现场录井应用的岩屑孔隙度测量方法、测量装置和应用

摘要

本发明公开了一种现场录井应用的岩屑孔隙度测量方法及测量装置，包括获取总体积V

说明书

技术领域

本发明涉及储层评价中储层物性的测量领域，主要用做测量钻井过程中钻头破碎的、通过钻井液循环被带到地面的岩屑的孔隙度的测量，具体为现场录井应用的岩屑孔隙度测量方法、测量装置和应用。

背景技术

录井：记录、录取钻井过程中的各种相关信息。录井技术是油气勘探开发活动中最基本的技术，是发现、评估油气藏最及时、最直接的手段，具有获取地下信息及时、多样，分析解释快捷的特点。

孔隙度是储层物性研究的重要参数之一，目前应用较广泛的孔隙度测量方法主要有：(1)岩芯实验室测量，该方法直接反映地层特征，但是由于取芯耗时昂贵且有些条件下(如水平井)取芯困难，所以常常难以获得连续取芯样品。(2)地球物理测井的方法，可以测量较大范围，但是通过声波，电流等信号间接测量，且测量范围大、不能精细表征地层特征。

传统方法的主要缺点是耗时长和需要钻井完成才能测量。而近几年随钻测量技术发展，包括在钻头附近安装高精度传感器等，可以在钻进过程中进行实时储层评价。

钻井过程中钻头破碎的、通过钻井液循环被带到地面的岩屑可以提供许多有用的地层信息。从岩屑可以获得地层的岩性、物性、机械性和含油性等多种直接信息。岩屑可用于随钻过程中储层的定量评价，用接近实时的地层参数去矫正测井。

核磁共振(NMR)方法测量孔隙度的研究已经被广泛应用于实验室分析及现场录井，它的优点是快速，准确，无损。理论上NMR 方法可以测量岩屑内的孔隙中的流体，但是由于单个岩屑体积小、测量信号量太小，因而难以得到可靠的信噪比，而且存在于岩屑外表面颗粒间的流体同时被测量到，对岩屑来说这部分流体占很大比例不能被忽略，并且用弛豫时间并不能明确地区别二者，特别是当该岩屑孔隙度较小、来自孔外的不需要的信号可能比来自孔内的期望信号强得多。

有许多人基于实验室条件提出一些去除岩屑颗粒表面流体的方法。但是，在这些方法的样品制备过程中，来自孔内的未知数量的液体也可能被除去，或者外部液体残留较大，而且操作繁琐难以应用于现场。

总之，快速获取岩屑信息是非常有用的，它可以提供钻进过程的实时的信息，而实验室方法太过繁琐不能满足现场复杂条件下快速测量的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种现场录井应用的岩屑孔隙度测量方法、测量装置和应用，本方法提供的装置涉及岩屑的收集和测试整个过程，通过使用一种特殊的浴液做样品处理和核磁共振方法共同实现对现场录井收集的岩屑准确，快速，无损测量。该装置也可以实现随钻测量并与其他录井方法相互对照。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明现场录井应用的岩屑孔隙度测量方法，所述方法包括下列步骤：

1)、获取现场录井获得的含有孔隙的岩屑样品总体积V_b；

2)、获取现场录井获得的含有孔隙的岩屑样品的孔隙体积V_P：将现场录井获得的含有孔隙的岩屑样品浸没在浴液中，并且用核磁共振仪测量孔隙内液体的核磁共振信号；所述浴液不会使孔隙中的液体被取代、而且与岩屑外部所沾液体不混溶且密度不同；来自岩屑孔隙内的液体的磁共振信号的幅度与该液体的体积成比例，因此信号量与孔隙的体积成比例，通过校准确定信号幅度对应的孔隙中的体积；

3)、计算孔隙度：孔隙度通过下面式子计算：

V_P为样品孔隙体积，V_b样品总体积。

本发明所述方法应用于测量多个形状不规则碎屑样品，或者用于单个形状不规则样品的测量；或者多次重复测量，并使用平均值来获得孔隙度的平均值。

优选的，本发明所述含有孔隙的岩屑样品的直径为3mm-5mm。

优选的，本发明所述浴液为全氟化碳溶液。

进一步优选的，所述全氟化碳溶液为全氟化三烷基胺的混合物，密度为1.85g/cm³。

或者，所述全氟化碳溶液为全氟聚醚，密度1.892g/cm³。

本发明同时提供了一种现场录井应用的岩屑孔隙度测量装置，包括用于检测体积的体积检测系统，所述体积检测系统包括测量器和 NMR仪，所述测量器为一个具有平坦底边的管状容器，测量器活动放置于NMR仪中。

测量器内安装有一个带刻度的液位显示管，液位显示管的底部和测量器的内部相联通形成一个连通器，液位显示管上标记有刻度，所述刻度显示液面的位置来确定体积；由于液位显示管直径很小，可以用于清楚地测量微小体积变化。

所述装置包括用于收集岩屑的收集系统和用于检测体积的体积检测系统，及用于检测后分离的分离系统，收集系统包括泥浆泵、振动筛和样品收集器；泥浆通过泥浆泵进入振动筛，振动筛分离泥浆和岩屑，被分离的岩屑从振动筛下端进入收集器被收集；振动筛由一个可更换的筛网和一个清洗系统，选择筛网尺寸以分离泥浆和钻屑，筛网尺寸决定了保留的岩屑的尺寸；清洗系统充分清洗岩屑表面泥浆，通过振动筛的回收槽岩屑被输送到收集器，收集器包含两个收集容器，两个交替使用达到不间断采样的目的；收集器内充满钻井液保证岩屑孔隙内液体不流失；收集到的岩屑送入体积测量系统测试出岩屑的孔隙度；测量后通过沉淀容器分离岩屑、浴液和钻井液，达到循环利用浴液的目的。

本发明所述的现场录井应用的岩屑孔隙度测量装置的应用为：

1)、在测量器中先倒入足量的全氟化碳溶液作为浴液并通过液位显示管读取液面对应的体积，为第一次体积；

2)、现场录井获得的含有孔隙的岩屑样品，在其孔隙中包含地下油/水和钻井液，并且在其外部具有一些钻井液，将现场录井获得的含有孔隙的岩屑样品放入无核磁信号干扰的丝网中，再通过绳索将他们从测量器的上端开口处放入底部合适位置；来自岩屑外部的钻井液及一些漂浮物被分离并漂浮在氟化液上，使用刻度读取氟化液和钻井液之间的界面的位置对应的体积，为第二次体积；放入的岩屑的体积通过第二次体积和第一次体积的体积差来求得；

3)、将测量器放置在NMR仪的测量探头中，根据仪器有效测量范围选择合适的岩屑的样本量的大小并调整所处位置，使得岩屑充分占据磁体测量探头的有效测量范围，并尽量减小测量误差。选择合适的浴液的量使其不仅能完全浸没样品，还要使分离出来的钻井液不在磁场范围内；通过NMR谱仪测量¹H>1H>

4)、通过公式(1)计算岩屑的孔隙度。

单位体积的水中氢原子的数量与在单位体积的油中氢原子的数量略有不同，当孔隙中的流体每单位体积的氢原子含量与用于校准的含水盐水不相同时，孔隙度的确定可能有点偏差，可通过含油饱和度分别校正单位体积油、水氢原子数量准确计算孔隙体积和孔隙度。

本发明改进了一种使用磁共振(NMR)测量岩石孔隙度的方法，使其可以用于现场岩屑孔隙度测量。该方法是将获得的岩屑浸没在一定量的浴液中，该浴液满足以下要求：不会使孔隙中的液体被取代，与岩屑外部所沾液体不混溶且密度不同，不含孔隙流体用来进行核磁共振测量的共振核。通过将样品浸没在浴液中并且用核磁共振 (NMR)仪测量孔隙内液体的核磁共振信号。

地层岩石孔隙常含有地层流体，其中具包含有许多元素可用于核磁共振测量，常用的有¹H，²³Na等。浴液不会进入孔隙，由于存在密度差岩屑表面的流体与浴液分离。这样就可以用核磁共振准确测量岩屑孔隙内流体产生的信号量了。

来自岩屑孔隙内的液体的磁共振信号的幅度与该液体的体积成比例，因此信号量与孔隙的体积成比例。通过校准就可以确定信号幅度对应的孔隙中的体积。

岩屑样品总体积可通过计算获得。像实验室量筒一样，在用来装岩屑样品和浴液的测量器标上刻度以指示其内的体积，这样可以读出加入岩石样品后液面变化。

一旦已知样品总体和孔体积，孔隙度就可以通过下面式子计算

V_P样品孔隙体积，V_b样品总体积。该方法不仅可应用于测量多个形状不规则碎屑样品，也可用于单个形状不规则样品的测量。还可以多次重复测量，并使用平均值来获得孔隙度的平均值。

这里详细介绍了钻井过程中岩屑的收集及孔隙度测量过程中的一些问题。钻井液是各种固相、液相和有机添加剂的复杂混合液。钻井过程中如果使用的是水基钻井液，这意味着钻井液是盐溶液并且可能含有增加黏度的材料。如果使用的是油基钻井液，则钻井液可以包括油溶性表面活性剂和其他成分以及油。岩屑是钻头切割形成岩石碎片，这些岩屑大多是多孔的特别是储集层的岩石孔隙性更好，孔隙内被地层流体充填。当钻头钻穿岩层时，岩屑与钻井液充分接触，钻井液的一些液相进入地层岩石的孔隙。因此，岩屑孔隙中的液体可以是地下盐水，油，钻井液的液相或这些的组合。通常在岩屑其外部及岩屑之间的间隙中也具有一些液体，可以是钻井液，地下盐水或原油或这些的组合。

关于如何选择能代表地层特征的岩屑已有很多研究。可以根据尺寸来选择，实验室测量结果表明当岩屑直径小于2.5mm时测得的孔隙度精确性较差，核磁共振方法测量岩屑孔隙度3mm大小很具有代表性与孔隙度匹配较好。当所选直径较大时岩屑颗粒运移速率与钻井液差异较大，难以确定所收集岩屑深度。选择也应避免异常大的岩屑，怀疑它们由于井壁不稳定从钻孔壁脱离，因此不能代表当前正在被钻头切割的地层，通常通过5mm的筛子以将岩屑与崩落的岩屑分开。因此本文选择直径3mm-5mm的岩屑作为研究对象。

本方法通过将岩屑浸没在特定的浴液中而达到去除表面流体的效果。这种浴液是相对于岩石特征及孔隙中的液体而选定的，在孔隙流体存在的情况下，它既不与孔隙中的液体混溶，也不会润湿该岩石，这样它不会通过毛细渗吸进入孔隙稀释或置换这些孔隙中的流体。并具有不同的密度，这样，当岩石样品浸没在浴液中时外部的液体从其上分离并漂浮到浴液的表面，或者如果足够稠密的话，沉淀到浴液的底部。

这里所要求的非润湿行为取决于浴液、孔中的液体和岩石本身的性质。当两种不混溶的液体与固体表面接触时，液体和固体表面之间的接触角小于90°的发生表面润湿。如果钻井液是水基的，并且该处岩层是强水湿的，则岩屑的孔隙中的液体将是含水的，需选疏水性液体作浴液。相反，如果钻井液是油基的，岩层是油湿的，则岩屑孔隙中的液体是来自钻井液的油，可选亲水性的浴液。但是，在地层复杂条件下，岩石润湿性也较为复杂，有些类型的岩石都同时表现为水湿和油湿，并且在钻井液等外来液体侵入下岩石润湿性会改变^【12】。在钻井过程中还会遇到各种地层，因此需要选择合适的浴液来满足多种岩石非润湿条件。

液体全氟化碳是一种新兴的绿色溶剂，它是碳原子上的氢原子全部被氟原子取代的烷烃、醚和胺。它的沸点范围大，是一种高密度、无色无毒、具有高度热稳定性的液体，其特征是低折射率，低表面张力和低介电常数，与水、水溶液和一系列烃油不混溶，这使得它成为理想浴液。市场上常见的全氟化碳溶液有“Fluorinert”系列液体，俗称氟化液的全氟化三烷基胺的混合物，密度为1.85g/cm³，还有俗称氟油的全氟聚醚，密度1.892g/cm³。在此方法中使用的台式2MHz>

因而，本方法提供的装置涉及岩屑的收集和测试整个过程，通过使用一种特殊的浴液做样品处理和核磁共振方法共同实现对收集的岩屑准确、快速、无损测量。该装置也可以实现随钻测量并与其他录井方法相互对照。

附图说明

图1为本发明一种现场录井应用的岩屑孔隙度测量装置结构示意图。

图2为本发明所述用于检测体积的体积检测系统结构示意图。

图3为测量器的俯视结构示意图。

具体实施方式

现场录井应用的岩屑孔隙度测量方法，所述方法包括下列步骤：

1)、获取现场录井获得的含有孔隙的岩屑样品总体积V_b；

2)、获取现场录井获得的含有孔隙的岩屑样品的孔隙体积V_P：将现场录井获得的含有孔隙的岩屑样品浸没在浴液中，并且用核磁共振仪测量孔隙内液体的核磁共振信号；所述浴液不会使孔隙中的液体被取代、而且与岩屑外部所沾液体不混溶且密度不同；来自岩屑孔隙内的液体的磁共振信号的幅度与该液体的体积成比例，因此信号量与孔隙的体积成比例，通过校准确定信号幅度对应的孔隙中的体积；

3)、计算孔隙度：孔隙度通过下面式子计算：

V_P为样品孔隙体积，V_b样品总体积。

所述方法应用于测量多个形状不规则碎屑样品，或者用于单个形状不规则样品的测量；或者多次重复测量，并使用平均值来获得孔隙度的平均值。

所述含有孔隙的岩屑样品的直径为3mm-5mm。

所述浴液为全氟化碳溶液。

所述全氟化碳溶液为全氟化三烷基胺的混合物，密度为 1.85g/cm³。

或者，所述全氟化碳溶液为全氟聚醚，密度1.892g/cm³。

如图1所示，本发明提供了一种现场录井应用的岩屑孔隙度测量装置，所述装置包括用于收集岩屑的收集系统和用于检测体积的体积检测系统，及用于检测后分离的分离系统，收集系统包括泥浆泵1、振动筛2和样品收集器3；泥浆通过泥浆泵进入振动筛，振动筛分离泥浆和岩屑，被分离的岩屑从振动筛下端进入收集器被收集；振动筛由一个可更换的筛网和一个清洗系统，选择筛网尺寸以分离泥浆和钻屑，筛网尺寸决定了保留的岩屑的尺寸；清洗系统充分清洗岩屑表面泥浆，通过振动筛的回收槽岩屑被输送到收集器，收集器包含两个收集容器3-1和3-2，两个交替使用达到不间断采样的目的；收集器内充满钻井液保证岩屑孔隙内液体不流失；收集到的岩屑送入体积测量系统测试出岩屑的孔隙度；测量后通过沉淀容器4分离岩屑、浴液和钻井液，达到循环利用浴液的目的。

如图2、图3所示，包括用于检测体积的体积检测系统，所述体积检测系统包括测量器5和NMR仪6，所述测量器为一个具有平坦底边的管状容器，测量器活动放置于NMR仪中。

测量器安装有一个带刻度的液位显示管7，液位显示管的底部和测量器的内部相联通形成一个连通器，液位显示管上标记有刻度，所述刻度显示液面的位置来确定体积；由于液位显示管直径很小，可以用于清楚地测量微小体积变化要求。

测量器，它可以PEEK材料制成，耐高温高压，没有明显核磁信号干扰。它有两个部分，一是具有平坦底座的管状容器，在其内部内嵌带刻度的液位显示管，两者底部联通相当于一个连通器。由于液位显示管直径很小，可以用于清楚地测量微小体积变化要求。标记在液位显示管上的刻度可以通过眼睛观察读出测量器的体积，它的设计提高了通过视觉观察液面的位置来确定体积的精确度。

先在测量器中先倒入足量的全氟化碳溶液作为浴液并通过液位显示管读取液面对应的体积。取自收集器的岩屑，在其孔隙中包含地下油/水和钻井液，并且在其外部具有一些钻井液。先把它们放入无核磁信号干扰的丝网中，再通过绳索将他们从测量器的上端开口处放入底部合适位置。来自岩屑外部的钻井液及一些漂浮物被分离并漂浮在液体上。使用刻度读取液体和钻井液之间的界面的位置对应的体积。放入的岩屑的体积可以通过两次体积的差来求得。

接下来，将测量器放置在NMR仪中，选择岩屑的样本量的大小及岩屑所处位置，使得岩屑充分占据有效测量范围。选择合适的浴液的量使其不仅能完全浸没样品，还要使分离出来的钻井液不在磁场范围内。通过NMR谱仪测量¹H>1H>

单位体积的水中氢原子的数量与在单位体积的油中氢原子的数量略有不同。因此，当孔隙中的流体每单位体积的氢原子含量与用于校准的含水盐水不相同时，孔隙度的确定可能有点偏差。可通过含油饱和度分别校正单位体积油、水氢原子数量准确计算孔隙体积和孔隙度。

岩屑收集，测试的整个过程为：在石油钻井领域常常会从钻井液中分离岩屑。岩屑收集系统由三部分组成：泥浆泵，振动筛和样品收集器。泥浆通过泥浆泵进入振动筛，振动筛分离泥浆和岩屑，被分离的岩屑从振动筛下端进入收集器被收集。通过泥浆泵可控制进入振动筛的泥浆量。钻井泥浆经过离心筛篮初步筛选滤出较大的岩屑与井壁崩落岩石后通过管路注入振动筛。振动筛由一个可更换的筛网和一个清洗系统组成。选择筛网尺寸以分离泥浆和钻屑，筛网尺寸决定了保留的岩屑的尺寸。清洗系统充分清洗岩屑表面泥浆。通过振动筛的回收槽岩屑被输送到收集器，收集器包含两个收集容器，两个交替使用达到不间断采样的目的。收集器内充满钻井液保证岩屑孔隙内液体不流失。收集到的岩屑联通测量系统测试出岩屑的孔隙度。测量后通过沉淀容器分离岩屑、浴液和钻井液，达到循环利用浴液的目的。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。