本申请要求先前提交的临时专利申请的权益和优先权，所述申请是2015年11月12日提交的美国序列号62/254,524，所述申请的内容据此以引用的方式并入。
本文公开了一种用于根据在富有机质泥岩(也称为富有机质页岩)中进行的井眼测井测量来确定地层参数的地层评估方法和工作流程。
背景技术：
有机页岩储层的地层评估涉及新方法的开发。许多针对常规储层开发的地层评估方法在页岩储层和源岩中是无效的。在米歇尔能源开发公司(medc)于1982年在巴耐特页岩中对垂直井进行钻探和完井之前，石油产业并未预料到非常紧密的页岩源岩也可能成为可商业化生产的油气储层。对medc井进行钻探以勘探巴耐特页岩产气潜力。尽管medc1-slay井发现了气体，但所述气体不能以商业化速率生产。随后的井(包括1991年在巴耐特页岩中钻探的水平井mdec-1sims)也被证实是以非商业化流速生产气体。于2002年收购medc公司的戴文能源公司继续并改进了medc公司开始的工作。戴文和其他公司所做出的突破帮助实现了近年来席卷北美的页岩油气革命。这些导致良好商业化生产速率的改进主要是在钻探和完井技术领域进行的，例如，长的水平井的多级水力压裂。
与测井在常规储层中的重要性相比，测井在北美页岩资源区(play)(例如，鹰堡、巴耐特、海恩斯、巴肯等)中起到的作用有所减小，这在某种程度上是由标准测井解释方法以及用于传递可靠的页岩储层参数的测井工具的失败造成的。这导致经营者采取暴力方法而不是依赖基于科学的测井测量解释来做出完井决定。
有机页岩区(play)中经营者感兴趣的一些地层参数是总有机碳(toc)、有机成熟度等级(lom)、孔隙度、油母岩体积和流体体积。进行了大量工作来表征有机丰富程度(例如，测井中的富有机质页岩源岩中的toc)。源岩的测井评估工作早于北美页岩气油储层的开发和生产，即，它在所述产业充分认识到源岩也可能成为储层之前就已经展开。所提出的一种方法被称为“δlogr方法”，这种方法像其他相关方法一样利用这样的事实，即：在富有机质页岩中，由于存在低密度和低速固体有机物质(其中大部分是油母岩)，因此密度和声波测井孔隙度读数太高。富有机质页岩可以通过异常高的伽马射线计数率(大大超过放射性粘土的正常伽马射线读数)与贫有机质页岩区分开来。如果声波或密度孔隙度测井和深部读数电阻率测井在贫有机质页岩中被缩放以彼此覆盖，那么在富有机质页岩中，两条曲线将分离。通过校准到常规岩心或侧壁样本上的toc的实验室测量结果，分离可能与toc有关。对toc的校准取决于成熟度等级(lom)，所述lom是无法精确获知的，除非岩心样本的实验室镜质体反射率测量结果可用。这种预测toc的方法的一些问题在于，它是依赖于用户的，并且它还使用可能无法精确获知的lom。
孔隙度是页岩储层中非常有用的储层参数，因为它表示烃类的存储容量和生产潜力。产热的页岩气储层(例如，巴耐特页岩)中通常存在的天然压裂通常用方解石加以胶结，并且可能在烃类的生产中起很小的作用或不起作用。因为页岩储层通常具有较低孔隙度，例如在2p.u-8p.u.范围内，因此精确地测量页岩孔隙度比假定具有30p.u.孔隙度的常规储层更有帮助。根据富有机质页岩的测井确定精确的孔隙度测量结果是很困难的。如上所述，低密度和低速有机物质的存在导致密度和声波测井推导出的孔隙度读数太高。类似地，热中子孔隙度读数太高在某种程度上是因为粘土矿物中间层中存在呈羟基(oh)基团形式的氢，并且热中子孔隙度还可能受强热中子吸收原子核(诸如硼)的存在的影响。nmr测井工具孔隙度经常用于估算岩石孔隙度，因为它能看到流体并且它不受油母岩的影响。如果孔隙空间中的一些流体是与水相比具有较低氢指数的气体(或轻油)，那么nmr孔隙度读数太低。
确定流体类型(水、油和气)和流体体积是有机页岩储层和源岩的地层评估的另一个有用部分。在未成熟富有机质源岩中，孔隙空间充满了盐水，并且所述孔隙是矿物颗粒之间的间隙空间。来自植物和动物残骸的有机物质与无机沉积物同时沉积在海洋、湖泊和沼泽中，并且在数百万年间被埋藏并暴露于细菌、高温和压力。这种有机物质最终转化成油母岩——一种富含碳和氢的固体有机物，它是常规以及非常规石油储层的主要原料。在埋藏历史期间已暴露于足够的温度和压力的成熟源岩中，随着温度升高，油母岩首先转化成沥青，然后转化成石油，并且然后转化成气体。如果源岩保留了烃类，那么它也是石油储层。
取决于富有机质页岩的成熟度等级，孔隙空间可以包含以下各项中的任一项：(1)水，(2)水和油，(3)水、油和气，或者(4)水和气。取决于气体组成以及压力和温度，气体组成可以从干气(例如，甲烷)变成湿气或者作为液相气体凝析物存在。随着资源的成熟度增加，页岩中油母岩的体积百分比和重量百分比降低，并且其化学组成发生变化(例如，氢碳原子比降低)，然而，热降解的油母岩仍然存在于成熟页岩油气储层中。在产热转化成烃类的过程中，第二孔隙度系统在油母岩内逐渐形成。随着烃类的形成，油母岩变得充满了孔隙。这些孔隙的这些表面被认为是烃湿润的，并且在正确的条件下，气体可以冷凝到孔隙表面上。这种次生孔隙度系统有时被称为有机孔隙度，而间隙孔隙度有时被称为无机孔隙度。总页岩孔隙度是无机孔隙度和有机孔隙度的总和，并且它是流体和气体的存储容量。
使用nmr扩散测量结果进行的流体类型和流体体积确定(在常规储层中进行这种确定以在水、油和气体之间进行区分)通常不在页岩中进行，因为非常小的孔隙大小限制了分子扩散，并且导致较快的t2弛豫速率，这降低了对分子扩散的nmr灵敏度。nmr弛豫时间分布可能受各种因素(例如，内部磁场梯度和磁性矿物质)的影响，这些因素可能会削弱基于页岩中弛豫时间的解释的可靠性。从实验室试验还得知，页岩中水和烃类nmr弛豫时间分布是重叠的。这意味着nmr弛豫时间分布不能用于计算可靠的水和烃类体积。使用阿尔奇方程或其他经验饱和度方程来根据电阻率和孔隙度确定水饱和度(如在常规岩石中进行的那样)可能在页岩储层中是无效的，因为孔隙大小非常小且矿物学特征复杂。具体地，页岩储层中小孔隙的大的表面与体积之比可能导致非常大的表面电导效应。此外，饱和度方程中未考虑到富有机质页岩储层中导电黄铁矿的存在对岩石导电率的影响。其他方法涉及使用现有的专家系统。
技术实现要素：
提供本概述来介绍一系列概念，这些概念将在以下详述中进一步描述。本概述既不意图认定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用来帮助限制要求保护的主题的范围。
本文公开了一种方法，所述方法包括使用处理器根据地球地层的体积密度和总核磁共振(nmr)孔隙度来估算所述地球地层的总孔隙度，其中所估算的所述地球地层的所述总孔隙度过低地表示所述地球地层的沥青含量。所述方法还包括：使用所述处理器根据所述体积密度和所述总nmr孔隙度来估算所述地球地层的气体填充孔隙度；以及使用所述处理器根据所述地球地层的所述气体填充孔隙度和总有机碳含量来估算所述地球地层的油母岩体积。使用所述处理器根据所述地球地层的所述估算的油母岩体积和所述估算的总孔隙度来确定所述地球地层的沥青填充总孔隙度。使用所述处理器根据所述地球地层的所述估算的油母岩体积和所述估算的总孔隙度来确定所述地球地层的经校正的油母岩体积。
本文还公开了一种系统，所述系统具有至少一个测井工具，所述至少一个测井工具用于从地球地层获取地层体积密度数据、核磁共振(nmr)孔隙度数据和有机碳含量数据。所述系统还包括与所述至少一个测井工具协作的处理器。所述处理器用于：根据所述地层体积密度数据确定所述地球地层的体积密度，根据所述nmr孔隙度数据确定所述地球地层的总nmr孔隙度，并且根据所述总有机含量数据确定所述地球地层的总有机碳含量。所述处理器还用于：根据所述体积密度和所述总nmr孔隙度来估算所述地球地层的气体填充孔隙度；根据所述地球地层的所述气体填充孔隙度和所述总有机碳含量来估算所述地球地层的油母岩体积；根据所述地球地层的所述估算的油母岩体积和估算的总孔隙度来估算所述地球地层的沥青填充总孔隙度；并且根据所述地球地层的所述估算的油母岩体积和所述估算的总孔隙度来确定所述地球地层的经校正的油母岩体积。
本文还公开了一种方法，所述方法包括：使用处理器根据地球地层的体积密度和总nmr孔隙度来估算所述地球地层的气体填充孔隙度；以及使用所述处理器根据所述气体填充孔隙度来估算所述地球地层的油母岩体积。所述方法还包括：使用所述处理器根据所述地球地层的所述估算的油母岩体积和估算的总孔隙度来估算所述地球地层的沥青填充总孔隙度；以及使用所述处理器根据所述地球地层的所述估算的油母岩体积和所述估算的总孔隙度来确定所述地球地层的经校正的油母岩体积。
附图说明
图1示出未成熟有机页岩源岩的模型；
图2示出成熟有机页岩油储层岩石的模型；
图3是示出油母岩中的有机孔隙度的成熟有机页岩气储层岩石的模型；
图4是未成熟页岩气储层的地层评估工作流程；
图5是成熟页岩气储层的地层评估工作流程；
图6a是地下电缆测井系统的示意图；
图6b是地下随钻测井和/或随钻测量测井系统的示意图。
具体实施方式
下面描述了一个或多个特定实施方案。这些实施方案仅仅是当前所公开的技术的实例。另外，为了提供对这些实施方案的简要描述，可能不会在说明书中描述实际实现方式的一些特征。应了解，在任何工程或设计项目中开发任何此类实现方式时，均做出特定于实现方式的许多决定以便实现开发人员的特定目标，所述决定诸如遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能因实现方式不同而有所不同。此外，应了解，此类开发努力可能复杂且耗时，但无论如何，对受益于本公开的一般技术人员来说，此类开发努力仍是常规的设计、建造和制造任务。
在介绍本公开的各种实施方案的要素时，冠词“一个(a)”、“一个(an)”和“所述”旨在意指存在一个或多个所述要素。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”以及“具有”旨在是包括性的，并且意指除所列出的要素之外可存在附加的要素。下文论述的实施方案旨在作为本质上是说明性的实例并且不应解释为意味着本文所述的特定实施方案本质上必定是优先的。另外，应理解，对本公开内的“一个(one)实施方案”或“一个(an)实施方案”的参考不应解释为排除也并入有所列举特征的附加实施方案的存在。
为了提供关于测井和地层评估领域的一些总体背景，图6a和图6b示出可以在陆上或海上部署的不同类型的井场系统。具体地说，图6a示出用于研究地球地层的电缆系统。如图所示，所述系统包括用于研究井眼32所穿过的地球地层31的核磁共振(nmr)测井装置30。nmr测井装置30在井眼32中悬挂在铠装电缆33(例如，测井电缆)上，所述电缆的长度大致上确定装置30的相对轴向深度。如可以了解的，电缆长度通过地表处的合适装置(诸如卷筒和绞车机构6)来控制。地面设备7可以是已知的类型并且可包括基于处理器的系统，这个系统与包括nmr测井装置30的井下设备通信。nmr测井装置30可包括在地层中产生静磁场的永磁体或磁体阵列，以及用于在地层中产生磁场脉冲并用于接收来自地层的自旋回波的一个或多个射频(rf)天线。本领域已知多种井下nmr测井工具，包括美国专利号4,710,713中公开的类型。
图6b示出用于随钻测井(lwd)和/或随钻测量(mwd)应用的另一种类型的井场系统的另一个实例。这里，通过以众所周知的方式进行旋转钻探来在地下地层中形成井眼11。一些实施方案还可使用定向钻探。如图所示，钻柱12悬挂在井眼11内并且具有井底总成(bha)100，所述bha100在其下端处包括钻头105。地表系统包括定位在井眼11上方的平台和井架组件10，其中所述组件10包括旋转台16、方钻杆17、吊钩18和旋转接头19。操作时，旋转台16(通过未示出的装置供给能量)使钻柱12旋转，所述旋转台16在钻柱的上端处接合方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19从附接到游动滑车(也未示出)的吊钩18悬挂下来，所述旋转接头19允许钻柱相对于吊钩旋转。如众所周知的，能够可替代地使用顶部驱动系统。
在这个示例性实施方案中，地表系统还包括存储在井场处所形成的凹坑27中的钻井液或泥浆26。泵29通过接头19中的端口将钻井液26递送到钻柱12的内部，从而致使钻井液如指向箭头8所指示的那样向下流过钻柱12。钻井液通过钻头105中的端口离开钻柱12，并且随后如指向箭头9所指示的那样通过钻柱的外侧与井眼的壁之间的环状区域向上循环。以这种方式，钻井液对钻头105进行润滑，并且在它返回到凹坑27以便再循环时将地层岩屑向上运送到地表。
所示实施方案的bha100包括随钻测井(lwd)模块120、随钻测量(mwd)模块130、旋转导向系统和电机150以及钻头105。lwd模块120可容纳在本领域已知的特殊类型的钻铤中，并且可包含一种或多种类型的测井工具。还应理解，可采用如120a处所表示的多于一个的lwd和/或mwd模块。lwd模块120包括用于测量、处理和存储信息并且用于与地表设备进行通信的能力。在本实施方案中，lwd模块包括nmr测量装置。
mwd模块130同样容纳在本领域已知的特殊类型的钻铤中，并且可包含用于测量钻柱和钻头的特性的一个或多个装置。mwd工具还包括用于向井下系统生成电力的设备(未示出)。这可以包括由钻井液26的流动提供动力的泥浆涡轮发电机，尽管也可采用其他电力和/或电池系统。以举例的方式，mwd模块130可包括以下类型的测量装置中的一个或多个：钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、黏/滑测量装置、方向测量装置以及倾度测量装置。图6b的组件10的操作可使用测井和控制系统152来控制，所述测井和控制系统152可包括一个或多个基于处理器的计算系统。
在本发明的情形中，处理器可包括微处理器、plc、fpga、asic、soc或能够执行存储在例如有形计算机可读介质上的编码指令的任何其他合适的集成电路。当被加载并执行来自有形计算机可读介质的编码指令时，处理器的各种晶体管被具体配置来履行那些指令，因为那些晶体管的偏置与其在被加载并执行编码指令之前的偏置不同。随着晶体管的偏置发生变化，晶体管内的物理带电粒子(诸如电子)的位置和浓度发生变化。因此，加载和执行编码指令实际上改变了处理器的晶体管的物理结构，从而使得处理器以物理方式并且以电子方式被配置为专用机器。控制系统152可以位于井场本地，或者可以远程定位。
如下面将更详细解释的，本文公开了一种用于根据在富有机质泥岩(也称为富有机质页岩)中进行的井眼测井测量来确定地层参数的地层评估方法和工作流程。从所述方法推导出的地层参数包括针对油母岩和流体的影响进行了校正的总孔隙度、油母岩体积分数和流体填充孔隙度的连续深度测井。这个信息是页岩资源的有机丰富程度和成熟度等级的量度，并且经营者用它来选择最有可能在水力压裂增产措施后产油或产气的那些区间。此外，工作流程的副产品是页岩中矿物质的重量分数和基质密度。矿物学信息是对以下各项的评估的有价值输入：岩石的“脆性”；以及水力压裂增产措施可形成延伸到地层深处的经连接的压裂网络的可能性，所述经连接的压裂网络用于在极低的渗透性(即，微达西至纳达西范围)的情况下从有机页岩储层得到高商业生产率。
此外，公开了一种用于有机页岩气储层、页岩油储层和未成熟页岩源岩的地层评估的方法。所述方法从页岩的组成的模型开始。图1、2和3中示出适用于未成熟有机源岩、成熟有机页岩油储层和成熟有机页岩气储层的模型。处于其埋藏早期的未成熟有机源岩含有有机物质，所述有机物质在埋藏更深和暴露于增加的压力和升高的温度之后最终转化成称为油母岩的固体不可溶有机物质。随着有机页岩在数百万年间被埋藏得更深并暴露于增加的压力和升高的温度，油母岩变成熟并转化成烃类，如图1、2和3所示。
根据一系列测量(包括密度、nmr、介电以及中子诱发的伽马射线能谱测井工具)系统地确定页岩储层的重要岩石物理性质(例如总孔隙度、油母岩体积以及油、气和水的体积和饱和度)。在有机页岩气和油储层(已知其成熟度已非常成熟，使得储层中不存在沥青和不可生产的油)中，则可以使用减少的一系列三种测量(即，密度、nmr和地球化学测井数据)来确定总孔隙度、油母岩体积以及水和气(或轻油)的体积。针对流体对nmr和体积密度测井的影响并且针对油母岩对体积密度测井响应的影响校正了总孔隙度。
能谱或地球化学测井工具用于确定总有机碳(toc)、矿物学特征和矿物基质的密度。介电工具可用于提供水填充孔隙度。
现在将更详细地描述上面提及的方法、技术、系统和工作流程。密度测井工具在20世纪60年代首次引入产业中。从那时起，随着电子和伽马射线闪烁探测器以及工具设计的改进，技术已经逐渐发展。密度测井工具的主要目的是测量与井筒相邻的地球地层的体积密度(单位为g/cm3)，并提供测井区间中的体积密度对深度的测井或记录。
在密度工具测井操作期间，使用诸如137cs的放射性伽马射线源来产生在与井眼相邻的地球地层中传播的伽马射线辐射。称为康普顿散射的过程使伽马射线通量衰减，康普顿散射是伽马射线因此与电子密度相互作用并失去其一些能量的一个过程。在针对氢(氢的质子数与原子数之比(z/a)是一并且偏离沉积岩中大多数其他元素的接近0.5的z/a值)进行一些校正之后，在检测器处测量的总伽马射线计数率的对数与检测器距源的距离和体积密度有关。实际上，长间隔和短间隔的探测器都用于补偿泥饼层的影响，所述泥饼层可将包含化学源和探测器的密度工具垫或钻铤与地层分开。未来可能存在不使用化学源的密度测井工具，并且可能存在与这里所论述的设计不同的其他密度测井工具设计。应理解，本文所公开的工作流程和技术独立于特定设备和与如何测量地层的体积密度以及密度工具如何传送到井眼中相关的细节。
如果我们包括有机页岩中可以存在的流体(例如，沥青和/或不可生产的油、轻油、气体和盐水)和油母岩的影响，我们首先写出通过地层密度测井工具在富有机质页岩气储层中测量的体积密度(ρb)的一般方程，
ρb＝(1-φ-vk)ρma+ρkvk+ρfφ(1-sg)+ρgφg。(1)
在方程(1)中，φ是有机页岩的总流体填充孔隙度，vk是油母岩的体积分数，sg是气体饱和度，φg是气体填充孔隙度，并且ρma、ρk、ρf、ρg是矿物基质、油母岩、流体和气体的质量密度。在页岩气储层的情况下，取决于特定的储层条件，方程(1)中的流体可以是盐水并且可能是有机物质孔隙中的吸附气体。在一些页岩气储层中，取决于储层的热成熟度，流体可能包括不动油。应注意，这里所写的方程(1)适用于在大多数情况下或主要生产干气或湿气的页岩气储层(例如，巴耐特页岩)。应理解，对于在大多数情况下或主要生产轻油的页岩油储层(例如，巴肯页岩)，可以用so,ρo,φ0替换方程(1)中的sg,ρg,φg，其中so,ρo,φ0分别是轻油或可生产的油的油饱和度、油密度和油填充孔隙度。在页岩油储层的情况下，方程(1)中的流体是指盐水、沥青和其他不可生产的油。
脉冲式核磁共振(nmr)测井工具在20世纪90年代早期首次引入。这些工具在大约几百千赫兹至约2兆赫兹的频率范围中操作。这些工具具有强永久磁体，所述强永久磁体可使与井眼相邻的岩层中的氢原子核的磁矩极化或对齐。然后通过天线施加一组射频(rf)脉冲。rf脉冲使氢原子核旋转到垂直于静磁场的平面中，并操纵所得的侧向磁化，所述侧向磁化在天线中旋转并诱发衰减的正弦电压。carr-purcell-meiboom-gill自旋回波技术用于形成并操纵侧向磁化，以使得在页岩中获取一系列自旋回波信号，所述自旋回波信号的包络线呈指数衰减并具有侧向弛豫衰减时间(t2)分布。测得的信号在零时的幅值等于地层的总孔隙度(φnmr)。一些nmr工具不能测量固体(如油母岩)中的氢原子核，因为衰减时间太短而无法被检测到，并且这些nmr工具测量液体和气体中的氢原子核。然而，一些nmr工具也可以测量固体(诸如油母岩)中的氢原子核。
通过nmr测井工具测量的总nmr孔隙度(φnmr)的方程是岩性独立的，并且在页岩气储层中可以写为，
φnmr＝φghig+φ(1-sg)hif。(2)
一些nmr测井工具不会对固体油母岩中的氢原子核做出响应，所述氢原子核由于弛豫得太快而无法被检测到。如果使用能够检测油母岩的nmr工具，那么可向方程(2)添加考虑了油母岩响应的附加项。在方程(2)中，hig和hif分别是气体和流体的氢指数。
如上所述，在页岩气储层的情况下，取决于特定的储层，流体包括盐水并且可能包括不动油和吸附气体。方程(2)假设所应用的静磁场使页岩中的氢原子核充分极化。如果情况不是这样，那么可在方程(2)中应用极化校正。气体的氢指数以及有机孔隙中可能存在的气体凝析物的氢指数取决于气体组成以及储层温度和压力。油和盐水的氢指数接近一。如上所述，对于页岩油储层，轻油(即，可生产的油)可替换方程(2)中的气体，以使得sg,ρg,φg将被so,ρo,φ0替换。
方程(1)和(2)中的总页岩孔隙度(φ)包括粒间孔隙度(矿物颗粒之间的空间)、矿物内孔隙度和与在油母岩转化成烃类的过程中形成的“油母岩中的孔”相关联的有机孔隙度(如loucks等人于2012年在aapg期刊第96卷第6期第1071-1098页中所述)。
方程(2)中的nmr测量结果是“总nmr孔隙度”(所述总nmr孔隙度的生成在美国专利号6,147,489中有所描述，所述专利的内容据此通过引用的方式并入)。取决于信噪比、回波间隔和脉冲序列，总nmr孔隙度测量结果可以对短至1毫秒的弛豫时间具有灵敏度，以使得nmr孔隙度包括大部分粘土束缚水孔隙度。有机孔隙中的冷凝气体的弛豫时间取决于孔隙的可润湿性、孔隙的表面与体积之比和油母岩中孔隙表面的表面弛豫度。随着油母岩变成熟，其有机物质首先转化成沥青。随着油母岩成熟度等级的增加，产热过程使大沥青分子逐渐转化成可生产的油或轻油、湿气以及最后的干气。有机页岩储层中剩余的沥青的体积和粘度取决于储层的热成熟度。例如，非常成熟的生产干气的页岩气储层经常被发现含有体积可忽略不计的沥青。这已在实验室页岩气岩心样本中得到验证，在使用有机溶剂提取沥青后可从所述实验室页岩气岩心样本中发现可忽略不计的沥青。
沥青是由大的烃分子(例如，沥青质和树脂)的混合物组成的粘性烃，并且它的化学组成在某种程度上与油母岩类似，但有所不同。例如，沥青可溶于有机溶剂，而油母岩不可溶于有机溶剂。沥青可具有跨越很大范围的大范围t2弛豫时间。一些沥青t2时间低于现代nmr测井工具的t2灵敏度极限，并且因此，取决于低于灵敏度极限的沥青占据了多少孔隙空间，方程(2)中的nmr总孔隙度可能低估总页岩孔隙度。
富有机质页岩的成熟度等级的量度是镜质体反射系数(ro％)，所述镜质体反射系数是在实验室中对有机页岩样本进行的标准测量。它可以与样本在其埋藏历史期间所暴露于的最高温度相关，并且因此它用作富有机质页岩的成熟度的量度。例如，对于未产生烃类的低成熟度有机页岩，取决于油母岩的类型，ro值在大约ro＝0.2％至ro＝0.38％的范围内。大约高于ro＝0.38％时，沥青的产生开始。生油窗是大约ro＝0.5％至ro＝1.1％。高于ro＝1.1％时，富有机质页岩容易产生气体(如passey等人于2010年在spe论文131350中所示)。
下一步是针对总孔隙度(φ)和气体填充孔隙度(φg)求解方程(1)和(2)。经过一些简单的代数后可发现，
并且，
在方程(3)和(4)中，密度测井孔隙度(dphi)被定义为，
以及两个参数λ和λ2，
方程(5)-(7)中的干矿物基质密度(ρma)可以在复杂的储层中具有大范围的值(例如，大约1.6至3.0g/cm3)，这些值可取决于页岩的详细矿物学组成在页岩储层中相对较短(例如，几英寸)的深度区间内变化。如下所述，根据由中子诱发的伽马射线能谱测井工具获取的处理测量结果确定ρma和矿物重量分数的深度测井。油母岩的密度小于矿物基质的密度，并且它具有更窄的范围，例如，取决于油母岩的成熟度，它处于约1.1至1.4g/cm3的范围内。这意味着在有机页岩中较小重量分数的油母岩可以占据更大(例如，2倍)的体积分数。方程(5)–(7)中ρf的值取决于不动油或吸附冷凝物的重力、盐水的盐度以及孔隙空间中的水相烃和液相烃的相对量。计算密度测井孔隙度的标准惯例是在上述方程中使用ρf＝1.0g/cm3的值。
等式(3)-(8)用于页岩气储层，针对所述页岩气储层所生产的轻质烃是气体。在所生产的轻质烃是轻油(例如，页岩油储层生产具有40api和更高的重力的低密度油)的页岩油储层的情况下，如果用轻油的氢指数、油填充孔隙度和密度ho,φoρo替换hg,φg,ρg，则方程仍然有效。在页岩油储层的情况下，除了盐水之外也可能在孔隙空间中的其他流体是沥青和不可生产的油。由方程(3)计算出的总有机页岩气储层孔隙度是密度孔隙度(已针对油母岩和轻质烃的影响进行校正)和已针对轻质烃进行校正的nmr孔隙度的加权总和。根据(3)中的加权总和计算总孔隙度的事实减轻了在nmr测量结果过低地估计沥青孔隙度的情况下对总孔隙度的影响。然而，忽略的沥青孔隙度可能导致高估气体体积、饱和度和油母岩体积。可通过以下在本公开中公开的后处理迭代方案计算忽略的沥青孔隙率。
在20世纪80年代首次引入了测量与井眼相邻的地球地层的元素化学成分的中子能谱测井工具。这些工具也称为“地球化学测井工具”，因为它们测量岩层和储层中的化学元素组成(例如，si、ca、fe、al、c和其他元素的重量百分比)。自从20世纪80年代引入以来，中子发生器、电子和伽马射线探测器技术取得了许多进展。
这里所公开的方法和设备利用一种新的高性能地球化学工具(详情参见radtke在2012年6月16-20日在哥伦比亚的卡塔赫纳举行的第53届spwla年度测井研讨会的会刊上发表的标题为“anewcaptureandinelasticspectroscopytooltakesgeochemicalloggingtothenextlevel”的论文aaa，所述论文的内容据此通过引用的方式并入)。在操作期间，测井操作中子由极高通量的氘-氚中子发生器生成，所述发生器产生与地层中的原子核相互作用的14-mev中子。地层中的大多数中子迅速接触热能并被原子核捕获。其他快中子从原子核中散射，从而使靶核受激。捕获中子的原子核发射捕获伽马射线，所述捕获伽马射线具有作为元素特性的能谱。由非弹性散射激励的原子核发射非弹性伽马射线。具有快速恢复时间的闪烁探测器测量两种类型的伽马射线的高计数率。将测得的伽马射线谱与不同元素的一组标准谱进行拟合以确定元素重量分数。碳(c)重量分数仅根据测得的非弹性谱确定。
toc、基质密度和详细的矿物组成可根据由中子诱发的伽马射线能谱工具进行的元素化学成分测量来确定(如在以下文献中所述：radtke等人在2012年6月16-20日在哥伦比亚的卡塔赫纳举行的第53届spwla年度测井研讨会的会刊上发表的标题为“anewcaptureandinelasticspectroscopytooltakesgeochemicalloggingtothenextlevel”的论文aaa；freedmanr.等人在2014年10月27-29日在荷兰举行的spe年度技术会议和展览会提出的标题为“newmethodfordeterminingmineralogyandmatrixpropertiesfromelementalchemistrymeasuredbygammarayspectroscopyloggingtools”的spe-170722-ms论文；以及美国专利公开2014/0214324，这些参考文献的内容据此通过引用的方式并入)。例如，包括14种矿物质(例如，伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石、石英、方解石、白云石、铁白云石、斜长石、正长石、云母、黄铁矿、菱铁矿和硬石膏)的重量分数的详细矿物学测井和矿物基质的测井(ρma)可根据由能谱工具测量的si、ca、mg、al、k、fe、s和mn的元素重量分数的测井来确定。通过测量来自非弹性散射中子的伽马射线来测量页岩地层中碳(c)的总重量百分比，用于计算总有机碳(toc)的重量百分比的测井。通过减去含碳矿物质(例如方解石、白云石和铁白云石)中无机碳的总重量百分比，可根据c的总重量百分比确定toc。toc是有机页岩丰富程度的量度；然而，它不仅仅是利用关于页岩成熟度的信息对存在可生产的烃类的指示符指示符。
油母岩比矿物基质轻，并且因此，它会导致密度测井孔隙度读数过高。气体和轻油也可能导致密度测井孔隙度读数过高。类似地，与水相比，气体和轻油的氢指数较低，并且因此导致nmr孔隙度读数过低。方程(3)中推导出的总有机页岩孔隙度针对油母岩对密度测井孔隙度(dphi)的影响以及流体和气体对nmr孔隙度和密度测井孔隙度的影响进行了校正。
如果将方程(4)除以(3)，可发现针对页岩储层气体饱和度(sg)的方程。可发现，
方程(3)、(4)和(8)中的因数λ2vk提供对密度测井孔隙度的油母岩校正，例如，可定义经油母岩校正的密度测井孔隙度，
dphi(k)＝dphi-λ2vk。(9)
将方程(9)代入方程(3)、(4)和(8)中，可发现这些方程具有与针对常规含气储层推导出的密度-磁共振气体方程相同的形式(如在freedman,r.等人于1998年在26-29日举行的第39届spwla年度测井研讨会的会报中发表的标题为combiningnmranddensitylogsforpetrophysicalanalysisingas-bearingformations的论文ii的第1-14页中所述，所述论文的内容据此通过引用的方式并入)。在freedman等人的(1998)论文中，如果在岩石中(例如像在常规储层中)不存在油母岩，那么方程(3)、(4)和(8)仍然有效并分别换算成方程(5)、(7)和(6)。
上面的分析已经针对页岩气储层分别推导出总地层孔隙度、气体填充孔隙度和气体饱和度的方程(3)、(4)和(8)。这些方程是页岩地层评估工作流程的第一步。这些方程各自含有仍有待确定的油母岩体积。
有机页岩中总有机碳(toc)的重量百分比用于确定油母岩的重量百分比。如上所述，可根据由中子能谱工具(radtke等人，2012年)测量的碳的重量百分比来确定toc，所述中子能谱工具测量来自热中子捕获和非弹性散射的伽马射线谱。根据从非弹性中子散射激励的原子核发射的伽马射线来确定总碳的重量百分比。针对在井眼中测量的碳进行井眼校正(例如，当在钻探期间使用油基钻探泥浆或烃类添加剂时)。矿物学特征可根据全光谱确定，并用于确定总无机碳重量百分比，例如，在页岩中存在的方解石、白云石、菱铁矿和其他含碳矿物中的碳的重量百分比。通过从经井眼校正的总碳重量百分比中减去无机碳重量百分比来确定toc。
使通过中子能谱测得的干重toc的重量分数与页岩气储层中油母岩和烃类的体积分数相关的方程由下式给出，
在方程(10)中，系数ck、co和cg分别是油母岩、不可生产的烃流体和可生产的湿气或干气中碳的重量分数。在页岩油储层中，可写出呈以下形式的方程(10)，
其中co和co,im分别是轻油和不可生产的(不动)油中碳的重量分数。再次注意，方程(10)和(11)中toc的定义是通过中子能谱工具得到的干重toc。这个定义与通常在实验室测量中定义的toc不同。在后一种情况下，用样本的总质量或体积密度替换(10)和(11)中分母中的干矿物基质的质量样本。在方程(10)和(11)中，vma是干矿物基质的体积，并且由下式给出，
vma＝1-φ-vk。(12)
应注意，在未成熟有机页岩源岩中，仅方程(10)和(11)右手侧的第一项促成toc。油母岩中碳的重量分数取决于油母岩的成熟度等级。方程(10)中使用的合理值是ck≈0.8。平均原油和典型气体中碳的重量分数具有类似的值，并且可假设，对于干气，co≈co,im≈0.84并且cg≈0.75。气体凝析物或湿气可具有更接近0.8的碳重量分数，因此方程(10)中的合理近似可以将系数设定为等于0.8。下一步是求解针对vk的方程(10)，并且可发现，
vk＝a+bφ。(13)
方程(13)中的系数定义如下，
并且，
在推导方程(13)-(15)时，已利用约束条件，
φ＝φw+φo+φg，(16)
以在数学上去掉不动油体积φo。在页岩油储层中，可将(16)中的约束写为，
φ＝φw+φo,im+φo，(17)
使用不同的符号来区分可生产的轻油体积φo与不动油体积φo,im。
在未成熟页岩源岩中，φw＝φ，针对vk的方程(10)换算成，
在推导方程(13)-(15)时，可再调用方程(4)并写出，
φg＝φg(0)+avk，(19)
其中，
并且，
系数a和b独立于vk，然而，可从方程(14)看出，系数a取决于水填充孔隙度φw。定义a和b的其他参数是从中子能谱测井测量结果(例如，toc和ρma)推导出的或者它们是用户定义的输入(例如，co、cg、ck、ρo、ρg、ρk等)。
高频介电测井工具在20世纪70年代首次引入产业中。这些工具经历了几代设计改进。如今，这些工具以大致范围在20mhz至1ghz的多个频率进行操作。在测井操作期间，一个或多个压靠在井眼壁上的发射器发射在地层中传播的电磁波。在从发射器移位的一个或多个接收器对之间测量波的相移和衰减。测得的相移和衰减取决于地层的介电常数。相移和衰减测量结果可颠倒以确定地层的介电常数和导电率。矿物和烃类的相对介电常数是相对介电常数约为80的盐水(或水)的介电常数的大约十分之一。通过使用针对流体填充岩石的介电常数连同测得的岩石孔隙度的岩石物理模型以及对盐水、烃类、油母岩和矿物基质的介电常数的了解，可估算水填充孔隙度。
方程(14)中的水填充孔隙度可根据由高频介电测井工具测量的介电常数来估算。基本原理在于，水的介电常数比大多数岩石矿物和烃类的介电常数大一个数量级以上。为了在高频率下(例如，1ghz下)在流体填充岩石中进行介电常数的测量，在较低频率下可导致较高表观介电常数的表面极化效应变得可忽略不计，并且测得的介电常数和/或导电率可用于推导φw。在多个频率下进行的介电常数测量也可用于确定储层岩石中的水填充孔隙度(如美国专利号7,376,514中所述，所述专利的内容据此通过引用的方式并入)。诸如根据nmrt1和t2弛豫时间测井来确定水填充孔隙度的其他方法也可用于估算水填充孔隙度(如在vivekanand等人在2015年7月18-22日举行的第56届spwla测井研讨会上发表的“newgenerationnmrtoolforrobust,continuoust1andt2measurements”中所述，所述文献的内容据此通过引用的方式并入)。未来，如果诱发极化测井工具得到普及，那么有可能从低频诱发极化测量推导出φw(如美国专利号4,359,687所示，所述专利的内容据此通过引用的方式并入)。应理解，可使用其他测量(包括电阻率测量)来估算φw。有机页岩储层中的水体积φw可能较低，并且使用本公开中的教义所确定的储层输出对于水填充孔隙度几乎未显示出灵敏度。应注意，a和b独立于vk，因此如果我们将针对vk的(13)代入针对φ的方程(3)中，并求解所得的线性方程，那么可发现经流体和油母岩校正的总孔隙度是，
(22)中的数量是测井推导出的测量结果或用户定义的输入参数。然后可在根据方程(22)计算φ之后使用等式(13)计算油母岩的体积vk。然后可通过将vk分别代入方程(4)和(8)中来计算气体填充孔隙度φg和气体饱和度。可使用方程(16)计算不动油填充孔隙度。页岩气储层的前述工作流程可通过图4所示的流程图进行总结。应理解，可针对轻质烃是轻油的页岩油储层构建类似的工作流程图。
对于已知成熟度等级明显处于产气窗内以使得φo＝0(例如，无沥青或不动油)，使得φ＝φw+φg的有机页岩，还可通过方程(10)发现，
vk＝a+bφ，(23)
其中对于这种情况，
并且，
其可根据测井输入和用户指定的参数来计算。观察到对于这种情况(即，没有不动油的成熟气储层)，方程(24)和(25)不取决于φw，使得仅使用密度、nmr和中子能谱测量来确定φ、φg、sg、φw、sw和vk。
图5中总结了有机页岩储层的工作流程，所述有机页岩储层处于非常成熟的产气窗中，使得方程(23)-(25)是有效的。
图4和5所示的工作流程的输出是一些储层参数，所述储层参数可用于基于总孔隙度、流体饱和度和流体类型来预测最可能的“产油带”的深度。在常规储层中，这个信息在许多情况下有助于选择完井的射孔深度。在非常规油井和非常紧密的常规储层中，商业生产率涉及大规模水力压裂。
图4和5中呈现的工作流程被理解为提供可根据流体体积确定的储层质量指示符。例如，在页岩油储层中，实地经验已显示，沥青和油母岩可以阻塞并降低轻油的流速。例如，储层质量比的值，
可用作储层质量的附加指示符。应理解，存在许多其他的可根据图4和5中的输出来构建的储层质量指示符指示符。
在有机页岩储层中钻探的开发井通常是长的水平井，其中井筒与页岩接触达好几千英尺。在这些井中，基于储层参数选择产油带垂直深度是有用的，并且了解页岩的地质力学性质也同样有用。具体地说，为了使水力诱发的压裂有效地传播到页岩储层中，有帮助的是，页岩是脆性的而不是塑性的。通过产业经验了解到，脆性取决于详述的矿物学特征。例如，如果页岩基质的粘土含量太高(例如，70％)，那么页岩表现得像塑性或塑料材料，并且通过变形而不是压裂发生和传播吸收了大部分压裂能量。在这种情况下，昂贵的压裂增产措施将不会成功。因此，详述的矿物学知识是确定哪些区域最有可能实现页岩的高效压裂的有用信息。希望具有大重量分数的框架矿物，诸如方解石和石英，其比粘土更脆(例如，具有更低的泊松比)。
使用中子能谱测井工具测量(如美国专利公开2014/0214324中所示，所述专利的内容据此通过引用的方式并入)同时确定矿物学干重分数与干重基质密度，并且所述矿物学干重分数为确定储层在水力压裂增产措施后的生产潜力提供信息和输入。尽管未明确示出，但是矿物重量分数的确定被理解为图4和5中的工作流程的一部分。
应理解，本文公开的地层评估方法独立于测井工具的传送方法。在一些情况下，数据将是在主体井的垂直截面中获取的，并且将用于确定到达井的水平部分的深度。如果数据是在水平井中获取的，那么这里公开的地层评估输出将为穿孔和水力压裂增产措施提供最佳位置。
如果存在不能通过nmr测井来测量的沥青或其他非常粘稠的油，那么方程(22)中的总孔隙度可能会过低地估计或过低地表示总孔隙度。为了恢复忽略的孔隙度，并且也对vk、φg和其他储层输出进行校正，可利用密度测井对包括粘性沥青在内的流体填充孔隙度进行测量的事实。用于计算沥青填充孔隙度的方法是首先将vk和φg(即，图4和5中的输出)代入针对体积密度的方程(1)中并针对孔隙度进行求解，可发现，
为了继续，写出呈以下形式的针对更新后的总孔隙度的方程，
其中，n＝1,2,…是迭代指数，并且已经定义，
并且，
(a.2)中的迭代通过设定n＝1开始，其中
|φ(n)-φ(n-1)|＜ε，(a.5)
其中ε是公差参数。在(a.5)中，可基于绝对差值来为迭代指定停止条件，然而，也可以使用相对差值。一旦满足了(a.5)中的停止条件，针对nmr测量所忽略的沥青的和非常粘稠的油进行了校正的储层输出是：(1)经校正的总页岩孔隙度φ(n)、(2)经校正的气体填充孔隙度
其他经校正的输出(例如像不动油的校正体积，参见本说明书中的方程(16))可被确定为：
这里考虑了页岩气储层，然而，本公开涵盖将相同方法应用于页岩油储层以针对nmr测量所忽略的沥青孔隙度进行校正。
尽管已经详细描述了方法和设备，但是应理解，在不脱离所附权利要求书所限定的本公开的精神和范围的情况下，本文可做出各种改变、替换和更改。