NO800479L - Fremgangsmaate for bestemmelse av kationebytter-evner i grunnformasjoner som gjennomtrenges av et borehull - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører radioaktiv borehullslogging, og■mer- spesielt en fremgangsmåte' som benytter logging av naturlig1 gammastråling, for på stedet å bestemme kationbytter-evnen i grunnformasjoner som gjennomtrenges av et borehull.

■ Vurdering av petroleumsreservoarer krever kunnskap om mange grunnleggende egenskaper ved reservoarene. En slik egen-skap som er spesielt viktig, er vannmetningen, Sw. I et typisk oljefelt er vann, kalt formasjonsvann, og ofte fri gass tilstede i tillegg til olje. Vannmetningen er den delen av grunn-formasjonens -porevolum, 1 ofte også kalt porøsiteten til formasjonen, som er opptatt av formasjonsvann. Den brøkdelen av formasjonens porevolum som ikke opptas av formasjonsvann, blir sagt', å være opptatt1 av hydrokarboner. Olje, kondensat eller gass på stedet vil variere direkte med ligningen (1-Sw), hvor Sw er formasjonsvannet uttrykt som en brøkdel av porøsiteten, og vil hovedsakelig variere omvendt av porøsiteten. Med en minskning av porøsiteten vil derfor•vannmetningen øke, og med en:økning i porøsiteten vil■vannmetningen avta, med en sam-tidig omvendt forandring i olje- og■gassmetningen.

I- tillegg til å indikere det relative volum som opptas av formasjonsvannet, tjener Sw som en indikasjon på vanskelighet-ene med å utvinne hydrokarboner. Størrelsen av vannmetningen i formasjonen vil hjelpe til å bestemme med hvilken letthet oljen beveger seg gjennom en bergart. Der vil være en større motstand mot strømningen av hydrokarboner gjennom formasjoner som inneholder 60% vannmetning enn gjennom de samme formasjoner når vannmetningen er lav siden formasjonsvann vil blokkere noen av strømningskanalene i formasjonen. Bare når vannmetningen er lav, si mindre enn 40% av det totale porevolumet, vil olje og gass-metningen være tilstrekkelige til at formasjonene kan ut-vinnes.<:>-Kjente fremgangsmåter for bestemmelse av vannmetningen og dermed hydrokarbonmetningen i formasjoner, bestod tidligere av laboratorieanalyse -av prøver•av formasjonene. Disse fremgangs-måtene krevet kjerneboring av formasjonene og etterfølgende behandling av de utvunnede kjerner,- en behandling som kan forår-sake store forandringer i vann- og hydrokarbon-innholdet. Virkelige andeler av de forskjellige fluider som opprinnelig er tilstede, kan ikke oppnås ved å analysere en kjerne som inne holder.borevæske. Dessuten er det tidkrevende og kostbart å ta ..kjerneprøver i av,.:Undergrunnsf ormas joner, idet det er nødven-dig med et stort antall,prøver.

På:grunn.av de vanskeligheter man støter på når det gjel-der å forsøke og bestemme vannmetningen ut fra kjerneprøver,

er det blitt utviklet en rekke metoder for indirekte bestemmelse av vannmetning. Hovedtyngden av disse metodene har.

vist seg.mindre nøyaktige over hele,området av formasjonstil-s.tander.. Varierende salinitet og.skiferforhold, som man støt-er på i prøvene, har forårsaket spesielle problemer.

Det er blitt fastslått at det er meget få oljeproduserende sandstensarter som er fullstendig frie for leirmineraler.. Uttrykket skifrig sand blir brukt for å beskrive reservoarbergarter som har et leireinnhold på over fem prosent. Leire som en bergart, er vanskelig å definere nøyaktig på grunn av den store mengden av leirholdige materialer som kan bestå av varierende relative mengder av ikke-leirmineral-komponenter. Ikke-leirmaterialer omfatter kalsitt, dolomitt, større flak av glim-mer, pyritt, feltspat, gibsitt og andre mineraler. Vanligvis er finkornet materiale blitt kalt "leire" så lenge det oppviste tydelig plastisitet og utilstrekkelige mengder av grovere,materiale. Enkelte leirmaterialer som kan finnes i undergrunnsformasjoner er smektitt, illitt, kaolinitt og kloritt.

Siden leirmineraler er tilstede i rikelige mengder i alle sedimentære bergarter, må alle formasjonsloggavlesninger kor-rigeres for virkningen av leiren. Leirekorreksjoner bygger på. at den leiren som er avsatt under de forskjellige faser av en kontinuerlig sedimenteringssyklus, har den samme sammensetning over hele syklusen. Ved å anta at leirmaterialene alle er ekvivalente, kan korreksjoner for leiren lettere beregnes og anvendes. Imidlertid er det funnet resultater som er urealis-tiske under enkelte formasjonstilstander og som resulterer i anslag som har vært for pessimistiske i noen soner og som kan underkjenne enkelte soner som er av kommersiell betydning.

En ytterligere svikt ved de tidligere kjente tolknings-teknikker er at de fleste av disse ikke tar i betraktning det ' faktum at innvirkningen av leirmineraler på formasjonsmålinger' er ikke-lineær. Man har funnet at formasjonsresistiviteten vil bli progressivt større på en ikke-lineær måte etter hvert som formasjonsvannet blir ferskere. Dette ikke-lineære forholdet kommer av at den effektive konsentrasjon av leirebytter-kationer Øker proporsjonalt med minskninger av vann-metningen.

Kationbytte er den reaksjon hvorved hydratiserte positivt ladede ioner av et fast stoff, slik som leire, blir byttet ut

ekvivalent, mot ekvivalent, med kationer av samme ladning i met-ning. En velkjent fysisk modell på området som beskriver skifersand-konduktiviteter og som tar hensyn til dispergert leire i hydrokarbon-førende skifersand-formasjoner, er:

hvor:

Sw = prosent vannmetning

n<*>~ = metningseksponent;Rt = formasjonsresistivitet;F<*>= formasjonens resistivitetsfaktor

Rw = formasjonsvannresistiviteten

B = ekvivalent konduktans fdr leirebytte-kationer som

en funksjon av Rw

Qv . = konsentrasjon av motioner (counter ions) i formasjonsvannet i kontakt med leiren

Modellen beskriver resistiviteten, eller den resiprolle konduktiviteten, for skifersand som en funksjon av salinitets-konsentrasjonen og mengden av formasjonsvann som opptar pore-rommet, og konsentrasjonen og mobiliteten av byttbare ioner tilknyttet de forskjellige leirmineraler, samt formasjonstemper-aturen. Aksepterte eksperimentelle data indikerer at denne fysiske modellen gir bedre analyser i skifrige sandformasjoner over det hele. det salinitetsorftrådet som man støter på i potensielle reservoarbergarter.

Det historiske problem med ovennevnte fysiske modell er å oppnå en verdi for konsentrasjonen av motioner (Qv) i formasjonsvannet i kontakt med leiren. Qv kan beregnes på grunnlag av ionebytter-evnen, porøsiteten og tettheten av korngrunnmas-sen.. Uttrykt matematisk: . hvor

CEC, = kationbytter-evnen

(/) = porøsiteten

pma = tettheten av grunnmassen

Porøsiteten og tettheten til grunnmassen blir bestemt ut fra de resultater som utledes fra borehullslogge-data, som velkjent på området. Det gjenværende uttrykket CEC blir imidlertid bestemt ved å ta kjerneboringsprøver av formasjonene i hvert borehull som skal - vurderes. Denne kjerneprøveprosessen har de ulemper som er diskutert ovenfor. Selv om kjernebor-inger møysommelig, .kostbar og tidkrevende, blir denne metoden brukt til å fastslå et empirisk forhold mellom porøsiteten (<$) og konsentrasjonen av metioner (Qv) i formasjonen i kontakt medileire for å utlede et normalisert uttrykk som vedrører ionebytter-evnen. Denne fremgangsmåten har imidlertid mange begrensninger. Begrensningene innbefatter porøsitetsvaria-sjoner som skyldes endringer i kornstørrelse og sementerings-mehgden, som alle .er uavhengig, av skifrighet, leireinnhold, og dermed variasjoner av Qy.

Den foreliggende oppfinnelse overvinner de ulemper ved teknikkens .;stand som er nevnt ovenfor, ved å tilveiebringe en ny fremgangsmåte for-utnyttelse av informasjoner utledet fra . en. korrelasjon av kjerneprøvedata fra et enkelt borehull med inf ormas joner ..utledet ved borehullslogging av naturlig gammastråling i det samme, borehullet, for å fastslå en forbindelse som.kan,benyttes i etterfølgendei borehull til å anslå kationbytter-evnen til formasjoner som omgir borehullet.

Et gammastrålespektrometer med høy oppløsning og som er innbefattet i-et instrument for borehullslogging, blir ført gjennom et borehull, hvorved naturlig gammastråling slår mot scintillasjojtskrystallet i spektrometeret. Når krystallet treffes av naturlig gammastråling,vil det utsende fotoner i det synlige energiområdet, hvis intensitet er proporsjonal . med den,energi somitapes i krystallet av den innfallende gammastrålen. Lysenergi fra krystallet blir optisk koblet til et f otpmulrtiplikatorrør hvor energien blir omformet til en elektrisk strøm som så blir forsterket og overført til overflaten. Denne.strømmen er proporsjonal med den lysenergien som absor-beres av 'multiplikatorrøret fra krystallet. Strømmen blir omformet ,t,il en puls med en spenningsamplityde som står i et lineært forhold til energien i de innfallende gammastråler.

På overflaten blir pulsene ført gjennom en flerkanals analysator hvor de blir sortert'for hvert dybdepunkt i henhold til sin amplityde og -derfor koblet til kanaler som trek-ker' ut :inf ormas jon ; vedrørende de: tre mest vanlige loggede radioaktive isotoper i henhold til deres spissenergier, kalium. -40; som har en spissenergi på 1,46 MeV, uran som har en spissenergi på 1,76'MeV og torium som har en spissenergi på 2,62 MeV..

De uttrukne signalene fra hver av de tre kanalene, så vel som de<i:>totale gammastråletellinger som detekteres av krystallet, blir' koblet til individuelle telleratemetere (CRM) , hvert av hvilke akkumulerer et totalt antall detekterte gammastråler i en tilordnet signalkanal. Deretter blir utgangene fra hver teller koblet til et loggekamera, eller de.kan omformes til digital form og så registreres på en digital båndinnretning.

I tillegg kan dataene kombineres for å tilveiebringe forholds-signaler vedrørende enhver valgt kombinasjon av utganger fra telleratemeterne.

Kjerneboringsprøver blir tatt fra den loggende brønnen og analysert under laboratorieforhold med hensyn til kationbytter-evne. Laboratorieresultatene blir korrelert med valgte para-metre utledet fra loggingen av det naturlige gammastrålespektrometeret. Dette'tilveiebringer et empirisk forhold som kan brukes 'innenfor et geologisk område for på stedet å bestemme kationebytter-evnen ved å logge etterfølgende borehull med et naturlig gammastrålespektrometer. Dataene kan så brukes for pålitelig bestemmelse av konsentrasjonen av leirebyttekationer og videre bestemmelse av vannmetningen.

'Det er følgelig, et formål med den foreliggende oppfinnelse å;tilveiebringe en1 fremgangsmåte for på stedet å bestemme kationebytter-evnen for undergrunnsformasjoner innenfor et geologisk- område.

Det er ytterligere et formål med den foreliggende oppfinnelse å bruke en slik på stedet bestemmelse av kationebytter-evnen tii: å frembringe en fremgangsmåte for bestemmelse av por-øsitetsnormaliserte konsentrasjoner av leirebytte-kationer i undergrunnsformasjonene.

Figur 1 er et forenklet blokk-skjerna over et apparat for utførelse av borehullslogging ifølge den foreliggende oppfinnelse. ' ■

. Figur 2 er en grafisk representasjon over korrelasjonen av i

toriumenerginivået som er tilveiebrakt av loggeinstrumentet, med kjerneprøve-data for å tilveiebringe indikasjoner på konsentrasjonen av leirebytte-kationer.

Figur 3 er en alternativ utførelsesform av figur 2 som

bruker kaliumenerginivået som parameter i loggeinstrumentet.

Mange nuklider med lang levetid finnes i naturen. Av spe-siell interesse for petroleumsindustrien er de av kalium (K), uran (U) og torium (Th), som alle i varierende grad finnes i undergrunnsformasjoner og som bestanddeler i potensielle olje-fyrende bergarter. Som beskrevet nedenfor kan deteksjon av disse nuklidene utføres ved hjelp av metoder for gammastråle-spektroskopi som identifiserer karakteristiske gammastråler. Et apparat for måling av disse karakteristiske gammastråler er beskrevet i artikkelen "Natural gamma-ray spectral logging", av Lock og Hazer, SPWLA symposium transactions, 1971.

Det vises nå til figur 1 hvor det i form av et blokkskjerna er vist et apparat for utførelse av borehullslogge-teknikken i henhold til foreliggende oppfinnelse. Et logge-instrument 10 er vist, og dette omfatter et gammastrålespektrometer med høy oppløsning sammensatt av et stort sylindrisk tallium-aktivert natriumjodid-krystall 12 som er optisk koblet med et fotomulti-plikatorrør 14 for frembringelse av elektriske utgangssignaler som er representative for naturlig gammastråling målt ved å £øre loggeinstrumentet 10 gjennom .et borehull (ikke vist) som

gjennomtrenger grunnformasjoner (ikke vist). Som vel kjent på området faller naturlig gammastråling fra forskjellige kilder i grunnformasjonen på scintillasjonskrystallet 12 og frembringer lysglimt, hvis intensitet er proporsjonal med den energi som

frigjøres på grunn av kollisjonen mellom gammastrålen og krystallet, o.g derved forårsaker scintillas jonen. Lysglimtene som frembringes på denne måten, blir detektert av fotomultiplika-torrøret 14, som frembringer en elektrisk puls, hvis amplityde eller spenningsnivå er proporsjonal med intensiteten i det ovenfor beskrevne lysglimt.

Disse elektriske signalene, i form av pulser, blir koblet til forsterker 16 for forsterkning og overføring til overflaten ved hjelp av en leder i18, som utgjør en komponent i en konven-sjonell lbggekabel (ikke vist). De forsterkede pulsene som er representative for energien til den naturlig forekommende gammastrålingen i grunnformasjonene, blir koblet til en flerka nals analysator 20 som sorterer gammastrålingen som en funksjon av energien, separerer energien i minst tre energika-naler eller -bånd som er representative for den radioaktive desintegrasjon av isotoper av kalium, uran og torium. I tillegg er det tilveiebrakt en fjerde energikanal som inneholder det totale målte spekteret. Signaler fra totalstrålings-, kalium-, uran- og torium-kanalene blir koblet til telleratemetere, henholdsvis 22, 24, 26 og 28. Hvert telleratemeter 24, 26 og 28 akkumulerer en bakgrunnsstrålings-korrigert tellerate

for det spesielle isotop det er tilordnet, mens telleratemeter

22 akkumulerer det totale antall gammastråler som detekteres

av krystallet 12 for å tilveiebringe en indikasjon på den totale detekterte gammastråling.

Den flerkanals analysatoren 20, som virker sammen med telleratemeterne 24, 26 og 28, tilveiebringer følgelig utgangssignaler som er representative for det antall tellinger som inntreffer i hver energikanal. Hvert tellenummer er karak-teristisk for den respektive radioaktive desintegrasjon av de isotope atomer av kalium, uran og torium i grunnformasjonene. Disse utgangssignalene blir koblet til en spektrumutvinner 30. Spektrumutvinning refererer seg til den prosess hvorved bak-grunnsstrålingens tellerater blir elektronisk subtrahert i en matematisk prosess fra kalium- og uran-kanalene. En fullstendig fremgangsmåte for spektrumutvinning kan finnes i US-patent nr. 3 940 610.

Det totale spektrumsignalet for gammaenergien sammen med de utledede energispektrumsignalene for kalium, uran og torium,- blir koblet til en tilkoblingsenhet 32. Enheten 32 tilveiebringer de overganger som er nødvendig for å koble signalene til forskjellig behandlings- og fremvisnings-utstyr, slik som én datamaskin 34 eller et loggekamera for den etter-følgende behandling som omfatter en del av søkerens oppfinnelse, som.beskrevet i det følgende.

Ved praktisering av den foretrukne utførelsesform av fremgangsmåten, blir et første borehull logget ved bruk av et spektrometér for naturlig gammastråling, som beskrevet her. Kjerneboringsprøver av1 formasjonen blir så tatt ut fra for-sk jellige • dybdenivåer i borehullet, noe som er velkjent på området. Kjerneprøvene blir så underkastet laboratorieundersøk- eiser for å bestemme verdien av kationebytterevnen for hver prøve. Prosessen for laboratorieanalyse av kjerneprøver for å bestemme kationebytter-evnen er beskrevet i detalj i en artik-kel "New Method Finds Cation Exchange Capasity Quickly and Eco-nomically", av Rush og Jenkins, publisert i The Oil and Gas Journal, 15. mai 1978.

Resultatene av .laboratorieprøvene relaterer kationebytter-evnen funksjonsmessig med hensyn på dybden til et spesielt sedi-mentært undergrunnslag. En valgt parameter som er fastslått på grunnlag i av loggeprpsessen med naturlig gammastråling, blir korrelert til den dybderelaterte ionebytter-kapasiteten for å tilveiebringe funksjonskurver 38 og 38', som er grafisk frem-stilt på henholdsvis figur 2 og 3.' Figur 2 illustrerer bruken av toriumtelleraten som. den valgte parameter, mens figur 3 viser kaliumtelleraten som den som brukes. Selv om grafiske eksempler som bruker, torium.. og kalium, er vist, er det mulig å bruke enhver parameter frembrakt ved loggingen av den naturlige gammastrålingen, innbefattet forhold mellom gammastråleloggsig-naler, ved praktiseringen av den beskrevne fremgangsmåten. Når det utføres loggeoperasjoner i etterfølgende borehull i det samme geologiske området for måling av en valgt parameter, tilveiebrakt ved et spektrometer for naturlig gammastråling, kan det på stedet foretas en vurdering av kationebytter-evnen til formasjonen ved' å referere til det funksjonsmessige forholdet 38.'En'verdi av konsentrasjonen av metioner (Qv) i formasjonsvannet som-er i kontakt med leiren, kan så utledes ved å nor-malisere kationebytter-evnen for variasjoner i porøsiteten. Porøsitetsmålinger blir■foretatt ved hjelp av en standard porø-sitetslogge-innretning. Den Qv-verdien som bestemmes på denne måten, kan s"å brukes ved bestemmelse av vannmetningen (Sw) ved hjelp av den tidligere beskrevne fysiske modellen.

Det er her blitt beskrevet og illustrert en fremgangsmåte ifølge1 den foreliggende oppfinnelse, som på stedet tilveiebringer bestemmelser av-kationebytter-evnen til undergrunnsformasjoner. ' 1 Selv om spesielle utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet og illustrert, er det klart at fagfolk på området vil kunne gjøre forandringer og modifika-sjoner uten å avvike fra oppfinnelsens ramme.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av kationebytter-evnen i grunnformasjoner som gjennomtrenges' av et borehull, karakterisert ved : generering av signaler som står i et funksjonsmessig forhold til radioaktive nuklider som opptrer naturlig i grunnformasjonene som omgir et første borehull, bestemmelse av dybde-relaterte kationebytter-evner fra kjerne-prøver tatt i det første borehullet ved forutbestemte dybde-intervaller, bestemmelse av et funksjonsmessig forhold mellom nevnte genererte signaler og kationebytter-evnene, generering av ytterligere signaler som står i funksjonsmessig forhold til.radioaktive nuklider i nærheten av etterfølgende borehull i det samme geologiske området som det første borehull, og sammenligning av de ytterligere genererte signaler med det funksjonsmessige forhold som er bestemt mellom- nevnte genererte signaler og kationebytter-evnen i det første borehullet, for å bestemme den dybderelaterte kationebytter-evnen i nevnte etter-følgende borehull.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert v e d føring av et loggeinstrument som inneholder en gamma-strålingsdetektor gjennom det første borehullet, detektering av naturlig gammastråling som opptrer i formasjonene i nærheten av det første borehullet, generering av signaler som er funksjonsmessig relatert til energien og frekvensen til den detekterte gammastråling, separering av signalene i en flerhet av energiområder, hvilke energiområder svarer til naturlig gammastråling frembrakt av de-1 radioaktive isotoper av kalium, uran og torium, fjerning av.kjerneprøver av formasjonene fra forskjellige dybdenivåer langs det første borehullet, undersøkelse av formasjonsprøvene for å utlede kationebytter-evnen til prøvene, bestemmelse av et funksjonsmessig forhold mellom de på grunnlag av undersøkelsen utledede kationebytter-evner og en valgt parameter som vedrører nevnte flerhet av energiområder, føring av logge-instrumentet gjennom et etterfølgende borehull innenfor det samme geologiske området, detektering av naturlig gammastråling som opptrer i grunnfor-mas jonene i nærheten av det etterfølgende borehull, generering av•signaler som er-funksjonsmessig relatert til energien og frekvensen av den detekterte gammastråling, separering av signalene i en flerhet av energiområder som svarer til den naturlige gammastråling som frembringes av de radioaktive isotoper av kalium, uran og torium, og bestemmelse av kationebytter-evnen i formasjonene som gjennomtrenges av det etterfølgende borehull ved å korrelere det funksjonsmessige forhold som er fastslått på grunnlag av de nevnte utledede kationebytter-evner og den valgte parameter fra det første- borehullet med den samme valgte parameter utledet fra signalene fra loggingen av det etterfølgende borehullet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved normalisering av anslaget over kationebytter-evnen for de etterfølgende borehulls-formasjoner ved å bruke en porøsi-tetsmåling av formasjonene til å frembringe en indikasjon på konsentrasjonen av motioner i formasjonsvannet som er i kontakt med formasjonsleiren.

4. fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den valgte parameter, som brukes til å fastslå et funksjonsmessig forhold til de ved undersøkelsen utledede kationebytter-evner, svarer til den naturlige gammastråling som frembringes av radioaktive isotoper av kalium.■

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den valgte parameter som brukes til å fastslå et funksjonsmes-sig forhold til de ved nevnte undersøkelse utledede kationebytter-evner, svarer til den naturlige gammastråling som frembringes av radioaktive isotoper av uran.

6. Fremgangsmåte ifølge krav .1, karakterisert ved at den valgte parameter som brukes til å fastslå et funksjonsmessig forhold til de ved nevnte undersøkelse utledede kationebytter-evner, svarer til den naturlige gammastråling som frembringes av radioaktive isotoper av torium.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den valgte parameter som brukes til å fastslå et funksjonsmessig forhold til de' ved nevnte undersøkelse utledede kationebytter-evner, svarer'til et forhold som er funksjonsmessig relatert til flere av energi-områdesignalene.