專利名稱：利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油地球物理測井領(lǐng)域所用的不同巖性地層的激發(fā)極化電位測井解釋，特別是利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)、毛管壓力曲線和地層滲透率的方法。
背景技術(shù)：
激發(fā)極化測井已有幾十年的發(fā)展歷史，人們一直利用巖石的激發(fā)極化電位和極化率來定性確定地層水礦化度和泥質(zhì)含量等參數(shù)，也有人利用巖石的極化電位和極化率與地層的滲透率建立關(guān)系，但效果一直不好。由于巖石的激發(fā)極化電位與其顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此雙電層在激發(fā)電場中的排列方向影響巖石的激發(fā)極化電位和極化率，即巖石中物質(zhì)的分布狀態(tài)對其極化電位和極化率將產(chǎn)生影響，同時滲透率對極化率也有很大的影響，這些問題限制了激發(fā)極化測井技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。
傳統(tǒng)的激發(fā)極化測井主要是利用極化率參數(shù)，建立極化率與地層水礦化度以及泥質(zhì)含量之間的關(guān)系，但是極化率參數(shù)的影響因素非常復(fù)雜，比如圍巖、井眼，供電時間、泥質(zhì)分布等，尤其重要的是極化率參數(shù)與測量方式以及測量時間密切相關(guān)，對儀器的要求非常高。
滲透率是石油開發(fā)的最重要的參數(shù)之一，但是由于決定滲透率大小的主導(dǎo)因素是儲層孔隙結(jié)構(gòu)。而孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其嚴重的非均質(zhì)性，導(dǎo)致滲透率測井技術(shù)和解釋方法一直沒有很大進展。
測量滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)的方法主要有兩種，即實驗室?guī)r芯分析和核磁共振測井分析方法。巖芯分析方法具有精度高的特點，但是該方法非常昂貴，取芯過程對巖芯有損害，測量不能完全模擬地層條件，而且還增加了鉆井時間。核磁共振測井是唯一可靠的測量滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)的方法，但是該方法探測深度淺，價格昂貴，信號微弱，信噪比低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)場滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)難以準確定量求取、激發(fā)極化測井方法參數(shù)單一的不足，以及由此導(dǎo)致油田開發(fā)受到的影響，本發(fā)明提供一種利用巖石激發(fā)極化譜確定地層滲透率、毛管壓力曲線和孔隙結(jié)構(gòu)的方法，利用激發(fā)極化測井方法直接確定地層滲透率、毛管壓力曲線和孔隙結(jié)構(gòu)等參數(shù)，根據(jù)給出的模型求出滲透率，該方法具有測量精度高，探測深度深，信號幅度大，信噪比高，測井成本較低的優(yōu)點，而且能夠進行現(xiàn)場測量，因此激發(fā)極化譜測井技術(shù)具有非常好的應(yīng)用前景。
激發(fā)極化理論建立在雙電層基礎(chǔ)之上，即處于溶液中的巖石顆粒(尤其是粘土顆粒)因為帶有多余的負離子而吸引溶液中的陽離子，在其周圍形成雙電層。當(dāng)在巖石的兩端施加一恒定外電場后，則會使得雙電層發(fā)生形變或局部濃度的變化，即產(chǎn)生極化電場。當(dāng)外電場去掉后，由于擴散作用，極化電場逐漸消失并且使離子恢復(fù)到原來的狀態(tài)，同時形成擴散電位，即二次場衰減電位，這就是激發(fā)極化電位。
激發(fā)極化測井技術(shù)通過探測孔隙內(nèi)流體的電馳豫特征，能夠提供儲層滲透率、地層水礦化度、孔徑大小和分布等信息。巖石在完全飽和水的情況下，孔隙內(nèi)水中離子的電馳豫特性受到巖石孔隙結(jié)構(gòu)的影響，表現(xiàn)出不同的馳豫特性，激發(fā)極化測井測量的信號是由不同大小孔隙內(nèi)水的離子極化信號的疊加，經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)擬合得到激發(fā)極化弛豫時間譜，因此激發(fā)極化弛豫時間譜的分布反映了孔隙大小的分布，大孔隙內(nèi)的組分對應(yīng)長的激發(fā)極化弛豫時間值，小孔隙組分對應(yīng)短的激發(fā)極化弛豫時間值。既然激發(fā)極化弛豫時間分布譜和壓汞曲線都反映了巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征，那么兩者之間必然存在密切的關(guān)系，可以應(yīng)用激發(fā)極化測井資料對孔隙結(jié)構(gòu)進行評價，確定毛管壓力曲線以及滲透率值。
理論分析表明，單個孔隙中的激發(fā)極化二次場電位的衰減滿足單指數(shù)衰減規(guī)律，但是巖石內(nèi)部是由一系列大小不等的孔隙群體組成的，所以在巖石激發(fā)極化二次場電位V(t)是一系列單個孔隙極化電位的疊加，二次場V(t)按照t＝0時的二次場V(0)歸一化，然后進行多指數(shù)擬合，即V(t)V(0)=Σi=1NSiexp(-t/Ti)---(1)]]>
Si代表時間常數(shù)為Ti的孔徑的孔隙占總孔隙度的百分比，Si對Ti作圖可以得到激發(fā)極化馳豫時間譜。理論和實驗研究表明時間常數(shù)Ti(單位s)和孔徑之間有如下的關(guān)系Ri=D×Ti---(2)]]>這里Ri為第i個孔的半徑(單位cm)，D為溶質(zhì)的擴散系數(shù)(單位cm2/s)。因此通過激發(fā)極化弛豫時間譜可以得到孔隙分布，即孔隙結(jié)構(gòu)。
利用孔隙度φ和激發(fā)極化弛豫時間譜，根據(jù)弛豫時間常數(shù)平均值T與滲透率K的關(guān)系模型K＝c×φm×(D×T)，其中c和m為常數(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種利用巖石激發(fā)極化譜確定地層滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)的方法，首先由恒流源通過控制單元給供電電極供電，使巖心產(chǎn)生極化場，然后斷電，測量極化場隨時間逐漸衰減的電位，得到激發(fā)極化衰減譜V(t)，按照t＝0時的二次場電位V(0)對V(t)進行歸一化，按照(1)式進行多指數(shù)擬合，得到弛豫時間譜Si～Ti。
a、根據(jù)公式(2)求取孔隙半徑，通過如下公式求取巖芯的孔喉半徑ri=hTi---(3)]]>其中ri為孔喉半徑，h為常數(shù)，以上表明可以利用激發(fā)極化弛豫時間譜確定孔隙結(jié)構(gòu)。
b、弛豫時間譜與滲透率的關(guān)系用以下的模型表示K＝c×φm×(D×T) (4)式中c和m為常數(shù)，K為滲透率，φ為孔隙度，T為弛豫時間常數(shù)平均值。
本發(fā)明具有的有益效果是巖心的激發(fā)極化馳豫時間譜和孔喉分布重合的非常好；激發(fā)極化馳豫時間譜和毛管壓力曲線都與巖石的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此這二者必然存在較好的相關(guān)性；這些結(jié)果顯示，完全可以由激發(fā)極化馳豫時間譜確定巖石的孔隙孔喉結(jié)構(gòu)，通過孔隙孔喉結(jié)構(gòu)可以求取滲透率，該方法求取的滲透率及孔隙結(jié)構(gòu)精確度高。


圖1為實驗系統(tǒng)；圖2為測量得到的典型的激發(fā)極化衰減譜；圖3為相應(yīng)的馳豫時間譜；圖4為激發(fā)極化弛豫時間譜與由毛管壓力曲線求得的孔喉分布曲線圖，圖中(a)為14號巖芯(b)為15號巖芯。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖將對本發(fā)明作進一步說明巖石的激發(fā)極化電位衰減譜中包含許多有用的地質(zhì)信息，包括孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、地層水礦化度以及泥質(zhì)含量。傳統(tǒng)測量滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)的方法主要有兩種，即實驗室?guī)r芯分析和核磁共振測井分析方法。巖芯分析方法具有精度高的特點，但是該方法非常昂貴，取芯過程對巖芯有損害，測量不能完全模擬地層條件，而且還增加了鉆井時間。核磁共振測井是唯一可靠的測量滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)的方法，但是該方法探測探度淺，價格昂貴，信號微弱，信噪比低。因此，本發(fā)明提出利用激發(fā)極化電位衰減譜來確定巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率，主要是對巖石激發(fā)極化衰減譜進行多指數(shù)擬合，得到馳豫時間譜，然后建立馳豫時間譜與地層參數(shù)之間的關(guān)系。
激發(fā)極化實驗系統(tǒng)如圖1所示，其主體部分有巖心夾持器、電源及控制部分、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機。巖樣選自大慶油田三個區(qū)塊97塊巖心，飽和NaCl溶液。激發(fā)極化實驗的供電電極為鉛電極，測量電極為Ag/AgCl電極，該電極的漂移非常低，約為0.1mV，激發(fā)所得到的二次場最大幅度約為0.5V。測量的衰減譜如圖2所示。經(jīng)過多指數(shù)衰減擬合后得到的激發(fā)極化弛豫時間譜如圖3所示。
可以看出，巖石激發(fā)極化馳豫時間譜光滑，呈現(xiàn)多峰形式，而且激發(fā)極化馳豫時間常數(shù)小于10秒，其他巖心的分析結(jié)果相同。
由于激發(fā)極化馳豫時間譜和毛管壓力曲線都與巖石的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此這二者必然存在較好的相關(guān)性。
可以通過毛管壓力曲線求取巖石的孔喉分布，孔喉半徑與毛管壓力之間的關(guān)系如下
ri=2σcosθ/Pci---(5)]]>其中σ為的界面張力，θ為接觸角，ri孔喉半徑，Pci為毛管壓力。對于汞和空氣系統(tǒng)ri=0.75/Pci---(6)]]>從這個公式可以由毛管壓力曲線求取孔喉分布。
由激發(fā)極化理論可知，孔喉半徑為ri=Ri/C=DTi/C=hTi---(7)]]>其中Ri為孔隙半徑，C為常數(shù)，與孔喉孔隙半徑之比相關(guān)，h為常數(shù)，等于 D為離子擴散常數(shù)，該是表明可以通過馳豫時間譜確定孔喉分布，只是必須由如下假設(shè)孔隙為球形，且孔喉孔隙半徑之比為常數(shù)。
一旦知道地層的孔隙結(jié)構(gòu)，就可以求出地層的滲透率，本發(fā)明給出的滲透率模型為K＝c×φm×(D×T)，式中c和m為常數(shù)，K為滲透率，φ為孔隙度，T為弛豫時間常數(shù)平均值。
Tg為激發(fā)極化馳豫時間的幾何平均值，如下式所示。
Tg=Σi=1NSiΠi=1NTiSi]]>式中N為反演指數(shù)的數(shù)目。與加權(quán)平均值概念相似，Tg的含義是，它給出了巖心內(nèi)部不同T馳豫時間的平均值，一定大小的孔隙具有一定大小的馳豫時間T，孔隙半徑與T的二分之一次方具有正比關(guān)系，因此從油層物理角度看，它給出了巖心孔隙半徑平方的平均值，而Tg1/2代表了孔隙半徑的平均值。
則滲透率模型變?yōu)镵＝c×φm×(D×Tg)實施例1、如圖4所示為激發(fā)極化馳豫時間譜與由毛管壓力曲線求得的孔喉分布曲線，14號巖心的孔喉主要分布在3到16μm的區(qū)域，而馳豫時間譜同樣存在一個主峰(位于1000ms左右)，二者重合的非常好；15號巖心有兩個主要的孔喉分布區(qū)域，同樣馳豫時間譜也由兩個主峰，顯然二者重合的很好。
這些結(jié)果顯示，完全可以由激發(fā)極化馳豫時間譜確定巖石的孔隙孔喉結(jié)構(gòu)，通過孔隙孔喉結(jié)構(gòu)可以求取滲透率，具有求取滲透率精度高的特點。
實施例2、下面結(jié)合油田某個區(qū)塊具體實驗數(shù)據(jù)來說明其孔隙度和滲透率通過對某個區(qū)塊30塊巖芯的滲透率模型參數(shù)擬合，得到該區(qū)塊的c和m分別為20和1.78，選擇該區(qū)塊其它15塊巖芯，其實際測量的孔隙度、滲透率參數(shù)以及計算的滲透率如下所示實際測量的孔隙度、滲透率以及計算的滲透率參數(shù)表

以上結(jié)果表明，除了少數(shù)幾個滲透率非常低的巖芯的相對誤差比較大之外，其它的結(jié)構(gòu)均能滿足要求，因此結(jié)合馳豫時間譜和孔隙度數(shù)據(jù)，可以精確地求取滲透率。
權(quán)利要求
1.一種利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法，其特征在于a、測量目的層時間域激發(fā)極化衰減曲線；b、對衰減曲線進行多指數(shù)反演得到弛豫時間譜；c、弛豫時間譜得到孔徑分布；d、利用孔徑分布求取滲透率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法，其特征在于激發(fā)極化測量在時間域中進行，測量步驟為供電一定時間，測量斷電后的衰減譜V(t)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法，其特征在于衰減譜V(t)按照t＝0時的二次場V(0)歸一化，然后進行多指數(shù)擬合，即V(t)V(0)=Σi=1NSiexp(-t/Ti)]]>Si代表時間常數(shù)為Ti的孔體積百分比，Si對Ti作圖可以得到弛豫時間譜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法，其特征在于弛豫時間常數(shù)與孔隙半徑的關(guān)系為Ri=D×Ti]]>其中Ri為第i個孔的半徑，D為溶質(zhì)的擴散系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法，其特征在于孔喉半徑與弛豫時間常數(shù)關(guān)系為ri=hTi]]>其中ri為孔喉半徑，h為常數(shù)，該式表明可以通過馳豫時間譜確定孔喉分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法，其特征在于利用激發(fā)極化弛豫時間譜可以確定孔隙結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法，其特征在于弛豫時間譜與滲透率的關(guān)系模型為K＝c×φm×(D×T) (4)式中c和m為常數(shù)，K為滲透率，φ為孔隙度，T為弛豫時間常數(shù)平均值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法，其特征在于滲透率模型中的系數(shù)c和m是通過每個區(qū)塊的巖心的孔隙度和滲透率參數(shù)進行擬合而得到的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用巖石激發(fā)極化譜確定孔隙結(jié)構(gòu)和地層滲透率的方法，其特征在于系數(shù)c和m，經(jīng)過適當(dāng)刻度以后，結(jié)合測量的相應(yīng)區(qū)塊現(xiàn)場測量的孔隙度和弛豫時間常數(shù)平均值，得到相應(yīng)的滲透率。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用巖石激發(fā)極化譜確定地層滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)的方法。解決了現(xiàn)有的激發(fā)極化測井方法參數(shù)唯一、影響因素復(fù)雜的問題。其特征在于首先由恒流源通過控制單元給供電電極供電，使巖心產(chǎn)生極化場，然后斷電，極化場隨時間逐漸衰減，對衰減電位測量可以得到激發(fā)極化衰減譜，對衰減譜進行多指數(shù)衰減擬合，得到弛豫時間譜，能夠定量描述地層的毛管壓力和孔隙結(jié)構(gòu)，結(jié)合孔隙度資料和弛豫時間幾何平均值求出滲透率。具有求取滲透率精度高和能夠進行現(xiàn)場求取的特點。
文檔編號G01V3/18GK1570670SQ200410037439
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月8日
發(fā)明者王偉男, 童茂松 申請人:大慶石油管理局