀態所述儲液層中飽和度差值水平的方法，所述方法包括步驟在初始狀態中對儲液層中的參照區域進行電阻率測量；和由所述電阻率測量值得出參照區域的初始總水飽和度評估值；在儲液層上進行流體注入工藝，由此將注入流體引入到該儲液層的參照區域；在后期狀態中對參照區域進行第二組電阻率測量；由所述第二電阻率測量值導出參照區域處的后期總水飽和度評估值，由此通過束縛水、游離水和粘土結合水各自的體積分數的關系獲得總水飽和度，其中認為所述游離水與束縛水和粘土結合水具有不同的電導性質；和將所述后期總水飽和度與初始總水飽和度進行比較，由此評估所述參照區域在初始狀態和后期狀態之間的水飽和度差。
5.權利要求4的方法，其中所述實施、推導和比較的步驟應用于一系列參考區域中，所述比較步驟用于比較一定跨度的儲液層上飽和度差值水平，由此監測跨越所述參考區域的流體運動。
6.權利要求5的方法，其中所述參考區域在水平和垂直方向變化，所述方法進一步包括在儲液層地圖上用可見方式表示飽和度差值水平。
7.權利要求4的方法，其中所述推導步驟的每一步結合了地層電阻率和總孔隙率值以獲得總水飽和度值。
8.權利要求7的方法，其中所述比較步驟包括將參考區域處水飽和度差的增量與烴飽和度的增量相關聯，以及水飽和度差的減少量與烴飽和度的增量相關聯。
9.權利要求7的方法，進一步包括步驟獲得初始狀態中所述地層的總孔隙率值；獲得后期狀態中所述地層的總孔隙率值；和確定后期狀態中粘土結合水、游離水和束縛水各自的體積分數；和其中在后期狀態中，由注入流體的電導率測量值來獲得所述游離水的電導率。
10.權利要求9的方法，其中在后期狀態，所述導出水飽和度評估值的步驟包括采用三元水等式。
11.權利要求10的方法，其中所述采用三元水等式的步驟包括輸入所述地層的深電導率值，粘土結合水、游離水和束縛水各自的總孔隙率和電導率。
12.權利要求10的方法，其中所述推導初始水飽和度評估值的步驟包括采用二元水模型。
13.權利要求10的方法，其中所述實施步驟包括實施改進的采油工藝。
14.一種說明在鉆井鉆入的并包括由施加在該地層上的外部注入工藝向該地層參照區域引入的流體的地質層中進行電磁斷層成像測量的方法，該方法用以獲得該地層中參考區域的水和烴飽和度特性，所述方法包括步驟在所述鉆井附近進行所述地層的電磁斷層成像測量，該測量用以表示該地層參照區域的電阻率值；獲得該地層參照區域的總孔隙率值；確定該地層參考區域中的粘土結合水、游離水和束縛水各自的電導率值；確定該地層參照區域中的粘土結合水、游離水和束縛水各自的體積分數；和確定該地層參考區域中的總水飽和度，包括采用三元水模型來獲得總水飽和度值，由此從一關系式獲得總水飽和度值，其中在所述關系式中輸入該地層的總孔隙率、電導率、粘土結合水的電導率、游離水的電導率和束縛水的電導率值。
15.權利要求14的方法，其中所述確定總水飽和度的步驟包括采用根據三元水模型的下述三元水等式Sw＝[swb(cwf-cbw)+swi*(cwf-cwi)/2cwf]+[√4cudc cwf phitmDwa+((swb(cwf-cbw)+swi*(cwf-cwi))phitmDwa)2]/(2cwf phitmDwa)其中Swb＝被粘土結合水飽和的總孔隙率分數部分，Cwf＝自由移動水的電導率，Cbw＝粘土結合水電導率，cudc＝深電導率，phit＝總孔隙率，和mDwa＝膠結指數。
16.權利要求14的方法，其中所述確定體積分數的步驟包括實施測量以獲得確定粘土體積的γ射線、光譜線和干重分數，并從中獲得粘土結合水的體積分數。
17.權利要求14的方法，其中所述實施步驟包括實施電阻率測量，所述方法進一步包括從電阻率測量值推出電阻率井曲線。
18.權利要求14的方法，其中所述參照區域是未受到鉆井流體侵入影響的區域，所述方法進一步包括從斷層成像測量值獲得地層深電導率值cudc和在三元水模型關系式中輸入該深電導率值的步驟。
19.權利要求18的方法，其中所述進行斷層成像測量的步驟在離鉆井大于約90”處進行，所述參照區域位于離鉆孔大于約90”處。
20.權利要求14的方法，其中所述確定游離水電導率值的步驟包括從注入流體電導率測量值導出游離水的電導率。
21.一種評估在注入工藝之后頁巖質砂地層中水飽和度的方法，所述方法包括步驟獲得該地層的深電導率值cudc；獲得該地層的總孔隙率值phit；獲得粘土結合水的導電率cbw，通過注入工藝引入到該地層中的游離水的電導率cwf和束縛水的電導率cwi各自的值；測定被粘土結合水飽和的總孔隙率phit的分數部分swb，和被束縛水飽和的分數部分swi；將swb、swi、cwi、cbw、cwi、cudc和phit值輸入到三元水等式以求出總水飽和度Sw，其中所述三元水等式表示如下Sw＝[swb(cwf-cbw)+swi*(cwf-cwi)/2cwf]+[√4cudc cwf phitmDwa+((swb(cwf-cbw)+swi*(cwf-cwi))phitmDwa)2]/(2cwf phitmDwa)其中mDwa是一個已知的通過經驗導出的膠結指數。
22.權利要求21的方法，其中在所述獲得深電導率值cudc的步驟之前進行所述地層中的電阻率測量步驟。
23.權利要求22的方法，其中所述獲得孔隙率值的步驟包括從孔隙率曲線獲得所述值。
24.權利要求23的方法，其中所述輸入值的步驟包括采用計算機處理方法求解三元水等式的總水飽和度Sw。
全文摘要
本發明的一個方面提供了一種評估水飽和度特性的方法。該方法適用于鉆井鉆入的并且包括通過在鉆井上進行的外部工藝引入到地層中的注入流體的地質層。該方法包括進行電磁感應測定以指示地層電阻率值。還可以獲得地層的總孔隙率值。其次，該方法需要確定地層中的粘土結合水、游離水和束縛水各自的體積分數，其中引入地層中的注入流體導致游離水的體積。該方法還需要確定粘土結合水、游離水和束縛水各自的電導率值，其中游離水的電導率由注入流體的電導率決定。最后，通過地層總孔隙率和電導率值與粘土結合水、游離水和束縛水各自的電導率和體積分數之間的關系式可確定地層中的水飽和度。該關系式優選由三元水等式給出。
文檔編號G01N27/02GK1811413SQ20051010474
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月20日 優先權日2004年12月20日
發明者J·里特勒, J·拉維內 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司