专利名称：从动电和电渗测量润湿性的制作方法
技术领域：
本发明广泛涉及对地层的表征。更具体地，本发明涉及利用测量地层 的动电和/或电渗特性来确定地层的润湿性的设备和方法。
背景技术：
大量石油保存在亲油和混合润湿的碳酸盐储层中。通过确定地层是亲 水、亲油还是混合润湿的，可以确定石油的位置来指导工作以便获得石油。 岩石润湿性是表征储层的参数，难以在井筒现场测量。在用油基泥浆钻的
井的侵入区有亲水砂岩变为亲油的迹象。侵入区的润湿性知识在Rxo和核 磁共振记录的理解中是特别重要的。岩石润湿性可以由岩核分析和/或综 合电缆记录例如电阻率记录、核记录和核磁共振记录来确定。
然而，在用于确定润湿性的技术中，已知的各种方法有缺陷，包括进 行测量需要大量的时间以及需要提供和储存放射性材料。
岩石样品的动电耦合常数可以在实验室中准确测量。大量亲水岩石样 品的耦合常数已经被确定。David B. Pengra， Po - zen Wong, Low frequency AC Electrokinetic (低频交流动电力学)，Colloids and Surfaces , 159(1999)283-292。然而，由于测量几何图形的限制，在地基中现场精确 测量耦合常数更加困难。传感器一般仅位于钻井中；为了测量而隔离一部 分岩石常常是不实际的。因此，测量必须在开放几何图形中进行，更容易 受非均质性、各向异性、岩层边界效应、钻井效应等所引起的不确定性的 影响。原理上，这些问题与任何电缆测量的那些问题(例如，通过电缆工 具精确测量电阻率的问题)并无不同。
发明内容
本发明的各种实施例可以处理现有技术的一些缺陷。本发明的实施例目的在于根据动电和/或电渗测量来确定润湿性。在亲水岩石中，在水和 岩体之间的界面上存在一种带电的偶极层。可动的正电荷在水中，不动的 负电荷在岩体中。动电电流与压力梯度成比例，比例常数是动电耦合常数。 流体电流与电场成比例，比例常数是与动电耦合常数相等的电渗耦合常 数。
动电耦合常数是岩石的特性，强烈取决于岩石的润湿性。在亲油岩石 中，不存在岩体和水之间的界面。取而代之的是，岩体与油的界面以及油 与水的界面。耦合常数的大小和符号可用于区别亲油岩石和亲水岩石。至 于混合润湿的岩石，其耦合常数的值可介于亲水岩石和亲油岩石耦合常数 值之间。通过与对不同岩石核心和不同混合润湿性的实验室测量建立的数 据库比较，在钻井中测量的耦合常数可用于定量表征混合润湿的岩石。
在本发明的一个实施例中， 一种方法包括在最接近井筒的地层中产 生压差；测量最接近井筒地层的流动电势，该流动电势由压差引起；通过 利用对流动电势的测量，确定最接近井筒的地层润湿性。在一些实施例中， 压差具有小于1Hz的频率。在其它的实施例中，压差具有地震频率。在其 它的实施例中，压差具有声频。在其它的实施例中，压差具有超声频率。
在本发明的另一实施例中， 一种方法包括在最接近井筒的地层中产 生压差；测量最接近井筒地层的产生的动电特性，所产生的动电特性由压 差引起；将电场施加到最接近井筒的地层中；测量最接近井筒的地层中产 生的压力变化，所产生的压力变化由电场引起；通过利用对所产生的动电 特性的测量和对所产生的压力变化的测量，确定最接近井筒的地层的润湿 性。
在本发明的另一个说明性实施例中， 一种用于勘测地层的设备包括 适于在最接近井筒的地层中产生压差的压差源；适于测量最接近井筒的地 层的流动电势的传感器，该流动电势由压差引起；适于通过利用对流动电 势的测量来确定最接近井筒的地层的润湿性的处理器。
本发明的另一个说明性的实施例提供了一种设备，该设备具有适于 在最接近井筒的地层中产生压差的压差源；适于测量最接近井筒的地层的 产生的动电特性的第一传感器，所产生的动电特性由压差引起；至少一个 将电场施加到最接近井筒的地层中的电极；适于测量最接近井筒的地层中产生的压力变化的第二传感器，所产生的压力变化由电场引起；通过利用 对所产生的动电特性的测量和对所产生的压力变化的测量，确定最接近井 筒的地层的润湿性的处理器。
根据此处的描述和附图本发明将变得清晰。 图1A是亲水岩石孔隙的透视图； 图1B是亲油岩石孔隙的透视图2是根据本发明第一说明性实施例的schlumberger (斯伦贝谢)模
块化地层动力试验器(MDTTM)工具的透视图3是根据本发明第二说明性实施例的有线声学动电工具的透视图； 图4是根据本发明第三说明性实施例的有线超声动电工具的透视图； 图5是根据本发明第四说明性实施例的具有泥饼去除工具的有线声学
动电工具的透视图；和
图6是根据本发明第五说明性实施例的有线声学电渗工具的透视图。
具体实施例方式
本发明的各种实施例提供了用于使用动电和电渗测量来确定地层润 湿性的方法与装置。动电耦合常数和电渗耦合常数彼此相等，强烈依赖岩 石的润湿性。亲油岩石的耦合常数可远小于亲水岩石的耦合常数，而且其 符号可与亲水岩石的耦合常数符号相反。耦合常数的大小和符号可用于区
别亲油岩石和亲水岩石。对于混合润湿的岩石，其耦合常数的值介于亲水 岩石和亲油岩石的耦合常数的值之间。根据一些实施例，通过与关于不同 岩石核心和不同混合润湿性的实验室测量建立的数据库比较，在井筒中测 量的耦合常数可用于定量表征混合润湿的岩石。
在亲水岩石中，水和岩体之间的界面上存在一种带电的偶极层。可动 的正电荷在水中，不动的负电荷在岩体中。亲水岩石中孔隙100和亲油岩 石中孔隙200的示意图如图1A和1B所示。在图1A中，油UO基本上被 水120包围。水120与亲水岩石130在水性基质界面135处实质接触。 带电偶极层140的存在引起两种现象动电和电渗。动电包括由岩石中的压力梯度产生电流(动电电流)，电渗是由岩石中的电场产生流体运动。动 电电流与压力梯度成比例，比例常数是动电耦合常数。流体流与电场成比 例，比例常数是与动电耦合常数相等的电渗耦合常数。动电耦合常数是岩 石的特性，强烈依赖于岩石的润湿性。
在亲油的储油岩石中，如图1B所示，没有水性基质界面和与那些界 面有关的带电偶极层。在油性基质界面上，原油210中的极性分子可以引 起有限量的动电耦合。水220大量地远离亲油岩石230。然而，由于没有 太多电流可以从油性基质界面235中产生，预计这种耦合比亲水岩石中的 耦合更弱。有一些实验证据表明，亲油岩石的耦合常数数量级小于亲水岩 石的耦合常数数量级，甚至可以为相反的符号。SaadF. Alkafeef， Meshal K. Algharaib, Abdullah F. Alajmi, Hydrodynamic thickness of petroleum oil adsorbed layers in the pores of reservoir rocks (在储油岩层孑L隙中石油吸附 层的水压厚度)，Journal of Colloid and Interface Science ，298( 2006)p. 13-19。
带电偶极层是动电耦合的来源。当流体在所施加的压力梯度下移动 时，可动的正电荷将随着流体移动。在直流和准稳定状态下，这种电荷运 动引起流动电势(动电电压变化)。在交流频率下，这种电荷运动是声电耦 合的来源。当可动的正电荷在所施加的电场下移动时，流体将与电荷一起 移动。在直流和准稳定状态下，这种流体运动被称为电渗。在交流频率下， 这种流体运动是电-声耦合的来源。流动电势和电渗的大小取决于动电耦 合常数。Onsager的互易定理说明用于流动电势和用于电渗的耦合常数彼 此相等。在交流频率下，用于声-电耦合和用于电-声耦合的耦合常数也彼 此相等并且与频率相关。
在地震、声或超声频率下，动电可以通过测量由地震、声或超声源引 起的电信号来观察。电渗可以通过测量由同样频率的电源引起的地震、声 或超声信号来观察。
正如以上的讨论，动电和电渗的来源是界面上的带电偶极层。数学表 达式可以用下式表示。
z:一avj/-i:v;) (l)g丄Vr-土Vp (2)
等式(l)中的电流f具有两项。第一项是传导电流，与电势梯度VK或电 场￡ =卜7^成比例，比例常数是传导率cr。第二项是动电电流，与压力梯 度Vp和动电耦合常数丄成正比。在等式(2)中流体电流g也有两项。第一项 是电渗电流，与电场和动电耦合常数成比例。第二项描述Darcy流*是 渗透率，//是粘度。
地层中的电场和压力通过等式(l-2)结合在一起。如上所述，动电描述 了由压力变化在储油地层中产生电流和电压变化。在直流和极低频率下， 压力变化可以通过打开和关闭控制阀和泵产生，由压力传感器监测。控制 阀、泵和压力传感器可以放置在井筒中或地面上。在地震、声或超声波频 率下，压力变化可以通过位于井筒中或地面上的地震、声或超声发射器产 生。产生的电流(动电电流)和电压变化(流动电势)可以由连接到位于井筒 中电极的电子仪器测量。压力变化，或地震、声或超声信号将被称为用于 动电的发射信号，电流或电压将被称为接收信号。
正如以上的讨论，电渗描述了由所施加的电场在储油地层中产生流体 电流和压力变化。所施加的电场可以由连接到位于井筒中的电极的电子仪 器产生。在直流或极低频率下，产生的压力变化可以通过位于井筒中的压 力传感器监测。在地震、声或超声频率下，产生的压力变化可以通过位于 井筒中的地震、声或超声接收器监测。所施加的电场将被称为用于电渗的 发射信号，压力变化、地震、声或超声信号将被称为接收信号。
地层中的电场和压力之间的耦合强度由耦合常数Z确定。由于耦合主 要由岩体和水之间的界面上的带电偶极层产生，所以耦合常数对岩石是亲 油还是亲水非常敏感。亲油岩石的耦合常数预计比较小，可以与亲水岩石 的耦合常数符号相反。小耦合常数意味着，对于发射信号的给定强度来说， 接收信号的强度是弱的。亲水岩石和强亲油岩石的耦合常数是极其不同 的。对给定级别的发射信号强度应用的接收信号强度的简单的阈值可用于 区别这两种岩石。耦合常数丄可以根据发射信号和接收信号通过解方程式 (l-2)来确定。
纯亲油岩石的动电耦合常数数量级比亲水岩石的耦合常数数量级小。因此，如果本发明的目的仅仅是区别亲水岩石和纯亲油岩石，则耦合常数 测量的精确性在本发明的一些应用中可能并不重要。
在一个实施例中，通过对于给定级别的发射信号强度将阈值应用于接 收信号强度，可以相互区分强亲油岩石和亲水岩石。
在钻井中有许多可行方法来产生并测量动电中的流动电势。本发明的 各种实施例可以利用电缆工具来实施。此外，流动电势和电渗还可以用随 钻录井(LWD)工具和/或永久性设备来测量。
关于用电缆、随钻录井(LWD)和油田的永久性设备来测量流动电势存 在一定量的发明公布。示例包括Chen等的美国专利No. 6,978,672和美 国公开申请No. 2005 / 280419A1; Chen等的美国公开申请No. 2006 / 0125474; Chen等的美国公开申请No. 2006/0089804; Chen等的2005年 9月递交的美国申请No. 11 / 223,644; Chen等的2005年9月递交的美国 申请No. 11 223,676; Chen等的公开申请No. 2005/0279495;和Chen等 的美国公开申请No. 2005 / 0279497，结合于此作为参考。
根据本发明说明性的实施例,作为无限制的示例，可以通过添加一排电 极310来改进现有的schlumberger模块化地层动力试验器(MDT，)工具 300，如图2示意地所示。流体可以从地层1000中产生或从井筒1010中 的MDT^^探头320注入到地层1000中，相应的流动电势可以用如图所示 的一排电极测量。MDT 中的压力传感器可用于确定地层压力和流体注 入或产生压力。由于MDTW探头穿过泥饼1020，所以泥饼1020的存在 不是问题。
当流体在探头处首先从地层产生或注入到地层中时，压力梯度将在地 层中产生。在最早期，在浅区的压力梯度是最高的。流动电流与耦合常数 成比例，并与压力梯度成比例。因此，在早期，流动电势对侵入区的润湿 性敏感。在后期，压力梯度扩散进地层更深处，流动电势变得对未被侵入 区的润湿性更敏感。早期数据有浅的探测深度，后期数据有较深的探测深 度。
在schlumberger技术公司的Chandler等的美国专利No. 4，427，944中 陈述了用附属于MDTW/RFTW型探头的电极测量流动电势的原理。在一 些示例中，MDT工具的改进可以如增加一个电极一样简单。根据压力数据和流动电势数据，耦合常数可以利用流体扩散模型来计 算。因而可以根据耦合常数的大小和符号来确定地层的润湿性。
动电还可以在声频下测量。在图3中示意地示出了有线声学动电工具
400。通过使用电缆405将该工具表示在井筒1010中。在工具400上存在 用于在地层1000中产生压力振动的声波发射器410， 一个或多个检测地 层1000内的压力振动大小的声波接收器420, —个或多个检测流动电势 的电极430。可以根据声和电测量来转换在声频下的动电耦合常数。由于 声信号和电信号都可以穿透泥饼1020，所以泥饼1020的存在不是问题。 可以对在泥饼中通过声波产生的流动电势提供补偿。
可选地或此外，图3的声波发射器、接收器和电极可以选择性地安装 在连接地层的垫板上。这种布置将提高地层的声耦合并有助于在超声频率 下进行测量。另一个例子在图4中说明，其中工具500在井筒1010中以 连接最接近地层1000的泥饼1020的垫板的形式示意地说明。工具500包 括超声换能器510和紧靠最接近地层1000的泥饼1020的多个电极520。
电_声和声_电测量都可以在地震、声或超声频率下进行。由于动电耦 合常数是与频率相关的，所以一个示例性实施例可以在固定频率下迸行测 量以简化对润湿性的解释，虽然本发明不受此限制。在示例中，由于用高 占空比的和强的信号产生窄频带电源比较容易，所以电-声测量使用电发 送器和声接收器。由于在超声频率下路面噪音更低，所以50 kHz-500 kHz 的频率范围是合适的。在较高的超声频率下，可能需要安装在推压地层的 垫板上的换能器，以避免在泥浆中的衰减。在垫板上有一个或多个电极如 电信号发射器，和一个或多个接收声信号的声换能器。这个测量原理能够 产生连续的润湿性记录。探测深度可以通过如电阻率记录中精确传输的电 信号来控制。由于与探测深度相比泥饼厚度小，所以泥饼中来自动电耦合 的信号应该是小的。对于亲油岩石，可以对亲水泥饼的影响提供修正。
本发明的另一个实施例利用相似的配置，但是用地震源代替声或超声 源，或者除了声或超声源之外利用地震源。工具与带有位于地震接收器旁 的电极的井筒地震工具很相似。
可选地，通过暂时去除泥饼可以在地层内产生压力脉冲。这可以通过 在工具上带有泥饼去除装置来实现，如图5示意地所示。切削边缘610可以由抽吸装置替代以去除泥饼。泥饼将在失衡压力下迅速回复，但是同时 压力瞬变现象已经在地层中产生。压力瞬变现象产生流动电势瞬变，流动 电势瞬变通过排列的电极620来检测。泥饼去除装置和电极可以选择性地
位于通过使用可收縮的支臂630推压地层的垫板上。
在钻井中有多种方法进行电渗测量。 一种方法是在声频下测量电渗。 例如，在图6中示意地示出了有线声学电渗工具700，其具有电缆705， 并位于井筒1010中。在工具上有一排在声频下发射电信号的电极710， 一个或多个声波接收器720。可以从监测到的电源和接收的声信号转换在 声频下的动电耦合常数。测量还可以在地震和/或超声波频率下进行。另 一个方法是具有连接地层的声波接收器。连接地层的声波接收器将提高接 收信号的强度，并避免在钻井中声波传播的混乱。测量还可以在地震或超 声波频率下进行。
许多储层具有混合润湿的岩石。为了解释混合润湿的储层中的现场数 据，可以就具有不同混合润湿性的不同岩石做实验来建立数据库。假如从 其它记录中已知岩石类型，用现场数据确定的耦合常数丄就可以与数据库 相比较来确定混合润湿性。为了定量表征岩石的混合润湿性，具有能够足 够精确地测量动电耦合常数的工具是有益的。在一个示例中，为了用新电 缆测量原理定量表征岩石的混合润湿性，可以收集至少三个方面的数据 数值模拟，实验室试验，和现场勘测。
可选地，在现场试验中测量的动电耦合常数可以与对岩核的实验室测 量相比较。优选地，确保所保存的岩核的润湿性在核化和恢复过程中没有 变化。
这里的说明性的实施例、实施方式和示例是说明性的而非限制性的。 已经举例描述了本发明，本领域技术人员可以理解在不脱离本发明的精神 的情况下对实施例所作的修改和变更。上述实施例的特性和特征可以结合 使用。优选实施例仅仅是说明性的，不应以任何方式理解为是限制性的。
权利要求
1. 一种勘测地层的方法，包括步骤在最接近井筒的地层中产生压差；测量最接近井筒的地层的流动电势，该流动电势由所述压差产生；通过利用对流动电势的测量来确定最接近井筒的地层的润湿性。
2. 权利要求l所述的方法，其中，在产生压差的步骤中，压差具有小 于lHz的频率。
3. 权利要求l所述的方法，其中，在产生压差的步骤中，压差具有地 震频率。
4. 权利要求l所述的方法，其中，在产生压差的步骤中，压差具有声频。
5. 权利要求l所述的方法，其中，在产生压差的步骤中，压差具有超 声频率。
6. 权利要求l所述的方法，其中，在确定润湿性的步骤中，确定动电 耦合常数，并通过参考与己知岩石类型的多个混合润湿性值相关的多个动 电耦合常数来确定混合润湿性值。
7. —种勘测地层的方法，包括步骤 将电场施加到最接近井筒的地层；测量在最接近井筒的地层中产生的压力变化，所产生的压力变化由电 场引起；通过利用对所产生的压力的测量来确定最接近井筒的地层的润湿性。
8. 权利要求7所述的方法，其中，在施加电场的步骤中，电场具有小 于lHz的频率。
9. 一种勘测地层的方法，包括步骤 在最接近井筒的地层中产生压差；测量最接近井筒的地层的产生的动电特性，所产生的动电特性由压差 引起；将电场施加到最接近井筒的地层；测量在最接近井筒的地层中所产生的压力变化，所产生的压力变化由电场引起；通过利用对所产生的动电特性的测量和对所产生的压力变化的测量， 确定最接近井筒的地层的润湿性。
10. 权利要求9所述的方法，其中，确定润湿性的步骤包括确定电渗 耦合常数和动电耦合常数中的至少一个。
11. 权利要求10所述的方法，其中，在确定润湿性的步骤中，将电渗 耦合常数和动电耦合常数中的至少一个与相应于已知岩石类型的多个混 合润湿性值的数据作比较。
12. 权利要求9所述的方法，其中，在测量所产生的动电特性的步骤中， 动电特性是流动电流。
13. 权利要求9所述的方法，其中，在测量所产生的动电特性的步骤中， 动电特性是流动电势。
14. 权利要求9所述的方法，其中，确定润湿性的步骤包括将所产生 的动电特性和所产生的压力变化中的至少一个与阈值作比较，以确定最接 近井筒的地层是亲油的还是亲水的。
15. —种用于勘测地层的设备，包括压差源，其适于在最接近井筒的地层中产生压差； 传感器，其适于测量最接近井筒的地层的流动电势，该流动电势由压 差引起；以及处理器，其适于通过利用对流动电势的测量来确定最接近井筒的地层 的润湿性。
16. 权利要求15所述的设备，其中，所述压差源发出小于lHz的频率。
17. 权利要求15所述的设备，其中，所述压差源发出地震频率。
18. 权利要求15所述的设备，其中，所述压差源发出声频。
19. 权利要求15所述的设备，其中，所述压差源发出超声频率。
20. 权利要求15所述的设备，其中，至少将压差源和传感器集成到成 组的电缆工具和随钻录井工具之一中。
21. —种用于勘测地层的设备，包括压差源，其适于在最接近井筒的地层中产生压差；第一传感器，其适于测量最接近井筒的地层的产生的动电特性，所产 生的动电特性由压差引起；至少一个电极，其用于将电场施加到最接近井筒的地层；第二传感器，其适于测量在最接近井筒的地层中产生的压力变化，所 产生的压力变化由电场引起；以及处理器，其适于通过利用对所产生的动电特性的测量和对所产生的压 力变化的测量来确定最接近井筒的地层的润湿性。
22. 权利要求21所述的设备，其中，所述处理器被构造成确定电渗耦 合常数和动电耦合常数中的至少一个。
23. 权利要求21所述的设备，其中，所述第一传感器测量流动电流。
24. 权利要求21所述的设备，其中，所述第一传感器测量流动电势。
25. 权利要求21所述的设备，其中，至少将压差源、第一传感器和第二传感器集成到成组的电缆工具和随钻录井工具之一中。
全文摘要
提供了用于采用动电和/或电渗测量来勘测地层的方法和装置。在一个示例中，该方法包括在最接近井筒的地层中产生压差；测量最接近井筒的地层的产生的动电特性，所产生的动电特性由压差引起；将电场施加到最接近井筒的地层中；测量最接近井筒的地层中产生的压力变化，所产生的压力变化由电场引起；通过利用对产生的动电特性的测量和对产生的压力变化的测量，确定最接近井筒的地层的润湿性。
文档编号G01N13/00GK101498644SQ20081000326
公开日2009年8月5日 申请日期2008年1月28日 优先权日2008年1月28日
发明者奥斯汀·博伊德, 杰弗里·A·塔文, 陈民彝 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司