专利名称：由钻孔电阻率图像仪、横向感应测井纪录以及含水饱和度张量模型确定水饱和度及砂岩 ...的制作方法
技术领域：
本发明的领域总体上涉及对测井仪器所得到的检测结果进行测井解释，用来确定地壳岩层中的流体含量。更具体来讲，本发明涉及一种用来计算分布在岩层孔隙空间中各种流体体积分数的方法，其中的这些地壳岩层含有油页岩层，且储油岩层中具有散布的油页岩。
相当多数目的碳氢化合物储油层包括深水浊积岩矿床，其由薄层的层化砂岩和页岩组成。通常用来评估储油层中的碳氢化合物含量的方法是用电阻率测量方法。在现有的测井解释技术中，一般将一种或多种类型的孔隙度测量结果与岩层电阻率测量结果(或与此相反，导电率测量结果)组合起来，来推断岩层孔隙中的流体含量。可以从岩层电阻率Rt的经验关系式来推断出原生水和碳氢化合物的体积分数，其中岩层电阻率Rt涉及孔隙度以及原生水的电阻率，其中的经验关系式例如为公知的Arichie关系式。在Arichie关系式中，如下面的关系式表示的那样，孔隙中的水的体积分数用“Sw”代表，即“含水饱和度”Swn=RoRt=1RaRwRφm----(1)]]>式中的a和m为经验确定因子，其使孔隙度(用φ代表)与多孔岩石层的电阻率联系起来，当含水度为全饱和(Ro)时，Rw代表分布在岩层孔隙中的原生水的电阻率，且m代表一个经验确定的“胶结”指数，n为饱和指数。
当分析一种特定的岩层时，如等式(1)所示的Archie方程中的关系的效果并不理想，其中这种岩层包括一定量超细颗粒的粘土矿物组分，该组分在现有技术中被称为“油页岩”。在其它的一些方式中，油页岩通常作为“分散”油页岩出现在岩层中，在这样的岩层中，粘土矿物的颗粒占据了含碳氢化合物岩层中的某些孔隙，或者在某种特定的岩层结构中，粘土矿物层间置在含油型的岩层之间。
对于分散页岩的情况，已发展出各种经验推导关系，来进行可储存活动碳氢化合物(可采出的碳氢化合物)的孔隙体积分数的计算。这样的岩层中由分散页岩所占据的体积分数可通过自然伽马辐射检测仪等测井装置估计出来。例如可参见M.H.Waxman等人在1968年第8卷第2期的石油工程师协会(德克萨斯州Richardson地方)期刊上所著的文章“含油页岩质砂中的电阻率”。
对于分层页岩的情况，各层的厚度一般都足以满足垂直分辨率的要求，因而可由自然伽马辐射检测仪等测井装置确定出来。在这样的情况下，油页岩层被排除出储积岩之外，通常在确定特定岩层的碳氢化合物含量时不考虑右页岩。在分层页岩储层的情况中的一个问题是页岩层的厚度不够，无法用迦马辐射检测仪完全地确定出来，且其厚度不足以用现有技术中已知的电阻率测量装置精确地确定出它们的电阻率。
碳氢化合物饱和度很高的砂岩通常比页岩的电阻率高。在由薄砂岩层和页岩组成的储油层中，普通的感应式测井仪会大大地低估储油层的电阻率；岩层中由测井仪的电流感应出的电流会优先穿过导电的页岩层，而导致对岩层的电阻率估计过高。
由Poupon研究出一种用来对含页岩层的岩层中的碳氢化合物含量进行估计的方法，可参见A.Poupon等人在美国采矿与冶金工程师学会(AIME)学报(1959年)第201卷138至145页上刊登的“页岩质砂中的电测井解释的影响因素”一文。Poupon关系式通常假设页岩层对所要分析岩层总电阻率的影响是与所要分析的特定地壳岩层中的页岩层的体积分数成比例的。该体积分数通常用Vsh(页岩体积)代表。Poupon的模型还假设由测井仪器测得的电阻率将含有与页岩成比例的效应，而所测电阻率的其余部分是由净储积岩层(无页岩含油岩层)产生的，如下式所示1Rt=(1-Vsh)(aRwφm)-1Swn+VshVsh----(2)]]>
式中的Rt代表岩层中储积岩层的电阻率(导电率的倒数)，且Rsh代表页岩层中的电阻率。
Poupon的分析忽略了含有薄层砂岩和页岩的储油层的电阻率的各向异性的影响。根据范登堡和桑德尔的说法，采用不恰当的评估模型在许多情况下会导致低估储油层的采油量和碳氢化合物储量达40％或更多。对用来确定可能的碳氢化合物储油层中的流体成分的测井仪器的测量结果进行的分析包括计算孔空间(孔隙)的体积分数，并计算在孔隙中碳氢化合物和原生水的体积分数。如上述的那样，可以利用Archie的关系式。
在主询电磁波的波长大于各层厚度的薄层储油层中，储油层表现出电阻率的各向异性。这样的各向异性可用一种测井仪检测出来，该测井仪除了沿井孔设置了一般的发射线圈和接受线圈之外，还与井孔轴向成一定角度设置了一个接收器或一个发射线圈。这样的用来判定岩层倾角的装置在过去已被描述得很清楚。例如可参见属于Huston的美国专利3510757和属于Gianzero的美国专利5115198。
属于Hagiwara的美国专利5656930公开了一种用一个电感型测井仪来确定地下岩层的水平电阻率、垂直电阻率以及各向异性系数的方法，其中的测井仪位于地下岩层中的一个偏支井孔中。在一种推荐的实施例中，该电感型测井仪首先进行标定以确定一个比例常数。然后设定比例常数、相移引起的电阻率、衰减引起的电阻率、水平电阻率、垂直电阻率以及各向异性系数之间的关系，并将此关系储存到可编程CPU的内存中。在感应测井工作中，相移引起的电阻率和衰减引起的电阻率就可被接收到，并由编程CPU根据预先设定的关系进行处理，而得出水平电阻率、垂直电阻率和各向异性系数。水平电阻率和垂直电阻率的这些测得值，当与一个设定关系式结合时，就可以得出一个净额/毛额比值，其中的关系式涉及水平电阻率、垂直电阻率、净/毛比以及砂层电阻率与页岩电阻率比值之间的关系。但是，也存在许多的分层储油层，其中的砂层中可能带有散布的页岩。对于这样的储油层，如果分层结构、页岩散布在砂层中、以及页岩可能固有的各向异性的复合效果未被考虑，则在解释岩层的含水饱和度时就会出现错误。
需要有一种方法来确定分层储油层的特性，该储油层中包括页岩、净砂层以及散布有粘土的砂层。这样的方法应最好确定砂层中的含水饱和度，以便于对储油层的可开采量给出更为精确的估计。该方法最好应尽可能少地对砂层和页岩作一些假设。本发明满足这些要求。
本发明是一个方法，其利用从对多组分感应数据中导出的垂直导电率和水平导电率来说明页岩在储油层中的分布情况，其中的储油层包括层化的页岩质砂。与一个感应测井仪配合，还可以通过一个井孔电阻率成像仪来获得数据。从井孔电阻率成像仪获得的数据能以很高的精度对储油层的倾斜角、各层的电阻率和厚度给出测量结果。由井孔电阻率成像仪得到的测量结果用从感应测井仪得到数据进行标定，其中的感应测井仪能给出比井孔电阻率成像仪解析度低的测量结果。岩石物理张量模型从由测井数据导出的垂直和水平电阻率确定出层状页岩体积、以及层状砂岩的导电率。可利用Thomas-Stieber-Juhasz方法来确定分散泥质的体积以及层状砂岩部分中的总孔隙率和有效孔隙率。去掉层状页岩导电率和孔隙度的影响将使分层页岩质砂的问题简化成单纯的分散页岩质砂的问题，而该问题可用Waxman-Smits方程来解决。
图1(现有技术)表示了一个悬在井孔中的电阻率成像仪；图2(现有技术)是图1所示成像仪的机械示意图；图3(现有技术)是用在图1、2所示仪器上的一个电极板的详细视图；图3是通过融合电阻率图像数据和声学图像数据所得到的复合成像测井记录的一个图像示图；图4的流程图表明了本发明方法的主要步骤；图5表示了本发明一种用来从垂直和水平电阻率的检测值来确定含水饱和度的实施例的子过程的各个步骤；
图6示意表示了本发明的岩石物理张量模型中的各种组分。
参考图1-8可对本发明有更好的理解，图4是本发明所用方法主要步骤的流程示意图。
下面参见图4，本发明任意的一个实施例从井孔电阻率成像仪102所得的数据入手，其中的电阻率成像仪在属于Dory等人的美国专利5502686中有描述，且该专利的内容被完全结合到本发明中作为参考。应当指出的是Dory的专利作为一种装置的示例，其可用来获得井孔电阻率测量值；但也可用其它合适的装置。
图1表示了一个由一条合适的缆绳14悬在井孔12中的混合式成像仪10，井孔穿入13所示的岩层中，缆绳14绕过一个安装在钻机18的滑轮上。按照工业标准，缆绳14包括一个承力部件以及七条用来向仪器传输指令、并从仪器接收回数据、并供应电力的导线。仪器10由卷扬机20拉升或下放。地面上的电子模块22将所需的操作指令传输到井下，并反过来接收回数字数据，这些数据可被记录到一个任何合适类型的文件储存介质上，用于进行同步处理或随后的处理。可设置一台例如为合适计算机的数据处理机24，用来在工作现场实时地进行数据分析，或将储存的数据发送到一个处理中心，或二者都进行数据的后处理。
图2是一体式井孔侧壁成像仪系统的外示意图。该成像仪可用来产生能被用在本发明任一实施例中的数据。组成该成像仪系统的仪器10包括四个重要部件1)电阻率阵列26；2)电子模块28和38；3)泥浆室30；以及4)一个周向声波电视32。所有这些部件都以公知的普通方式安装到一根心轴34上。该组件的外径约为5.4英寸、并约为五英尺长。一个定向模块36包括一个磁力计，且在成像组件26和32的上方安装了一个惯性导向系统。仪器10的上部38包括一个遥感模块，用来进行采样、数字转换并将各个部件的数据样本以普通的方式传输到井上的地面电子设备22中。尽管在一种替代设置中，声学数据最好被数字化，但数据也能以模拟形式输送到地面上，在地面上其随后由地面电子设备22进行数字化。
在图2中还表示了三个电阻率阵列26(第四个阵列在该视图中是不可见的)。参见图2和图2A，每个阵列包括32个电极或纽扣电极，它们被标记为39，它们以四行、每行八个电极的形式被安装在一个40所示的垫板上。出于设计上的考虑，如图那样各行最好是交错布置的，以提高立体分辨度(解析度)。为了能清楚地表示，在图2A中所示的电极数少于八个。对于一个5.375英寸的组件，每块垫板的宽不能超过4.0英寸。垫板被固定到42所指示的可伸缩臂上。可用任何公知类型的液压或弹簧加载的卡规臂驱动件将垫板及其上的电极贴压在井孔侧壁上延伸，来进行电阻率测量。此外，可伸缩的卡规臂42如现有技术中公知的那样，能测量井孔直径的实际值。采用分时技术和多路传输技术，在仪器的一个公共电极和每个阵列中各个电极之间的电压降和电流就被测量得到了，完成了作为方位角函数的侧壁电阻率(或其倒数导电率)的测量。
构成了井孔周向成像系统的声波成像仪对侧壁的声学反射率数据进行360度的采样，由这些数据可勾画出连续的声学图像测井记录或声波图，以对成像数据进行显示。
井孔电阻率成像仪阵列必须要使得采样只是横扫过井孔侧壁的选定的弧度段。从这些数据，由数据带组成的、且对应每个阵列有一个数据带、且各带间由间隔相互隔开的电阻率图像记录就绘制出来并进行显示。每个数据扫描带的弧角宽度等于2sin-1[s/(2R)]，其中的S为阵列宽度，而R为井孔半径。由两个成像仪得到的公共数据在一个数据处理工作中被融合到一起，以形成图3所示的基本无缝隙的图像显示。融合过程包括对声学测量得到的电阻率测量值的动态范围进行均衡。当扫描在相邻的声学区段之间掠过一个显示的电阻率区段时，该均衡对于所显示结构特征的连续性不会出现扭曲是必要的。
图3的显示结合了由定向传感器获得的测量结果，该传感器用来使电阻率测量与地理学坐标(东南西北)对正，电阻率图像被展开后形成一个井孔圆筒表面的平面图像。本领域的工程人员可以理解当一个平面以一定角度与一个圆筒相交时，平面上图像展开后将呈正弦曲线。图3中显示有很多这样的正弦图形，一些对应于层理面，而另一些对应于断层。在本发明中可用现有方法来确定出与各个正弦线相对应的岩层倾斜角和岩层倾斜走向。当这些数据与其它的测井记录得到的测量结果相结合时，就可以确认出各个岩质不同的离散岩层。尤其是，在一个几米数量级的粗略的间隔上，层化储油层中的分层页岩的体积分数就可确定出来了。
对于平直的岩层走向，正弦线的幅值基本为零。在本发明的一个方面中，对于每种确认出的岩层，电阻率测量值进行周向和垂向平均，以对上述确认出的每种层给出一个电阻率测量值的平均值。一旦完成了这样的工作，就可以用一些平面层来表征地下岩层的特性。其中的每个平面层都具有恒定的电阻率。由于纽扣电极的解析度的缘故，这些层的厚度可以从几毫米到几厘米不等。
本领域工程人员可以认识到当岩层界线是倾斜的话，则电极中的电流、尤其是垫板上在倾斜方向上的那些电极的电流将不仅会限定为一个单一岩层的，因而不能代表井孔中该岩层的电阻率。在本发明的一个方面，上述的取平均操作只限于在井孔走向上的电极；这些测量值将更能代表岩层在测量进行的深度上的真实电阻率。
对应各岩层的、由取平均所得到的电阻率测量结果超出了电磁感应测井仪或传播测量电阻率仪的分辨率。相应地，在这一点上获得的电阻率测量被进行均值，以给出精度可由感应式测井仪检测到的电阻率。这一点描述在图4中的104处。
如本领域工程人员所公知的那样，一系列具有不同电阻率的、精确分层的岩层在大的尺度上会表现出一个横向的各向同性，此处电磁波的波长要远大于岩层的厚度。这样的情况是易于满足的，甚至对于传播电阻率仪，该仪器例如工作在2Mhz的频段上(其波长λ约为6米)；对于工作频率在50kHz到200kHz级别的感应测井仪，波长甚至更长。对于这样的主询频率，分层介质由一个水平电阻率Rh和一个垂直电阻率Rv表征，有下式(Rh*)-1=1WΣWiΔhRi----(3)]]>以及Rv*=1WΣWiRiΔh----(4)]]>式中的Wi为用来平均电阻率的计算天窗，Δh是电极的采样深度间隔，而Ri为给定深度处测得的电阻率值。
在本发明中，词汇“水平”和“垂直”的意义要参考层理面以及地下岩层的各向异性轴线来理解，即“水平”是指平行于层理面，而“垂直”是指垂直于层理面。当岩层的层理是倾斜的情况，各向异性轴线被认为垂直于层理面。当井孔偏斜于层理面时，由图1中的定向模块的数据就可以修正由电阻率成像仪所得的电阻率，以给出平行和垂直于层理面的测量结果。
本领域工程人员可以认识到由上述电极板系统所得到的电阻率测量结果可能存在错误，尤其是需要对这些数据有一个比例系数。当得到这些数据后，可将从方程式(3)和(4)得到的数值与从一个感应测井仪或传播电阻率仪得到的数据相关联来进行标定。
再次参见图5，在104步骤使用了一个感应仪或波传播仪来测量岩层的垂直电阻率和水平电阻率。例如，Forgang等人所属的美国专利5781436就公开了一种方法和一种装置，用来对横向各向同性的岩层的水平和垂直电阻率进行测量，该专利的内容被完全结合到本发明中作为参考。
由Forgang等人所公开的方法包括有选择地在插入井孔中的发射线圈中通入一个交流电。每个发射线圈的磁矩方向都不同于其它发射线圈的磁矩方向。其中的交流电包括一个第一频率和第二频率。第一频率的幅值与第二频率的幅值间有一种设定的关系。该关系对应于第一和第二频率。该方法包括有选择地接收在接收线圈中感应出的电压，其中接收线圈的起感方向基本平行于对应发射线圈的轴线，交流电在该发射线圈中流过。检测出接收电压中第一频率的组分和第二频率的电压组分的不同，由这两个频率对应的接收电压组分的幅值的不同可计算出导电率。此处引用Forgang的专利只是举例来说明可获得岩层垂直、水平电阻率的感应装置，在现有技术中也有其它的教导来获得地下岩层的这些特性参数。
Rosthal(见美国专利5329448)曾描述了一个用来测量水平和垂直电阻率的传播电阻率仪的实例，其公开了一种从传播测井装置的记录来确定水平和垂直导电率的方法。该方法假定在井孔轴线和层理面垂直线之间的夹角θ是已知的，导电率估计值由两套方法得到。第一个方法是测量在两个接收机之间的所接收到信号中的衰减幅度，并从该衰减值来推导出一个第一导电率估计值。第二种方法是检测两个接收机所接收信号的相位差，并从该相移来推导出一个第二导电率估计值。这两个估计值被用来给出导电率模型的起始估计值，在此模型的基础上，就可以计算出这两个接收机的衰减率和相移。然后采用一个迭代方案来更新初始的电阻率模型，直到在模型输出值和实测的衰减、相移值之间符合得很好时停止迭代运算。
在104步骤中得到的水平和垂直电阻率然后在106中被进行变换(取反？)运算，以给出一个电阻率分层模型。属于Gupta等人的美国专利5854991公开了这样一种方法用来对横向电磁感应测井测量的结果进行变换，其中该专利完全结合到本发明中作为参考资料。与本申请受让人相同的待审美国专利申请09/052462号公开了一种对传播电阻率仪的数据进行变换的方法，其中的申请也完全结合到本发明中作为参考资料。09/052462号申请还描述了在对电阻率测量值进行变换时出现的不确定性，并公开了处理该不确定性的方法。
在由Gupta等人提出的变换方法中，从使用二频率交流电的仪器所得到的感应信号获得的一种水平和垂直电阻率的轴向分布模型。该模型是通过计算出导电率分布的初始估计值、且相对于由二频率交流电得到的测量值对估计值进行轴向变换而得出的。对由用单频率交流电工作的仪器得到的测量结果进行围岩校正。从围岩校正后的、单频率交流电仪器所得的感应信号可得到导电率径向分布的一个估计值。从轴向分布以及径向分布的估计值可构造出导电率分布的二维模型。在本发明的一种实施例中，用来进行变换的初始模型至少在部分上是基于105中电阻率成像仪所得到的数据。尤其是，尽管在某些方面需要规范化电阻率成像仪来修正电阻率测量值，由电阻率成像仪确定出的边界层对于用在横向感应测井仪数据变换的岩层，可作为很好的起始点。在本发明的另一个实施例中，模型的初始层可由其它高解析度的测井仪确定出，例如为一个侧向测井(LaterologTM)或一个伽马射线测井仪等。
二维模型计算出的双频率整空间响应对双频率感应信号进行近井效应修正。校正后的二频率信号然后被轴向变换以形成一个二维的模型。采用修正后的二频率信号取代需要的信号，并重复上面所有的步骤，直到在顺次的两个重复步骤(迭代)中的校正后二频率感应信号之间的差落入到一个设定的阈值内，该二维模型一直保留，直到当过程停止时，成为最终的二维模型。
一旦变换完成之后，由此得到的水平和垂直电阻率在108中用一种岩石物理模型进行分析。在本发明的一个实施例中，这样得到的垂直和水平电阻率值与流体含量和地下层中的孔隙的体积分数相关，如下的关系式是从Patchett-Herrick关于页岩质砂岩层中含水饱和度的模型导出的1Rthoriz=(1-Vsh)[BQvSwFhoriz*+Swin*Fhoriz*Rw]+VshRsh----(5)]]>该式给出了岩层的储积岩(无页岩)的水平电阻率。方程(5)中的F*sd.h代表水平电阻率的岩层电阻率因子，且B*Qv是和散布的页岩(页岩位于储积岩孔隙中)的电阻率有关的一个因子。Vsh代表所讨论页岩层在岩层中的体积分数(层化页岩体积)。其它的符号所代表的意义与上文背景技术中描述的相同。例如可参见J.G.Patcheett等人在职业测井分析家协会(SPWLA)页岩砂岩再版卷(德州休斯顿1982年)的“第三引言部分。模型评价”、以及M.H.Waxman等人在德克萨斯州Richardson1968年期石油工程师协会期刊第8卷第2期上所著的文章“含油页岩质砂中的电阻率”一文。可通过现有测量方法的任何一种来确定孔隙率，这些测量方法例如为声波传播时间法、中子测井孔隙度、体积密度或这些测量方法的组合，这些在现有技术中都是公知的。上面描述的孔隙度测量方法只是用来确定孔隙度的测量方法的举例，在任何意义上并不对本发明进行限定。
类似地，对于垂直电阻率Rtver，有这样的关系式将垂直电阻率和含水饱和度Sw联系起来，该关系式为R=(1-Vsh)[BQvSwFver*+Swin*Fver*Rw]-1+VshRsh----(6)]]>可以注意到，方程(5)被写成导电率的形式(电阻率的倒数)，而不是写成电阻率的形式，其中的原因如现有技术所公知的那样由于感应测井仪器的信号是这样测得的基本沿垂直于井孔的层面感应出涡旋电流，该信号的幅值与各层导电性的总和相关。在概念上，这可以被看作是电流流过了一组并联的电阻。与此相反，方程(6)被表示成电阻率的形式，这是因为在垂直于层面方向上感生出涡旋电流的地方，感应信号的幅值的分层效应类似于电流流过一组串联电阻。分层页岩/储积岩对电阻率测量结果的这些影响例如在J.D.Klein等人在德州休斯顿职业测井分析家协会的五月-六月期的《测井分析》的“电性能各向异性的储积岩的岩石物理学”一文中有介绍。
在本发明的一种实施例中，已经确定出不论“水平”和“垂直”方向的电阻率值为何值，含水饱和度Sw必须要是否等于从垂直和水平电阻率测量结果确定出的值，可以推出一组关系式，其中的一个化简变量Aw定义如下Aw=Swn+BQvSwRwRw------(7)]]>且这些关系式被表达成储积岩(无页岩)导电率Ct的形式Cthor=(1-Vsh)AwFhor+VshCchhor----(8)]]>Ctver-1=(1-Vsh)FverAw+VshCshver-1----(9)]]>Cshhor=λsh[1CtverVsh-(1-Vsh)FverAwVsh]-1----(10)]]>式中的λsh代表一个与同一岩层中的垂直和水平导电率(或电阻率)相关的“各向异性因子”。
方程(8)和(9)中的表达式可改写成Aw的二次多项式Aw21-VshFhorCtver-Aw[CthorCtver+(1-Vsh)2FverFhor-Vsh2λsh]+[(1-Vsh)CtverFver]=0----(11)]]>其中应当指出的是很重要的是，式中不出现页岩的导电率值Csh(或电阻率)。方程(9)很容易求解出Sw，以提供一个在无页岩层中的含水饱和度(以及其互补值-碳氢化合物的饱和度)，其不需要对所分析的储油岩层中的页岩层的电阻率(或导电率)进行复杂的确定，在方程(9)中的符号Ct代表总的导电率(所分析岩层中的储积岩和页岩的总的导电率)。
下面返回到图5，图中描述了根据本发明一个实施例用Patchett-Herrick模型对含水饱和度进行确定的子过程。用例如公开在‘436号专利中的测井仪，可在井孔中进行测量。该测井仪测量沿仪器轴线以及垂直该轴线的感应信号、以及横向分量信号。如上所述，在220步骤中对这些测量结果进行处理而得出井孔中每一深度处的水平和垂直电阻率。在240中得到原生水电阻率的测量值Rw。用数值Rw以及230中的孔隙度φ的测量值、以及Vsh，数值B和Qv就能在260中用Juhasz给出的关系式确定出来。用Waxman-Smit以及Patcher-Herrick方程，结合这些数值以及φ就可定出Fhorz和Fvert。这些值和测得的Rtvert和Rthorz值、以及一个设定的各向异性因子λsh被代入到方程(9)中(在210中)，在250中求解得出数值Aw。通过将该数值Aw以及数值B、Qv、Rw代入方程(5)中，就在270步骤中得到了含水饱和度Sw。
本发明的另一个实施例应用了一个在电学各向异性(Rv/Rh)基础上的正交张量模型，而不是基于单标量平行导电率模型的模型。该张量模型可容易地应用于各向同性的砂岩中的各向同性或异性的页岩。对于各向异性的砂岩和页岩的求解，层化页岩的体积分数必须要从某些外部的模型确定出，这些模型例如为Thomas-Stieber或图像测井记录数据。真砂岩孔隙度也必须从Thomas-Stieber模型(1975)导出，且对纯层化储积岩的特性是非常重要的。该张量模型用Waxman-Smits模型来估计层状砂岩组分，并利用Hill、Shirley以及Klein方程(1979)来从散布的粘土边界水分数来导出Qv。这两步骤的电阻率张量模型的最终结果与由Patchett和Herrick提出的标量模型一致。但是，应当指出的是，在该模型中，层化砂岩的电阻率组分可由张量模型直接导出，并与层页岩的实际体积隐含关联。
图6表示了一个分层的岩层构造300，其包括夹层的砂岩301和页岩层302。为了表示清楚，图中只用一层砂岩和一层页岩来代表该岩层的总体组成。砂岩此外还包括一个纯Archie类型的砂岩303a、细层砂岩303b以及分散泥质质砂303c，其中的Archie砂岩的类聚性很低(即颗粒尺寸不同)，而303b层中具有不同颗粒尺寸的砂岩在各个层间的类聚度很高，303c层中散布着一些页岩。
电学各向异性是层状页岩体积、在砂岩中的导电率或含水饱和度变化的直接的、可测量的结果(这一观点是由先前的研究者归纳的)。在薄层储积岩的情况中，张量模型被进行体积校正，并通过直接确定水平和垂直方向上的导电率对层状砂岩组分得到更精确的描述。
用在此处的张量模型主要集中在层状砂岩性质的确定，以及对夹层砂岩层所含碳氢化合物的饱和度进行计算。页岩(油源岩)中有碳氢化合物导致的各向异性则未被考虑。该模型假定由于层理面的尺寸造成的宏观各向异性要小于仪器的垂向解析度。在各砂岩层中的固生各向异性也作为一般情况进行了考虑。该张量模型是二维的，并只考虑了“垂向”的各向异性。层理或岩层被假设为水平或“横向”各向同性的。
该张量模型是以两步过程执行的。分析的第一步使测定的层状页岩体积、层状电阻率、层状砂岩性质等参数解耦，其中层状砂岩的性质包括孔隙度、散布粘土体积比Qv等。在第二步中确定饱和度，以将不同的假设条件或模型应用到数据上。
该分析的初始步骤是简单的、关于层状页岩体积Vsh-1体积分数以及层状砂岩体积分数的分层砂岩-页岩计算，其中的层状砂岩体积分数被表示为N/G=1-Vsh-1。在此时，确定出所有的层状砂岩导电率和体积分数，并用作饱和度计算的输入值。该分析的第二步计算层状砂岩组分的碳氢化合物饱和度。砂岩的性质可按照纯的、均匀Archie(1942)砂岩或用Waxman-Smits(1968)方程来分散泥质质砂处理。根据Waxman-Smits理论，用由Pachett-Herrick(1982)提出的纯砂岩层孔隙度公式，将这两步分析结合起来就能形成了一个对层状砂岩电阻率和饱和度进行确定的可靠的张量模型。
下列的术语用在该岩石物理张量模型中Ct,h,Ct,v水平和垂直导电率λ=Ct,h/Ct,v水平导电率和垂直导电率的各向异性比，Csd,h,Csd,v砂岩组分的水平和垂直导电率λsd=Csh,h/Csh,v砂岩的各向异性比Csh,h,Csh,v页岩组分的水平和垂直导电率Vsh-1分层页岩的体积分数1-Vsh-1=N/G 砂岩的体积分数χh=Csh,h/Csd,h页岩/砂岩导电率比在垂直和水平方向上的两种导电率组分的方程为Ct,h=Csd,h[1+Vsh-1(χh-1)] (12)以及Ct,v=Csd,hλsd-1[1+Vsh-l(χh-1λshλsd-1)]-1---(13)]]>在方程(12)(13)中的与砂岩和页岩有关的参数将各个地讨论，以强调感兴趣的主要组分。
宏观的各向异性比为λ=λsd[1+Vsh-lB-Vsh-l2(1+B-λshλsd)]----(14)]]>且B=χh+χh-1λshλsd-2----(15)]]>通过定义无量纲的各向异性参数λ、λsd、λsh，从规范化后的参数可导出正演模拟。
规范化的砂岩导电率为Ct,hCsd,h=1+Vsh-l(Csh,hCsd,h-1)----(16)]]>Ct,vCsd,v=1+Vsh-l(Csh,vCsd,v-1)-1----(17)]]>且规范化的各向异性比为λλsd=1+Vsh-lB-Vsh-l2(1+B-λshλsd)----(18)]]>层状页岩体积以及砂岩导电率如上所述，在应用岩石物理张量模型的第一步是从测得的各向异性数据以及在水平和垂直方向上的总导电率Ct,h和Ct,v确定出层状页岩的体积以及砂岩导电率。从这些数据得出砂岩和页岩在水平和垂直方向上的导电率(Csd,b,Csd,v,Csh,h,Csh,v)。另外砂岩和页岩的体积参数-即Vsh和N/G也必须要得到。取决于所能得到的数据，以及其它任何关于砂岩和页岩性质的信息，有三种情况情况A页岩和砂岩都是各向异性的。为了从岩层的混合导电率Ct.h和Ct.v得到砂岩在水平和垂直方向上的导电率(Csd.h,Csd.v)，从代表页岩间隔和页岩层含量Vsh-1的测井记录数据中导出两个页岩导电率(Csh.h,Csh.v)，这些测井数据是从另外的渠道例如Thomos-Stieber方法得到的。给出这些另外的岩层参数后，就可以计算砂岩导电率Csd,v=Ct,v(1-Vsh-l)CVsh,v-Vsh-lCt,v=Ct,v(1-Vsh-l)1-Vsh-lCt,vCsh,v----(19)]]>以及Csd,h=Ct,h-Vsh-lCsh,h1-Vsh-l----(20)]]>
情况B页岩是各向异性的，而砂岩是各向同性的。在给出页岩的两个导电率Csh.h,Csh.v的情况下，砂岩的导电率Csd.h,Csd.v以及页岩层Vsh-1的含量可从岩层的混合导电率Ct.h和Ct.v计算出Csd=12{(Csda+Csd,h)±[(Csh,h-Csda)2(1+▿C)]1/2}----(21)]]>式中Csda=Ct,vCsh,h-Ct,hCsh,v-Ct,v----(22)]]>且▿C=4CsdaCsh,h-Csh,v(Csdiso-Csh,h)2----(23)]]>在方程(21)中，当Csd＜Csh,v时作加法运算，而在Csd＞Csh,v时作减法运算，Csda被定位为“砂岩表观导电率”，如果页岩时各向同性的，则Csh.h=Csh,v，该导电率也等于纯砂岩的导电率。参数ΔC是对各向异性的砂岩校正。对于各向同性的页岩，Csh.h=Csh,v，所以ΔC为零。可用下式来计算页岩层的含量Vsh-l=Ct,h-CsdCsh,h-Csd----(24)]]>或Vsh-l=Csh,vCt,vCt,v-CsdCsh,v-Csd----(25)]]>情况C砂岩和页岩都是各向同性的。在这样的情况下，可以有两种方案，这取决于是否能获得先验演绎性的信息。在第一种方案中，页岩导电率Csh是假定的，而在第二种方案中，是从一个独立的数据渠道推导出页岩层的体积Vsh-1，独立数据渠道例如为Thomas Stieber模型或电阻率图像数据。分层页岩含量从方程(24)计算出，而砂岩导电率由下式得出Csd=Ct,vCsh-Ct,hCsh-Ct,v----(26)]]>砂岩和页岩导电率由下面的方程从输入的页岩层体积得出Csd=Ct,h+Ct,v(1-2Vsh-l)2(1-Vsh-l)±{[Ct,h+Ct,v(1-2Vsh-l)2(1-Vsh-l)]2-Ct,vCt,h}1/2----(27)]]>以及Csh=Vsh-l[Ct,v-1-(1-Vsh-l)Csd-1]-1----(28)]]>在应用张量模型时的第二步是对层状砂岩储油层组分的分析。层状砂岩的含水饱和度是纯层状砂岩孔隙度、电学特性及层状砂岩导电率的函数，并能用各种已知的关系式或其它的模型进行计算，其它的模型例如为有效介质法或电效率法。在这种模型中，Waxman Smits方程被用来对砂岩中的散布的粘土导电率进行数值校正。当不存在散布的粘土时，该方程退化成Archie方程。
各向异性的砂岩组分固有的电学性质、岩层因子(m*)以及饱和度指数(n*)是测量方向以及合成饱和度型面的函数，饱和度指数在整个含水饱和度的区间内并不是常数。水平和垂直方向上的Waxman-Smits方程如下Swtsdn*v=[a*RwφT,sdm*v(1+RwBQvdisp,sdSwtsd-1)Rtv,sd]----(29)]]>Swtsdn*h=[a*RwφT,sdm*h(1+RwBQvdisp,sdSwtsd-1)Rth,sd]----(30)]]>这假定不同砂岩层中的含水饱和度是不同的，或者砂岩的体积中包括两种不同的饱和度。在本发明的一个最佳实施例中，饱和度以及相关的砂岩体积被假设为常数，且垂直和水平粘性指数和饱和度指数也被假定为常数。对于各向同性的砂岩，含水饱和度有如下的计算式Swtsdn*=[α*RwφT,sdm*(1+RwBQvdisp,sdSwtsd-1)Rtsd]----(31)]]>层状砂岩分数Qv(Qvdisp.sd)可从Hill、Shirley、Klein(1979)方程或此处表示的Juhasz(1986)方程得出，其中的Co是岩层水中以克/升或千PPM为单位的氯化钠浓度。Swbdisp,sd=φCBW-disp,sdφT,sd----(32)]]>Qvdisp,sd=Swbdisp,sd[0.6425C01/2+0.22]----(33)]]>用从密度测井仪或一个核磁共振测井仪得到的密度数据，可从总孔隙度来得出层状砂岩的“真正”孔隙度，且该方法由Thomas Stieber在1975年勾勒出，并由Juhasz在1981年表示成下式φT,sd=φT-φshVsh,l(1-Vsh,l)----(34)]]>其中Cw岩层水的导电率RwCw的倒数，岩层水的电阻率φtotal岩层的总孔隙率φT.sd层状砂岩的Thomas Stieber孔隙度Swtsd层状砂岩中的总含水饱和度a*,m*,n*Archie粘土修正参数、各向异性的砂岩带有脚标(h,v)Qvdisp.sd散布的粘土中每单位孔空间体积内的阳离子交换容量φCBW-disp.sd与散布粘土有关的结合水的孔隙分数B 粘土交换阳离子的当量离子导电性Swbdisp.sd只是散布粘土中的结合水饱和度。
尽管上文的公开内容是针对本发明的最佳实施例，但对本领域技术人员来讲，很显然可以有多种形式的改动。尽管上文讨论了电阻率成像仪以及感应测井仪的特定的实施例，但可以理解，这些仪既可用在测井电缆上，也可用在MWD的环境下。还可以理解上文讨论的以感应测井仪进行的各向异性测量也可以用传播电阻率仪来进行。所有这些变型都应当涵盖在所附权利要求书的范围和设计思想内，其中的权利要求书得到了上文公开内容的支持。
权利要求
1．一种用于对地下岩层的所关心的参数进行确定的方法，其中的岩层环绕一个井孔、并包括砂岩和页岩，该方法包括步骤(a)将一个电磁测井仪送入到井孔中，并用仪器上至少一个发射线圈和一个接收线圈来获得代表岩层水平和垂直电阻率的测量值；(b)从所述岩层的总孔隙率、页岩在所述岩层中的体积分数、以及该岩层中页岩的电阻率得到一个数值；(c)用一个处理器来处理所述的测量值，以得到该岩层的水平和垂直电阻率；(d)在一个处理器中用一个岩石物理模型来从所述的垂直和水平电阻率、所述的得到的总孔隙率、所述得到的页岩体积分数、以及所述得到的页岩电阻率来得到所关心的参数，其中所述的岩石物理模型包括一个层状各向同性页岩和一个层状的砂岩，层状砂岩至少是如下的一种(ⅰ)纯砂岩，以及(ⅱ)其中散布有页岩的砂岩。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于感兴趣的参数至少是如下的一个(ⅰ)所述砂岩的孔隙度，(ⅱ)所述砂岩的含水饱和度，(ⅲ)分层页岩的体积分数，以及(ⅳ)分散泥质的体积分数。
3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的电磁测井仪至少包括一个用来在岩层中感应出电磁场的发射器，并至少包括一个用来产生指代感生电磁场的信号的接收器，所述的至少一个发射器和至少一个接收器包括相互正交定向的线圈。
4．根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的总孔隙率是至少是从(ⅰ)一个密度测井仪，(ⅱ)一个核磁共振仪，(ⅲ)一个声学测井仪，以及(ⅳ)一个中子测井仪得到的。
5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的岩层中页岩体积分数至少是从(ⅰ)一个伽马辐射测井仪，(ⅱ)一个核磁共振仪，(ⅲ)一个密度测井仪，(ⅳ)一个中子测井仪，(ⅴ)井孔的一个声学图像，(ⅵ)井孔的一个电学图像，以及(ⅶ)一个微电阻率测井仪得到的。
6．根据权利要求1所述的方法，其特征在于岩层中所述页岩的所述电阻率是用(ⅰ)一个聚焦电阻率仪、以及(ⅱ)一个具有纽扣电极的伽伐尼(galvanic)仪中的一个得到的。
7．根据权利要求1所述的方法，其特征在于获得岩层的垂直和水平电阻率还包括使用岩石物理张量模型来得到层状页岩的体积、层状砂岩的体积、以及层状砂岩的导电率。
8．根据权利要求7所述的方法，其特征在于获得感兴趣参数的过程还包括用一种双水模型来确定出分散泥质的体积分数，层状砂岩的总孔隙度以及层状砂岩的有效孔隙度。
9．根据权利要求8所述的方法，其特征在于获得所述感兴趣参数的过程还包括应用Waxman-Smits方程。
10．根据权利要求1所述的方法，其特征在于测井仪是从一组装置中选择的，这组装置包括(ⅰ)一种电流仪，(ⅱ)一种电磁感应仪，以及(ⅲ)一种电磁传播电阻率仪。
11．根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括用测井仪上的一个传感器来获得仪相对于地下岩层的定向信息，并在获得所述水平和垂直电阻率的过程中使用确定出的定向信息。
12．根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括对所得到的岩层垂直和水平电阻率进行变换的过程。
13．根据权利要求12所述的方法，其特征在于进行变换操作包括步骤(ⅰ)定义一个模型，其包括多个层，所述的每层都具有厚度、水平电阻率以及垂直电阻率；以及(ⅲ)在模型的输出值和所述的得到的水平和垂直电阻率的差值的基础上，迭代更新该模型。
14．根据权利要求13所述的方法，其特征在于还包括将一个电阻率成像仪送入到井孔中、并用其所得的测量结果定义一个初始的模型的步骤。
15．根据权利要求13所述的方法，其特征在于其中的变换操作还包括施加一个围岩校正。
16．根据权利要求14所述的方法，其特征在于定义初始模型的过程还包括对从电阻率成像仪的测量结果以采样深度间隔段进行均值化。
17．根据权利要求14所述的方法，其特征在于电阻率测井仪测得的结果只限于那些地下岩层的走向方向附近的测量结果。
18．根据权利要求12所述的方法，其特征在于变换操作还包括获得了多于一种的可能的方案，来进行变换，并解决了变换中不确定性。
19．一种用来确定一种地壳岩层中的碳氢化合物饱和度的方法，其中的岩层包括间置在储积岩层之间的页岩层，该方法包括步骤(a)确定所述地壳岩层的垂直电阻率；(b)确定所述地壳岩层的水平电阻率(c)确定所述储积岩层的孔隙率；以及(d)通过结合所述的垂直电阻率、所述孔隙度、以及所述水平电阻率，不受所述页岩层电阻率影响地确定出碳氢化合物饱和度。
20．根据权利要求19所述的方法，其特征在于所述储积岩层包括散布在孔隙空间内的页岩，且计算所述碳氢化合物饱和度的关系式考虑了分散泥质的影响。
21．根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述模型包括Patchett-Herrick模型。
22．根据权利要求19所述的方法，其特征在于其中用来测量所述垂直和水平电阻率的步骤还包括步骤(a)沿钻入所述地壳岩层的井孔的轴线测量感应信号；(b)垂直于所述井孔轴线测量感应信号；(c)测量横向感应信号分量；以及(d)用所述的沿所述轴线、及垂直于所述轴线的感应信号和所述的横向感应信号分量来确定出所述垂直和水平电阻率。
23．一种用来获得一个地下岩层的储油层中的至少一个砂岩层的孔隙率和含水饱和度的方法，其中的储油层包括分层的砂岩和页岩，地下岩层环绕着一个井孔，该方法包括步骤(a)将一个电磁测井仪送入到井孔中，并用仪上至少一个发射线圈和一个接收线圈来获得指代岩层水平和垂直电阻率的测量值；(b)从所述岩层的总孔隙率、页岩在所述岩层中的体积分数、以及该岩层中页岩的电阻率得到一个数值；(c)用一个处理器来处理所述测量值，并由此得到一个该岩层的水平和垂直电阻率的分层模型；(d)用一个岩石物理模型来从垂直和水平电阻率的分层模型、得到孔隙率和所述砂岩的含水饱和度。
24．根据权利要求23所述的方法，其特征在于获得页岩电阻率的过程还包括将一个带有纽扣电极的电流计送入到井孔中，并对所述纽扣电极在垂直和水平方向上测量结果进行平均。
25．根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述岩层的各层具有一个走向方向，且其中所述的取平均过程只限定于由基本沿所述走向方向分布的纽扣电极得到的测量结果。
26．根据权利要求23所述的方法，其特征在于所述的测井仪是从一组装置中选择的，这组装置包括(ⅰ)一种电流仪，(ⅱ)一种电磁感应仪，以及(ⅲ)一种电磁传播电阻率仪。
27．根据权利要求23所述的方法，其特征在于所述的电磁测井仪是通过(ⅰ)一根测井电缆(ⅱ)一根钻杆柱中的一种送入到井孔下的。
全文摘要
在带有砂岩的储油层中,带有一定量页岩的岩层的总孔隙率以及页岩的电阻率被确定出(在装置22中),其中的砂岩中散布着一些页岩。一个岩石物理张量模型从水平和垂直电阻率确定出层状页岩体积以及层状砂岩的导电率,其中的水平和垂直电阻率是从多组分感应测井数据中得到的。分散泥质以及层状砂岩部分的总孔隙率和有效孔隙率用Thomas－Stieber－Juhasz方法得出。去掉层状页岩电阻率和孔隙率的影响,就能将分层页岩质砂的问题简化为单纯的分散页岩质砂模型,而该模型能用Waxman－Smits方程处理。
文档编号G01V11/00GK1325494SQ99812771
公开日2001年12月5日 申请日期1999年12月29日 优先权日1998年12月30日
发明者理查德·A·莫利森, 于尔根·H·舍恩, 奥托·N·法尼尼, 贝特霍尔德·F·克里格绍尔, 米洛米尔·帕夫洛维奇 申请人:贝克休斯公司