СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ ЗЕМНЫХ ФОРМАЦИЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
METHOD OF DETERMINING PROPERTIES OF EARTH FORMATIONS USING DIELECTRIC PERMITTIVITY MEASUREMENTS

Родственные заявки
По этой заявке испрашивается приоритет исходя из следующего:
1) Предварительная заявка на патент США № 60/716254, озаглавленная «Техника для определения свойств земных формаций с использованием измерений диэлектрической проницаемости», авторы Никита Селезнев, Тарек Хабаши, Остин Бойд и Мехди Хизем, поданная 12 сентября 2005 года (патентный поверенный № 60.1624 US PSP).
2) Предварительная заявка на патент США № 60/716253, озаглавленная «Способ для определения свойств земных формаций, использующий измерения диэлектрической проницаемости», авторы Тарек Хабаши, Никита Селезнев, Остин Бойд и Мехди Хизем, поданная 12 сентября 2005 года (патентный поверенный №60.1583 US PSP).
Объект настоящей заявки относится к объекту, раскрытому в совместно рассматриваемой заявке на патент США № 11/233680, озаглавленной «Техника для определения свойств земных формаций с использованием измерений диэлектрической проницаемости» (патентный поверенный №60.1624 US PSP), поданной той же датой, что и настоящая заявка, и принадлежащая тому же правоприемнику, что и настоящая заявка.
Область техники
Это изобретение относится к области каротажа скважин для определения характеристик формаций, окружающих скважину в земле, и, более конкретно, к способам, относящимся к диэлектрической проницаемости земных формаций.
Уровень техники
Для экономичной выработки углеводородов необходимо выполнить достаточно точную оценку объема и подвижности углеводорода. Обычные способы интерпретации удельного сопротивления становятся ненадежными, если удельное сопротивление воды формации является неизвестным или если оно является очень высоким. Дополнительно, фактор формации и показатель цементации формации может изменяться с глубиной, приводя к неточным оценкам водонасыщенности.
Измерение диэлектрической постоянной (или диэлектрической проницаемости) формаций, окружающих скважину, известно как обеспечивающее полезную информацию о формациях. Диэлектрическая постоянная различных материалов земных формаций очень различна (например, приблизительно 2,2 для нефти, 7,5 для известняка и 80 для воды), так что измерение диэлектрических свойств может быть полезным средством для оценки формации. Каротажные инструменты для этой цели предлагались и/или разрабатывались на протяжении ряда лет.
Каротажное устройство, которое измеряет диэлектрическую постоянную формации, раскрыто в патенте США № 3944910. Каротажное устройство включает в себя передатчик и разнесенные приемники, смонтированные на башмаке, который прижат к стенке скважины. Микроволновая электромагнитная энергия передается в формации, и энергия, которая распространилась через формации, принимается на приемных антеннах. Сдвиг фаз и затухание распространяющейся энергии в формациях определяется из выходных сигналов приемника. Диэлектрическая постоянная и, если требуется, проводимость формаций, может быть затем получена из измерений фазы и затухания. Измерения обычно, хотя не обязательно, проводятся в пройденной зоне формации. Обычно используются два передатчика в скважинной компенсированной решетке для минимизации влияний шероховатости скважины, наклона инструмента, и неоднородностей в передатчиках, приемниках и их схемах (см., например, патент США № 3849721).
Антенны, раскрытые в патенте США № 3944910, являются щелевыми антеннами, каждая из которых имеет зонд, который выдвигается поперек щели в направлении, параллельном продольному направлению скважины. Эта конфигурация стала известна как антенная решетка поперечного излучения. Патент США № 4704581 описывает каротажное устройство подобного типа, но при этом щелевые антенны имеют зонды, которые выдвигаются в направлении, перпендикулярном продольному направлению скважины. Такие конфигурации стали известными как продольная решетка. Эти две различные конфигурации имеют ортогональные магнитные моменты и некоторые другие различия. Продольная решетка демонстрирует большую глубину исследования и является менее подверженной влиянию отклонения инструмента (например, из-за глинистой корки или плохого контакта башмака), по сравнению с антенной решеткой поперечного излучения. С другой стороны, антенная решетка поперечного излучения демонстрирует более сильные динамические свойства сигнала, по сравнению с продольной решеткой.
Каротажное устройство, которое использует концепции вышеуказанных патентов США №№ 3944910 и 4704581, является инструментом электромагнитного распространения («EPT» является знаком фирмы Schlumberger). Так называемый адаптированный EPT («ADEPT» является знаком фирмы Schlumberger) может обеспечить поперечные или продольные операции во время заданного спускоподъема в зависимости от условий. Каротажный инструмент ADEPT имеет два сменных башмака, один из них содержит антенную решетку поперечного излучения, а другой содержит продольную решетку.
В патенте США № 5434507 раскрыто каротажное устройство, которое включает в себя двумерную решетку из щелевых антенн, которые могут обеспечивать двумерные количественные картины диэлектрической проницаемости и проводимости формации в зоне, окружающей скважину. В патенте США № 5434507 раскрывается, что путем получения измерений посредством двумерной решетки, и использования затем известных методов интерпретации каротажной диаграммы, можно получить, например, двумерные карты водонаполненной пористости. Инструмент согласно патенту США № 5434507 также раскрывается как полезный для получения азимутальных измерений диэлектрической постоянной и проводимости, например во время получения характеристик наклонных или разорванных пластов и других неоднородностей, таких как пустоты или локализованные промоины. Также можно сослаться на патенты США №№ 5243290 и 5345179.
Диэлектрические каротажные инструменты, такие как описанные выше, измеряют эффективную проницаемость и проводимость формации. Формации состоят из материнской горной породы и поровых флюидов (обычно углеводород и вода). Для получения объемной фракции воды из эффективной проницаемости необходимо знать отношение (так называемый закон смешивания) между свойствами основных частей и их смеси. Среди нескольких существующих диэлектрических законов смешивания CRIM (способ комплексного показателя преломления) является одним из самых широко используемых формул в области петрофизики (см., например, Calvert, T.J., Rau N.R., "Electromagnetic Propagation, A New Dimension In Looging", SPE 6542, 1977). Также были разработаны различные CRIM, такие как CTA (комплексное среднее по времени) способ (Cheruvier E., Suau J., "Application of Microwave Dielectric Measurements in Various Logging Environments", 1986, SPWLA 27th Annual Logging Symposium). Законы смешивания требуют знания комплексной проницаемости материнской породы и флюида в скважинных условиях. Часто бывает трудным предсказать эти значения точно из-за неизвестного минерального состава материнской породы и удельного сопротивления воды формации.
Среди целей настоящего изобретения находится улучшение способов для оценки объемной доли воды из диэлектрических каротажных диаграмм, и минимизация или устранение внешних воздействий, следовательно, позволяющее более точное определение водонаполненной пористости. Также среди целей настоящего изобретения находится обеспечение новой техники для определения температуры воды.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение включает в себя, между прочим, способы для оценки доли воды в исследуемой формации, использующие измерения диэлектрической проницаемости на ряде частот. Варианты осуществления способа имеют преимущества, заключающиеся в минимизации или устранении внешних воздействий, которые прежде могли вносить неточности.
Вариант осуществления изобретения относится к способу для определения водонаполненной пористости формаций, окружающих скважину в земле, содержащий этапы, на которых: получают из измерений электромагнитной энергии в формациях на первой частоте первую комплексную проницаемость; получают из измерений электромагнитной энергии в формациях на второй частоте вторую комплексную проницаемость; и определяют, как функцию от упомянутых первой и второй комплексной проницаемости, водонаполненную пористость формаций. Варианты осуществления изобретения включают в себя этапы, на которых получают из измерений электромагнитной энергии в формациях на дополнительной частоте или частотах дополнительные комплексные проницаемости, используемые при обработке.
Вариант осуществления изобретения дополнительно содержит этапы, на которых вычисляют проницаемость воды в формациях на упомянутой первой частоте, и вычисляют проницаемость воды в формациях на упомянутой второй частоте, и, в этом варианте осуществления, этап определения водонаполненной пористости формаций содержит этапы, на которых определяют упомянутую водонаполненную пористость как функцию упомянутых первой и второй комплексных проницаемостей, упомянутую проницаемость воды в формациях на упомянутой первой частоте и упомянутую проницаемость воды в формациях на упомянутой второй частоте. Также в варианте осуществления изобретения получается температура и соленость воды формации, и вычисленная проницаемость воды в формациях на упомянутых первой и второй частотах, каждая, вычисляется как функция от упомянутой полученной температуры и солености воды формации.
φ
φ
ε
ε
hc
m
hc
m
Дополнительный вариант изобретения относится к способу определения фракционных параметров материнской породы и углеводорода формаций, окружающих скважину в земле, содержащему этапы, на которых: получают из измерений электромагнитной энергии в формациях на множестве частот множество комплексных проницаемостей; и получают, как функцию от упомянутого множества комплексных проницаемостей, сумму фракционных параметров материнской породы и углеводорода упомянутой формации. В варианте осуществления изобретения упомянутая сумма фракционных параметров материнской породы и углеводорода является: , где  является наполненностью углеводородом пористости формаций,  фракцией матричной породы в формациях,  является проницаемостью углеводородов в формациях, и  является проницаемостью материнской породы формаций.
Другой вариант осуществления изобретения относится к способу определения температуры воды в формациях, окружающих скважину, содержащему этапы, на которых: получают из измерений электромагнитной энергии в формациях на множестве частот множество комплексных проницаемостей; и получают, как функцию от упомянутого множества комплексных проницаемостей, температуру воды в упомянутых формациях.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения станут более понятными из следующего подробного описания с сопровождающими чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является схематическим представлением, частично в виде блок-схемы, устройства, которое может быть использовано для реализации вариантов осуществления изобретения.
Фиг. 2A, 2B и 2C иллюстрируют моменты магнитного диполя, которые могут быть получены с помощью кросс-дипольных антенн.
Фиг.3 - частичная диаграмма антенной решетки, которая может быть использована для реализации вариантов осуществления изобретения.
Фиг.4 показывает графики диэлектрической проницаемости (верхний график) и проводимости (нижний график) для примера способа в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание
На фиг.1 показано устройство 30 для исследования подземных формаций 31, пересекаемых скважиной 32, которое может быть использовано для реализации вариантов осуществления настоящего изобретения. Скважина 32 обычно заполнена буровым флюидом или раствором, который содержит хорошо разделенные твердые частицы в суспензии. Обычно давление флюида в формации, пересеченной скважиной, меньше, чем гидростатическое давление столба раствора в скважине, поэтому буровой раствор и фильтрат бурового раствора отчасти проникает в формации. Хорошо известно, что формации стремятся экранировать маленькие частицы, взвешенные в буровом растворе, так что на стенках скважины может образовываться глинистая корка 40.
Устройство 30 для исследования или каротажное устройство подвешивается в скважине 32 на армированном кабеле 33, длина которого по существу определяет относительную глубину погружения устройства 30. (Изобретение может также иметь приложение для измерения во время бурения или измерения во время спускоподъемной операции). Длина кабеля управляется подходящим средством на поверхности, таким как барабан или лебедочный механизм (не показан). Каротажное устройство 30 включает в себя удлиненный цилиндрический зонд 34, внутренняя часть которого имеет корпус, содержащий большое количество скважинной электроники. На одной стороне зонда 34 смонтирован башмак 37, который содержит решетку 44 антенн. Каротажное устройство может быть, например, типа раскрытого в патенте США № 5434507, и может иметь признаки, как дополнительно раскрыто в патентах США №№ 5243290, и 5345179, но несмотря на это могут использоваться другие подходящие устройства. В варианте осуществления, как раскрыто в патенте США № 543,507, антенны 44 могут быть кросс-дипольными антеннами. На другой стороне зонда 34 смонтирован опорный рычаг 38, который может управляться гидравлически для удерживания башмака 37 в контакте со стенкой скважины. Опорный рычаг 38 может быть также использован для обеспечения показаний каверномера. Сигналы могут храниться в скважине с помощью блока памяти, связанного со скважинным процессором, и/или некоторые или все сигналы могут быть переданы на поверхность для обработки и/или хранения. Электронные сигналы, представляющие информацию, полученную с помощью каротажного устройства, могут быть переданы через кабель 33 на вычислительный модуль 85 или записывающее устройство 95, расположенное на поверхности земли. Информация о глубине может быть обеспечена записывающему устройству 95 или вычислительному модулю 85 вращающимся колесом 96, подсоединенным к кабелю 33. Вычислительный модуль 85 может обычно включать в себя процессор и связанный с ним блок памяти, блок синхронизации, блок ввода/вывода, устройство отображения, при этом ни один из них не показан отдельно. Также следует понимать, что некоторые или все каротажные обработки и/или интерпретирующие обработки могут быть выполнены удаленно от скважины.
Кросс-дипольные антенны, которые могут быть использованы при реализации вариантов осуществления, описанного здесь, как в типе каротажного устройства, описанного в упомянутом выше патенте США № 5434507, могут быть типа, раскрытого в патенте США № 5243290. В патенте США 5243290 раскрывается кросс-дипольная антенна, которая может подпитываться для выработки электромагнитной энергии, имеющей характеристику магнитного диполя. Вариант осуществления антенны содержит обычную квадратную апертуру в металлическом корпусе. Металлические элементы зондов пересекают апертуру с разных противоположных сторон, но сточены в их центрах, так чтобы они не касались в месте пересечения. Остальную часть апертуры заполняет диэлектрический материал. Каждый из зондов закорочен одним концом на стенку апертуры. Другой конец каждого зонда подсоединен к проводящему проводу, который изолирован для прохождения через тело антенны и соединен со схемой передатчика и/или приемника, в зависимости от задач антенны.
Как дополнительно описывается в патенте США № 5243290, зонды кросс-дипольной антенны могут быть использованы для вырабатывания электромагнитной энергии с управляемым направлением (или углом) магнитного момента. Ссылаясь, например, на фиг.2A, предположим, что вертикальный элемент 339 зонда является параллельным продольной оси каротажного устройства и горизонтальный элемент 338 является перпендикулярным упомянутой оси. Возбуждение только горизонтального элемента зонда (показан темным) приводит к вертикальному магнитному моменту (как показано стрелкой) и работе в продольном режиме. Согласно фиг.2B только вертикальный элемент зонда является возбужденным, приводя к горизонтальному магнитному моменту и работе в синфазном режиме. На фиг.2С оба элемента зонда являются возбужденными путем приложения одинаковых сигналов на элементы зонда, что приводит к 45-градусному магнитному моменту, как показано. Кроме того, в упомянутом патенте США № 5243290 описано, что приложение сигналов соответствующих относительных амплитуд и фаз к соответствующим элементам зонда может производить магнитный момент в любом требуемом направлении. Также антенны могут быть возбуждены для работы в продольном и синфазном режимах или последовательно, или одновременно.
Фиг.3 показывает пример двумерной решетки 44 (как на фиг.1) из кросс-дипольных антенн. Как описано в патенте США № 5434507, антенны могут быть смонтированы на башмаке 37 в виде одномерных полосок 44A кросс-дипольных антенн, при этом полосы монтируются рядом с друг другом в корпусе башмака. В качестве альтернативы, отдельные кросс-дипольные антенны могут быть вставлены в виде модулей в двумерную раму из квадратных апертур. Каждый элемент кросс-дипольной антенны является доступным для использования в качестве передающей антенны или принимающей антенны в конкретный момент времени под управлением процессора.
Пример электронной схемы для получения измерений затухания и сдвига фаз с использованием решетки кросс-дипольных антенн подробно описан в упомянутом патенте США № 5434507 (Обработка для получения проницаемости и проводимости формаций с использованием измерений затухания и фазы также описана в вышеупомянутых патентах США №№ 3849721, 3944910, 4704581, 5243290 и 5345179). Путем изготовления осцилляторов таких схем в виде осцилляторов переменной частоты (так как управляемые по напряжению осцилляторы находятся под управлением скважинного процессора) измерения могут быть осуществлены на любых желаемых частотах, например на частотах в диапазоне примерно от 100 МГц до 1 ГГц.
Эффективная проницаемость осадочных пород, наполненных водой и углеводородами, может быть часто аппроксимирована с помощью CRIM-формулы (называемой также законом смешивания Бира):
ε
ε
ε
φ
φ
φ
φ
φ
φ
φ
S
w
hc
m
w
hc
m
w
hc
m
t
w
где ,  и  являются проницаемостями воды, углеводорода и материнской породы соответственно, и ,  и  являются их соответствующими фракционными долями при ++=1. Проницаемость углеводорода и материнской породы являются вещественными и не рассеянными (т.е. постоянными по отношению к частоте). Только проницаемость воды является в общем комплексной из-за наличия рассола и поэтому меняется с частотой. Уравнение 1 может быть записано исходя из полной пористости  и водонасыщенности :
Зная значение удельного сопротивления воды по постоянному току и ее температуру, можно вычислить комплексную проницаемость воды на произвольной частоте. Можно использовать, например, дисперсионную модель Клейна-Свифта (Клейн Л. и Свифт Т. «Улучшенная модель для диэлектрической постоянной морской воды на микроволновых частотах», труды IEEE по антеннам и распространению, том AP-25, № 1, 104-111, 1997):
R
DC
Удельное сопротивление по постоянному току, , в свою очередь, зависит от температуры воды и солености по хорошо известной формуле (смотри, например, Десаи К.П. и Мур Е.Дж. «Эквивалентные концентрации NaCl из ионных концентраций», The Log Analyst, май/июнь 1969):
ε
Диэлектрические диаграммы традиционно используются для оценки доли воды в зоне инфильтрации. Задав эффективную проницаемость формации  на одной частоте, уравнения (2) и (3) могут быть решены одновременно для оценки водонаполненности и солености воды формации при известных полной пористости, температуре и проницаемости и материнской породы и углеводорода.
φ
w
В то время как температура и полная пористость могут обычно быть измерены в скважине с помощью других каротажных инструментов, проницаемости углеводорода и материнской породы обычно задаются. В соответствии с признаком изобретения, для устранения неопределенности в определении проницаемостей углеводорода и материнской породы, может быть использовано диэлектрическое измерение на двух различных частотах. В этом случае водонаполненная пористость  может быть определена с использованием уравнения:
ε
ε
f
f
ε
ε
φ
2
1
2
1
w2
w1
t
где  и  являются измеренными проницаемостями породы на частотах  и , соответственно, и  и  являются соответствующими вычисленными комплексными проницаемостями воды. Зная полную пористость  из других измерений, можно вычислить водонасыщенность:
Когда известны соленость воды и водонаполненная пористость, можно вычислить комбинированное значение  из:
1
2
на любых двух частотах (f, f). Что позволяет далее формирование сплошной дисперсионной кривой породы из уравнения:
Как упоминалось выше, это предполагает знание температуры воды. В случаях, когда она не известна, и в соответствии с другим признаком изобретения, можно инвертировать для нее путем добавления дополнительного диэлектрического измерения на третьей частоте. В этом случае можно сначала инвертировать для удельного сопротивление воды по постоянному току и ее температуры исходя из следующего уравнения:
ε
ε
ε
w3
w2
w1
и с использованием дисперсионной модели Клейна-Свифта (например) для представления , и  исходя из удельного сопротивления воды по постоянному току и ее температуры.
ε
ε
ε
w3
w2
w1
Когда удельное сопротивление воды по постоянному току и ее температура оценены, можно вычислить , и  снова, из модели Клейна-Свифта. Наконец, водонаполненная пористость может быть оценена из:
Комбинированное значение  затем вычисляется из:
на любых трех частотах (f1, f2, f3). Что затем позволит сгенерировать полную дисперсионную кривую из:
Вышеизложенное основано на простом законе смешивания Бира. С помощью более сложных законов смешивания и связанным с ними увеличенным количеством параметров, могут быть использованы дополнительные частоты.
В качестве смоделированного примера рассмотрим известняковую породу с 30 единицами пористости, насыщенную нефтью и водой (So=Sw=50%). Проницаемости материнской породы и углеводорода являются вещественными и равняются 7,5 и 2 соответственно. Для этого примера проводимость воды по постоянному току равна 0,2 Ом*мм, и температура составляет 23°C. Эффективная проницаемость формации (верхний график) и проводимость (нижний график), спрогнозированная по закону Бира (уравнение (1)), показаны на фиг.4 пунктирной линией. Также показаны проницаемости воды, нефти и материнской породы. Предположим, для этого примера, что сделаны два измерения с помощью электромагнитного каротажного устройства на частоте 1 ГГц и 500 МГц. Комплексная проницаемость воды может быть вычислена как:
ε
ε
1
2
Эффективная проницаемость формации может быть вычислена из (1). При 1 ГГц получено =2,309626-5,004772i. При 500 МГц получено =13,532428-9,134624i.
Уравнение (5) может быть одновременно решено для удельного сопротивления воды по постоянному току (или солености воды) и водонаполненной пористости. Значение водонаполненной пористости и удельного сопротивления воды уточняются до тех пор, пока они не будут удовлетворять следующим уравнениям:
φ
R
φ
R
w
w
w
w
Методология инверсии описана, например, в Хабаши Т., Тахериан Р., Юен Дж., Конг Дж. «Коаксиально-круглый волновод для диэлектрических измерений», труды IEEE по Геофизическим исследованиям и дистанционному зондированию, том 29, №2, 321-330, 1991. Начальное предположение было выбрано как =0,3 и =0,1. После нескольких итераций были восстановлены истинные значения =0,15 и =0,2 Ом*мм. Выбор второй частоты в 500 МГц является произвольным. Если вторая частота выбрана ниже 500 МГц, то это сделает измерение более чувствительным к удельному сопротивлению воды и водонаполненной пористости.
ε
T
R
3
w
w
Добавление третьей частоты позволяет исключить водонаполненную пористость из вышеприведенных уравнений. Из уравнения (9) возможно осуществлять инвертирование для температуры воды и удельного сопротивления по постоянному току. Выбирая третью частоту равной 300 МГц, эффективная проницаемость формации на 300 МГц будет равняться =14,959188-13,723435i. Восстановленные температура и удельное сопротивление по постоянному току совпадают с реальными значениями (=23,00°C, =0,20 Ом*мм).
Изобретение было описано со ссылкой на конкретные предпочтительные варианты осуществления, но модификации в рамках концепции и объема изобретения могут быть получены специалистами в данной области техники. Например, следует понимать, что в то время как в иллюстративных аспектах изобретения был использован конкретный закон смешивания (CRIM), могут быть использованы другие законы смешивания, включая более сложные. Если вовлечено больше параметров, то могут быть применены измерения на дополнительных частотах.