趙輝,司馬立強(qiáng),顏其彬,李建玉

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院,四川成都610051;2.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,四川成都610500;3.中國(guó)石油西部鉆探工程公司錄井公司,新疆克拉瑪依834000)

碳酸鹽巖巖樣核磁共振實(shí)驗(yàn)特征分析

趙輝1,司馬立強(qiáng)2,顏其彬2,李建玉3

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院,四川成都610051;2.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,四川成都610500;3.中國(guó)石油西部鉆探工程公司錄井公司,新疆克拉瑪依834000)

碳酸鹽巖核磁共振測(cè)井響應(yīng)一直缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,使其在一些復(fù)雜儲(chǔ)層中的應(yīng)用不能取得好的效果。依據(jù)大量的巖心核磁共振實(shí)驗(yàn),研究了基于孔隙結(jié)構(gòu)特征分析儲(chǔ)層的有效性。實(shí)驗(yàn)研究表明,回波間隔越短,T2譜信息越完整、越準(zhǔn)確;利用差譜法識(shí)別油氣水層時(shí),在發(fā)育大孔徑孔隙的地層中,測(cè)量需要有足夠長(zhǎng)的等待時(shí)間。裂縫和孔洞相對(duì)孔隙的橫向弛豫時(shí)間長(zhǎng),但由于裂縫孔隙度一般較小,裂縫的弛豫信號(hào)幅度小。孔洞發(fā)育的巖心存在明顯較多的長(zhǎng)弛豫組分信號(hào)。在一定粒徑范圍內(nèi),小巖塊的核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果與巖心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。Coates模型的系數(shù)C值與孔隙度有一定的線性關(guān)系。碳酸鹽巖地層的 T2截止值不是定值,與泥質(zhì)含量成反比關(guān)系。高孔隙度段核磁計(jì)算的孔隙度滲透率參數(shù)的準(zhǔn)確性要明顯高于低孔隙度段,核磁計(jì)算的滲透率主要反映的是基質(zhì)滲透率,不能有效反映裂縫滲透率。

核磁共振;碳酸鹽巖;T2譜;差譜;移譜;裂縫;孔洞;粒徑;儲(chǔ)層參數(shù)

1 巖心NM R實(shí)驗(yàn)在儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

川中磨溪?dú)馓锛味?亞段測(cè)井計(jì)算孔隙度與常規(guī)巖心分析孔隙度值均與嘉二2亞段接近(嘉二1亞段的平均巖心分析孔隙度還略高于嘉二2亞段),從常規(guī)測(cè)井曲線和常規(guī)物性分析資料方面考慮,常將嘉二1亞段也解釋為好儲(chǔ)層。但試油證實(shí),嘉二2儲(chǔ)層段能形成較高的工業(yè)產(chǎn)能,而嘉二1亞段儲(chǔ)層試油多數(shù)情況為干層或產(chǎn)少量氣或少量水,2個(gè)亞段均為孔隙性儲(chǔ)層,無裂縫發(fā)育,2個(gè)段物性相近但產(chǎn)量相差懸殊。

通過對(duì)嘉二段221塊巖心的核磁共振實(shí)驗(yàn)表明,磨溪地區(qū)嘉二1、嘉二22個(gè)亞段儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)存在較大的差別。嘉二1亞段的實(shí)驗(yàn)巖心核磁共振T2譜均不同程度地位于 T2截止值的左邊,即使是孔隙度很大的巖樣的 T2譜向左偏離 T2截止值的現(xiàn)象仍很明顯(見圖1),表明嘉二1亞段地層的孔徑普遍較小,孔隙以微孔為主,束縛水飽和度很高,有效孔隙度低,儲(chǔ)層有效性差(見表1)。而嘉二2亞段即使孔隙度相對(duì)較小的巖樣,其 T2譜譜峰也在 T2截止值的右邊,表明嘉二2亞段地層的孔隙孔徑普遍較大,束縛水飽和度低,儲(chǔ)層有效性好[1,6]。因此,嘉二1亞段這類總孔隙度相對(duì)較大但發(fā)育的是微孔隙的地層,常規(guī)測(cè)井曲線無法判斷儲(chǔ)層有效性,核磁共振測(cè)井及核磁共振實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谝欢ǔ潭壬蠈?duì)儲(chǔ)層的有效性作出定性判斷。

圖1 B151井嘉二1段3 168.46 m巖樣T2譜

2 移譜、差譜實(shí)驗(yàn)特征研究

2.1 移譜實(shí)驗(yàn)特征研究

選擇回波間隔的長(zhǎng)、短直接影響到 T2譜信息的完整性和準(zhǔn)確性,因此,直接影響到對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的分析以及儲(chǔ)層參數(shù)的計(jì)算。

飽和水巖心在等待時(shí)間為6 s、回波間隔分別為0.35、0.6、1.2、2.4 m s進(jìn)行 T2譜測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明,隨著回波間隔的增大,由于擴(kuò)散作用對(duì) T2弛豫影響增強(qiáng),核磁共振信號(hào)幅度減小[2-4],小孔徑的孔隙信號(hào)已探測(cè)不到,T2譜中短弛豫組分(小孔徑)信息損失,并且隨著回波間隔的增大,T2譜的譜形改變程度越大[見圖2(a)、圖2(b)]。因此,回波間隔越短,T2譜信息越完整,譜形越準(zhǔn)確。回波間隔越長(zhǎng), T2譜譜形改變程度很大,已不能有效反映巖石的孔隙結(jié)構(gòu)。如圖2(a)、圖2(b)中 Te=2.4 m s的波形比Te=3.0 m s的譜形發(fā)生了很大程度的畸變。

此外,巖石結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性越強(qiáng),隨著回波間隔的增大,T2譜畸變?cè)絿?yán)重。圖2(a)實(shí)驗(yàn)巖樣的 T2譜信號(hào)主要集中在雙峰中的右峰(弛豫時(shí)間大于150 m s),反映該巖樣中大孔徑組分所占比例明顯高,孔隙孔徑變化范圍小,孔隙結(jié)構(gòu)均勻,巖樣在0.6 m s和1.2 m s回波間隔下測(cè)量的 T2譜譜形與0.35 m s下測(cè)量的差異小。而圖2(b)雙峰中的左峰(弛豫時(shí)間小于100 m s)的相對(duì)幅度要顯著大于圖2 (a),并且雙峰截然分開,2峰間還有一段時(shí)間的信號(hào)強(qiáng)度為0,反映該巖樣中小孔徑組分所占比例較高,并且孔隙孔徑變化大,孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng),該巖樣在0.6、1.2 m s和2.4 m s下測(cè)量的 T2譜譜形與0.35 m s下測(cè)量的差異很大。

因此,實(shí)際測(cè)井中回波間隔選擇應(yīng)盡量小,才能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 差譜實(shí)驗(yàn)特征研究

表1 常規(guī)物性分析與核磁分析對(duì)比表

雙 Tw測(cè)井是判別油、水層的有效方法之一。長(zhǎng)等待時(shí)間的 T2譜通常包含完整的油、氣、水的信息,短等待時(shí)間T2譜包含了完整的水信息,油、氣的信息只有很少一部分,兩者相減,剩下油與氣的信號(hào),據(jù)此可以進(jìn)行油氣識(shí)別。通過實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于孔隙孔徑較大的地層,如果等待時(shí)間不足時(shí),在水層也會(huì)出現(xiàn)差譜現(xiàn)象。

圖2 飽和水巖心移譜圖

飽和水巖心在回波間隔時(shí)間為0.35 m s、等待時(shí)間分別為1、3、6、8 s進(jìn)行 T2譜測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同等待時(shí)間條件下測(cè)量的 T2譜形狀基本相似,呈雙峰特征,長(zhǎng)弛豫組分的(大孔徑孔隙)信號(hào)幅度隨等待時(shí)間的增加而增大[見圖2(c)],表明可以探測(cè)到大孔隙中更多的氫核,等待時(shí)間越長(zhǎng),大孔徑孔隙中的流體極化程度越高。也就是說大孔徑孔隙中的流體需要較長(zhǎng)的等待時(shí)間才能得到充分極化,但短弛豫組分的(小孔徑孔隙)信號(hào)幅度在不同的等待時(shí)間下變化不大,表明小孔徑孔隙在較短的時(shí)間內(nèi)氫核就能得到充分極化。

圖2(c)中 Tw為6 s和8 s時(shí),2個(gè)弛豫譜線基本重疊,表明當(dāng)?shù)却龝r(shí)間達(dá)到6 s以上時(shí),大孔徑中的氫核達(dá)到完全極化。在6 s以內(nèi)的等待時(shí)間,大孔徑中的氫核不能完全極化,故 T2譜幅度較小,隨著 Tw的增大,極化程度增大,T2譜幅度增加,因此出現(xiàn)大的差譜信號(hào)。

可見要獲得好的核磁共振信號(hào),必須有足夠長(zhǎng)的等待時(shí)間,讓大孔徑孔隙中的氫核完全極化,該現(xiàn)象也說明在孔隙孔徑大的地層中,若利用差譜法識(shí)別流體性質(zhì)時(shí),如果長(zhǎng)等待時(shí)間測(cè)量時(shí),等待時(shí)間不足,并不是所有的有差譜信號(hào)的儲(chǔ)層都為油氣層,發(fā)育大孔徑孔隙(如孔洞發(fā)育的地層)的水層也可能出現(xiàn)差譜信號(hào)[5]。

3 裂縫和孔洞發(fā)育巖心的 T2譜特征

碳酸鹽巖地層中常發(fā)育次生溶孔、溶洞及裂縫,開展發(fā)育裂縫和孔洞巖心的核磁共振實(shí)驗(yàn)研究是對(duì)縫洞性碳酸鹽地層磁共振測(cè)井解釋的有效指導(dǎo)。

選取同一口井同一層位有裂縫和沒有裂縫的低孔隙度巖心在飽和狀態(tài)、回波間隔為0.35 m s下進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn),低孔隙度巖心的裂縫孔隙度占巖石總孔隙度的比例高,選取低孔隙度巖心可以突出裂縫的 T2譜信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明,2組孔隙度相近的巖心,有裂縫發(fā)育和無裂縫發(fā)育巖心的核磁共振 T2譜分布形態(tài)和譜幅度基本相似。核磁共振 T2譜是對(duì)孔隙孔徑大小和不同孔徑孔隙組分含量的反映,裂縫張開度遠(yuǎn)大于孔隙孔徑,因此有裂縫發(fā)育巖心的裂縫信號(hào)相對(duì)孔隙信號(hào)的弛豫時(shí)間長(zhǎng)。圖3中T2譜在100～1 000 m s間譜信號(hào)的增大響應(yīng)特征可能是裂縫的響應(yīng),但由于裂縫孔隙度一般較小,因此裂縫的弛豫信號(hào)幅度小。

圖3 M 149井有裂縫和無裂縫巖心 T2譜對(duì)比圖

選取同一口井同一層位有孔洞和沒有孔洞的巖心在飽和狀態(tài)、回波間隔為0.35 m s進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn),有孔洞發(fā)育巖心的孔隙度較無孔洞發(fā)育的巖心小,但有孔洞發(fā)育的巖心存在明顯較多的長(zhǎng)弛豫組分信號(hào),而沒有孔洞發(fā)育的高孔巖心長(zhǎng)弛豫組分明顯少于有孔洞發(fā)育的巖心(見圖4)。核磁共振T2譜的弛豫時(shí)間是對(duì)孔隙孔徑大小的反映,長(zhǎng)弛豫時(shí)間組分應(yīng)該是溶孔溶洞的反映,因此溶孔溶洞發(fā)育地層核磁共振 T2譜存在大量長(zhǎng)弛豫組分信號(hào),核磁共振測(cè)井對(duì)溶孔溶洞發(fā)育的碳酸鹽巖地層有較明顯的響應(yīng)。

圖4 D4井有孔洞和無孔洞巖心T2譜對(duì)比圖

4 實(shí)驗(yàn)樣品粒徑對(duì)NM R信號(hào)的影響分析及T2截止值的影響因素

選取4組巖樣,分別做小巖心和將巖心敲碎成3種粒徑規(guī)格的巖塊,在飽和狀態(tài)和回波間隔為0.35 m s下做核磁實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)表明,4種粒徑規(guī)格情況下(粒徑大于2 mm)的核磁共振 T2譜形狀基本一致,只是粒徑在2～5 mm的巖塊的 T2譜的幅度有小幅度的減小(見圖5)。這表明實(shí)驗(yàn)樣品的粒徑對(duì)核磁信號(hào)的影響相對(duì)較小,對(duì)于均質(zhì)孔隙性地層,實(shí)驗(yàn)樣品在一定粒徑范圍內(nèi),小巖塊的核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠代表巖心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 P2井4 075.39 m不同粒徑灰?guī)r飽和巖樣的T2譜圖

利用Coates模型計(jì)算滲透率時(shí),Coates模型的系數(shù)對(duì)滲透率的計(jì)算結(jié)果影響較大,通過對(duì)22塊巖樣的實(shí)驗(yàn)研究表明,Coates模型的系數(shù) C值與孔隙度有一定的線性關(guān)系(見圖6)。

通過對(duì)216塊巖樣分別在飽和狀態(tài)和離心后2種狀態(tài),回波間隔為0.35 m s條件下進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn),逐個(gè)確定巖心的 T2截止值。實(shí)驗(yàn)表明,孔隙度大小對(duì) T2截止值影響沒有明顯的規(guī)律,泥質(zhì)含量高低與 T2截止值有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,一般情況下,泥質(zhì)含量高的碳酸鹽巖的 T2截止值一般較小(見表2)(41 m s左右);而泥質(zhì)含量低,巖性較純的碳酸鹽巖的 T2截止值普遍較泥質(zhì)含量高的巖樣的T2截止值高(86 m s左右)(見表2)。因此,碳酸鹽巖地層核磁共振測(cè)井的 T2截止值不應(yīng)是定值,它與泥質(zhì)含量成反比關(guān)系[6]。

圖6 T-AD井灰?guī)r飽和巖心核磁孔隙度與滲透率系數(shù)C的關(guān)系圖

表2 不同巖性的 T2截止值

5 NMR計(jì)算儲(chǔ)層參數(shù)的應(yīng)用效果分析

4口井的195塊巖樣的核磁共振實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于較高孔隙度的樣品核磁共振可準(zhǔn)確計(jì)算孔隙度、滲透率;而孔隙度較低的樣品,核磁共振計(jì)算的孔滲參數(shù)誤差較大。實(shí)驗(yàn)中對(duì)于孔隙度大于等于3% (巖樣所在層位的孔隙度下限值)的巖樣,其核磁共振計(jì)算的孔隙度與常規(guī)分析的孔隙度的相關(guān)曲線與45°線基本重合,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98[見圖7(a)]。對(duì)于孔隙度小(φ<3%)的巖樣,有相當(dāng)部分點(diǎn)偏離45°線較遠(yuǎn)[見圖7(b)],兩者相關(guān)性較差,核磁共振測(cè)量誤差增大,這主要是因?yàn)楹舜殴舱駜x在低孔隙度段信噪比低的緣故。因此核磁共振測(cè)井計(jì)算的孔滲參數(shù)在低孔隙度段誤差大,在高孔隙度段計(jì)算的參數(shù)可信度高。

對(duì)于裂縫發(fā)育的巖心,核磁共振計(jì)算的滲透率(由SDR模型計(jì)算滲透率)與常規(guī)方法分析值相差很大(見表3),核磁共振計(jì)算的滲透率要明顯小于常規(guī)方法分析值,這是因?yàn)楝F(xiàn)有核磁共振滲透率模型(常用的為Coates、SDR模型)計(jì)算得到的滲透率反映的是基質(zhì)滲透率,不能有效反映裂縫滲透率。

圖7 常規(guī)分析孔隙度-核磁共振分析孔隙度交會(huì)圖

表3 B49井裂縫發(fā)育巖心孔滲分析數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

(1)核磁共振 T2譜分布特征能定性評(píng)價(jià)微孔發(fā)育儲(chǔ)層的有效性。

(2)回波間隔越短,T2譜信息越完整,T2譜譜形越準(zhǔn)確?？紫督Y(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性越強(qiáng),隨著回波間隔 Te的增大,T2譜譜形改變程度越大。

(3)要獲得好的核磁共振信號(hào),必須有足夠長(zhǎng)的等待時(shí)間,在孔隙孔徑大的地層中,如果長(zhǎng)等待測(cè)量時(shí)間不足,發(fā)育大孔徑孔隙(如孔洞發(fā)育的地層)的水層也可能出現(xiàn)差譜信號(hào)。

(4)裂縫和孔洞相對(duì)孔隙弛豫時(shí)間長(zhǎng),但由于裂縫孔隙度一般較小,裂縫的弛豫信號(hào)幅度小?？锥窗l(fā)育的巖心存在明顯較多的長(zhǎng)弛豫組分信號(hào)。

(5)在一定粒徑范圍內(nèi),小巖塊的核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果與巖心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致;Coates模型的系數(shù)C值與孔隙度有一定的線性關(guān)系。

(6)T2截止值與泥質(zhì)含量有密切關(guān)系,泥質(zhì)含量高的巖石,T2截止值較小,巖性純的巖石 T2截止值高,一般在86 m s之間。

(7)孔隙度大的巖心核磁計(jì)算的孔滲值較低孔巖心準(zhǔn)確,核磁計(jì)算的滲透率主要為基質(zhì)滲透率,不能有效反映裂縫滲透率。

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NM R Experimen tsand Analysis of Carbonate Rock Sam ples

ZHAO Hui1,SIMA Liqiang2,YAN Qibin2,L IJianyu3
(1.Geological Exploration and Development Research Institute,Chuanqing Drilling Engineering CO.LTD.,CNPC,Chengdu, Sichuan 610051,China;2.School of Resources&Environment,Southwest Petroleum University,Chengdu, Sichuan 610500,China;3.M ud Logging Company,Xibu Drilling Engineering CO.LTD.,CNPC,Karamay,Xinjiang 834000,China)

Since there is no systematic experimental study fo r NM R response of carbonate rock, so it has not been p roperly app lied to some comp lex reservoirs.Based on a great quantity of NMR core experiments and the po re structure characteristics,analyzed is the effectivenessof reservoir. Experimental studies show that:the Teis shorter,the T2spectrum information ismore comp lete and integrity.The long waiting timemeasurement needs to have sufficientwaiting time in the development of large size pore reservoirs w hen using differential spectrum methods to discriminate fluid p roperty.Relaxation time is long fo r fracture and cavity.Because fracture po rosity is generally smaller,the fracture relaxation signal amp litude is also smaller.The T2spectrum of co re w ith cavity has obviously many long relaxation component signals.In certain grain sizes,the result of NMR small core experiments is in common w ith the result of NM R core experiments.The model Coates coefficient C value is linearly related to the po rosity.T2,cutoffvalue,w hich is not a fixed value for carbonate rocks,is inversely p roportional to clay content.The p recision of porosity and permeability computing by NMR in higher-porosity rock is significantly higher than in lower-porosity.NMR permeability mainly reflectsmatrix permeability,but can not effectively reflect fracture permeability.

nuclear magnetic resonance(NMR),carbonate,T2spectrum,differential spectrum, shifted spectrum,f racture,cavity,grain size,reservoir parameter

P631.84;TE135 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

趙輝,男,1980年生,博士,主要研究方向儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)。

2010-09-06 本文編輯 余迎)