专利名称:用元素法定量测定地下建造性质的制作方法
本发明一般地涉及对钻孔穿越的地层的研究。更具体地说，本发明论及这样一种方法，它通过在钻孔中放下一种或几种研究地下地层的仪器，对测井记录数据加工处理，从而确定钻孔周围地层属性的数值，并对其作进一步的鉴定。由于能够确定地层属性的数值(例如定量化)，并且能对地层属性(例如地层矿物)作进一步的鉴定，就有可能通过测井得到范围广泛的、改进的新结果，包括直接计算阳离子交换容量(CEC)和校正过的水饱和度(SW)测量、油的API(美国石油学会)容重指标测井记录、改进的颗粒密度与孔隙度测量、改善对沉积环境的了解，渗透率测井记录、平均颗粒大小测井记录、热中子俘获截面测井记录，和无法直接测量的地层元素的测井记录等等。
对井中存在的岩性组分随深度变化的定量了解，对于勘探、评价、生产及完井的全面评估是有价值的。一份完全的页岩质砂的岩性描述不能只是简单地区分“砂”与“页岩”，而必须通过对地层矿物的鉴定，确定在所有各层、包括所谓“净砂”层中的粘土矿物的数量，鉴定并定量确定所存在的非粘土矿物与粘土矿物，鉴别沉积相或成岩相的微小的与显著的变化。
直到现在，一般都认为尚无成功的技术可用来得到元素化学数据，并由此而得到所要的岩性的矿物定量分析。曾提出过一些方法可以从化学数据中得到关于岩性的有限知识，也曾用过各种测井仪以提供元素的数据和指示。但是已知的这些先有技术和仪器，无论是单独地或是合起来使用，都不能根据测井进行广泛而准确的矿物定量分析。已知的技术与方法一般只谈到得出个别的结果，例如水饱和度、孔隙度、碳/氧比、阳离子交换容量、一般的岩性分类等。
能提供并确定元素化学数据和容量的钻孔仪表有天然γ射线仪、感应γ射线谱仪和高分辨率光谱仪。天然γ射线仪一般由闪烁器和脉冲高度分析器组成，它可以感受到并测量出地层中由于天然放射性元素钍、铀和钾的衰变造成的γ射线放射性。过去，钍加上钾的含量曾被用作为粘土或页岩含量的指示。曾经建议用铀的数量指示有机碳源，并提供关于次生孔隙探测和断裂的信息。有关的例子见苏波纳(Supernaw)等的美国专利4，071，755号。如同洛克(G.A.Lock)和霍伊尔(W.A.Hoyer)在“天然γ射线谱测井”(The Log Analyst，1971年9-10月号，3-9页)中详细谈到的，在某些情形，钍/铀比可以提供关于所讨论的海相环境类型的信息，钾的百分含量在某些场合可以作为钾碱沉积物或云母砂的指示。
感应γ射线谱仪一般是用一个脉冲式氘-氚加速器中子源和碘化钠探测器，它可以探测由于中子源与地层元素相互作用而生成的γ射线。如同在1970年7月21日发给莫兰(Moran)的美国专利3，521，064号，和发给奥特克夫(Autkiw)的美国专利4，055，763号所公开的，此谱仪能以非弹性型或以活化型的方式工作，并提供关于氢、氯、硅、钙、铁、氧、碳和硫等元素容量的信息。利用测得的元素的不同比例，可以确定诸如流体盐度、孔隙度、页岩度、岩性以及氧活化等指数。
高分辨率的光谱仪是基于和感应γ射线谱仪同样的原理，只是加速器的中子源，如果愿意的话可以换成化学源，并且所用的探测器是高分辨的(例如高纯锗)探测器。高分辨的(或增强分辨率的)光谱仪(见R.Everett，M.Herron和G.Pirie，“测井记录特性曲线和岩心评定研究技术的现场与实验室方法”，SPWLA第25次测井年会，1983年6月27-30，第23-24页)既可以象感应γ射线谱仪那样用来测量较丰富的地层元素的数量，也可以用来测量不那么丰富的元素、例如铝、钒、镁、钠等的数量。
由以上所公开的仪器以及其它技术上已知的仪表，包括电阻仪、声探仪及其它核子仪器如伽玛-伽玛仪(地层密度仪)或中子-中子仪(中子孔隙度仪)等所搜集的信息出发，曾多次试图对岩性作出全面的评价与诠释，其中包括双矿物诠释体系与页岩质砂诠释体系。有些体系，例如SARABAND和CORIBAND〔施罗姆贝格(Schiumberger技术公司注册商标，在波旁(A.PouPon)等的“具有复杂岩性特征的地层测井曲线分析”(J.Pet.Tech.，1971年8月第995-1005页)和“砂页岩层序的测井记录曲线分析-系统法”(J.Pet.Tech.，1970年7月)中分别作了叙述〕在计算孔隙度、基岩密度、水饱和度、可动碳氢化合物饱和度等等之前，先对孔隙度和电阻率测井记录作了钻孔与泥饼效应的校正，然后又作了粘土和(或)页岩含量影响以及轻质碳氢化合物影响的校正。关于页岩质砂诠释的其它方法包括活格斯曼-史密特法(Waxman-Smits)，它是用粘土的电导率测定水饱和度。粘土电导率则按照每单位体积的阳离子交换容量Qv表示。但是正如伯克(Burck)和洛克哈特(J.S.Lockhart)在“关于测定单位体积阳离子交换容量的测井与岩心法评论”(第八次欧洲地层评价会议会报，英国伦敦，1983年，3月14-15日)中所指出的，除非假定盐度与矿物学特征不变，常规的测井不能得到满意的Qv测量结果。再者，不能认为沃格斯曼-史密特(Waxman-Smits)法提供了对岩性的全面评价与诠释。
评价岩性特征的另一方法是通过岩芯分析来分析地层。例如，曾经用岩芯分析来测定CEC或Qv。在伯克(Burck)的上述文章中有关于各种岩心测量技术的总结，包括破坏法(磨碎)与非破坏法。此外，岩芯分析曾用来与测井一起将放射性元素与阳离子交换容量关联起来。1981年4月21日发给弗特尔(Fertl)等的美国专利4，263，509号建议，从实验室对取芯钻孔的试验中测得的阳离子交换容量，可以与在该钻孔的测井中探测到的天然γ射线的某个函数联系起来。在同一地质区域内的其它钻孔的天然γ射线测井操作，与预先测得的函数相结合，可以就地估计其它钻孔中随深度而变的阳离子交换容量。但是这样一种方法的用途有限，因为和阳离子交换容量相关的那些元素，一般说来和支配阳离子交换容量的粘土矿物之间只有很弱的整体相关。
岩芯分析也曾被地球化学家用来分析沉积环境。在杰里斯科(K.G.Joreskog)、柯洛文(J.E.Klovan)和雷蒙特(R.A.Reymont)的“地质因子分析”(Else vier科学出版公司，荷兰阿姆斯特丹，1976)一书中详细描述了一种称为“因子分析”的分析方法。因子分析是一种能用于地球化学以获取变量的多重数据组，例如元素的浓度，并能使变量相关和反相关，从而用少数可鉴别的独立因子就能很可靠地描叙所研究的岩石或地层。在过去，因子分析曾用来使元素与所希望的输出，例如气溶胶类源和空气污染相关。如，探测出元素铅丰度增大，指示该地区矿物燃料的使用增加。在这样一种相关中，得分(Score)分析用来确定因子的大小如何随择品而异。
在塔迪(Tardy)的“某些沉积环境中的元素分配比”(Sci.Geol.Bull.，第28卷第1期，59-95页，1975年)一文中，因子分析与回归分析一起用来将地层分类，并得出痕量元素在岩石分类组分中的分布。例如在一组岩心样品中，利用因子分析使40个变量彼此相关，鉴别了四组(岩石组分)碎岩、硫化物、磷酸盐(磷灰石)和有机碳。借助于回归分析测得了用ppm表示的痕量元素在四组中的分布。由其它21组页岩和砂岩岩芯样品的分析结果，还完成了在所鉴别的主要岩石组分中痕量元素产状的研究，其结论是，由岩石地层中痕量元素的测定可能可以确定象风化、沉积和成岩作用这些环境条件。
虽然对测井结果和岩心数据的诠释，已提供了很多有用的结果，有助于描述和评价岩性特征，但还没有方法能通过从原始的测井记录确定地层属性、例如地层矿物的数值，来对地层作全面而准确的分析。
因此本发明的一个目的是提供读取测井数据作为输入并由它得到所研究的地层属性数值的方法。
本发明的进一步的目的是提供读取测井数据作为输入，并由它得出矿物分析、包括对所研究地层中的矿物的鉴定与定量测定的方法。
本发明的再一目的是提供一种方法，它以所选择的元素组中各元素、包括痕量元素的浓度数据作为输入，定量得出所选择的一组矿物中各矿物的浓度。在这组矿物中，至少有一种矿物可由其结晶度鉴定与辨别。
本发明还有一个目的是提供以测井数据作为输入，定量测定与鉴定所研究的地层中存在的粘土的方法。
根据本发明，提供一种在地层的指定深度确定所选择的一组矿物中各矿物浓度的方法，该组矿物由高岭石、伊利石和长石中的一种或几种组成，此方法包括以下步骤(a)用钻孔测井法在所述深度测定选择的一组元素中各元素的浓度，该组元素至少含有铁、钾和钍，或是铁、钾、铝和硅;和(b)将一个元素/属性变换式用于在该深度测得的元素浓度，由此确定上述各矿物在该深度的浓度，上述变换式的各分量与各元素在每种矿物中的浓度相关。元素/属性的这种变换式最好是一个初始矩阵的逆矩阵，初始矩阵中的分量是代表上述各矿物中每种元素浓度的数值。
结合附图来讨论下面对本发明的详细说明，本发明的其它目的与特点会变得更加明显。
图1是表示本发明用以测量矿量和由测井记录进一步鉴定地层矿物的流程图。
图2是表示得到元素一矿物变换矩阵的一种改良方法的流程图。
图3是描绘在一个受检钻孔中矿物绝对百分含量的录井记录曲线。
图4描绘了一个孔隙度测井曲线，一条基体密度测井记录曲线，和一条改进的孔隙度测井记录曲线。
图5是由本发明得出的CEC测量结果与由实验室得出的CEC的交会图。
图6a至6h是实验室得出的矿量测定结果与自测井记录得出的矿量测量结果的交会图。
图6i是实验室得出的细粒测量结果与自测井记录确定的结果的交会图。
图1以流程图的形式给出了一种方法，它从钻孔中读取测井数据，由此确定随钻孔深度而变的地层属性数值并作进一步的鉴定，以便对钻孔和油田的勘探、评价、生产及完井提供有价值的信息。
本发明提供一个元素-矿物变换矩阵〔M〕＝〔A〕-1.E此矩阵将元素浓度转换成矿物的重量百分浓度。〔M〕是矿物丰度的列矩阵，〔E〕是元素浓度的列矩阵。〔A〕-1是一个端元合成矩阵的逆矩阵，后面将加以解释。
虽然本发明是描述成使用一个元素-矿物变换矩阵，但是内行们会发觉本发明只需要一个变换式，因此可以用联立方程代替矩阵。
确定变换式中分量(例如矩阵〔A〕-1)数值的具体方法不属于本发明的范围，可以用后面的表1至5中引用的数值进行这种练习。但为说明起见，简略叙述构成变换式的方法。
关于这一点发明人认为，具有相同结晶度的沉积矿物，不管其产地如何，其化学成分至少是一样的。例如，世界上任何地方的中等结晶度的伊利石似乎都具有同样的化学成分。这个假设称为地球化学均一性假设，它与现有的地球化学理论相矛盾。在现有理论中，矿物、特别是粘土的化学成分被认为是极其变化无常的。现在看来，在实验室测量中见到的这种可变性，主要应归因于化学含量变化之外的其它丰源，特别是由于粘土分析中的巨大误差(经常是±50%)和所用的矿物“标准样”实际上是几种不同矿相的混合物之做。
于是，如图2中步骤200所述，可以构成一个标准的“初始”矩阵，它把12至15种元素与类似数目的、在地层中广泛分布的矿物联系起来，对于选作为包体的每种矿物都使用恒定的化学式。
图2中提到的12至15种元素仅为说明之用，可以选择少些或更多数目的元素和相应数目的矿物，事实上，曾使用小到三阶初始矩阵，即矩阵中仅有三个元素和相似数目的欲定量的矿物，得到了关于矿物浓度的很好结果。当使用一个三阶矩阵时，曾经确定元素的最佳选择是铁、钾和铝或钍之一。在可以用铝代替钍时得到最佳结果。根据发明的最佳模式，三阶矩阵中的相应矿物是高岭石、伊利石和长石。
地球化学均一性概念的另一个后果是，若已知矿物中所选择的痕量元素的浓度，则能够定量确定可由结晶度区分的矿物。在某些粘土中，痕量元素的浓度看来反映了结构无序化的程度，即结晶度。在构成初始矩阵时，可以将痕量元素与能由结晶度区分的矿物一起包括进去。当把包括有所选择的痕量元素在指定的地层深度处的浓度输入到元素/属性变换式时，最终的输出将包括能由结晶度区分的矿物的数量。
在一个指定的方案中，每种元素的量能以许多方式得出，诸如测量、回归分析或最大熵谱分析〔例如见巴罗达尔(I.Barrodal)和埃里克森(R.E.Erickson)在Gcophysics第45卷第3期420-432页和433-446页(1980年3月号)上的文章〕，内行们都知道这些。对于后面的表1至表5中鉴别的元素和矿物，可以使用那里给出的数值。对光前研究的钻孔按下述所完成的因子分析结果，可能有助于鉴别将与结合元素和数值一起并入矩阵的那些矿物。
对于一个指定的油田，可以在对油田已有了解的基础上，象步骤210中那样对组成这样得出的初始矩阵的元素和矿物的选择加以修改。在大多数油田中，对于地质学特征，例如主要矿物成分，已有某种程度的了解。因此可以选择辅助的或代替的矿物与元素并入矩阵以用于油田。元素与矿物的选择可以根据已有数据加以修改，例如并入能由现有测井记录得到的元素浓度;或是由于实用上的考虑，例如大多数钻井条件下操作特殊测井仪表的困难，而进一步修改。显然，因为有基本数据可资利用或是可以得到，在这一过程中可以应用因子分析。
正如关于式(1)所讨论的，这样得到的矩阵是一个端元合成矩阵〔A〕。所要的元素一矿物变换矩阵〔A〕-1可以象步骤220所描述的将矩阵〔A〕逆转得到。
在步骤230把元素一矿物变换矩阵用于在步骤240测井得到的元素浓度，将这样得到的结果与从其它的测井测量(例如步骤250)中得到的结果相比较，还可以在步骤260进行另外的修改，矩阵的应用方式将在后文叙及;这样，如同后面要提到的，所得出的热中子俘获截面的估值可以与此参量的直接测量结果相比较，若相关度好，会有助于证实矿物与元素的选择是恰当的。如果在初始矩阵中任何矿物的浓度在特定场合下的估值为零，则可以断定在该场合此矿物的量很少，在这种情形下可以去掉此矿物以简化矩阵。将修改过的端元合成矩阵象步骤220那样逆转，如果希望的话可重新试验，从而确定可供使用的元素一矿物变换矩阵。
构成所要的变换式的另一种可能的方法是对地层样品的元素与矿物含量测定结果进行因子分析与回归分析。在已公开的欧洲书151073号中详细叙述了这一方法。因为变换式的导出不属于本发明的范围，故这里不再详谈。
一旦有了元素一矿物变换矩阵，就可以对所研究的井或其它井，尤其是预期有类似地质特点的、即紧靠着的那些井进行广泛的研究。首先，在步骤65必须决定需要那些测井记录。关于在钻孔下使用何种仪表的决定取决于(a)选择了哪些元素，其浓度需输入到元素一矿物矩阵之中;和(b)希望得到什么最后结果或指示，例如油的美国石油学会容重指数测井记录，颗粒密度等。这样，如果元素包括钾、铁和硫，所要的最终结果包括油API测井记录以及煤测井记录，那么用一个天然γ射线仪加上一个感应γ射线谱仪和一个增强分辨率的γ谱仪一起，就可以提供所需元素的测井记录。天然γ辐射仪能得出钾的浓度，感应γ射线谱仪能提供铁，硫和硅的浓度，在后面讨论煤的测量时需要硅的浓度。最后，增强分辨率的光谱仪能提供油的API测井记录所需的钒浓度测井记录。
在确定了需要何种测井记录，以提供关于矿物的定量表示和进一步的鉴定以及所要的输出结果之后，在步骤70进行测井记录，并对测井数据进行预处理以确定元素浓度。例如，根据1970年7月21日颁发给莫隆(Maron)的共享的美国专利3，521，064号的说法，利用一个感应γ射线谱仪得到的输出先谱，可以按照最小二乘方凝合法进行处理得出铁容量。因此，为了从γ射线谱仪读取铁容量并得到铁的浓度，将铁容量除以铁与钙、硅的容量之和，其比值用于岩心和测井记录数据的交会图，由此得到铁的容量一浓度计算方法。将铝的测井记录数据与岩心数据作图，可以得到铝容量的类似的计算规则。为确定钾的浓度，将天然γ射线谱用Kalman滤波处理，并分成五个相邻的窗口以进行加工处理，有关方法请参看1976年8月发给薛瓦利埃(P.Cheralier)等共享的美国专利3，976，878号和鲁科布什(G.Ruckebusch)的一篇文章“Kalman滤波在核子测井记录中的应用”(电气与电子工程师协会，国际声学会议，Speech & Signal Processing，1982年第3卷)。
对于钻孔中各测点(或沿其全长)，将收集到的仪器数据进行处理后确定元素的浓度，与在步骤75测得的各深度的矿量一起输入到所得的元素一矿物变换矩阵中去。另外，利用测井记录来确定可能观测的任何元素的浓度，所测得的元素浓度数据可以与矿量数据相结合以便在步骤80鉴定矿物。例如，虽然某个地层可以认为是含有一定数量的高岭石与伊利石，但可能还想确定该处的高岭石或伊利石是否是典型的。举例来说，非海相的伊利石一般含镁0.7%。如果伊利石中镁浓度鉴定为2.1%，则很可能是海相沉积环境。
矿物定量测定步骤75和鉴定步骤80可用作反馈，以帮助构成元素一矿物变换矩阵。例如，如果从矿物鉴定和对所得信息的处理，断定象伊利石这样的矿物应分成海相与非海相伊利石，元素一矿物变换矩阵应扩充成包括一种附加的元素和矿物。
虽然矿物的定量测定和鉴定本身就是所要的目的，根据本发明还可能以矿物定量测定和(或)鉴定为出发点，对所研究的地层进行范围广泛的新的改良测定。如在图1中围着步骤75与80的虚线和上述讨论所描叙的，诸如象改进的沉积环境分析(步骤82)，生产风险分析(84)，煤测定(86)，颗粒密度测量和改进的孔隙度指示(88)，直接计算CEC和读出校正的水饱和度(90)，以及钒含量与油的API测井记录曲线(92)等，全都可以利用矿物定量测定和(或)鉴定方法作为出发点。本发明提供的矿物定量测定还可以用于测量诸如热中子俘获截面、颗粒大小和渗透性等地层参数。前面提到的欧洲书里描叙了利用本发明提供结果的这些方法的细节。因为这些方法不属于本发明的范围，故不在这里细谈。内行们会认识到有可能从上面公开的方法得出其它的新的和(或)改进的结果。
虽然在该书的叙述中，这些地层性质数值的导出，是分成矿物的定量测定和随后的导出地层性质这两个分开步骤，对于熟悉技术的人，这两个步骤显然可以通过将系数并入元素一矿物变换矩阵中各矿物的适当数值而结合起来。
参看图1，本发明中定量确定与鉴定地层矿物的方法是在两个钻孔中实施的。
对于第一个钻孔，只用三种元素铁、钾和铝与钍之一，即可相当好地表示出矿物分量石英、长石、高岭石和伊利石的特征。然后在每个样品中这些元素的浓度在步骤75变换成各矿物的重量百分数，其方法是根据步骤60构成一个适当的矩阵〔A〕1作为矩阵〔A〕的逆矩阵，矩阵〔A〕的分量是每种元素(选择铝为第三个元素)在各矿物中的浓度。于是，(对样品中测得的元素浓度应用多重线性回归分析)包含在欲逆转的矩阵〔A〕中的矿物与元素间的关系确定如下表1铝(%) 铁(%) 钾(%)高岭石 19.0 0.14 0.35伊利石 12.0 10.6 3.0长石 9.7 0.05 7.0这样，通过测井记录确定铝、铁和钾的元素浓度，可以定量确定钻孔附近地层中的矿物。内行们应能意识到上述矩阵只是作为所研究的个别钻孔的一个例子，可以象下面所说的那样使用不同的矿物、元素或矩阵百分数。再者，内行们也会认识到，在实施所公开的发明时，矩阵的大小可以扩大或缩小。
下面是一个已测得的表示包含在矩阵〔A〕中各元素与矿物之间关系的扩充表，此表已发现非常有用。
表2 非孔隙铝 铁 钾 硅 钙 氢 镧高岭石(P.O) 19 × × 22 × 1.7 80伊利石 12 7.3 4 23 × 0.9 35长石 9.7 × 12/7 30 × × ×石英 × × × 47 × × ×方解石 × × × × 40 × ×蒙脱石 11 1 0.5 26 2 3.9 30高岭石(W.O) 19 × × 22 × 1.7 15表2中的每个数值，除了镧列以外，都表示在指定矿物中指定元素的百分浓度。镧的数值以百万分之一(PPm)表示。钾列与长石行交会处的双项数值分别表示对于钾长石与整个长石的数值。
表2中的“×”表示与每行中的最大数相比很小。具体地说，这些数值小于或等于每行中最大数的10%。
“P.O”与“W.O”分别表示有序化程度差与有序化程度好的高岭石，即通常可区分为低结晶度与高结晶度的高岭石。
表2中的标准偏差列在表3，其中每一项代表一个正和负值。这些数值实际上确定了表2中每项的范围。举例来说，表3中伊利石行与铝列相遇处的数值2意味着(回顾表2中同一位置处的数值为“12.”)在伊利石中通常发现的铝百分含量已确定为10%至14%(即12加上或减去2)。这一数值范围和由表2与表3一起确定的其它数值范围在构成此处所说的确定的模型中很有用。
表3 非孔隙铝 铁 钾 硅 钙 氢 镧高岭石(P.O) 1 - - 1 - 0.6 30伊利石 2 4 1 2 - 0.4 20长石 2 - 1/2 1 - - -石英 - - - 1 - - -方解石 - - - - 1 - -蒙脱石 2 4 1 3 2 1.7 20高岭石(W.O) 1 - - 1 1 0.1 10当矿物的结晶度被用作为矿物之间的区别因子，例如在高岭石的情形，下述结论是有用的在这类矿物中，其它痕量元素，例如钍、铀、钪和钒的浓度随矿物的结晶度而变。
表4列出了上述痕量元素在各行中的数值(用PPm表示)，此表在构成一个恰当的元素/属性变换，以确定表2中所列矿物的数量方面已证明有用，表2中包括有结晶度不同的高岭石。可以看出，表4可以当作是表2的扩充，即附加上四列。
表4钍 铀 钪 钒高岭石(P.O) 27 6.7 23 120伊利石 17 4.5 20 220长石 × × × ×石英 × × × ×方解石 × × × ×蒙脱石 30 2 18 150高岭石(W.O) 45 4 31 260附于表3的各自的误差数字列在下面的表5中。
表5钍 铀 钪 钒高岭石(P.O) 5 2 10 30伊利石 6 2 60 80长石 - - - -石英 - - - -方解石 - - - -蒙脱石 10 2 60 50高岭石(W.O) 20 2 5 50
与扩充的矩阵可能在一定的场合有用这一事实无关，对于所研究的两个钻孔以及地层中预期有类似地质特征的其它钻孔，由表1得出的变换矩阵，提供了一种从测井记录中可得到的元素浓度来确定矿物数量的方法。
元素的品种决定了在钻孔中应放下何种仪表以收集信息。例如，在步骤65中已经确定，天然γ射线仪能得到钾的浓度，感应γ射线谱仪能得到铁的浓度，增强分辨率的光谱仪则用于确定铝的浓度。此外，因为还希望得到其它最终结果，例如直接的CEC计算和校正过的水饱和度读数、颗粒密度和改进的孔隙度测井记录等，故决定还使用其它仪表，例如能得到松密度测井记录的地层密度仪，能得到电阻率测井记录的深层传播仪等。
使用由测井仪表得到的元素浓度和已知的数据处理方法以及预先导出的元素一矿物矩阵，确定了地层中的矿物数量。对于内行们来说，这里提到的各项运算，例如矩阵逆转、将得到的变换矩阵用于测井记录测量，以及由本发明确定的矿量导出其它信息等等，显然都可以用适当的可编制程序通用计算机或特殊用途的电路来完成。图3画出了由本发明得到并定量测定的沿井深的矿物浓度测井记录曲线。于是，在1580深度勾画出了一个页岩区，它含有48%的高岭石，25%的伊利石，0%的长石，剩下的27%估计是石英。
由矿量及元素浓度，按照步骤80进一步鉴定矿物。例如，按照钒的浓度对高岭石和伊利石进行下文所述的进一步的鉴定。再有，高岭石与长石的元素成分经测定与查找值相似，但是伊利石的成分显然与“平均伊利石”〔威弗(C.E.Weaver)和波拉德(L.D.Pollard)在“沉积学的发展”(Elesevier科学出版公司，1975年纽约)一书中给出的〕大不相同。事实上，该伊利石看来与从风化的黑云母中衍生出的一种非典型的伊利石有些相似，后者的浓度是钾＝2.7%，铁＝9.0%，并常显示出一种混层组分。作为可能存在混层组分这一论断的旁证，值得注意威弗与波拉德曾指出的，在“纯”伊利石中存在杂质与鉴定得不好的混层组分的相似性。再者，对井壁岩芯样品中分析的“伊利石”作的X射线衍射图，揭示了有一些带有膨胀的粘土、估计可能是蒙脱石的混层。最后还发觉，在岩芯样品γ模式的因子分析中，“伊利石因子”大量地混有二价铁、镁、钙等阳离子，这可能代表一种混层组分。于是，可以认为矿物一般都具有典型成分，但伊利石例外，它具有非典型成分，并且大概表现出混层组分。
根据矿物的定量测定和鉴定，完成了沉积环境的分析、生产风险性分析、颗粒密度和改进的孔隙度测井记录、阳离子交换容量和校正过的水饱和度测井记录。
从图3可以看到在所研究的地层中的矿物百分含量，它是根据本发明上述方法测得的。根据矿物的定量测定和鉴定，完成了沉积环境分析。熟悉技术的人都知道，在一个三角洲系中，主要的粘土类型常常从冲积环境的高岭石改变为较为海相环境的伊利石。如从图3所见，较低深度(1600至1750)处与1530至1600深度区相比，其高岭石与伊利石之比值要高得多。这样，由得出的粘土类型和所研究的钻孔中的丰度，显然表明是一个海退三角洲环境，其中较具冲积特点的高岭石沉积物被较为海相的伊利石沉积物所覆盖。
根据矿物定量测定与鉴定作出生产风险估价也是可行的。在所研究钻孔的砂区(高石英含量)存在着少量的(5%)高岭石。这个数量和粘土的类型对于大多数生产技术来说都表示风险很小。涉及的主要风险是高岭石可能从它在地层中的实际位置被快速流动的流体顶走，从而使高岭石堵塞在孔的喉部，结果降低了地层的渗透性，因此在生产碳氢化合物期间应避免这样的流体快速流动。
在碳氢化合物生产中的第二个风险与地层中两个最上面的砂体(1520至1530和1550至1570)有关。由图3可见，它们被富铁的伊利石粘土所束缚。若对这些砂区进行酸化处理以溶解粘土，多半会从这些束缚性粘土中释放出铁离子。这些铁离子随即沉淀成氧化铁凝胶，从而降低储砂的渗透性。因此在最上面的砂体生产期间应避免这样的酸化处理。
矿物的定量测量然后被用来得到改进的孔隙度测井记录曲线。不同矿物的颗粒密度是根据全岩芯数据确定的。在按照本发明的方法于步骤75计算出矿量之后，基体密度由以下公式确定P基体，d=Σm =1nPmWm , d]]>(2)式中Pm是第m种矿物的颗粒密度，Wm是地层中深度d处第m种矿物的百分含量。可转化成松密度Pb的电子密度是用岩石密度仪〔见埃利斯(Ellis)的共享的美国专利4，048，495号〕在整个钻孔深度上测得的，然后按下式计算孔隙度作为测井记录φd= (Pb,d-P基体,d)/(P流体-P基体,d) (3)取P流体为1。改进的孔度测井记录曲线见图4，其中160表示未改进的孔隙度测井曲线，162表示按式(2)确定的基体密度测井记录，用它按照式(3)得到改进的孔隙度测井记录曲线165。
用类似于测量基体密度的方式，按下式得出地层的阳离子交换容量测井记录CECd=Σm 1nCECmqm , d(4)]]>式中CECm是第m种粘土样品的阳离子交换容量，qm，d是第m种粘土矿物在d深度处的数量，然后用这类方法中所熟知的公式将所测得的CEC转换成水饱和度测井记录。
本发明所公开的方法，通过导出的元素一矿物矩阵和矿物的定量测定，能够将元素的测井记录信息转化成阳离子交换容量测井记录。作为对这种能力的一种检验，在沿着取岩芯的井壁的很多深度上，把实验室测得的井壁岩芯的CEC与测井得出的CEC相比较，结果见图5。虽然相关系数0.87是不错的，而且各深度上的CEC的绝对差别不大，但显然有一些不符合。这些不符合很可能是由于深度变动和实验室测量的误差造成的。由于实验室在阳离子置换、除去过剩阳离子等方面的效率问题，以及可能的分析干扰，难以得到可重复的实验室结果。数据散开的另一原因是地层中伊利石表现出变化的混层程度，这使得伊利石的CEC在整个深度上并非定值。虽然如此，如由图5可见，符合程度仍然不错。
对于发明的适用性的一种试验是，从对于所研究井测得的钾、铁和铝元素测井记录浓度，再现出矿物重量百分含量(如在实验室测定的)的情形如何？图6a-c表示由X射线衍射测得的矿物重量百分数和从某个钻孔得出的数值的交会图，元素一矿物矩阵即是由该钻孔得出的。这些图显然符合得很好，只有很低浓度时例外，这可能是由于X射线衍射在此条件下有较大的相对误差。图6d-f是第二个钻孔的结果，表示成X射线衍射测得的矿物重量百分数对由元素一矿物矩阵得出的结果的交会图，该矩阵是预先从第一个钻孔中导出的。相符程度不错，但显然更为散开，尤其是图6e中伊利石的情形。这种散开部分地可以用深度变动和伊利石的混层特性来解释，但是另一个可能造成更大误差的因素是X射线分析法大概不那末准确。
作为对本发明适用性的进一步检验，图6g和6h画出了两个钻孔的石英的X射线衍射测量结果对由地球化学模型求得的残质，即从1中减去导出的高岭石、伊利石与长石百分含量之和，所作之图。它们也符合得不错，不仅高度页岩质的区域与高石英砂区分离得很好，而且石英中较少页岩化的砂也能很好地定量测定。
最后，可以预期所得出的高岭石与伊利石级分之和与测得的细粒级分之间存在着相关关系，因为地层的细粒级分(小于20微米)主要是粘土矿物，实际上大都是沉积层序。但是这种估计可能是低估了所测得的细粒，因为它未包括细粒石英和可能存在的其它细粒矿物。图6i是细粒级分的测量值与导出值的交会图，说明了本发明能很好地鉴定出存在细粒的页岩体积。由本发明导出的细粒组分提供了对页岩体积测井参数Vsh的极好的量度。测得的与导出的细粒百分数之间的相关系数为0.98。再者，如前所述，阳离子交换容量的测量也相关得很好。
这样，本发明的方法证明能得出对地层的主要岩性成分的准确鉴定和定量描述。
我们已经叙述并举例说明了根据本发明由测井数据确定地层中矿物数量(属性数值)和鉴定这些矿物的方法，以及用本发明的方法进一步导出新的和改进的结果。虽然已经使用并描叙了本发明的具体的实施方案，但发明的愿意是广泛的，说明书也应这样理解。例如，虽然使用“测井记录”和“测井”这些名词，它们并不打算受任何形式的限制。这些名词是试图包括在单独一个深度、多个深度或仪表连续移动期间所得到的数据的集合，并包括在钻孔测井技术中所有已知的数据处理与转换方法。再有，虽然发明中已描述的大多是使用一个“变换矩阵”，但可以用其它方法，例如联立方程，来代替矩阵达到所说的目标。因此，内行们可对说明书中叙述的本发明作另外的变动和修改。
权利要求
1.一种测定在指定深度所选的构成地层的一组矿物中每个矿物浓度的方法，该组矿物包括高岭石、伊利石和长石中的一种或几种，方法的步骤包括(a)利用钻孔测井法在所说深度测定所选择的一组元素中每种的浓度，此组元素至少要含有铁、钾和钍或是铁、钾、铝和硅；(b)将元素/属性变换式用于在该深度测得的元素浓度，由此测量该深度处各矿物的浓度，变换式中的分量与每种元素在各矿物里的浓度相关。
2.根据权利要求
1中所述的一种方法，其中元素/属性变换式是一个初始矩阵的逆矩阵，此初始矩阵的分量是表示各矿物中每种元素浓度的数值。
3.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中的元素组包括铝和高岭石中铝的浓度是在18%到20%的范围内。
4.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中铝在伊利石中的浓度在10%至14%之间。
5.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中铝在长石中的浓度在7.7%至11.7%之间。
6.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中矿物组包括蒙脱石和铝在蒙脱石中的浓度在9%至13%之间。
7.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中铁在伊利石中的浓度在4%至10.6%之间。
8.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中矿物组包括蒙脱石，铁在蒙脱石中的浓度是从0%至5%。
9.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中钾在伊利石中的浓度是在3%至5%之间。
10.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中矿物组包括钾长石，钾长石中钾的浓度是从11%至13%。
11.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中钾在长石中的浓度是在5%至9%之间。
12.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中矿物组包括蒙脱石，蒙脱石中钾的浓度是在0%至1.5%之间。
13.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括硅和硅在高岭石中的浓度是从21%至23%。
14.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括硅和硅在伊利石中的浓度是从21%至25%。
15.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括硅和硅在长石中的浓度是从29%至31%。
16.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中矿物组包括硅和硅在石英中的浓度是在46%至48%之间。
17.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括硅和矿物组包括蒙脱石和硅在蒙脱石中的浓度是在23%至29%之间。
18.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括钙，矿物组包括方解石和钙在方解石中的浓度在39%至41%之间。
19.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括钙，矿物组包括蒙脱石和钙在蒙脱石中的浓度在0%至4%之间。
20.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括非孔隙氢和非孔隙氢在高岭石中的浓度在0.3%至2.3%之间。
21.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括非孔隙氢和它在伊利石中的浓度在0.5%至1.3%之间。
22.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括非孔隙氢，矿物组包括蒙脱石和蒙脱石中非孔隙氢的浓度在2.2%至5.6%之间。
23.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括镧，矿物组包括低有序度的高岭石，镧在有序化程度差的高岭石中的浓度是从50PPm至110PPm。
24.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括镧和镧在伊利石中的浓度是从15PPm至55PPm。
25.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括镧，矿物组包括蒙脱石，蒙脱石中镧的浓度在10PPm至50PPm之间。
26.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括镧，矿物组包括有序化程度好的高岭石，镧在有序化程度好的高岭石中的浓度是在5PPm至25PPm之间。
27.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括钍，矿物组包括有序化程度差的高岭石，钍在有序化程度差的高岭石中的浓度在22PPm至32PPm之间。
28.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括钍和钍在伊利石中的浓度是在11PPm至23PPm之间。
29.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括钍，矿物组包括蒙脱石和钍在蒙脱石中的浓度是在22PPm至40PPm之间。
30.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括钍，矿物组包括有序化程度好的高岭石，钍在有序化程度好的高岭石中的浓度是在25PPm至65PPm之间。
31.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括铀，矿物组包括有序化程度差的高岭石，铀在有序化程度差的高岭石中的浓度是在4.7PPm至8.7PPm之间。
32.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括铀和铀在伊利石中的浓度是在2.5PPm至6.5PPm之间。
33.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括铀，矿物组包括蒙脱石和蒙脱石中铀的浓度在0PPm至4PPm之间。
34.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中元素组包括铀，矿物组包括有序化程度高的高岭石，铀在有序化程度高的高岭石中的浓度是从2PPm至6PPm。
35.根据权利要求
2中所述的一种方法，其中所选择的一组矿物中应至少有一种可由结晶度区别。
36.根据权利要求
35中所述的方法，其中矿物组包括有序化程度高的高岭石和有序化程度差的高岭石。
37.根据权利要求
36中所述的方法，其中元素组包括从由镧、铀、钍、钪和钒构成的一组中选出的一种痕量元素。
专利摘要
公开了能定量测定与表征地层中矿物含量随深度变化的方法。从测井仪器得到的元素数据输入到一个元素——矿物变换式的运算中，以确定地层中至少一种或几种矿物的数量，包括可由结晶度区别的矿物在内。由矿量资料和元素测井数据，进一步鉴定地层矿物。关于地层矿物的特性与数量的信息，用来得到对地层特性，例如阳离子交换容量和水饱和度，颗粒密度和地层孔隙度等的改良测定，以及对地层的深入了解，例如地层的沉积环境。地层特征的确定和对地层的了解，对地层的生产决策来说都是至关紧要的。
文档编号G01V11/00GK86106827SQ86106827
公开日1987年2月25日 申请日期1986年8月28日
发明者迈克尔·赫伦 申请人:施卢默格海外有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan