CN1222978A - 分层地层的电测井 - Google Patents

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Abstract

提供了一种确定由不同地下分层(3、5、7)构成的地层的电导率的方法,该地层被含有井孔流体的井孔(1)穿透。该方法包含将感应测井工具(9)下放到井孔(1)中由地下分层(3、5、7)中的选定一层所包围的位置,工具(9)包含磁场发射装置(18)用于在所述地层中感应出不同频率的磁场,以及磁场接收装置(19)用于接收响应磁场和提供代表每个响应磁场的信号,而且至少发射装置(18)和接收装置(19)之一有多个磁偶极矩(26、28)处于相互正交的方向。至少选定两种所述不同频率,而且对每个选定频率操作发射装置(18)以在地层中感应出磁场,并操作接收装置(19)以提供代表响应磁场的信号,其中所述至少发射装置(18)和接收装置(19)之一在所述相互正交的各方向上操作。这些信号按一定方式被组合起来,以产生一合成信号,该合成信号对井孔区域中的电导率的依赖性被减小了。根据该合成信号确定地层电阻率和测井工具相对于地层分层的相对取向。

Description

分层地层的电测井
本发明涉及由不同的地下分层组成的地层的电导率的确定方法，借此方法使含有井孔流体的井孔能延伸到地层中。这种方法也被称作测井方法。更具体地说，本发明涉及确定地层中选定分层的电导率。这样得到的电导率能被用于确定各单个分层的组成，并确定在这类分层中诸如油、水或气等流体的存在。
通常，当使用传统的感应测井工具时，要在由页岩和砂的交替薄层构成的分层碎屑储藏层(reservoir)中检测出含烃带是困难的。如果因为工具的垂直向分辨力太低，从而使这些分层因其太薄而不能被感应测井工具单个地检测到的话，那么该工具读出的是该地层的平均电导率。在垂直井孔中，具有垂直方向磁偶极矩的传统感应测井工具读出的平均电导率，它是砂和页岩电导率的组合，但它受页岩层的相对高电导率的支配。具有水平方向磁偶极矩的横向感应测井工具读出的平均电导率，它受含烃砂层的相对低电导率的支配。
如果在地层中的页岩/砂的体积为已知，例如由使用伽马射线工具或核工具测量得到，那么传统感应测井工具和横向感应测井工具的组合能被用于确定单个页岩层和砂层的电导率，如果同类型的分层具有同样电导率的话。然而，要解释横向感应测井工具的响应(response)是困难的，因为它的响应受到大的井孔效应和井孔流体侵入效应的影响。
Tabarovskii等人1979年在“在各向异性介质中具有横向检测器的感应聚焦探头的径向特性”〔Soviet Geology and Geophysics(苏联地质学和地球物理学杂志)，20，第81-90页〕一文中披露了从横向感应测井工具的响应中减小井孔效应的一种已知方法。在这种已知的方法中使用了一种感应测井工具，这种工具包含适于在地层中感应出磁场的磁场发射装置，和适于在距发射装置不同距离处接收响应磁场并提供一代表每个响应磁场的信号的磁场接收装置。然而，使用这种工具得到的测井资料相当“杂乱”，所以难于解释。当该工具穿过一系列地下分层时，这个问题变得甚至更加明显。
所以，本发明的目的是提供一种确定分层地层的地下分层特性的方法，利用这种方法得到的测井响应易于解释，并且即使单个地层的厚度相对较薄也能提供其特性的准确指示。再有，希望能确定测并工具相对于地层分层的相对取向。
本发明的又一目的是提供一种系统来实现根据本发明的方法。
本发明的再一目的是提供一种感应测井工具，供根据本发明的方法和系统中使用。
根据本发明，提供一种确定由不同地下分层构成的地层的电导率的方法，该地层被一含有井孔流体的井孔穿透，该方法包括：
-将感应测井工具下放到井孔中由选定的地下分层之一所包围的位置，该工具包含磁场发射装置用于在所述地层中感应出不同频率的磁场，以及磁场接收装置用于接收响应磁场和提供代表每个响应磁场的信号，而且至少发射装置和接收装置之一具有处于相互正交方向的多个磁偶极矩；
-选择至少两种所述不同频率；
-对每个选定的频率，操作发射装置从而在地层中感应出一磁场，并且操作接收装置从而提供一代表响应磁场的信号，其中所述至少发射装置和接收装置之一是在所述相互正交的各方向上进行操作；以及
-把各信号组合起来，其组合方式是使所产生的合成信号对井孔区域中的电导率的依赖性减小，并根据此合成信号确定地层电阻率以及测井工具相对于地层分层的相对取向。
信号可写成按该频率展开的级数，这个级数展开包含在主要决定于井孔区域中电导率的该频率上的线性项。通过把描述信号级数展开的各方程按一定方式组合起来，使得在该频率上的线性项被消除，则得到一个新的方程组，从这组方程中实际上已消除了井孔区域的影响。再有，通过在不同的相互正交方向上进行操作，使得测井工具相对于地层分层的取向能够考虑。
根据本发明的系统，其包括：
-用于将感应测井工具下放到井孔中由选定的地下分层之一所包围的位置的装置，该测井工具包含磁场发射装置用于在所述地层中感应出不同频率的磁场，以及磁场接收装置用于接收响应磁场和提供代表每个响应磁场的信号，而且至少发射装置和接收装置之一具有处于相互正交方向的多个偶极矩；
-用于选择至少两种所述不同频率的装置；
-一种装置，用于对每个选定的频率操作发射装置从而在地层中感应出一磁场，并且操作接收装置从而提供一代表响应磁场的信号，其中所述至少发射装置和接收装置之一是在所述相互正交的各方向上进行操作；以及
-把各信号组合起来的装置，其组合方式是使所产生的合成信号对井孔区域中的电导率的依赖性减小，并根据此合成信号确定地层电阻率以及测井工具相对于地层分层的相对取向。
供根据本发明的方法和系统中使用的感应测井工具，其包括：
-用于将该工具下放到井孔中由选定的地下分层之一所包围的位置的装置；
适于在所述地层分层中感应出不同频率的磁场的磁场发射装置；
-磁场接收装置，适于接收响应磁场和提供代表每个响应磁场的信号，而且至少发射装置和接收装置之一具有处于相互正交方向的多个磁偶极矩；
-用于选择至少两种所述不同频率的装置；以及
-把各信号组合起来的装置，其组合方式是使所产生的合成信号对井孔区域中的电导率的依赖性减小，并根据此合成信号确定地层电阻率以及测井工具相对于地层分层的相对取向。
为了减小相邻分层的影响，该接收装置最好适于在距发射装置不同间距处接收响应磁场，并且至少选定两种所述的不同间距；发射装置和接收装置能对各选定频率和各选定间距的不同组合进行操作，而且各信号按一定方式进一步组合起来，使得所述合成信号对选定地下分层的相邻地下分层的电导率的依赖性减小。
该级数展开包含一个该频率上的非线性项，它主要决定于相邻分层的电导率。通过对方程式进行组合，使得从每个方程中清除在该频率上为非线性的那个优势项，这样得到的结果方程中便实际上消除了井孔区域和相邻分层的影响。已经发现，在接收装置处的该信号对于发射装置和接收装置之间的间距只有弱的依赖性，在下文中称这个间距为工具间距(tool-spacing)。所以该信号的级数展开式对工具间距也没有显著的依赖性。
最好是使，发射装置和接收装置每个都有处于互相正交方向的多个磁偶极矩，而且其中的发射装置和接收装置每个都在所述互相正交方向上进行操作。
一种适当的情况是，发射装置和接收装置每个都有处于三个正交方向上的三个磁偶极矩，而且其中发射装置和接收装置每个都在所述三个互相正交方向上进行操作。
现在将参考附图通过实例更详细地描述本发明，其中：
图1表示一延伸到分层地层中的井孔略图，在根据本发明的方法中使用的感应测井工具已被下放到这个井孔中。
图2表示图1的井孔，在根据本发明的方法中使用的另一种感应测井工具已被下放到这个井孔中。
图1中的井孔1延伸到一个地层中，该地层包括一个含烃的砂层3位于上页岩层5和下页岩层7之间，且页岩层5和7的电导率高于含烃的砂层3。在本发明的实践中使用的感应测井工具9通过电缆11下放到井孔1中，电缆11穿过一位于地面15处的防喷装置(blow outpreventor)13(示意性表示)。井孔1和测井工具9相对于分层3、5、7的相对取向由两个角度确定，图中表示了其中之一(θ)。测井工具9配备了一组发射线圈18和一组接收线圈19，每组线圈18、19通过沿电缆11延伸的适当的导线(未画出)连接到地面设备22。地面设备22包括一向线圈组18提供电能的电源，以及一接收和处理来自接收线圈19的电信号的信号处理器。
每组线圈18、19包括三个线圈(未画出)，它们被安排成每组有三个磁偶极矩位于相互正交的方向上，即在x、y和z方向上。这样，线圈组18有磁偶极矩26a、26b、26c，而线圈组19有磁偶极矩28a、28b、28c。具有磁偶极矩26a和28a的线圈是横向线圈，即它们的取向所具有的磁偶极矩垂直于井孔轴，借此使磁偶极矩28a的方向与磁偶极矩26a的方向相反。再有，线圈组18、19被定位到基本上沿着测井工具9的纵轴。
为便于考虑，下文只对具有x方向偶极矩(即偶极矩26a、28a)的线圈来描述工具9的正常操作。
在正常操作过程中，由地面设备22的电源向发射线圈组18提供一个频率为f1的交变电流，从而在地层中感应出具有磁偶极矩26a的磁场。这个磁场扩展到砂层3中，从而在砂层3中感应出一个电流，这个电流由多个局部涡流电流构成。这种局部涡流电流的幅度取决于它相对于发射线圈组18的位置、在所述位置处地层的电导率以及发射线圈组18的工作频率。原则上，这些局部涡流电流的作用是感应出新电流的源，这些新电流又感应出更新电流，如此等等。在砂层3中感应出的电流感应出一个响应磁场，这个响应磁场与感应出的磁场相位不同，并在接收线圈组19中感应出响应电流。由于在砂层3中感应出的电流幅度取决于砂层3的电导率，所以在接收线圈组19中的响应电流幅度也取决于这个电导率，于是便提供了砂层3的电导率的一种指示。然而，由发射线圈组18产生的磁场不仅扩展到砂层3，而且还扩展到井孔流体中和页岩层5、7中，以致于在井孔流体和页岩层5、7中感应出电流，这导致在接收线圈组19中的响应电流中增加了附加分量。这些附加分量可线性地依赖于发射线圈组18的工作频率，或者可与该频率中的更高阶项成比例。通常，如果井孔1的体积比较大，和/或频率或电导率比较高，则此较高阶项变成占优势。如果不是这种情况的话，则井孔流体对接收线圈组19处的总响应的主要贡献构成了该频率中的线性分量。
由接收线圈组19收到的响应磁场h(f1)，可被写成按该频率的级数展开式：
h(f1)=f1h1+f1 3/2h2+f1 2h3+…    (1)
其中h1、h2、h3是响应磁场h(f)的级数展开项。
分量f1h1基本上取决于井孔区域中的电导率，即这一项主要取决于井孔流体的电导率。
接下来，由地面设备22的电源向发射线圈组18供给频率为f2的交变电流，从而在地层中感应出频率为f2的磁场，所选频率f2与f1适当地区别开。与频率f1的磁场类似，频率f2的磁场在分层3、5、7中感应出电流，这个电流在地层中感应出响应磁场，该响应磁场在接收线圈组19中感应出响应电流。由接收线圈组19接收的响应磁场可被写成按该频率的级数展开式：
h(f2)=f2h1+f2 3/2h2+f2 2h3+…    (2)式(2)中的分量f2h1主要取决于井孔区域中的电导率。
通过以适当的方式组合方程(1)和(2)，可消除分量f1h1和f2h1，所得到的表示式是：
h(f1,f2)=h(f1)-(f1/f2)h(f2)    (3)这样便消除了该频率的线性项，从而在表示式(3)中基本上消除了井孔区域的影响。
为了考虑和确定测井工具相对于地层分层的相对取向，对于有磁偶极方向在y和z方向的线圈分别重复上述过程。例如，当可以操作线圈组18以产生具有磁偶极矩24a的磁场时，使用沿磁偶极矩28b和28c的线圈组19分别测量响应磁场。类似地，当操作线圈组18以产生具有磁偶极矩26b或26c的磁场时，也使用沿磁偶极矩28a、28b及28c的线圈组19分别测量响应磁场，如此等等。这样便得到多个(1)-(4)方程组，由这些方程组可确定其相对取向。
图2是如图1所示同样井孔的略图，在根据本发明的方法中使用的另一种感应测井工具已被下放到这个井孔中。这另一种测井工具9a具有两组发射线圈17、18和两组接收线圈19、20，每组线圈17、18、19、20通过沿电缆11延伸的适当导线(未画出)连接到地面设备22。
与图1中的感应测井工具类似，每组线圈17、18、19、20包括三个线圈(未画出)，它们被安排成使该线圈组有三个处于相互正交方向即x、y、z方向的磁偶极矩。这样，线圈组17有磁偶极矩24a、24b、24c，线圈组18有磁偶极矩26a、26b、26c，线圈组19有磁偶极矩28a、28b、28c，线圈组20有磁偶极矩30a、30b、30c。由线圈组17、20组成的一对和由线圈组18、19组成的一对有一共同的中点，其被定义为位于每对线圈组间距中途位置的点。这种线圈组对中两个线圈组之间的间距在下文中称作工具间距。线圈组17、20组成的线圈组对的工具间距是L1，线圈组18、19组成的线圈组对的工具间距是L2，因此L1＞L2。
测井工具9a的正常操作大部分与图1中工具9的正常操作类似，只是增加了下述步骤。在如参考图1所描述的那样消除了频率的线性项之后，本发明运用进一步的理解(insight)，即与f3/2成比例的项实际上不依赖于工具间距；而且，通过把具有不同工具间距的两个频率聚焦发射器/接收器对的单独响应组合起来，可改善频率聚焦响应的垂直分辨力。以这种方式可消掉与f3/2成比例的项。如果对于两个发射器/接收器对所加频率选为彼此相等的频率，则通过对发射线圈组17、18使用相同的磁偶极矩而对接收线圈组19、20采用相反的磁偶极矩，便能适当地实现这种抵消。另一种作法是对于各发射器/接收器对可使用不同的频率对。
于是在下一个步骤中，使用发射线圈组17来在地层中感应出磁场和相应的电流场，并使用接收线圈组20来提供一指示响应磁场的信号。加到发射线圈组17上的交变电流频率为f1，即与先前加到发射线圈组18上的电流频率相同。响应磁场h′可写成与(1)式类似的级数展开式，这个级数展开式含有分量f1h1′，它主要取决于井孔区域中的电导率，以及分量f1 3/2h2′，它主要取决于页岩层5、7的电导率。接下来，一个频率为f2的交变电流加到发射线圈组17上，该频率即为与先前加到发射线圈组18上的电流频率相同。响应磁场h′可写成与(2)式类似的级数展开式，这个级数展开式含有分量f2h1′，它主要取决于井孔区域中的电导率，以及分量f2 3/2h2′，它主要取决于页岩层5、7的电导率。按照与参考式(1)和(2)所描述的方式类似的方式，把这些级数展开式组合起来，则能消除频率的线性项，从而得到结果表达式：
h′(f1,f2)=h′(f1)-(f1/f2)h′(f2)    (4)
通过把(3)式和(4)式组合，现在能消除具有f1 3/2和f2 3/2项的分量，于是从得到的结果表达式中实质上消除了井孔区域中的电导率以及页岩层5、7的电导率的影响。这个结果表达式是由地面设备22以合成信号的形式提供的。
由上述可得出结论：从不同频率和不同工具间距的组合能提供出代表选定地下分层电导率的信号，从这个信号中实质上已消除了井孔区域以及相邻地下分层的影响。
为了考虑和确定工具相对于地层分层的相对取向，和以前一样，还要再对磁偶极方向沿y和z方向的线圈分别重复该步骤。
可以不把每组线圈的磁偶极矩放在同一深度(即沿z方向)，而是把这些磁偶极矩放在不同的深度上，以便把每组中单个线圈的大小考虑进去。

Claims (10)

1．一种确定由不同地下分层构成的地层的电导率的方法，该地层被一含有井孔流体的井孔穿透，该方法包括：
-将感应测井工具下放到井孔中由选定的地下分层之一所包围的位置，该工具包含磁场发射装置用于在所述地层中感应出不同频率的磁场，以及磁场接收装置用于接收响应磁场和提供代表每个响应磁场的信号，而且至少发射装置和接收装置之一具有处于相互正交方向的多个磁偶极矩；
-选择至少两种所述不同频率；
-对每个选定的频率，操作发射装置从而在地层中感应出一磁场，并且操作接收装置从而提供一代表响应磁场的信号，其中所述至少发射装置和接收装置之一是在所述相互正交的各方向上进行操作；以及
-把各信号组合起来，其组合方式是使所产生的合成信号对井孔区域中的电导率的依赖性减小，并根据此合成信号确定地层电阻率以及测井工具相对于地层分层的相对取向。
2．如权利要求1的方法，其中该接收装置适于在距发射装置不同间距处接收响应磁场，并且至少选定两种所述的不同间距；发射装置和接收装置对各选定频率和各选定间距的不同组合进行操作，而且各信号按一定方式组合，使得所述合成信号对选定地下分层的相邻地下分层的电导率的依赖性性减小。
3．如权利要求1或2的方法，其中发射装置和接收装置每个都有处于互相正交方向的多个磁偶极矩，而且其中的发射装置和接收装置每个都在所述各互相正交方向上进行操作。
4．如权利要求1-3中任一权利要求的方法，其中发射装置和接收装置每个都有处于三个正交方向上的三个磁偶极矩，而且其中发射装置和接收装置的每个都在所述三个互相正交方向上进行操作。
5．如权利要求2-4中任一权利要求的方法，其中每个信号包括一个作为响应磁场的频率的线性函数的分量，该分量基本上取决于该井孔区域的电导率；还包括一个作为响应磁场的频率的非线性函数的分量，该分量基本上取决于所述相邻地下分层的电导率，而且其中在从合成信号中消去该非线性分量之前先从该合成信号中消去所述线性分量。
6．一种用于确定由不同地下分层构成的地层的电导率的系统，该地层被一含有井孔流体的井孔穿透，该系统包括：
-用于将感应测井工具下放到井孔中由选定的地下分层之一所包围的位置的装置，该测井工具包含磁场发射装置用于在所述地层中感应出不同频率的磁场，以及磁场接收装置用于接收响应磁场和提供代表每个响应磁场的信号，而且至少发射装置和接收装置之一具有处于相互正交方向的多个偶极矩；
-用于选择至少两种所述不同频率的装置；
-一种装置，用于对每个选定的频率操作发射装置从而在地层中感应出一磁场，并且操作接收装置从而提供一代表响应磁场的信号，其中所述至少发射装置和接收装置之一是在所述相互正交的各方向上进行操作；以及
-把各信号组合起来的装置，其组合方式是使所产生的合成信号对井孔区域中的电导率的依赖性减小，并根据此合成信号确定地层电阻率以及测井工具相对于地层分层的相对取向。
7．一种用于确定由不同地下分层构成的地层的电导率的感应测井工具，由此而使含有井孔流体的井孔穿过所述地层延伸，该测井工具包括：
-用于将该工具下放到井孔中由选定的地下分层之一所包围的位置的装置；
适于在所述地层分层中感应出不同频率的磁场的磁场发射装置；
-磁场接收装置，适于接收响应磁场和提供代表每个响应磁场的信号，而且至少发射装置和接收装置之一具有处于相互正交方向的多个磁偶极矩；
-用于选择至少两种所述不同频率的装置；以及
-把各信号组合起来的装置，其组合方式是使所产生的合成信号对井孔区域中的电导率的依赖性减小，并根据此合成信号确定地层电阻率以及测井工具相对于地层分层的相对取向。
8．基本上如前文参照附图所描述的方法。
9．基本上如前文参照附图所描述的系统。
10．基本上如前文参照附图所描述的感应测井工具。
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