專利名稱：分層地層的電測井的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由不同的地下分層組成的地層的電導率的確定方法，借此方法使含有井孔流體的井孔能延伸到地層中。這種方法也被稱作測井方法。更具體地說，本發(fā)明涉及確定地層中選定分層的電導率。這樣得到的電導率能被用于確定各單個分層的組成，并確定在這類分層中諸如油、水或氣等流體的存在。
通常，當使用傳統(tǒng)的感應測井工具時，要在由頁巖和砂的交替薄層構成的分層碎屑儲藏層(reservoir)中檢測出含烴帶是困難的。如果因為工具的垂直向分辨力太低，從而使這些分層因其太薄而不能被感應測井工具單個地檢測到的話，那么該工具讀出的是該地層的平均電導率。在垂直井孔中，具有垂直方向磁偶極矩的傳統(tǒng)感應測井工具讀出的平均電導率，它是砂和頁巖電導率的組合，但它受頁巖層的相對高電導率的支配。具有水平方向磁偶極矩的橫向感應測井工具讀出的平均電導率，它受含烴砂層的相對低電導率的支配。
如果在地層中的頁巖/砂的體積為已知，例如由使用伽馬射線工具或核工具測量得到，那么傳統(tǒng)感應測井工具和橫向感應測井工具的組合能被用于確定單個頁巖層和砂層的電導率，如果同類型的分層具有同樣電導率的話。然而，要解釋橫向感應測井工具的響應(response)是困難的，因為它的響應受到大的井孔效應和井孔流體侵入效應的影響。
Tabarovskii等人1979年在“在各向異性介質中具有橫向檢測器的感應聚焦探頭的徑向特性”〔Soviet Geology and Geophysics(蘇聯(lián)地質學和地球物理學雜志)，20，第81-90頁〕一文中披露了從橫向感應測井工具的響應中減小井孔效應的一種已知方法。在這種已知的方法中使用了一種感應測井工具，這種工具包含適于在地層中感應出磁場的磁場發(fā)射裝置，和適于在距發(fā)射裝置不同距離處接收響應磁場并提供一代表每個響應磁場的信號的磁場接收裝置。然而，使用這種工具得到的測井資料相當“雜亂”，所以難于解釋。當該工具穿過一系列地下分層時，這個問題變得甚至更加明顯。
所以，本發(fā)明的目的是提供一種確定分層地層的地下分層特性的方法，利用這種方法得到的測井響應易于解釋，并且即使單個地層的厚度相對較薄也能提供其特性的準確指示。再有，希望能確定測并工具相對于地層分層的相對取向。
本發(fā)明的又一目的是提供一種系統(tǒng)來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法。
本發(fā)明的再一目的是提供一種感應測井工具，供根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)中使用。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種確定由不同地下分層構成的地層的電導率的方法，該地層被一含有井孔流體的井孔穿透，該方法包括-將感應測井工具下放到井孔中由選定的地下分層之一所包圍的位置，該工具包含磁場發(fā)射裝置用于在所述地層中感應出不同頻率的磁場，以及磁場接收裝置用于接收響應磁場和提供代表每個響應磁場的信號，而且至少發(fā)射裝置和接收裝置之一具有處于相互正交方向的多個磁偶極矩；-選擇至少兩種所述不同頻率；-對每個選定的頻率，操作發(fā)射裝置從而在地層中感應出一磁場，并且操作接收裝置從而提供一代表響應磁場的信號，其中所述至少發(fā)射裝置和接收裝置之一是在所述相互正交的各方向上進行操作；以及-把各信號組合起來，其組合方式是使所產生的合成信號對井孔區(qū)域中的電導率的依賴性減小，并根據(jù)此合成信號確定地層電阻率以及測井工具相對于地層分層的相對取向。
信號可寫成按該頻率展開的級數(shù)，這個級數(shù)展開包含在主要決定于井孔區(qū)域中電導率的該頻率上的線性項。通過把描述信號級數(shù)展開的各方程按一定方式組合起來，使得在該頻率上的線性項被消除，則得到一個新的方程組，從這組方程中實際上已消除了井孔區(qū)域的影響。再有，通過在不同的相互正交方向上進行操作，使得測井工具相對于地層分層的取向能夠考慮。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其包括
-用于將感應測井工具下放到井孔中由選定的地下分層之一所包圍的位置的裝置，該測井工具包含磁場發(fā)射裝置用于在所述地層中感應出不同頻率的磁場，以及磁場接收裝置用于接收響應磁場和提供代表每個響應磁場的信號，而且至少發(fā)射裝置和接收裝置之一具有處于相互正交方向的多個偶極矩；-用于選擇至少兩種所述不同頻率的裝置；-一種裝置，用于對每個選定的頻率操作發(fā)射裝置從而在地層中感應出一磁場，并且操作接收裝置從而提供一代表響應磁場的信號，其中所述至少發(fā)射裝置和接收裝置之一是在所述相互正交的各方向上進行操作；以及-把各信號組合起來的裝置，其組合方式是使所產生的合成信號對井孔區(qū)域中的電導率的依賴性減小，并根據(jù)此合成信號確定地層電阻率以及測井工具相對于地層分層的相對取向。
供根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)中使用的感應測井工具，其包括-用于將該工具下放到井孔中由選定的地下分層之一所包圍的位置的裝置；適于在所述地層分層中感應出不同頻率的磁場的磁場發(fā)射裝置；-磁場接收裝置，適于接收響應磁場和提供代表每個響應磁場的信號，而且至少發(fā)射裝置和接收裝置之一具有處于相互正交方向的多個磁偶極矩；-用于選擇至少兩種所述不同頻率的裝置；以及-把各信號組合起來的裝置，其組合方式是使所產生的合成信號對井孔區(qū)域中的電導率的依賴性減小，并根據(jù)此合成信號確定地層電阻率以及測井工具相對于地層分層的相對取向。
為了減小相鄰分層的影響，該接收裝置最好適于在距發(fā)射裝置不同間距處接收響應磁場，并且至少選定兩種所述的不同間距；發(fā)射裝置和接收裝置能對各選定頻率和各選定間距的不同組合進行操作，而且各信號按一定方式進一步組合起來，使得所述合成信號對選定地下分層的相鄰地下分層的電導率的依賴性減小。
該級數(shù)展開包含一個該頻率上的非線性項，它主要決定于相鄰分層的電導率。通過對方程式進行組合，使得從每個方程中清除在該頻率上為非線性的那個優(yōu)勢項，這樣得到的結果方程中便實際上消除了井孔區(qū)域和相鄰分層的影響。已經發(fā)現(xiàn)，在接收裝置處的該信號對于發(fā)射裝置和接收裝置之間的間距只有弱的依賴性，在下文中稱這個間距為工具間距(tool-spacing)。所以該信號的級數(shù)展開式對工具間距也沒有顯著的依賴性。
最好是使，發(fā)射裝置和接收裝置每個都有處于互相正交方向的多個磁偶極矩，而且其中的發(fā)射裝置和接收裝置每個都在所述互相正交方向上進行操作。
一種適當?shù)那闆r是，發(fā)射裝置和接收裝置每個都有處于三個正交方向上的三個磁偶極矩，而且其中發(fā)射裝置和接收裝置每個都在所述三個互相正交方向上進行操作。
現(xiàn)在將參考附圖通過實例更詳細地描述本發(fā)明，其中

圖1表示一延伸到分層地層中的井孔略圖，在根據(jù)本發(fā)明的方法中使用的感應測井工具已被下放到這個井孔中。
圖2表示圖1的井孔，在根據(jù)本發(fā)明的方法中使用的另一種感應測井工具已被下放到這個井孔中。
圖1中的井孔1延伸到一個地層中，該地層包括一個含烴的砂層3位于上頁巖層5和下頁巖層7之間，且頁巖層5和7的電導率高于含烴的砂層3。在本發(fā)明的實踐中使用的感應測井工具9通過電纜11下放到井孔1中，電纜11穿過一位于地面15處的防噴裝置(blow outpreventor)13(示意性表示)。井孔1和測井工具9相對于分層3、5、7的相對取向由兩個角度確定，圖中表示了其中之一(θ)。測井工具9配備了一組發(fā)射線圈18和一組接收線圈19，每組線圈18、19通過沿電纜11延伸的適當?shù)膶Ь€(未畫出)連接到地面設備22。地面設備22包括一向線圈組18提供電能的電源，以及一接收和處理來自接收線圈19的電信號的信號處理器。
每組線圈18、19包括三個線圈(未畫出)，它們被安排成每組有三個磁偶極矩位于相互正交的方向上，即在x、y和z方向上。這樣，線圈組18有磁偶極矩26a、26b、26c，而線圈組19有磁偶極矩28a、28b、28c。具有磁偶極矩26a和28a的線圈是橫向線圈，即它們的取向所具有的磁偶極矩垂直于井孔軸，借此使磁偶極矩28a的方向與磁偶極矩26a的方向相反。再有，線圈組18、19被定位到基本上沿著測井工具9的縱軸。
為便于考慮，下文只對具有x方向偶極矩(即偶極矩26a、28a)的線圈來描述工具9的正常操作。
在正常操作過程中，由地面設備22的電源向發(fā)射線圈組18提供一個頻率為f1的交變電流，從而在地層中感應出具有磁偶極矩26a的磁場。這個磁場擴展到砂層3中，從而在砂層3中感應出一個電流，這個電流由多個局部渦流電流構成。這種局部渦流電流的幅度取決于它相對于發(fā)射線圈組18的位置、在所述位置處地層的電導率以及發(fā)射線圈組18的工作頻率。原則上，這些局部渦流電流的作用是感應出新電流的源，這些新電流又感應出更新電流，如此等等。在砂層3中感應出的電流感應出一個響應磁場，這個響應磁場與感應出的磁場相位不同，并在接收線圈組19中感應出響應電流。由于在砂層3中感應出的電流幅度取決于砂層3的電導率，所以在接收線圈組19中的響應電流幅度也取決于這個電導率，于是便提供了砂層3的電導率的一種指示。然而，由發(fā)射線圈組18產生的磁場不僅擴展到砂層3，而且還擴展到井孔流體中和頁巖層5、7中，以致于在井孔流體和頁巖層5、7中感應出電流，這導致在接收線圈組19中的響應電流中增加了附加分量。這些附加分量可線性地依賴于發(fā)射線圈組18的工作頻率，或者可與該頻率中的更高階項成比例。通常，如果井孔1的體積比較大，和/或頻率或電導率比較高，則此較高階項變成占優(yōu)勢。如果不是這種情況的話，則井孔流體對接收線圈組19處的總響應的主要貢獻構成了該頻率中的線性分量。
由接收線圈組19收到的響應磁場h(f1)，可被寫成按該頻率的級數(shù)展開式h(f1)=f1h1+f13/2h2+f12h3+…(1)其中h1、h2、h3是響應磁場h(f)的級數(shù)展開項。
分量f1h1基本上取決于井孔區(qū)域中的電導率，即這一項主要取決于井孔流體的電導率。
接下來，由地面設備22的電源向發(fā)射線圈組18供給頻率為f2的交變電流，從而在地層中感應出頻率為f2的磁場，所選頻率f2與f1適當?shù)貐^(qū)別開。與頻率f1的磁場類似，頻率f2的磁場在分層3、5、7中感應出電流，這個電流在地層中感應出響應磁場，該響應磁場在接收線圈組19中感應出響應電流。由接收線圈組19接收的響應磁場可被寫成按該頻率的級數(shù)展開式h(f2)=f2h1+f23/2h2+f22h3+…(2)式(2)中的分量f2h1主要取決于井孔區(qū)域中的電導率。
通過以適當?shù)姆绞浇M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)這樣便消除了該頻率的線性項，從而在表示式(3)中基本上消除了井孔區(qū)域的影響。
為了考慮和確定測井工具相對于地層分層的相對取向，對于有磁偶極方向在y和z方向的線圈分別重復上述過程。例如，當可以操作線圈組18以產生具有磁偶極矩24a的磁場時，使用沿磁偶極矩28b和28c的線圈組19分別測量響應磁場。類似地，當操作線圈組18以產生具有磁偶極矩26b或26c的磁場時，也使用沿磁偶極矩28a、28b及28c的線圈組19分別測量響應磁場，如此等等。這樣便得到多個(1)-(4)方程組，由這些方程組可確定其相對取向。
圖2是如圖1所示同樣井孔的略圖，在根據(jù)本發(fā)明的方法中使用的另一種感應測井工具已被下放到這個井孔中。這另一種測井工具9a具有兩組發(fā)射線圈17、18和兩組接收線圈19、20，每組線圈17、18、19、20通過沿電纜11延伸的適當導線(未畫出)連接到地面設備22。
與圖1中的感應測井工具類似，每組線圈17、18、19、20包括三個線圈(未畫出)，它們被安排成使該線圈組有三個處于相互正交方向即x、y、z方向的磁偶極矩。這樣，線圈組17有磁偶極矩24a、24b、24c，線圈組18有磁偶極矩26a、26b、26c，線圈組19有磁偶極矩28a、28b、28c，線圈組20有磁偶極矩30a、30b、30c。由線圈組17、20組成的一對和由線圈組18、19組成的一對有一共同的中點，其被定義為位于每對線圈組間距中途位置的點。這種線圈組對中兩個線圈組之間的間距在下文中稱作工具間距。線圈組17、20組成的線圈組對的工具間距是L1，線圈組18、19組成的線圈組對的工具間距是L2，因此L1＞L2。
測井工具9a的正常操作大部分與圖1中工具9的正常操作類似，只是增加了下述步驟。在如參考圖1所描述的那樣消除了頻率的線性項之后，本發(fā)明運用進一步的理解(insight)，即與f3/2成比例的項實際上不依賴于工具間距；而且，通過把具有不同工具間距的兩個頻率聚焦發(fā)射器/接收器對的單獨響應組合起來，可改善頻率聚焦響應的垂直分辨力。以這種方式可消掉與f3/2成比例的項。如果對于兩個發(fā)射器/接收器對所加頻率選為彼此相等的頻率，則通過對發(fā)射線圈組17、18使用相同的磁偶極矩而對接收線圈組19、20采用相反的磁偶極矩，便能適當?shù)貙崿F(xiàn)這種抵消。另一種作法是對于各發(fā)射器/接收器對可使用不同的頻率對。
于是在下一個步驟中，使用發(fā)射線圈組17來在地層中感應出磁場和相應的電流場，并使用接收線圈組20來提供一指示響應磁場的信號。加到發(fā)射線圈組17上的交變電流頻率為f1，即與先前加到發(fā)射線圈組18上的電流頻率相同。響應磁場h′可寫成與(1)式類似的級數(shù)展開式，這個級數(shù)展開式含有分量f1h1′，它主要取決于井孔區(qū)域中的電導率，以及分量f13/2h2′，它主要取決于頁巖層5、7的電導率。接下來，一個頻率為f2的交變電流加到發(fā)射線圈組17上，該頻率即為與先前加到發(fā)射線圈組18上的電流頻率相同。響應磁場h′可寫成與(2)式類似的級數(shù)展開式，這個級數(shù)展開式含有分量f2h1′，它主要取決于井孔區(qū)域中的電導率，以及分量f23/2h2′，它主要取決于頁巖層5、7的電導率。按照與參考式(1)和(2)所描述的方式類似的方式，把這些級數(shù)展開式組合起來，則能消除頻率的線性項，從而得到結果表達式h′(f1,f2)=h′(f1)-(f1/f2)h′(f2)(4)通過把(3)式和(4)式組合，現(xiàn)在能消除具有f13/2和f23/2項的分量，于是從得到的結果表達式中實質上消除了井孔區(qū)域中的電導率以及頁巖層5、7的電導率的影響。這個結果表達式是由地面設備22以合成信號的形式提供的。
由上述可得出結論從不同頻率和不同工具間距的組合能提供出代表選定地下分層電導率的信號，從這個信號中實質上已消除了井孔區(qū)域以及相鄰地下分層的影響。
為了考慮和確定工具相對于地層分層的相對取向，和以前一樣，還要再對磁偶極方向沿y和z方向的線圈分別重復該步驟。
可以不把每組線圈的磁偶極矩放在同一深度(即沿z方向)，而是把這些磁偶極矩放在不同的深度上，以便把每組中單個線圈的大小考慮進去。
權利要求
1．一種確定由不同地下分層構成的地層的電導率的方法，該地層被一含有井孔流體的井孔穿透，該方法包括-將感應測井工具下放到井孔中由選定的地下分層之一所包圍的位置，該工具包含磁場發(fā)射裝置用于在所述地層中感應出不同頻率的磁場，以及磁場接收裝置用于接收響應磁場和提供代表每個響應磁場的信號，而且至少發(fā)射裝置和接收裝置之一具有處于相互正交方向的多個磁偶極矩；-選擇至少兩種所述不同頻率；-對每個選定的頻率，操作發(fā)射裝置從而在地層中感應出一磁場，并且操作接收裝置從而提供一代表響應磁場的信號，其中所述至少發(fā)射裝置和接收裝置之一是在所述相互正交的各方向上進行操作；以及-把各信號組合起來，其組合方式是使所產生的合成信號對井孔區(qū)域中的電導率的依賴性減小，并根據(jù)此合成信號確定地層電阻率以及測井工具相對于地層分層的相對取向。
2．如權利要求1的方法，其中該接收裝置適于在距發(fā)射裝置不同間距處接收響應磁場，并且至少選定兩種所述的不同間距；發(fā)射裝置和接收裝置對各選定頻率和各選定間距的不同組合進行操作，而且各信號按一定方式組合，使得所述合成信號對選定地下分層的相鄰地下分層的電導率的依賴性性減小。
3．如權利要求1或2的方法，其中發(fā)射裝置和接收裝置每個都有處于互相正交方向的多個磁偶極矩，而且其中的發(fā)射裝置和接收裝置每個都在所述各互相正交方向上進行操作。
4．如權利要求1-3中任一權利要求的方法，其中發(fā)射裝置和接收裝置每個都有處于三個正交方向上的三個磁偶極矩，而且其中發(fā)射裝置和接收裝置的每個都在所述三個互相正交方向上進行操作。
5．如權利要求2-4中任一權利要求的方法，其中每個信號包括一個作為響應磁場的頻率的線性函數(shù)的分量，該分量基本上取決于該井孔區(qū)域的電導率；還包括一個作為響應磁場的頻率的非線性函數(shù)的分量，該分量基本上取決于所述相鄰地下分層的電導率，而且其中在從合成信號中消去該非線性分量之前先從該合成信號中消去所述線性分量。
6．一種用于確定由不同地下分層構成的地層的電導率的系統(tǒng)，該地層被一含有井孔流體的井孔穿透，該系統(tǒng)包括-用于將感應測井工具下放到井孔中由選定的地下分層之一所包圍的位置的裝置，該測井工具包含磁場發(fā)射裝置用于在所述地層中感應出不同頻率的磁場，以及磁場接收裝置用于接收響應磁場和提供代表每個響應磁場的信號，而且至少發(fā)射裝置和接收裝置之一具有處于相互正交方向的多個偶極矩；-用于選擇至少兩種所述不同頻率的裝置；-一種裝置，用于對每個選定的頻率操作發(fā)射裝置從而在地層中感應出一磁場，并且操作接收裝置從而提供一代表響應磁場的信號，其中所述至少發(fā)射裝置和接收裝置之一是在所述相互正交的各方向上進行操作；以及-把各信號組合起來的裝置，其組合方式是使所產生的合成信號對井孔區(qū)域中的電導率的依賴性減小，并根據(jù)此合成信號確定地層電阻率以及測井工具相對于地層分層的相對取向。
7．一種用于確定由不同地下分層構成的地層的電導率的感應測井工具，由此而使含有井孔流體的井孔穿過所述地層延伸，該測井工具包括-用于將該工具下放到井孔中由選定的地下分層之一所包圍的位置的裝置；適于在所述地層分層中感應出不同頻率的磁場的磁場發(fā)射裝置；-磁場接收裝置，適于接收響應磁場和提供代表每個響應磁場的信號，而且至少發(fā)射裝置和接收裝置之一具有處于相互正交方向的多個磁偶極矩；-用于選擇至少兩種所述不同頻率的裝置；以及-把各信號組合起來的裝置，其組合方式是使所產生的合成信號對井孔區(qū)域中的電導率的依賴性減小，并根據(jù)此合成信號確定地層電阻率以及測井工具相對于地層分層的相對取向。
8．基本上如前文參照附圖所描述的方法。
9．基本上如前文參照附圖所描述的系統(tǒng)。
10．基本上如前文參照附圖所描述的感應測井工具。
全文摘要
提供了一種確定由不同地下分層(3、5、7)構成的地層的電導率的方法,該地層被含有井孔流體的井孔(1)穿透。該方法包含將感應測井工具(9)下放到井孔(1)中由地下分層(3、5、7)中的選定一層所包圍的位置,工具(9)包含磁場發(fā)射裝置(18)用于在所述地層中感應出不同頻率的磁場,以及磁場接收裝置(19)用于接收響應磁場和提供代表每個響應磁場的信號,而且至少發(fā)射裝置(18)和接收裝置(19)之一有多個磁偶極矩(26、28)處于相互正交的方向。至少選定兩種所述不同頻率,而且對每個選定頻率操作發(fā)射裝置(18)以在地層中感應出磁場,并操作接收裝置(19)以提供代表響應磁場的信號,其中所述至少發(fā)射裝置(18)和接收裝置(19)之一在所述相互正交的各方向上操作。這些信號按一定方式被組合起來,以產生一合成信號,該合成信號對井孔區(qū)域中的電導率的依賴性被減小了。根據(jù)該合成信號確定地層電阻率和測井工具相對于地層分層的相對取向。
文檔編號G01V3/28GK1222978SQ97195737
公開日1999年7月14日 申請日期1997年6月30日 優(yōu)先權日1996年7月1日
發(fā)明者戴維·R·比爾德, 梅利斯·范·德爾·豪斯特, 科特－馬丁·斯特拉克, 萊昂迪·阿巴拉漢姆·塔巴羅夫斯基 申請人:國際殼牌研究有限公司