專利名稱：由鉆孔電阻率圖像儀、橫向感應測井紀錄以及含水飽和度張量模型確定水飽和度及砂巖 ...的制作方法
技術領域：
本發明的領域總體上涉及對測井儀器所得到的檢測結果進行測井解釋，用來確定地殼巖層中的流體含量。更具體來講，本發明涉及一種用來計算分布在巖層孔隙空間中各種流體體積分數的方法，其中的這些地殼巖層含有油頁巖層，且儲油巖層中具有散布的油頁巖。
相當多數目的碳氫化合物儲油層包括深水濁積巖礦床，其由薄層的層化砂巖和頁巖組成。通常用來評估儲油層中的碳氫化合物含量的方法是用電阻率測量方法。在現有的測井解釋技術中，一般將一種或多種類型的孔隙度測量結果與巖層電阻率測量結果(或與此相反，導電率測量結果)組合起來，來推斷巖層孔隙中的流體含量。可以從巖層電阻率Rt的經驗關系式來推斷出原生水和碳氫化合物的體積分數，其中巖層電阻率Rt涉及孔隙度以及原生水的電阻率，其中的經驗關系式例如為公知的Arichie關系式。在Arichie關系式中，如下面的關系式表示的那樣，孔隙中的水的體積分數用“Sw”代表，即“含水飽和度”Swn=RoRt=1RaRwRφm----(1)]]>式中的a和m為經驗確定因子，其使孔隙度(用φ代表)與多孔巖石層的電阻率聯系起來，當含水度為全飽和(Ro)時，Rw代表分布在巖層孔隙中的原生水的電阻率，且m代表一個經驗確定的“膠結”指數，n為飽和指數。
當分析一種特定的巖層時，如等式(1)所示的Archie方程中的關系的效果并不理想，其中這種巖層包括一定量超細顆粒的粘土礦物組分，該組分在現有技術中被稱為“油頁巖”。在其它的一些方式中，油頁巖通常作為“分散”油頁巖出現在巖層中，在這樣的巖層中，粘土礦物的顆粒占據了含碳氫化合物巖層中的某些孔隙，或者在某種特定的巖層結構中，粘土礦物層間置在含油型的巖層之間。
對于分散頁巖的情況，已發展出各種經驗推導關系，來進行可儲存活動碳氫化合物(可采出的碳氫化合物)的孔隙體積分數的計算。這樣的巖層中由分散頁巖所占據的體積分數可通過自然伽馬輻射檢測儀等測井裝置估計出來。例如可參見M.H.Waxman等人在1968年第8卷第2期的石油工程師協會(德克薩斯州Richardson地方)期刊上所著的文章“含油頁巖質砂中的電阻率”。
對于分層頁巖的情況，各層的厚度一般都足以滿足垂直分辨率的要求，因而可由自然伽馬輻射檢測儀等測井裝置確定出來。在這樣的情況下，油頁巖層被排除出儲積巖之外，通常在確定特定巖層的碳氫化合物含量時不考慮右頁巖。在分層頁巖儲層的情況中的一個問題是頁巖層的厚度不夠，無法用迦馬輻射檢測儀完全地確定出來，且其厚度不足以用現有技術中已知的電阻率測量裝置精確地確定出它們的電阻率。
碳氫化合物飽和度很高的砂巖通常比頁巖的電阻率高。在由薄砂巖層和頁巖組成的儲油層中，普通的感應式測井儀會大大地低估儲油層的電阻率；巖層中由測井儀的電流感應出的電流會優先穿過導電的頁巖層，而導致對巖層的電阻率估計過高。
由Poupon研究出一種用來對含頁巖層的巖層中的碳氫化合物含量進行估計的方法，可參見A.Poupon等人在美國采礦與冶金工程師學會(AIME)學報(1959年)第201卷138至145頁上刊登的“頁巖質砂中的電測井解釋的影響因素”一文。Poupon關系式通常假設頁巖層對所要分析巖層總電阻率的影響是與所要分析的特定地殼巖層中的頁巖層的體積分數成比例的。該體積分數通常用Vsh(頁巖體積)代表。Poupon的模型還假設由測井儀器測得的電阻率將含有與頁巖成比例的效應，而所測電阻率的其余部分是由凈儲積巖層(無頁巖含油巖層)產生的，如下式所示1Rt=(1-Vsh)(aRwφm)-1Swn+VshVsh----(2)]]>
式中的Rt代表巖層中儲積巖層的電阻率(導電率的倒數)，且Rsh代表頁巖層中的電阻率。
Poupon的分析忽略了含有薄層砂巖和頁巖的儲油層的電阻率的各向異性的影響。根據范登堡和桑德爾的說法，采用不恰當的評估模型在許多情況下會導致低估儲油層的采油量和碳氫化合物儲量達40％或更多。對用來確定可能的碳氫化合物儲油層中的流體成分的測井儀器的測量結果進行的分析包括計算孔空間(孔隙)的體積分數，并計算在孔隙中碳氫化合物和原生水的體積分數。如上述的那樣，可以利用Archie的關系式。
在主詢電磁波的波長大于各層厚度的薄層儲油層中，儲油層表現出電阻率的各向異性。這樣的各向異性可用一種測井儀檢測出來，該測井儀除了沿井孔設置了一般的發射線圈和接受線圈之外，還與井孔軸向成一定角度設置了一個接收器或一個發射線圈。這樣的用來判定巖層傾角的裝置在過去已被描述得很清楚。例如可參見屬于Huston的美國專利3510757和屬于Gianzero的美國專利5115198。
屬于Hagiwara的美國專利5656930公開了一種用一個電感型測井儀來確定地下巖層的水平電阻率、垂直電阻率以及各向異性系數的方法，其中的測井儀位于地下巖層中的一個偏支井孔中。在一種推薦的實施例中，該電感型測井儀首先進行標定以確定一個比例常數。然后設定比例常數、相移引起的電阻率、衰減引起的電阻率、水平電阻率、垂直電阻率以及各向異性系數之間的關系，并將此關系儲存到可編程CPU的內存中。在感應測井工作中，相移引起的電阻率和衰減引起的電阻率就可被接收到，并由編程CPU根據預先設定的關系進行處理，而得出水平電阻率、垂直電阻率和各向異性系數。水平電阻率和垂直電阻率的這些測得值，當與一個設定關系式結合時，就可以得出一個凈額/毛額比值，其中的關系式涉及水平電阻率、垂直電阻率、凈/毛比以及砂層電阻率與頁巖電阻率比值之間的關系。但是，也存在許多的分層儲油層，其中的砂層中可能帶有散布的頁巖。對于這樣的儲油層，如果分層結構、頁巖散布在砂層中、以及頁巖可能固有的各向異性的復合效果未被考慮，則在解釋巖層的含水飽和度時就會出現錯誤。
需要有一種方法來確定分層儲油層的特性，該儲油層中包括頁巖、凈砂層以及散布有粘土的砂層。這樣的方法應最好確定砂層中的含水飽和度，以便于對儲油層的可開采量給出更為精確的估計。該方法最好應盡可能少地對砂層和頁巖作一些假設。本發明滿足這些要求。
本發明是一個方法，其利用從對多組分感應數據中導出的垂直導電率和水平導電率來說明頁巖在儲油層中的分布情況，其中的儲油層包括層化的頁巖質砂。與一個感應測井儀配合，還可以通過一個井孔電阻率成像儀來獲得數據。從井孔電阻率成像儀獲得的數據能以很高的精度對儲油層的傾斜角、各層的電阻率和厚度給出測量結果。由井孔電阻率成像儀得到的測量結果用從感應測井儀得到數據進行標定，其中的感應測井儀能給出比井孔電阻率成像儀解析度低的測量結果。巖石物理張量模型從由測井數據導出的垂直和水平電阻率確定出層狀頁巖體積、以及層狀砂巖的導電率。可利用Thomas-Stieber-Juhasz方法來確定分散泥質的體積以及層狀砂巖部分中的總孔隙率和有效孔隙率。去掉層狀頁巖導電率和孔隙度的影響將使分層頁巖質砂的問題簡化成單純的分散頁巖質砂的問題，而該問題可用Waxman-Smits方程來解決。
圖1(現有技術)表示了一個懸在井孔中的電阻率成像儀；圖2(現有技術)是圖1所示成像儀的機械示意圖；圖3(現有技術)是用在圖1、2所示儀器上的一個電極板的詳細視圖；圖3是通過融合電阻率圖像數據和聲學圖像數據所得到的復合成像測井記錄的一個圖像示圖；圖4的流程圖表明了本發明方法的主要步驟；圖5表示了本發明一種用來從垂直和水平電阻率的檢測值來確定含水飽和度的實施例的子過程的各個步驟；
圖6示意表示了本發明的巖石物理張量模型中的各種組分。
參考圖1-8可對本發明有更好的理解，圖4是本發明所用方法主要步驟的流程示意圖。
下面參見圖4，本發明任意的一個實施例從井孔電阻率成像儀102所得的數據入手，其中的電阻率成像儀在屬于Dory等人的美國專利5502686中有描述，且該專利的內容被完全結合到本發明中作為參考。應當指出的是Dory的專利作為一種裝置的示例，其可用來獲得井孔電阻率測量值；但也可用其它合適的裝置。
圖1表示了一個由一條合適的纜繩14懸在井孔12中的混合式成像儀10，井孔穿入13所示的巖層中，纜繩14繞過一個安裝在鉆機18的滑輪上。按照工業標準，纜繩14包括一個承力部件以及七條用來向儀器傳輸指令、并從儀器接收回數據、并供應電力的導線。儀器10由卷揚機20拉升或下放。地面上的電子模塊22將所需的操作指令傳輸到井下，并反過來接收回數字數據，這些數據可被記錄到一個任何合適類型的文件儲存介質上，用于進行同步處理或隨后的處理。可設置一臺例如為合適計算機的數據處理機24，用來在工作現場實時地進行數據分析，或將儲存的數據發送到一個處理中心，或二者都進行數據的后處理。
圖2是一體式井孔側壁成像儀系統的外示意圖。該成像儀可用來產生能被用在本發明任一實施例中的數據。組成該成像儀系統的儀器10包括四個重要部件1)電阻率陣列26；2)電子模塊28和38；3)泥漿室30；以及4)一個周向聲波電視32。所有這些部件都以公知的普通方式安裝到一根心軸34上。該組件的外徑約為5.4英寸、并約為五英尺長。一個定向模塊36包括一個磁力計，且在成像組件26和32的上方安裝了一個慣性導向系統。儀器10的上部38包括一個遙感模塊，用來進行采樣、數字轉換并將各個部件的數據樣本以普通的方式傳輸到井上的地面電子設備22中。盡管在一種替代設置中，聲學數據最好被數字化，但數據也能以模擬形式輸送到地面上，在地面上其隨后由地面電子設備22進行數字化。
在圖2中還表示了三個電阻率陣列26(第四個陣列在該視圖中是不可見的)。參見圖2和圖2A，每個陣列包括32個電極或紐扣電極，它們被標記為39，它們以四行、每行八個電極的形式被安裝在一個40所示的墊板上。出于設計上的考慮，如圖那樣各行最好是交錯布置的，以提高立體分辨度(解析度)。為了能清楚地表示，在圖2A中所示的電極數少于八個。對于一個5.375英寸的組件，每塊墊板的寬不能超過4.0英寸。墊板被固定到42所指示的可伸縮臂上。可用任何公知類型的液壓或彈簧加載的卡規臂驅動件將墊板及其上的電極貼壓在井孔側壁上延伸，來進行電阻率測量。此外，可伸縮的卡規臂42如現有技術中公知的那樣，能測量井孔直徑的實際值。采用分時技術和多路傳輸技術，在儀器的一個公共電極和每個陣列中各個電極之間的電壓降和電流就被測量得到了，完成了作為方位角函數的側壁電阻率(或其倒數導電率)的測量。
構成了井孔周向成像系統的聲波成像儀對側壁的聲學反射率數據進行360度的采樣，由這些數據可勾畫出連續的聲學圖像測井記錄或聲波圖，以對成像數據進行顯示。
井孔電阻率成像儀陣列必須要使得采樣只是橫掃過井孔側壁的選定的弧度段。從這些數據，由數據帶組成的、且對應每個陣列有一個數據帶、且各帶間由間隔相互隔開的電阻率圖像記錄就繪制出來并進行顯示。每個數據掃描帶的弧角寬度等于2sin-1[s/(2R)]，其中的S為陣列寬度，而R為井孔半徑。由兩個成像儀得到的公共數據在一個數據處理工作中被融合到一起，以形成圖3所示的基本無縫隙的圖像顯示。融合過程包括對聲學測量得到的電阻率測量值的動態范圍進行均衡。當掃描在相鄰的聲學區段之間掠過一個顯示的電阻率區段時，該均衡對于所顯示結構特征的連續性不會出現扭曲是必要的。
圖3的顯示結合了由定向傳感器獲得的測量結果，該傳感器用來使電阻率測量與地理學坐標(東南西北)對正，電阻率圖像被展開后形成一個井孔圓筒表面的平面圖像。本領域的工程人員可以理解當一個平面以一定角度與一個圓筒相交時，平面上圖像展開后將呈正弦曲線。圖3中顯示有很多這樣的正弦圖形，一些對應于層理面，而另一些對應于斷層。在本發明中可用現有方法來確定出與各個正弦線相對應的巖層傾斜角和巖層傾斜走向。當這些數據與其它的測井記錄得到的測量結果相結合時，就可以確認出各個巖質不同的離散巖層。尤其是，在一個幾米數量級的粗略的間隔上，層化儲油層中的分層頁巖的體積分數就可確定出來了。
對于平直的巖層走向，正弦線的幅值基本為零。在本發明的一個方面中，對于每種確認出的巖層，電阻率測量值進行周向和垂向平均，以對上述確認出的每種層給出一個電阻率測量值的平均值。一旦完成了這樣的工作，就可以用一些平面層來表征地下巖層的特性。其中的每個平面層都具有恒定的電阻率。由于紐扣電極的解析度的緣故，這些層的厚度可以從幾毫米到幾厘米不等。
本領域工程人員可以認識到當巖層界線是傾斜的話，則電極中的電流、尤其是墊板上在傾斜方向上的那些電極的電流將不僅會限定為一個單一巖層的，因而不能代表井孔中該巖層的電阻率。在本發明的一個方面，上述的取平均操作只限于在井孔走向上的電極；這些測量值將更能代表巖層在測量進行的深度上的真實電阻率。
對應各巖層的、由取平均所得到的電阻率測量結果超出了電磁感應測井儀或傳播測量電阻率儀的分辨率。相應地，在這一點上獲得的電阻率測量被進行均值，以給出精度可由感應式測井儀檢測到的電阻率。這一點描述在圖4中的104處。
如本領域工程人員所公知的那樣，一系列具有不同電阻率的、精確分層的巖層在大的尺度上會表現出一個橫向的各向同性，此處電磁波的波長要遠大于巖層的厚度。這樣的情況是易于滿足的，甚至對于傳播電阻率儀，該儀器例如工作在2Mhz的頻段上(其波長λ約為6米)；對于工作頻率在50kHz到200kHz級別的感應測井儀，波長甚至更長。對于這樣的主詢頻率，分層介質由一個水平電阻率Rh和一個垂直電阻率Rv表征，有下式(Rh*)-1=1WΣWiΔhRi----(3)]]>以及Rv*=1WΣWiRiΔh----(4)]]>式中的Wi為用來平均電阻率的計算天窗，Δh是電極的采樣深度間隔，而Ri為給定深度處測得的電阻率值。
在本發明中，詞匯“水平”和“垂直”的意義要參考層理面以及地下巖層的各向異性軸線來理解，即“水平”是指平行于層理面，而“垂直”是指垂直于層理面。當巖層的層理是傾斜的情況，各向異性軸線被認為垂直于層理面。當井孔偏斜于層理面時，由圖1中的定向模塊的數據就可以修正由電阻率成像儀所得的電阻率，以給出平行和垂直于層理面的測量結果。
本領域工程人員可以認識到由上述電極板系統所得到的電阻率測量結果可能存在錯誤，尤其是需要對這些數據有一個比例系數。當得到這些數據后，可將從方程式(3)和(4)得到的數值與從一個感應測井儀或傳播電阻率儀得到的數據相關聯來進行標定。
再次參見圖5，在104步驟使用了一個感應儀或波傳播儀來測量巖層的垂直電阻率和水平電阻率。例如，Forgang等人所屬的美國專利5781436就公開了一種方法和一種裝置，用來對橫向各向同性的巖層的水平和垂直電阻率進行測量，該專利的內容被完全結合到本發明中作為參考。
由Forgang等人所公開的方法包括有選擇地在插入井孔中的發射線圈中通入一個交流電。每個發射線圈的磁矩方向都不同于其它發射線圈的磁矩方向。其中的交流電包括一個第一頻率和第二頻率。第一頻率的幅值與第二頻率的幅值間有一種設定的關系。該關系對應于第一和第二頻率。該方法包括有選擇地接收在接收線圈中感應出的電壓，其中接收線圈的起感方向基本平行于對應發射線圈的軸線，交流電在該發射線圈中流過。檢測出接收電壓中第一頻率的組分和第二頻率的電壓組分的不同，由這兩個頻率對應的接收電壓組分的幅值的不同可計算出導電率。此處引用Forgang的專利只是舉例來說明可獲得巖層垂直、水平電阻率的感應裝置，在現有技術中也有其它的教導來獲得地下巖層的這些特性參數。
Rosthal(見美國專利5329448)曾描述了一個用來測量水平和垂直電阻率的傳播電阻率儀的實例，其公開了一種從傳播測井裝置的記錄來確定水平和垂直導電率的方法。該方法假定在井孔軸線和層理面垂直線之間的夾角θ是已知的，導電率估計值由兩套方法得到。第一個方法是測量在兩個接收機之間的所接收到信號中的衰減幅度，并從該衰減值來推導出一個第一導電率估計值。第二種方法是檢測兩個接收機所接收信號的相位差，并從該相移來推導出一個第二導電率估計值。這兩個估計值被用來給出導電率模型的起始估計值，在此模型的基礎上，就可以計算出這兩個接收機的衰減率和相移。然后采用一個迭代方案來更新初始的電阻率模型，直到在模型輸出值和實測的衰減、相移值之間符合得很好時停止迭代運算。
在104步驟中得到的水平和垂直電阻率然后在106中被進行變換(取反？)運算，以給出一個電阻率分層模型。屬于Gupta等人的美國專利5854991公開了這樣一種方法用來對橫向電磁感應測井測量的結果進行變換，其中該專利完全結合到本發明中作為參考資料。與本申請受讓人相同的待審美國專利申請09/052462號公開了一種對傳播電阻率儀的數據進行變換的方法，其中的申請也完全結合到本發明中作為參考資料。09/052462號申請還描述了在對電阻率測量值進行變換時出現的不確定性，并公開了處理該不確定性的方法。
在由Gupta等人提出的變換方法中，從使用二頻率交流電的儀器所得到的感應信號獲得的一種水平和垂直電阻率的軸向分布模型。該模型是通過計算出導電率分布的初始估計值、且相對于由二頻率交流電得到的測量值對估計值進行軸向變換而得出的。對由用單頻率交流電工作的儀器得到的測量結果進行圍巖校正。從圍巖校正后的、單頻率交流電儀器所得的感應信號可得到導電率徑向分布的一個估計值。從軸向分布以及徑向分布的估計值可構造出導電率分布的二維模型。在本發明的一種實施例中，用來進行變換的初始模型至少在部分上是基于105中電阻率成像儀所得到的數據。尤其是，盡管在某些方面需要規范化電阻率成像儀來修正電阻率測量值，由電阻率成像儀確定出的邊界層對于用在橫向感應測井儀數據變換的巖層，可作為很好的起始點。在本發明的另一個實施例中，模型的初始層可由其它高解析度的測井儀確定出，例如為一個側向測井(LaterologTM)或一個伽馬射線測井儀等。
二維模型計算出的雙頻率整空間響應對雙頻率感應信號進行近井效應修正。校正后的二頻率信號然后被軸向變換以形成一個二維的模型。采用修正后的二頻率信號取代需要的信號，并重復上面所有的步驟，直到在順次的兩個重復步驟(迭代)中的校正后二頻率感應信號之間的差落入到一個設定的閾值內，該二維模型一直保留，直到當過程停止時，成為最終的二維模型。
一旦變換完成之后，由此得到的水平和垂直電阻率在108中用一種巖石物理模型進行分析。在本發明的一個實施例中，這樣得到的垂直和水平電阻率值與流體含量和地下層中的孔隙的體積分數相關，如下的關系式是從Patchett-Herrick關于頁巖質砂巖層中含水飽和度的模型導出的1Rthoriz=(1-Vsh)[BQvSwFhoriz*+Swin*Fhoriz*Rw]+VshRsh----(5)]]>該式給出了巖層的儲積巖(無頁巖)的水平電阻率。方程(5)中的F*sd.h代表水平電阻率的巖層電阻率因子，且B*Qv是和散布的頁巖(頁巖位于儲積巖孔隙中)的電阻率有關的一個因子。Vsh代表所討論頁巖層在巖層中的體積分數(層化頁巖體積)。其它的符號所代表的意義與上文背景技術中描述的相同。例如可參見J.G.Patcheett等人在職業測井分析家協會(SPWLA)頁巖砂巖再版卷(德州休斯頓1982年)的“第三引言部分。模型評價”、以及M.H.Waxman等人在德克薩斯州Richardson1968年期石油工程師協會期刊第8卷第2期上所著的文章“含油頁巖質砂中的電阻率”一文。可通過現有測量方法的任何一種來確定孔隙率，這些測量方法例如為聲波傳播時間法、中子測井孔隙度、體積密度或這些測量方法的組合，這些在現有技術中都是公知的。上面描述的孔隙度測量方法只是用來確定孔隙度的測量方法的舉例，在任何意義上并不對本發明進行限定。
類似地，對于垂直電阻率Rtver，有這樣的關系式將垂直電阻率和含水飽和度Sw聯系起來，該關系式為R=(1-Vsh)[BQvSwFver*+Swin*Fver*Rw]-1+VshRsh----(6)]]>可以注意到，方程(5)被寫成導電率的形式(電阻率的倒數)，而不是寫成電阻率的形式，其中的原因如現有技術所公知的那樣由于感應測井儀器的信號是這樣測得的基本沿垂直于井孔的層面感應出渦旋電流，該信號的幅值與各層導電性的總和相關。在概念上，這可以被看作是電流流過了一組并聯的電阻。與此相反，方程(6)被表示成電阻率的形式，這是因為在垂直于層面方向上感生出渦旋電流的地方，感應信號的幅值的分層效應類似于電流流過一組串聯電阻。分層頁巖/儲積巖對電阻率測量結果的這些影響例如在J.D.Klein等人在德州休斯頓職業測井分析家協會的五月-六月期的《測井分析》的“電性能各向異性的儲積巖的巖石物理學”一文中有介紹。
在本發明的一種實施例中，已經確定出不論“水平”和“垂直”方向的電阻率值為何值，含水飽和度Sw必須要是否等于從垂直和水平電阻率測量結果確定出的值，可以推出一組關系式，其中的一個化簡變量Aw定義如下Aw=Swn+BQvSwRwRw------(7)]]>且這些關系式被表達成儲積巖(無頁巖)導電率Ct的形式Cthor=(1-Vsh)AwFhor+VshCchhor----(8)]]>Ctver-1=(1-Vsh)FverAw+VshCshver-1----(9)]]>Cshhor=λsh[1CtverVsh-(1-Vsh)FverAwVsh]-1----(10)]]>式中的λsh代表一個與同一巖層中的垂直和水平導電率(或電阻率)相關的“各向異性因子”。
方程(8)和(9)中的表達式可改寫成Aw的二次多項式Aw21-VshFhorCtver-Aw[CthorCtver+(1-Vsh)2FverFhor-Vsh2λsh]+[(1-Vsh)CtverFver]=0----(11)]]>其中應當指出的是很重要的是，式中不出現頁巖的導電率值Csh(或電阻率)。方程(9)很容易求解出Sw，以提供一個在無頁巖層中的含水飽和度(以及其互補值-碳氫化合物的飽和度)，其不需要對所分析的儲油巖層中的頁巖層的電阻率(或導電率)進行復雜的確定，在方程(9)中的符號Ct代表總的導電率(所分析巖層中的儲積巖和頁巖的總的導電率)。
下面返回到圖5，圖中描述了根據本發明一個實施例用Patchett-Herrick模型對含水飽和度進行確定的子過程。用例如公開在‘436號專利中的測井儀，可在井孔中進行測量。該測井儀測量沿儀器軸線以及垂直該軸線的感應信號、以及橫向分量信號。如上所述，在220步驟中對這些測量結果進行處理而得出井孔中每一深度處的水平和垂直電阻率。在240中得到原生水電阻率的測量值Rw。用數值Rw以及230中的孔隙度φ的測量值、以及Vsh，數值B和Qv就能在260中用Juhasz給出的關系式確定出來。用Waxman-Smit以及Patcher-Herrick方程，結合這些數值以及φ就可定出Fhorz和Fvert。這些值和測得的Rtvert和Rthorz值、以及一個設定的各向異性因子λsh被代入到方程(9)中(在210中)，在250中求解得出數值Aw。通過將該數值Aw以及數值B、Qv、Rw代入方程(5)中，就在270步驟中得到了含水飽和度Sw。
本發明的另一個實施例應用了一個在電學各向異性(Rv/Rh)基礎上的正交張量模型，而不是基于單標量平行導電率模型的模型。該張量模型可容易地應用于各向同性的砂巖中的各向同性或異性的頁巖。對于各向異性的砂巖和頁巖的求解，層化頁巖的體積分數必須要從某些外部的模型確定出，這些模型例如為Thomas-Stieber或圖像測井記錄數據。真砂巖孔隙度也必須從Thomas-Stieber模型(1975)導出，且對純層化儲積巖的特性是非常重要的。該張量模型用Waxman-Smits模型來估計層狀砂巖組分，并利用Hill、Shirley以及Klein方程(1979)來從散布的粘土邊界水分數來導出Qv。這兩步驟的電阻率張量模型的最終結果與由Patchett和Herrick提出的標量模型一致。但是，應當指出的是，在該模型中，層化砂巖的電阻率組分可由張量模型直接導出，并與層頁巖的實際體積隱含關聯。
圖6表示了一個分層的巖層構造300，其包括夾層的砂巖301和頁巖層302。為了表示清楚，圖中只用一層砂巖和一層頁巖來代表該巖層的總體組成。砂巖此外還包括一個純Archie類型的砂巖303a、細層砂巖303b以及分散泥質質砂303c，其中的Archie砂巖的類聚性很低(即顆粒尺寸不同)，而303b層中具有不同顆粒尺寸的砂巖在各個層間的類聚度很高，303c層中散布著一些頁巖。
電學各向異性是層狀頁巖體積、在砂巖中的導電率或含水飽和度變化的直接的、可測量的結果(這一觀點是由先前的研究者歸納的)。在薄層儲積巖的情況中，張量模型被進行體積校正，并通過直接確定水平和垂直方向上的導電率對層狀砂巖組分得到更精確的描述。
用在此處的張量模型主要集中在層狀砂巖性質的確定，以及對夾層砂巖層所含碳氫化合物的飽和度進行計算。頁巖(油源巖)中有碳氫化合物導致的各向異性則未被考慮。該模型假定由于層理面的尺寸造成的宏觀各向異性要小于儀器的垂向解析度。在各砂巖層中的固生各向異性也作為一般情況進行了考慮。該張量模型是二維的，并只考慮了“垂向”的各向異性。層理或巖層被假設為水平或“橫向”各向同性的。
該張量模型是以兩步過程執行的。分析的第一步使測定的層狀頁巖體積、層狀電阻率、層狀砂巖性質等參數解耦，其中層狀砂巖的性質包括孔隙度、散布粘土體積比Qv等。在第二步中確定飽和度，以將不同的假設條件或模型應用到數據上。
該分析的初始步驟是簡單的、關于層狀頁巖體積Vsh-1體積分數以及層狀砂巖體積分數的分層砂巖-頁巖計算，其中的層狀砂巖體積分數被表示為N/G=1-Vsh-1。在此時，確定出所有的層狀砂巖導電率和體積分數，并用作飽和度計算的輸入值。該分析的第二步計算層狀砂巖組分的碳氫化合物飽和度。砂巖的性質可按照純的、均勻Archie(1942)砂巖或用Waxman-Smits(1968)方程來分散泥質質砂處理。根據Waxman-Smits理論，用由Pachett-Herrick(1982)提出的純砂巖層孔隙度公式，將這兩步分析結合起來就能形成了一個對層狀砂巖電阻率和飽和度進行確定的可靠的張量模型。
下列的術語用在該巖石物理張量模型中Ct,h,Ct,v水平和垂直導電率λ=Ct,h/Ct,v水平導電率和垂直導電率的各向異性比，Csd,h,Csd,v砂巖組分的水平和垂直導電率λsd=Csh,h/Csh,v砂巖的各向異性比Csh,h,Csh,v頁巖組分的水平和垂直導電率Vsh-1分層頁巖的體積分數1-Vsh-1=N/G 砂巖的體積分數χh=Csh,h/Csd,h頁巖/砂巖導電率比在垂直和水平方向上的兩種導電率組分的方程為Ct,h=Csd,h[1+Vsh-1(χh-1)] (12)以及Ct,v=Csd,hλsd-1[1+Vsh-l(χh-1λshλsd-1)]-1---(13)]]>在方程(12)(13)中的與砂巖和頁巖有關的參數將各個地討論，以強調感興趣的主要組分。
宏觀的各向異性比為λ=λsd[1+Vsh-lB-Vsh-l2(1+B-λshλsd)]----(14)]]>且B=χh+χh-1λshλsd-2----(15)]]>通過定義無量綱的各向異性參數λ、λsd、λsh，從規范化后的參數可導出正演模擬。
規范化的砂巖導電率為Ct,hCsd,h=1+Vsh-l(Csh,hCsd,h-1)----(16)]]>Ct,vCsd,v=1+Vsh-l(Csh,vCsd,v-1)-1----(17)]]>且規范化的各向異性比為λλsd=1+Vsh-lB-Vsh-l2(1+B-λshλsd)----(18)]]>層狀頁巖體積以及砂巖導電率如上所述，在應用巖石物理張量模型的第一步是從測得的各向異性數據以及在水平和垂直方向上的總導電率Ct,h和Ct,v確定出層狀頁巖的體積以及砂巖導電率。從這些數據得出砂巖和頁巖在水平和垂直方向上的導電率(Csd,b,Csd,v,Csh,h,Csh,v)。另外砂巖和頁巖的體積參數-即Vsh和N/G也必須要得到。取決于所能得到的數據，以及其它任何關于砂巖和頁巖性質的信息，有三種情況情況A頁巖和砂巖都是各向異性的。為了從巖層的混合導電率Ct.h和Ct.v得到砂巖在水平和垂直方向上的導電率(Csd.h,Csd.v)，從代表頁巖間隔和頁巖層含量Vsh-1的測井記錄數據中導出兩個頁巖導電率(Csh.h,Csh.v)，這些測井數據是從另外的渠道例如Thomos-Stieber方法得到的。給出這些另外的巖層參數后，就可以計算砂巖導電率Csd,v=Ct,v(1-Vsh-l)CVsh,v-Vsh-lCt,v=Ct,v(1-Vsh-l)1-Vsh-lCt,vCsh,v----(19)]]>以及Csd,h=Ct,h-Vsh-lCsh,h1-Vsh-l----(20)]]>
情況B頁巖是各向異性的，而砂巖是各向同性的。在給出頁巖的兩個導電率Csh.h,Csh.v的情況下，砂巖的導電率Csd.h,Csd.v以及頁巖層Vsh-1的含量可從巖層的混合導電率Ct.h和Ct.v計算出Csd=12{(Csda+Csd,h)±[(Csh,h-Csda)2(1+▿C)]1/2}----(21)]]>式中Csda=Ct,vCsh,h-Ct,hCsh,v-Ct,v----(22)]]>且▿C=4CsdaCsh,h-Csh,v(Csdiso-Csh,h)2----(23)]]>在方程(21)中，當Csd＜Csh,v時作加法運算，而在Csd＞Csh,v時作減法運算，Csda被定位為“砂巖表觀導電率”，如果頁巖時各向同性的，則Csh.h=Csh,v，該導電率也等于純砂巖的導電率。參數ΔC是對各向異性的砂巖校正。對于各向同性的頁巖，Csh.h=Csh,v，所以ΔC為零。可用下式來計算頁巖層的含量Vsh-l=Ct,h-CsdCsh,h-Csd----(24)]]>或Vsh-l=Csh,vCt,vCt,v-CsdCsh,v-Csd----(25)]]>情況C砂巖和頁巖都是各向同性的。在這樣的情況下，可以有兩種方案，這取決于是否能獲得先驗演繹性的信息。在第一種方案中，頁巖導電率Csh是假定的，而在第二種方案中，是從一個獨立的數據渠道推導出頁巖層的體積Vsh-1，獨立數據渠道例如為Thomas Stieber模型或電阻率圖像數據。分層頁巖含量從方程(24)計算出，而砂巖導電率由下式得出Csd=Ct,vCsh-Ct,hCsh-Ct,v----(26)]]>砂巖和頁巖導電率由下面的方程從輸入的頁巖層體積得出Csd=Ct,h+Ct,v(1-2Vsh-l)2(1-Vsh-l)±{[Ct,h+Ct,v(1-2Vsh-l)2(1-Vsh-l)]2-Ct,vCt,h}1/2----(27)]]>以及Csh=Vsh-l[Ct,v-1-(1-Vsh-l)Csd-1]-1----(28)]]>在應用張量模型時的第二步是對層狀砂巖儲油層組分的分析。層狀砂巖的含水飽和度是純層狀砂巖孔隙度、電學特性及層狀砂巖導電率的函數，并能用各種已知的關系式或其它的模型進行計算，其它的模型例如為有效介質法或電效率法。在這種模型中，Waxman Smits方程被用來對砂巖中的散布的粘土導電率進行數值校正。當不存在散布的粘土時，該方程退化成Archie方程。
各向異性的砂巖組分固有的電學性質、巖層因子(m*)以及飽和度指數(n*)是測量方向以及合成飽和度型面的函數，飽和度指數在整個含水飽和度的區間內并不是常數。水平和垂直方向上的Waxman-Smits方程如下Swtsdn*v=[a*RwφT,sdm*v(1+RwBQvdisp,sdSwtsd-1)Rtv,sd]----(29)]]>Swtsdn*h=[a*RwφT,sdm*h(1+RwBQvdisp,sdSwtsd-1)Rth,sd]----(30)]]>這假定不同砂巖層中的含水飽和度是不同的，或者砂巖的體積中包括兩種不同的飽和度。在本發明的一個最佳實施例中，飽和度以及相關的砂巖體積被假設為常數，且垂直和水平粘性指數和飽和度指數也被假定為常數。對于各向同性的砂巖，含水飽和度有如下的計算式Swtsdn*=[α*RwφT,sdm*(1+RwBQvdisp,sdSwtsd-1)Rtsd]----(31)]]>層狀砂巖分數Qv(Qvdisp.sd)可從Hill、Shirley、Klein(1979)方程或此處表示的Juhasz(1986)方程得出，其中的Co是巖層水中以克/升或千PPM為單位的氯化鈉濃度。Swbdisp,sd=φCBW-disp,sdφT,sd----(32)]]>Qvdisp,sd=Swbdisp,sd[0.6425C01/2+0.22]----(33)]]>用從密度測井儀或一個核磁共振測井儀得到的密度數據，可從總孔隙度來得出層狀砂巖的“真正”孔隙度，且該方法由Thomas Stieber在1975年勾勒出，并由Juhasz在1981年表示成下式φT,sd=φT-φshVsh,l(1-Vsh,l)----(34)]]>其中Cw巖層水的導電率RwCw的倒數，巖層水的電阻率φtotal巖層的總孔隙率φT.sd層狀砂巖的Thomas Stieber孔隙度Swtsd層狀砂巖中的總含水飽和度a*,m*,n*Archie粘土修正參數、各向異性的砂巖帶有腳標(h,v)Qvdisp.sd散布的粘土中每單位孔空間體積內的陽離子交換容量φCBW-disp.sd與散布粘土有關的結合水的孔隙分數B 粘土交換陽離子的當量離子導電性Swbdisp.sd只是散布粘土中的結合水飽和度。
盡管上文的公開內容是針對本發明的最佳實施例，但對本領域技術人員來講，很顯然可以有多種形式的改動。盡管上文討論了電阻率成像儀以及感應測井儀的特定的實施例，但可以理解，這些儀既可用在測井電纜上，也可用在MWD的環境下。還可以理解上文討論的以感應測井儀進行的各向異性測量也可以用傳播電阻率儀來進行。所有這些變型都應當涵蓋在所附權利要求書的范圍和設計思想內，其中的權利要求書得到了上文公開內容的支持。
權利要求
1．一種用于對地下巖層的所關心的參數進行確定的方法，其中的巖層環繞一個井孔、并包括砂巖和頁巖，該方法包括步驟(a)將一個電磁測井儀送入到井孔中，并用儀器上至少一個發射線圈和一個接收線圈來獲得代表巖層水平和垂直電阻率的測量值；(b)從所述巖層的總孔隙率、頁巖在所述巖層中的體積分數、以及該巖層中頁巖的電阻率得到一個數值；(c)用一個處理器來處理所述的測量值，以得到該巖層的水平和垂直電阻率；(d)在一個處理器中用一個巖石物理模型來從所述的垂直和水平電阻率、所述的得到的總孔隙率、所述得到的頁巖體積分數、以及所述得到的頁巖電阻率來得到所關心的參數，其中所述的巖石物理模型包括一個層狀各向同性頁巖和一個層狀的砂巖，層狀砂巖至少是如下的一種(ⅰ)純砂巖，以及(ⅱ)其中散布有頁巖的砂巖。
2．根據權利要求1所述的方法，其特征在于感興趣的參數至少是如下的一個(ⅰ)所述砂巖的孔隙度，(ⅱ)所述砂巖的含水飽和度，(ⅲ)分層頁巖的體積分數，以及(ⅳ)分散泥質的體積分數。
3．根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的電磁測井儀至少包括一個用來在巖層中感應出電磁場的發射器，并至少包括一個用來產生指代感生電磁場的信號的接收器，所述的至少一個發射器和至少一個接收器包括相互正交定向的線圈。
4．根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的總孔隙率是至少是從(ⅰ)一個密度測井儀，(ⅱ)一個核磁共振儀，(ⅲ)一個聲學測井儀，以及(ⅳ)一個中子測井儀得到的。
5．根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的巖層中頁巖體積分數至少是從(ⅰ)一個伽馬輻射測井儀，(ⅱ)一個核磁共振儀，(ⅲ)一個密度測井儀，(ⅳ)一個中子測井儀，(ⅴ)井孔的一個聲學圖像，(ⅵ)井孔的一個電學圖像，以及(ⅶ)一個微電阻率測井儀得到的。
6．根據權利要求1所述的方法，其特征在于巖層中所述頁巖的所述電阻率是用(ⅰ)一個聚焦電阻率儀、以及(ⅱ)一個具有紐扣電極的伽伐尼(galvanic)儀中的一個得到的。
7．根據權利要求1所述的方法，其特征在于獲得巖層的垂直和水平電阻率還包括使用巖石物理張量模型來得到層狀頁巖的體積、層狀砂巖的體積、以及層狀砂巖的導電率。
8．根據權利要求7所述的方法，其特征在于獲得感興趣參數的過程還包括用一種雙水模型來確定出分散泥質的體積分數，層狀砂巖的總孔隙度以及層狀砂巖的有效孔隙度。
9．根據權利要求8所述的方法，其特征在于獲得所述感興趣參數的過程還包括應用Waxman-Smits方程。
10．根據權利要求1所述的方法，其特征在于測井儀是從一組裝置中選擇的，這組裝置包括(ⅰ)一種電流儀，(ⅱ)一種電磁感應儀，以及(ⅲ)一種電磁傳播電阻率儀。
11．根據權利要求1所述的方法，其特征在于還包括用測井儀上的一個傳感器來獲得儀相對于地下巖層的定向信息，并在獲得所述水平和垂直電阻率的過程中使用確定出的定向信息。
12．根據權利要求1所述的方法，其特征在于還包括對所得到的巖層垂直和水平電阻率進行變換的過程。
13．根據權利要求12所述的方法，其特征在于進行變換操作包括步驟(ⅰ)定義一個模型，其包括多個層，所述的每層都具有厚度、水平電阻率以及垂直電阻率；以及(ⅲ)在模型的輸出值和所述的得到的水平和垂直電阻率的差值的基礎上，迭代更新該模型。
14．根據權利要求13所述的方法，其特征在于還包括將一個電阻率成像儀送入到井孔中、并用其所得的測量結果定義一個初始的模型的步驟。
15．根據權利要求13所述的方法，其特征在于其中的變換操作還包括施加一個圍巖校正。
16．根據權利要求14所述的方法，其特征在于定義初始模型的過程還包括對從電阻率成像儀的測量結果以采樣深度間隔段進行均值化。
17．根據權利要求14所述的方法，其特征在于電阻率測井儀測得的結果只限于那些地下巖層的走向方向附近的測量結果。
18．根據權利要求12所述的方法，其特征在于變換操作還包括獲得了多于一種的可能的方案，來進行變換，并解決了變換中不確定性。
19．一種用來確定一種地殼巖層中的碳氫化合物飽和度的方法，其中的巖層包括間置在儲積巖層之間的頁巖層，該方法包括步驟(a)確定所述地殼巖層的垂直電阻率；(b)確定所述地殼巖層的水平電阻率(c)確定所述儲積巖層的孔隙率；以及(d)通過結合所述的垂直電阻率、所述孔隙度、以及所述水平電阻率，不受所述頁巖層電阻率影響地確定出碳氫化合物飽和度。
20．根據權利要求19所述的方法，其特征在于所述儲積巖層包括散布在孔隙空間內的頁巖，且計算所述碳氫化合物飽和度的關系式考慮了分散泥質的影響。
21．根據權利要求20所述的方法，其特征在于所述模型包括Patchett-Herrick模型。
22．根據權利要求19所述的方法，其特征在于其中用來測量所述垂直和水平電阻率的步驟還包括步驟(a)沿鉆入所述地殼巖層的井孔的軸線測量感應信號；(b)垂直于所述井孔軸線測量感應信號；(c)測量橫向感應信號分量；以及(d)用所述的沿所述軸線、及垂直于所述軸線的感應信號和所述的橫向感應信號分量來確定出所述垂直和水平電阻率。
23．一種用來獲得一個地下巖層的儲油層中的至少一個砂巖層的孔隙率和含水飽和度的方法，其中的儲油層包括分層的砂巖和頁巖，地下巖層環繞著一個井孔，該方法包括步驟(a)將一個電磁測井儀送入到井孔中，并用儀上至少一個發射線圈和一個接收線圈來獲得指代巖層水平和垂直電阻率的測量值；(b)從所述巖層的總孔隙率、頁巖在所述巖層中的體積分數、以及該巖層中頁巖的電阻率得到一個數值；(c)用一個處理器來處理所述測量值，并由此得到一個該巖層的水平和垂直電阻率的分層模型；(d)用一個巖石物理模型來從垂直和水平電阻率的分層模型、得到孔隙率和所述砂巖的含水飽和度。
24．根據權利要求23所述的方法，其特征在于獲得頁巖電阻率的過程還包括將一個帶有紐扣電極的電流計送入到井孔中，并對所述紐扣電極在垂直和水平方向上測量結果進行平均。
25．根據權利要求24所述的方法，其特征在于所述巖層的各層具有一個走向方向，且其中所述的取平均過程只限定于由基本沿所述走向方向分布的紐扣電極得到的測量結果。
26．根據權利要求23所述的方法，其特征在于所述的測井儀是從一組裝置中選擇的，這組裝置包括(ⅰ)一種電流儀，(ⅱ)一種電磁感應儀，以及(ⅲ)一種電磁傳播電阻率儀。
27．根據權利要求23所述的方法，其特征在于所述的電磁測井儀是通過(ⅰ)一根測井電纜(ⅱ)一根鉆桿柱中的一種送入到井孔下的。
全文摘要
在帶有砂巖的儲油層中,帶有一定量頁巖的巖層的總孔隙率以及頁巖的電阻率被確定出(在裝置22中),其中的砂巖中散布著一些頁巖。一個巖石物理張量模型從水平和垂直電阻率確定出層狀頁巖體積以及層狀砂巖的導電率,其中的水平和垂直電阻率是從多組分感應測井數據中得到的。分散泥質以及層狀砂巖部分的總孔隙率和有效孔隙率用Thomas－Stieber－Juhasz方法得出。去掉層狀頁巖電阻率和孔隙率的影響,就能將分層頁巖質砂的問題簡化為單純的分散頁巖質砂模型,而該模型能用Waxman－Smits方程處理。
文檔編號G01V11/00GK1325494SQ99812771
公開日2001年12月5日 申請日期1999年12月29日 優先權日1998年12月30日
發明者理查德·A·莫利森, 于爾根·H·舍恩, 奧托·N·法尼尼, 貝特霍爾德·F·克里格紹爾, 米洛米爾·帕夫洛維奇 申請人:貝克休斯公司