專利名稱：油藏中天然氣的核磁共振測井法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法，利用該方法可以確定含烴氣的多孔地層的特性，該地層中有井眼穿過。
在開發(fā)油氣藏時，用測井方法來確定可開采油氣的儲量。為了確定油氣藏的諸如孔隙空間的孔隙度和水及油氣飽和度，已經(jīng)開發(fā)出了一系列測井工具，如密度測井儀，中子測井儀，以及電阻率測井儀等。這些測井工具在石油工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。但是，為了用這些測井工具精確地測定地層孔隙度，必須了解巖石的巖性。利用電阻率測井測定油氣飽和度時，還必須知道許多其它的巖石和流體特性例如礦化度，膠結(jié)指數(shù)，飽和度指數(shù)以及泥質(zhì)含量。而且，在連續(xù)測井(亦即不取液樣)作業(yè)中，估計孔隙大小和滲透率的方法還不為人們所知。
在美國專利5,309,098；5,291,137；5,280,243；5212,447；4,717,878；4,717,877；4,717,876以及4,710,713中描述了核磁共振(“NMR”)測井儀及其使用方法。核磁共振測井儀能夠測定油藏中孔隙體積內(nèi)的液體含量。其中，尤其是5,291,137號專利，描述了一個Carr-Purcell-Meiboom-Gill(“CPMG”)脈沖序列和回波響應(yīng)，以及一種求得自由流體孔隙度，總NMR孔隙度，邊界流體孔隙度，自旋-自旋馳豫時間(與砂巖中孔隙大小的分布有關(guān))和連續(xù)滲透率測井結(jié)果的方法。CPMG脈沖序列間的恢復(fù)時間一般在0.5～1.5秒之間。由于在典型的油藏條件下甲烷的馳豫時間大于3秒，因而用該方法測得的總NMR孔隙度不能包括烴氣所占的體積。
新近研制的一種新型測井儀器，即MRIL(賓夕法尼亞馬爾文的TM NUMAR公司)，是一種以巖性無關(guān)方式測定液體填充孔隙度的儀器，也就是說，在測定孔隙度時，該測井儀器的儀器響應(yīng)無需巖性校正。MRIL利用了孔隙空間中運動質(zhì)子的脈沖核磁共振。但按照儀器生產(chǎn)商的說法，該儀器不能測定孔隙空間中烴氣的含量。例如，NUMAR的Chandler等人在SPE(石油工程師學(xué)會)28635“雙頻脈沖核磁共振儀器改善了測井質(zhì)量”一文中指出“(烴)氣造成了MRIL孔隙度的減小，這種減小是不可校正的。這種“氣體效應(yīng)”是所有NMR測井儀器的共同特征”。
這種“氣體效應(yīng)”是一個主要的缺點，因為在大多數(shù)油藏中，主要或唯一的油氣資源是天然氣。這些油藏中的孔隙流體僅由鹽水和天然氣組成。不能測定天然氣的含量意味著NMR測井儀器將不能夠測定氣體填充的孔隙度，它必須和其它測井儀器如密度和中子測井儀器的測井結(jié)果進行比較，才能確定孔隙度的大小。
因此，本發(fā)明的一個目的就是提供一種方法，根據(jù)該方法，利用核磁共振測井，至少可以確定地層的孔隙大小和烴氣所占的孔隙體積之一，其中無需知道除孔隙壓力和溫度之外的其它地層特性。本發(fā)明的另一個目的是測定地層中烴氣的含量，其中無需知道地層巖性就可以測定該地層中的天然氣含量。
本發(fā)明的再另一個目的，就是提供一種測定不受地層粘土含量影響的地層孔隙大小的方法。
本發(fā)明的上述和其它目的用一種方法可以實現(xiàn)，該方法可以確定含烴氣的多孔地層的特性，這里所說的地層中被一個井眼穿過，該方法包括下列步驟利用等于或大于烴氣縱馳豫時間的恢復(fù)時間獲得NMR測井曲線；根據(jù)NMR測井曲線，確定橫馳豫時間的分布，其中包括基于烴氣的橫馳豫時間；以及估計出至少下列兩者之一，即地層孔隙大小和烴氣占據(jù)的孔隙體積。
在一個較好的實施方案中，用所獲得的另一個NMR測井曲線估計烴氣所占據(jù)的體積，該NMR測井采用了遠遠小于烴氣縱馳豫時間的恢復(fù)時間。前后兩個NMR測井的總信號幅值相減，其剩余結(jié)果與油藏條件下的天然氣的含氫指數(shù)相除，即可確定烴氣所占據(jù)的孔隙體積。換句話說，烴氣所占據(jù)的體積可以由第一和第二個NMR測井結(jié)果估算出來，即從第二個NMR測井的橫馳豫時間分布中減去第一個NMR測井的橫馳豫時間分布，用油藏條件下天然氣的有效含氫指數(shù)去除該差值，即可確定烴氣所占據(jù)的孔隙體積。在本發(fā)明的該實施例的實施中，如果還有油存在，則應(yīng)在T2范圍內(nèi)對兩個NMR測井結(jié)果之差求積分。在T2范圍內(nèi)，預(yù)計烴氣和油的氣體響應(yīng)將會有區(qū)別。
利用常磁場梯度或脈沖磁場梯度，可以測定氣體的擴散系數(shù)，利用體積擴散中因封閉孔隙造成的擴散系數(shù)的限幅，可以估計出孔隙大小和滲透率。
用脈沖NMR測井儀器可以精確地測定出烴氣飽和度或孔隙體積中的烴氣含量，該NMR測井儀器所采用的NMR脈沖序列中包括一個大于烴氣縱馳豫時間的恢復(fù)時間。根據(jù)地層中其它流體含量的不同，可能需要另外一條NMR測井曲線，其脈沖序列中包括一個等于或小于烴氣縱馳豫時間的恢復(fù)時間，一條密度測井曲線和/或一條伽馬射線測井曲線，才能確定地層中的流體含量。
本發(fā)明的一個重要方面就是認為地層中的氣體通常都是非潤濕的。如此，則氣體的縱馳豫時間T1通常就是整個氣體相的縱馳豫時間，而不象潤濕性液體如鹽水情況下那樣受到表面馳豫的削弱。整個烴氣相的T1只依賴于烴氣相的溫度和壓力，對大多數(shù)油氣藏來說，溫度和壓力是可以精確地測知的。此外，烴氣的T1一般都比其它油氣藏流體(如鹽水和原油)的T1長。
即使在泥質(zhì)含量很高、地層很致密的情況下，也可以測得烴氣的NMR信號，因為水的NMR信號馳豫速度快，難以測定。天然氣的高擴散率導(dǎo)致測得的擴散系數(shù)受限于大多數(shù)巖石的孔隙，原因是回波間的時間太短。在水相的T1和橫馳豫時間T2較短的泥質(zhì)巖石中，由于回波間的時間與T1和T2相比大長，因而要測定水相的擴散是不太可能的。但若以天然氣做為擴散示蹤劑，則即便是巖石泥質(zhì)含量較高的情況下，也能夠測定有限擴散系數(shù)。
有限擴散系數(shù)是孔隙大小的一個標(biāo)志，對于MRIL公司的C型測井儀(磁場梯度為17高斯/厘米，回波時間間隔為1.2毫秒)，當(dāng)巖石的孔隙度約為30PU(孔隙度單位)、孔徑大于1000微米時，甲烷的擴散就不存在任何限制。當(dāng)孔徑為20微米時，可以觀察到相當(dāng)明顯的限制，而當(dāng)孔徑等于或小于0.1微米時，擴散系數(shù)將完全限制在(Do/彎曲率)之內(nèi)，其中Do是體積擴散系數(shù)。
以下將對本發(fā)明進行更詳細的描述，并參照附圖用例子來加以說明。


如下圖1所示是不同溫度下甲烷的T1與壓力的函數(shù)關(guān)系曲線。
圖2所示是一個用于測定縱馳豫時間T2的典型的CPMG反射信號序列(帶90°脈沖相變)。
圖3所示是不同溫度下天然氣的含氫指數(shù)與壓力的函數(shù)關(guān)系曲線。
圖4所示是不同溫度下，用MRIL C型測井儀測得的天然氣的T2中自由擴散的T2與壓力的函數(shù)關(guān)系曲線。
圖5所示是不同孔隙度情況下，甲烷擴散的T2對馳豫有限制時，天然氣的T2的對數(shù)值與孔徑的倒數(shù)的函數(shù)關(guān)系曲線。孔徑是由MRIL C型測井儀測得的。
圖6A所示是含鹽水和天然氣的某砂巖的T2直方圖，其中砂巖孔隙的直徑為1000微米，甲烷的擴散系數(shù)不受限于體積擴散。
圖6B所示是含鹽水和天然氣的某砂巖的T2直方圖，其中砂巖孔隙的直徑為100微米(100×10-6米)，甲烷的擴散系數(shù)稍微受限于體積擴散。
圖6C所示是含鹽水和天然氣的某砂巖的T2直方圖，其中砂巖孔隙的直徑為20微米(20×10-6米)，甲烷的擴散系數(shù)嚴重受限于體積擴散。
圖6D所示是含鹽水和天然氣的某砂巖的T2直方圖，其中砂巖孔隙的直徑小于0.1微米(0.1×10-6米)，使得甲烷的擴散系數(shù)限制在1/(彎曲率)之內(nèi)。
圖7所示是用本發(fā)明中的方法所得的測井曲線。
圖7A～7C，8A～8C，9A～9C所示是測井曲線，其中包括了按本發(fā)明中的方法所獲得的NMR測井曲線。
核磁共振測井可以測定四種性質(zhì)Mo，T1，T2和D，其中Mo是核磁化強度平衡值，T1是縱馳豫時間，T2是橫馳豫時間，D是擴散系數(shù)。前三者無需磁場梯度，而D的測定則需要磁場梯度。該磁場梯度可以是永磁場梯度，也可以是脈沖磁場梯度。由于信號強烈，回轉(zhuǎn)磁比高，因而NMR測井一般限于測定氫(1H)含量。
本發(fā)明中的NMR測井要經(jīng)過石油工業(yè)上使用的典型的NMR測井曲線修正，方法是將脈沖序列間的恢復(fù)時間延長至所測地層中烴氣的縱馳豫時間或更長。配合賓夕法尼亞馬爾文的NMUAR公司提供的MRILC型NMR測井儀，可以使用諸如美國專利5,291,137中所描述的CPMG回波序列。MRIL測井儀可以探測離井壁4或5英寸(0.1016～0.127米)之厚的這部分地層的性質(zhì)。由于離井壁2或3英寸(0.0508～0.0762米)之內(nèi)的巖石受到鉆井液的侵洗，一般不能代表該地層，因而這個結(jié)果還是比較令人滿意的。
氣體(如甲烷)的縱馳豫時間T1僅僅是溫度和壓力的函數(shù)，而與地層的其它性質(zhì)無關(guān)。例如，C.J.Gerritsma等人在“質(zhì)子自旋晶格馳豫和甲烷中的自擴散-論文2”(《物理學(xué)報》第5卷第392期(1971))論述了甲烷的T1。一般認為T1與密度成正比，并隨著絕對溫度的變化而變化，如下式所示In(T1)=A-B(1T)]]>其中A和B是常數(shù)，T為絕對溫度。
天然氣主要由甲烷和輕質(zhì)烷烴組成，一般甲烷占天然氣體積的75％以上。由于本發(fā)明的假定烴具有C1.1H4.2的烴組成，因而根據(jù)本發(fā)明的作法來估計某一地層中烴氣的性質(zhì)時，其精確度是足夠的。
現(xiàn)在參照圖1，圖1所示是組成為C1.1H4.2的某天然氣流的T1在不同溫度下與壓力的函數(shù)關(guān)系。利用式(1)可以外推至其它溫度。曲線a～f分別表示100～350°F(37.8～176.7℃)之間增幅為50°F(27.8℃)時的各個T1，單位為秒。
在典型的油氣藏條件的實例中，甲烷的密度可能為大約0.2g/cm3，溫度大約為200°F(93.3℃)，則此時甲烷的T1約為4秒。一般6秒鐘的恢復(fù)時間就大于T1，則此時的NMR測井結(jié)果對于根據(jù)本發(fā)明所進行的作業(yè)是很有用的。因此，為了不使來自甲烷的信號處于完全飽和的狀態(tài)，CPMG序列中的恢復(fù)時間(TR)應(yīng)大于4秒，最好在大約6～12秒之間，即氣體的T1的2～3倍。在典型的油氣藏中，天然氣的T1約為3～6秒。
現(xiàn)在參照圖2，圖中示出了一個CPMG脈沖序列，該脈沖序列有一個90°脈沖相變，該脈沖序列用于測定橫馳豫時間T2。
在該脈沖序列中，有一個90°的射頻脈沖(位于拉莫爾頻率處)，其后在時間tcp處等距離分布著一系列180°脈沖。180°脈沖的間距為2tcp，例如在MRIL C測井圖上該時間短至1.2毫秒。在每個180°脈沖之間可求得一個自旋回波e。在時間TR之后該脈沖序列重復(fù)出現(xiàn)，帶有一個反相的90°射頻脈沖(相對于前一個90°射頻脈沖而言)。從前面的回波系列中減去后繼的負回波系列e，得到相干信號，還可消除儀器的人為因素的影響。
若孔隙空間存在多種流體，且孔隙大小分布范圍較寬，則NMR信號A(t)可表示成指數(shù)式衰減之和A(t)=Σi=1naie-tT2I---(2)]]>式中ai為常數(shù)，T2i是代表馳豫時間的常數(shù)，n是一個整數(shù)，其中nT2i按等對數(shù)間隔選擇。一般n的間隔為35～50時，比較適合回波數(shù)據(jù)。用多指數(shù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換時間域數(shù)據(jù)，可以得到一個直方圖，或ai與T2i的函數(shù)關(guān)系曲線。例如美國專利5,291,137中就討論過這種轉(zhuǎn)換。受固體約束的組分的馳豫時間一般都遠遠小于不受固體約束的組分的馳豫時間。地層中的表(界)面一般都是油或水潤濕的，但不存在氣潤濕性表面，因此，可以忽略氣體的表面馳豫效應(yīng)。
圖2所示的NMR響應(yīng)中的回波系列的多指數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果可以表示成一個T2馳豫時間分布。對給定的不同T2i，與ai進行擬合，橫坐標(biāo)即是與每個T2i時間常數(shù)相關(guān)的信號幅。
在圖2中，脈沖序列在恢復(fù)時間TR之后重復(fù)出現(xiàn)。若TR大于三倍的T1，則幾乎全部馳豫都將出現(xiàn)。若TR與T1相比不是太大，則在計算部分飽和度時，應(yīng)采用校正因子α。下式是校正因子計算公式α=(1-e-TRT1)Mo----(3)]]>式中Mo是核磁化強度平衡值，由NMR測井測得。但是，若TR遠遠小于T1，則磁化強度將完全飽和，從天然氣中將檢測不到信號，由于孔隙水和大多數(shù)原油的T1相當(dāng)小，因而進行兩次NMR測井就可以將烴氣與水和原油區(qū)分開來，其中一次NMR測井恢復(fù)時間小于烴氣的馳豫時間，另一次NMR測井等于或大于烴氣的馳豫時間。由兩次測井曲線的差別就可以識別出烴氣。
這兩次測井的測井曲線的差別代表了與NMR響應(yīng)相對應(yīng)的烴氣分布，它可以用來測定地層的孔隙大小。由于氣相中氫氣占主導(dǎo)地位的馳豫機理不同于液相中的情況，因而測定地層孔隙的大小是可能的。
NMR測井曲線與氫氣含量相對應(yīng)。在解釋NMR測井曲線時，用含氫指數(shù)(“HI”)將NMR結(jié)果轉(zhuǎn)化為體積單位。HI是相對于標(biāo)準(zhǔn)條件下液態(tài)水的氫原子密度。
在油氣藏的條件下，水和液態(tài)烴的HI大約為1。氣態(tài)烴的HI也已知道，例如，得克薩斯休士頓的施倫貝謝教育服務(wù)中心出版的《施倫貝謝測井解釋原理/應(yīng)用》(1987)一書，尤其是其中第45頁圖5～17中，可以查知氣態(tài)烴的HI值。其中比甲烷稍重的天然氣的密度和HI值，在大約2,000～10,000psi(13.72～68.6兆帕)的壓力和大約100～350°F(37.8～176.7℃)的溫度條件下，分別為大約0.1～0.3克/厘米3和0.2～0.6。盡管該HI值小于1，但它使得用本發(fā)明的NMR脈沖序列能夠測得烴氣的存在，還是足夠大了。
現(xiàn)在參照圖3，該圖是某組成為C1.1H4.2的天然氣的HI與不同溫度下壓力的函數(shù)關(guān)系曲線。曲線g～l代表的是100～350°F(37.8～176.7℃)范圍內(nèi)，溫度每遞增50°F(27.8℃)時各溫度下的HI。
“有效HI值”是指α和HI的乘積。
NMR測得的是被測地層的一部分中液相氫原子的密度。用HI去除該密度，可將其轉(zhuǎn)化成體積分數(shù)ΦNMR。由于水和液態(tài)烴的HI幾乎相同，因此，在后面的討論中HI僅用于氣相。
若地層中不存在液態(tài)自由水和液態(tài)自由烴，則可采用等于或大于氣體的縱馳豫時間的恢復(fù)時間，取得一次NMR測井曲線。與比水-氣橫馳豫時間下限(例如32毫秒)大的橫馳豫時間相對應(yīng)的信號是由于烴氣的存在而造成的，而與比該水-氣下限小的橫馳豫時間相對應(yīng)的信號，則是由于水的存在而產(chǎn)生的。
當(dāng)存在液態(tài)自由水，但沒有液態(tài)自由烴時，通過一次NMR測井仍然可以了解烴氣體積的大小，但需要配合密度測井和伽馬測井(用來測定地層的粘土含量)。對于該方法，可以用一個公式求得地層的總密度或體積密度ρB。若地層中含有粘土、水和烴氣，但不含液態(tài)烴，則如下式，ρB可以表示為各個成分的密度與其體積分數(shù)之積的和ρB＝(1-Vcl-φw-φg)ρma+Vclρcl+φwρw+φgρg(4)其中Vc1是粘土的體積分數(shù)，Φw是水的體積分數(shù)，Φg是烴氣的體積分數(shù)，ρma是巖石基質(zhì)的密度，ρcl是粘土的密度，ρw是不受粘土束縛的水的密度，ρg是烴氣的密度。
由于NMR測井對流體有響應(yīng)，則NMR測得的總體積分數(shù)為φnmr＝φw+α(φgHIg)(5)將式4與式5合并，消去Φw，可以求出Φgφg=ρB-(1-VC1-φnmr)ρma-VC1ρC1-φnmrρwρg-ρma+αHIg(ρma-ρw)---(6)]]>單個組分的密度可以較精確地加以估算。用測井比如伽馬-伽馬測井法可以測得體積密度，伽馬射線測井可以確定粘土的體積分數(shù)。因此，通過式6，利用一次NMR測井(恢復(fù)時間大于地層烴氣的縱馳豫時間)、密度測井如伽馬-伽馬測井、和伽馬射線測井的測井曲線，就可以估算出烴氣的體積分數(shù)。
當(dāng)為確定地層中的烴氣而進行兩次NMR測井時，烴氣的體積可以直接由兩次NMR測井的測井曲線求得，而無需任何其它信息。每次測井可求得一個Φnmr值和α值；當(dāng)恢復(fù)時間大于烴氣的縱馳豫時間時，求得Φnmr1和α1，而當(dāng)恢復(fù)時間小于烴氣的縱馳豫時間時，求得的是Φnmr2和α2。兩次NMR測井得到如下兩個式子φnmr1＝φw+α1(φgHIg) (7)和φnmr2＝φw+α2(φgHIg) (8)則烴氣的體積分數(shù)Φg可由式7、式8求得φg=φnmr1-φnmr2(α1-α2)HIg----(9)]]>將兩個CPMG序列的總信號幅和T2分布相減，即可得到烴氣單個的信號幅和T2分布。
當(dāng)兩個CPMG序列相減時，可以對目的層進行兩次測井，也可以利用由諸如MRIL C型測井儀探測的兩個環(huán)形帶的不同的脈沖序列。MRIL C型測井儀可以測得相距0.09英寸(0.2286厘米)的兩個環(huán)形帶中的獨立的CPMG序列。其中一個CPMG序列可以利用比甲烷的T1長的Tr，另一個CPMG序列則可以采用比甲烷的T1短的Tr。例如，當(dāng)?shù)貙又械臒N氣的T1在地層條件下為4秒鐘時，一個Tr可以是6～12秒鐘，而另一個可以是1.5秒鐘。由于對同一層重復(fù)測兩次有可能引入深度偏移，因此雙環(huán)形帶法與兩次測井法相比，效果更為理想。
若地層含水、輕質(zhì)油和烴氣，則烴氣和輕質(zhì)油所占的孔隙體積可以測定，但必須使用帶脈沖梯度的NMR測井儀，而且必須進行兩次NMR測井。其中一次NMR測井的馳豫時間等于或大于烴氣的縱馳豫時間，另一次NMR測井的馳豫時間小于烴氣的縱馳豫時間。輕質(zhì)油可以像烴氣一樣，具有較長的T1，因而在減去T2分布時，T2分布被消去。通過在各響應(yīng)對兩次響應(yīng)的T2所作的圖上找到兩個測井間的位置而得到兩個測井的差值圖，就可以標(biāo)識出基于烴氣和輕質(zhì)油的NMR響應(yīng)。為了弄清哪個響應(yīng)是由烴氣和輕質(zhì)油質(zhì)油引起的，必須明白地層中存在的組份的馳豫機理。
巖石中對T1和T2有影響的馳豫機理(1)流體中的分子運動，(2)孔隙壁上的表面馳豫以及(3)分子在磁場梯度中的擴散。
第一種機理，由于分子的局部運動如分子的轉(zhuǎn)動而被稱做整體馳豫。當(dāng)主要的馳豫機理是整體馳豫時，橫馳豫時間與縱馳豫時間相等。整體馳豫是液態(tài)水和液態(tài)烴的主要馳豫機理，液態(tài)烴的T1的期望值T10(毫秒)與其粘度μ(厘泊)之間具有近似的函數(shù)關(guān)系，如下式所示T10=1200μ0.9-----(10)]]>第二種馳豫機理是孔隙壁上的表面馳豫，也就是當(dāng)1H原子核緊密靠近滯留在顆粒表面的順磁性離子(如鐵、錳離子)時1H的馳豫。這是潤濕巖石表面的流體(如水)的主要馳豫機理。但由于烴氣對巖石來說是非潤濕性流體，而且它們也不會緊密地靠近巖石表面，因而對烴氣而言該機理可以忽略。這種馳豫一般很快。
第三種馳豫機理是分子在磁場梯度中的擴散，這種馳豫機理只影響T2而不影響T1。因此，當(dāng)擴散成為主要的馳豫機理時，T2與T1就會不同。擴散僅僅是烴氣的主要馳豫機理。
T2范圍的下限是自由擴散，在該范圍中可能有烴氣的NMR響應(yīng)。上限由有限擴散確定。
使用一個CPMG序列，當(dāng)擴散不受孔隙大小限制時，由擴散引起的馳豫時間(T2D)是T2D=3γ2G2DOtCP2----(11)]]>式中γ是1H的回轉(zhuǎn)磁比(26,741弧度/秒·高斯)(26,741×104弧度/秒·特斯拉)，D0是自由擴散系數(shù)，G是NMR儀的磁場梯度，Tcp是CPMG脈沖間隔的一半。
超臨界甲烷的D0是溫度和密度的函數(shù)，例如，Gerritsma等人在Supra，Dawson等人在《鋁化學(xué)雜志》(ALCHE)第16卷，第5期，1970中揭示了兩者的函數(shù)關(guān)系。
在典型的油氣藏條件下，甲烷的密度大約是0.2克/厘米3，擴散系數(shù)大約為水的50倍，即109×10-5厘米2/秒，水的擴散系數(shù)為2×10-5厘米2/秒。因此，在自由體積擴散情況下，使用MRIL C型測井儀(G＝17高斯/厘米(17×10-2特斯拉/米)，tcp＝0.6毫秒)，則根據(jù)式(11)，T2D等于37.1毫秒。
現(xiàn)在參照圖4，該圖示出了不受孔隙直徑限制的自由擴散的T2D與不同溫度下壓力的函數(shù)關(guān)系曲線，溫度范圍為100～350°F(37.8～176.7℃)，以增幅50°F(27.8℃)遞增，分別對應(yīng)于圖中的曲線m～r，采用MRIL C型測井儀的參數(shù)。
當(dāng)流體在很多孔隙中擴散時，有限擴散系數(shù)D’與無限擴散系數(shù)D0’之比趨于一個極限值，該極限值為彎曲度的倒數(shù)。彎曲度定義為地層電阻率因數(shù)F與地層孔隙度Φ的乘積。
地層電阻率因數(shù)是可以測定的，例如感應(yīng)測井就可測出該因數(shù)，用密度或中子測井可測得孔隙度，若NMR響應(yīng)范圍中預(yù)期會出現(xiàn)烴氣的NMR響應(yīng)，則該范圍的上限就是有限擴散的馳豫時間T2D’，即T2D′=3γ2G2D′tCP2-----(12)]]>現(xiàn)在參照圖5，圖中示出了甲烷的T2D’的對數(shù)值與孔隙直徑倒數(shù)的函數(shù)關(guān)系曲線，其中曲線s，t和u分別表示孔隙度為10、20和30％情況下的函數(shù)關(guān)系曲線。
選定一個T2范圍，在該范圍內(nèi)，烴氣的波峰預(yù)期呈下降趨勢，而且根據(jù)地層中預(yù)期存在的液態(tài)烴的粘度，可以確定出液態(tài)烴波峰的預(yù)期位置，則可將兩次NMR測井曲線的T2分布峰區(qū)分開，其一為烴氣峰，另一個為液態(tài)烴的峰。據(jù)此，可以計算出烴氣和液態(tài)烴各自所占的孔隙體積，方法是對峰下的面積求積分，將烴氣峰下面積的積分結(jié)果除以地層條件下烴氣的HI即可。此外還應(yīng)考慮到式3中的校正因子α，根據(jù)烴氣的T1，NMR測井的TR大于縱馳豫時間時的校正因子為α(τL，T1g)，TR小于縱馳豫時間時的校正因子為α(τs，T1g)，則烴氣所占孔隙體積Φg為φg=∫T2DT2D′ΔP(T2)dT2HI[α(τL,Tlg)-α(τS,Tlg)]---(13)]]>式中ΔP是兩次NMR測井曲線T2分布的差值，可以表示成T2的函數(shù)。
液態(tài)烴所占據(jù)的孔隙體積Φ0，也可以計算出來對兩次NMR測井曲線之差的曲線下方的面積進行積分，積分區(qū)間以T20為中心，為T20±§，其中§是根據(jù)液態(tài)烴峰的寬度選定的，則φg=∫T20-ξT20+ξΔP(T2)dT2[α(τL,Tl0)-α(τS,Tl0)]---(14)]]>式中α(τL，T10)就是式3中的α，它是NMR測井時TR大于烴氣的縱馳豫時間和液態(tài)烴的T1時的α，而α(τs，T10)則是NMR測井時TR小于烴氣的縱馳豫時間和液態(tài)烴的T1時的α。
MRIL C型測井儀的探測深度為16英寸(0.4064米)。在8英寸(0.2032米)井眼中，則井壁上探測深度應(yīng)為4英寸(0.1016米)。油基泥漿侵入地層的深度沒這么大，因而是根據(jù)本發(fā)明進行作業(yè)時的較好的鉆井泥漿。對于低侵入油基泥漿，由MRIL C型測井儀測得的含氣飽和度是非沖洗帶含氣飽和度。特別是ESCAID110油基鉆井泥漿，其中含80％的ESCAID110和20％的CaCl2飽和鹽水，其侵入地層的深度很淺，因而是一種較好的泥漿體系。
D/Do可以表示成(Doτ)1/2的函數(shù)，其中D是有限擴散系數(shù)，τ是固定梯度實驗的回波間隔時間，或脈沖場梯度NMR的梯度間脈沖時間。對于只有少許有限擴散發(fā)生的一段短時間來說，有下式成立DD0=1-49π(SV)D0τ-----(15)]]>式中
是孔隙的比表面積。對于較長的回波時間，當(dāng)流體通過許多孔隙擴散時，
趨于1/彎曲度。彎曲度被定義為地層電阻率因數(shù)F與地層孔隙度Φ的乘積。地層電阻率因數(shù)可以測得，例如用感應(yīng)測井法可以測得該因數(shù)，而用中子測井可以測得孔隙度。
用Pade近似法可以對短、長回波時間特性進行擬合。一個適用的Pade近似法表達式如下所示D(t)D0=1-(1-1Fφ)[4D0τ9π(SV)-(1-1Fφ)D0τD0θ(1-1Fφ)-4D0τ3π(SV)+(1-1Fφ)D0τD0θ]-----(16)]]>式中Φ為地層孔隙度，F(xiàn)為地層電阻率因數(shù)，θ為擬合參數(shù)，可由下述關(guān)系式估算θD0≡100(SV)-2----(17)]]>若含氣飽和度(Sg)不等于1，用Sg/FΦ代替1/FΦ。
根據(jù)式6、7，由給定的一套流體特性和由已知回波時間的NMR測井測得的D，可以求出一個S/V值，對于直徑為d的圓形孔隙，d與S/V具有如下函數(shù)關(guān)系d=6(SV)-1----(18)]]>一般用該關(guān)系式估算某地層中孔隙的大小，也可以在根據(jù)本發(fā)明所進行的作業(yè)中使用，以估算由式7確定的S/V的孔隙大小。
圖6A示出了孔隙度為30PU(孔隙度單位)的砂巖的T2示意直方圖，砂巖中只含有鹽水和天然氣，孔隙直徑為1000μ，甲烷的擴散系數(shù)不受體積擴散的限制。MRIL C型測井儀參數(shù)是設(shè)計好的。該砂巖具有束縛水的飽和度，對于砂巖來說，這意味著束縛水的T2小于30毫秒。因而所有的水都被表面相互作用所束縛，不能成為自由水。甲烷的T2D使其在37毫秒處有一個峰。假定在油氣藏條件下甲烷的含氫指數(shù)(HI)為0.35，則37毫秒峰下的面積被0.35除，得到30PU(孔隙度單位)的總孔隙度和70％的含氣飽和度。甲烷峰位于37毫秒外，表明孔隙直徑為1000μ或更大。
圖6B所示是一個孔隙度為30PU的砂巖的T2示意直方圖，砂巖中僅含鹽水和天然氣，孔隙直徑為100μ，甲烷的擴散系數(shù)稍微受限于體積擴散。甲烷的T2D為42.8毫少，說明有輕微的來自體積擴散的限制。
圖6C所示是一個孔隙度為30PU的砂巖的T2示意直方圖，砂巖中僅含鹽水和天然氣，孔隙直徑為20μ，甲烷的擴散系數(shù)嚴重受限于體積擴散。甲烷的T2D為60毫秒。
圖6D所示是砂巖的T2示意直方圖，砂巖中僅含鹽水和天然氣，孔隙直徑小于0.1μ，甲烷的T2D為122毫秒，對于該巖石來說，D/D0達到了其最大值，即(1/彎曲度)。
一旦由甲烷的T2D估算出孔隙大小，就可以利用常用的公式由孔隙大小估算滲透率。美國專利4,719,423中論述了這些公式，則參考文獻，有關(guān)內(nèi)容在此聲明并入本發(fā)明。
在更普遍的情況下，巖石的孔隙空間中可能是三相(即鹽水、原油和烴氣)共存。另一種復(fù)雜情況是鹽水相并非處于殘余飽和度狀態(tài)。若巖石孔隙空間中鹽水、原油和天然氣以分離的兩相存在，部分或全部具有重疊T2馳豫，則可以得到回波序列不同的兩次測井曲線。其中一條測井曲線采用這么一種回波序列，即恢復(fù)時間遠遠小于烴氣的縱馳豫時間T1，而另一條測井曲線，其恢復(fù)時間則等于或大于烴氣的縱馳豫時間。將兩次測井的信號幅相減，剩余結(jié)果就代表了基于烴氣的T2分布。該方法是基于這么一個事實，即甲烷的T1遠遠大于鹽水和原油的T1。
CPMG序列有一個總幅值，根據(jù)CPMG序列的數(shù)據(jù)經(jīng)過多指數(shù)轉(zhuǎn)換可以得到一個T2分布，無論前者減后者，或后者減前者，所得結(jié)果即為烴氣的總幅值，或僅僅是烴氣的T2分布。
在對兩個CPMG序列做減法處理時，可以對目的層進行兩次或多次測井，也可采用測井儀(如MRIL C型測井儀)所探測的兩個環(huán)形帶的不同的脈沖序列。用CPMG C型測井儀測井時，可以得到相距0.09英寸(2.286×10-3米)的兩個環(huán)形帶各自的CPMG序列。其中一個CPMG序列采用比甲烷的T1大的TR，另一個則采用比甲烷的T1小的TR。例如，當(dāng)?shù)貙又袩N氣的T1在地層條件下為4秒鐘時，一個TR可選擇6～12秒鐘，而另一個TR則可選擇1.5秒鐘。與進行兩次測井相比，雙環(huán)形帶法更勝一籌，因為對同一地層重復(fù)測井時，有可能引入深度偏移。
MRIL C型測井儀探測深度為16英寸(0.4064米)。在8英寸(0.2032米)井眼中，可以探測到井壁地層中4英寸(0.1016米)深處。油基泥漿很少能侵入到地層中這樣的深度，因此，在根據(jù)本發(fā)明進行作業(yè)時，鉆井液最好是油基泥漿。對于低侵入的油基泥漿來說，用MRIL C型測井儀測得的含氣飽和度是非沖洗帶的含氣飽和度。尤其是ESCAID110油基鉆井液，它含有80％的ESCAID110和20％的CaCl2飽和鹽水，因其侵入地層的深度很小，因而是一種較好的泥漿體系。
實施例為了證明本發(fā)明的優(yōu)越性，對墨西哥灣的一口井進行了兩次測井，實驗采用MRIL C型測井儀和一個帶相變的CPMG回波序列。恢復(fù)時間為6和3秒鐘。預(yù)計地層可能存在的烴氣的馳豫時間估計為4秒鐘。已知地層中只含烴氣，不存在液態(tài)烴。按前述方法對CPMG數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，得到馳豫時間分布。從馳豫時間32～1024毫秒(代表烴氣)對這些分布進行積分。此外還得到了常規(guī)測井曲線?，F(xiàn)在參照圖7中中子測井曲線(表示孔隙度)103和密度測井曲線(伽馬-伽馬測井曲線)102，它們是井深的函數(shù)曲線。一般中子-密度測井曲線有交迭，交迭區(qū)112表明有烴氣存在。曲線115和116表示的是感應(yīng)電阻率。曲線117代表自然伽馬測井曲線。曲線118和119分別表示兩條NMR測井曲線，它們的差值就是面積114。
墨西哥灣另一口井用MRIL C型測井儀測井，其CPMG回波序列帶相變。這個例子可以說明，根據(jù)本發(fā)明進行具體作業(yè)時一次NMR測井的作業(yè)方法?；謴?fù)時間為6秒鐘，超過了地層中預(yù)計存在的任何烴氣的4秒鐘的馳豫時間估計值。已經(jīng)知道該地層只含烴氣。不含液態(tài)烴。按前述方法對CPMG數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，求得馳豫時間分布。在馳豫時間0～2毫秒(代表粘土束縛水)、2～32毫秒(代表非粘土束縛水)以及大于32毫秒(代表烴氣)的區(qū)間上對這些分布進行積分。同時，也獲得了常規(guī)測井曲線?，F(xiàn)在參照圖7A中的中子測井曲線(表示孔隙度)103，聲波測井同線101和密度測井曲線(伽馬-伽馬測井曲線)102，它們都是深度的函數(shù)曲線。一般情況下，中子-密度測井曲線的“交疊區(qū)”被認為是烴氣存在的表征。在這一段測井曲線中，兩條曲線只有點接觸，并未產(chǎn)生交疊。聲波測井也可以指示地層中烴氣的存在。若聲波測井曲線的讀值超過了111曲線所示的值(如陰影區(qū)104所示)，表明地層中有烴氣存在。
現(xiàn)在參照圖7B，這是NMR測井結(jié)果與井深的函數(shù)關(guān)系圖，井深刻度與圖7A一致。馳豫時間小于大約32毫秒的信號表示有束縛水存在，105區(qū)代表束縛水-粘土束縛水，106區(qū)代表毛細管束縛水。107區(qū)是馳豫時間在32～1024毫秒的信號，表明有烴氣存在。馳豫時間大于1024毫秒的物質(zhì)上有油基泥漿濾液存在的跡象。對比圖7A和圖7B，可以看出，烴氣本來存在，但常規(guī)方法例如密度-中子測井曲線交疊法卻測不出來。對這種現(xiàn)象的解釋是，密度-中子測井曲線交疊受到了泥質(zhì)含量的壓縮。
參照圖7C可以更好地理解本發(fā)明，該圖所示是NMR響應(yīng)(代表馳豫時間區(qū)間)與井深的函數(shù)關(guān)系曲線。井深刻度與圖7A、圖7B一致。馳豫時間小于2毫秒的NMR響應(yīng)畫在底部，馳豫時間在2～4毫秒之間的NMR響應(yīng)畫在標(biāo)有2毫秒的曲線上，其馳豫時間以幾何方式遞增。馳豫時間大于1024毫秒的響應(yīng)表明在NMR測井的層位有油基泥漿侵入。
與圖7A～7C相對應(yīng)，圖8A～8C和圖9A～9C分別示出了井眼中不同層段的測井曲線。圖8A～8C特別顯示出了含有大量烴氣的地層層段的測井曲線，該結(jié)果與中子-密度測井曲線交疊區(qū)112以及指示烴氣存在的NMR測井曲線的107區(qū)相關(guān)很好。而且，圖8C還顯示出了有大量油侵入地層的響應(yīng)，即馳豫時間大于1024毫秒的響應(yīng)，它是測井曲線的一部分。圖9A～9C特別顯示出了含有一定量烴氣(112區(qū)和117區(qū))和大量非束縛水(113區(qū))地層的響應(yīng)。
上述例子表明，在利用一條NMR測井曲線確定地層中有無烴氣存在時，本發(fā)明是十分有用的。
權(quán)利要求
1.一種確定含烴氣的多孔地層特性的方法，該地層中有一口井穿過，該方法包括下述步驟用等于或大于烴氣縱馳豫時間的恢復(fù)時間獲得一條NMR測井曲線；由該NMR測井曲線確定出橫馳豫時間分布，其中包括基于烴氣的橫馳豫時間；至少估算出地層孔隙大小和烴氣所占孔隙體積兩者之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中烴氣所占孔隙體積是根據(jù)由NMR測井曲線得到的橫馳豫時間分布估算的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2的方法，還包括一個步驟，即由橫馳豫時間分布確定上述地層中所含烴氣的有限擴散系數(shù)，其中，該地層中孔隙的大小可由該有限擴散系數(shù)估算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任一項的方法，其中，NMR測井曲線形成一條脈沖NMR測井曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項的方法，還包括一個步驟，即確定基于烴氣的橫馳豫時間的分布，方法是用恢復(fù)時間遠小于烴氣縱馳豫時間的恢復(fù)時間獲得另一條NMR測井曲線，然后將兩條NMR測井曲線的橫馳豫時間分布相減。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中，第二條NMR測井曲線形成一條脈沖NMR測井曲線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一項的方法，其中，將密度測井曲線與由NMR測井曲線所獲得的橫馳豫時間分布配合使用，以估算烴氣所占孔隙體積。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7中任一項的方法，其中，一個Carr-Purcell序列被應(yīng)用于NMR測井曲線中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8中任一項的方法，其中，地層孔隙大小是估算出來的，而且還包括一個步驟，即由估算出的地層孔隙大小來估算地層滲透率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9中任一項的方法，還包括估算烴氣的馳豫時間這一步驟。
11.此前參照附圖實質(zhì)上描述了的方法。
全文摘要
公開了一種方法，用該方法可以確定含烴氣的多孔地層特性，該地層有一個井眼穿過。該方法包括下述步驟用等于或大于烴氣縱馳豫時間的恢復(fù)時間獲得核磁共振(NMR)測井曲線，由NMR測井曲線確定包括基于烴氣的橫馳豫時間在內(nèi)的橫馳豫時間分布。據(jù)此至少可以估算地層的孔隙大小和烴氣所占孔隙體積兩者之一。
文檔編號G01N24/00GK1161085SQ95195714
公開日1997年10月1日 申請日期1995年10月19日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月20日
發(fā)明者R·阿克特, P·N·圖特吉安, H·J·維尼加 申請人:國際殼牌研究有限公司