基于核磁共振T2譜三組分分解的致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)研究

叢云海，范宜仁，鄧少貴，葉綺，陳芳

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580;2.中國石油大學(xué)CNPC測井重點實驗室，山東青島 266580;3.中國石油西部鉆探工程有限公司測井公司，新疆克拉瑪依 834000)

0 引言

孔隙結(jié)構(gòu)是表征儲層儲滲性能的重要參數(shù)，特別是對于致密砂巖(廣義上孔隙度小于10%，滲透率低于1 ×10-3μm2)［1］，其儲滲機(jī)理復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)研究已成為該類儲層評價的重點及難點所在［2］。長期以來，儲層的孔隙結(jié)構(gòu)研究多基于毛細(xì)管壓力曲線，但對于致密砂巖，單一基于毛細(xì)管壓力的孔隙結(jié)構(gòu)評價不能很好地表征其微觀特征。核磁共振作為儲層孔隙結(jié)構(gòu)研究的有效手段之一被廣泛應(yīng)用［3-4］。通常采用的研究方法是將核磁共振T2譜轉(zhuǎn)化為毛細(xì)管壓力曲線，從而進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)評價［5-10］，但此類處理方法往往忽略了T2譜本身所包含的信息(譜形態(tài)、幅度等)。劉堂晏、周燦燦等［11-12］利用球管模型對核磁共振T2譜進(jìn)行分解，研究了不同類型孔隙弛豫特征與孔喉滲流特性，但其分解過程十分復(fù)雜，不利于進(jìn)行快速有效的孔隙結(jié)構(gòu)分析。

本文以實驗為依托，選取蘇里格氣田致密砂巖巖樣進(jìn)行核磁共振T2譜測量與壓汞毛細(xì)管壓力曲線測試，尋找T2弛豫時間與平均孔喉半徑的關(guān)系，并以平均孔喉半徑為橋梁，通過建立核磁共振孔隙結(jié)構(gòu)模型，對核磁共振T2譜進(jìn)行了三組分分解，得到了巖石中不同形態(tài)孔隙的T2譜貢獻(xiàn)值，為利用核磁共振T2譜表征致密砂巖滲流能力提供了一種有效的評價方法。

1 核磁共振T2譜與平均孔喉半徑的相互關(guān)系

根據(jù)毛細(xì)管壓力理論與核磁共振機(jī)理，毛細(xì)管壓力曲線與核磁共振T2譜存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，何雨丹等［13］在研究中發(fā)現(xiàn)了毛細(xì)管壓力與T2譜的冪指數(shù)關(guān)系為

式中，pc為毛細(xì)管壓力;m、n為系數(shù)。根據(jù)毛細(xì)管壓力原理［14］，有

式中，σ為兩相界面張力;θ為接觸角;r為平均孔喉半徑。因此，可以確定T2弛豫時間與平均孔喉半徑的冪指數(shù)關(guān)系為

式中，c、q為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

為了確定致密砂巖T2-r的轉(zhuǎn)換系數(shù)，選取了蘇里格地區(qū)3種不同特征的致密砂巖進(jìn)行系統(tǒng)分析，其基本參數(shù)信息見表1。

巖樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是反映致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的典型樣品。圖1是其飽和水的T2譜分布，從該譜圖中可以看出3塊巖樣孔隙結(jié)構(gòu)差別較大，其中Ⅰ號樣的T2弛豫分布為0.4～300 ms，Ⅱ號樣的T2弛豫分布為0.1 ～20 ms，Ⅲ號樣的 T2弛豫分布為 0.7 ～300 ms。圖2是相同樣品的壓汞進(jìn)汞量與平均孔喉半徑的關(guān)系圖。對比圖1與圖2可以看出，各樣品的進(jìn)汞量形態(tài)與T2譜的形態(tài)存在一定的相似性，在Ⅰ號樣、Ⅲ號樣的T2譜與進(jìn)汞量譜圖樣均出現(xiàn)了雙峰形態(tài);而Ⅱ號樣的T2譜與進(jìn)汞量譜圖均出現(xiàn)了單峰特征，由此可以確定核磁共振T2譜與平均孔喉半徑存在一定的相關(guān)關(guān)系，并且T2譜本身可以一定程度地表征孔喉的連通性特征。

比對圖1、圖2所示的T2譜形態(tài)特征與進(jìn)汞量特征，結(jié)合式(3)，將相同樣品的核磁共振T2弛豫時間與平均孔喉半徑按分布范圍及譜型峰谷位置進(jìn)行等效刻度(見圖3)。結(jié)果顯示T2與r之間存在較好的冪指數(shù)關(guān)系，同時，可以看出多峰孔隙結(jié)構(gòu)類型的巖樣T2-r關(guān)系存在分段性。由此得到了不同樣品的T2-r轉(zhuǎn)換系數(shù)?；谏鲜龇治觯_定了通過進(jìn)汞量特征確定T2-r關(guān)系的方法。

圖1 飽和水致密砂巖巖樣的T2譜分布

圖2 巖樣壓汞進(jìn)汞量與平均孔喉半徑的關(guān)系

圖3 不同樣品的T2弛豫時間與平均孔喉半徑的轉(zhuǎn)換關(guān)系

2 致密砂巖儲層核磁共振孔隙結(jié)構(gòu)模型

孔隙介質(zhì)的橫向弛豫T2主要與表面弛豫有關(guān)，在表面弛豫中，孔隙起著決定性的作用。弛豫的速度與表面的碰撞率有關(guān)，比表面決定了孔隙介質(zhì)的T2弛豫時間［15］，用公式表示為

式中，S/V為孔隙的比表面積;ρ為表面弛豫率(特定的巖石表面弛豫率為常數(shù))。

孔隙的比表面是平均孔喉半徑的函數(shù)，令fs為孔隙的形狀因子，有

不同形態(tài)孔隙空間的形狀因子fs存在較大差異，因此，將巖石的孔隙空間等效為球型孔隙、管型孔隙以及槽型孔隙，并認(rèn)為球型孔隙是孤立的孔隙空間，管型孔隙多為喉道與毛細(xì)管孔隙空間，槽型孔隙多為連片的溶蝕空間及裂縫(見圖4)等。后兩者的模型示意見圖5。

根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)模型，球型孔隙、管型孔隙與槽型孔隙的比表面積分別由式(6)至式(8)表示

圖4 具有槽型孔隙的巖石孔隙空間照片

由此，球型孔隙、管型孔隙與槽型孔隙的孔隙的形狀因子 fs分別為:fs球=3;fs管=2;fs槽=1。致密砂巖復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)則可以用球型、管型與槽型孔隙的加權(quán)組合進(jìn)行等效。

圖5 孔隙結(jié)構(gòu)模型示意

3 孔隙結(jié)構(gòu)三組分分解理論的建立

根據(jù)等效的孔隙結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為致密砂巖的孔隙由球型、管型與槽型孔隙共同構(gòu)成，不同的組合關(guān)系反映著巖石的不同流動形態(tài)，其關(guān)系直接制約著致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的評價。為了系統(tǒng)表征各孔隙組分在巖石孔隙空間中的分布形式，精細(xì)揭示致密砂巖的儲滲機(jī)理，將核磁共振T2譜按球型、管型與槽型3種孔隙形態(tài)進(jìn)行分解。

由式(3)及基于進(jìn)汞量分布特征的T2-r關(guān)系可知，巖石的孔喉半徑與巖石的T2弛豫時間存在冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即把等效孔喉半徑re看做是關(guān)于T2的函數(shù)，即

根據(jù)半徑相等原則，在固定的T2時間上的孔隙信號即為不同組分等效半徑的加權(quán)平均，令

式中，pi為等效加權(quán)因子，i=1，2，3分別對應(yīng)球型、管型、槽型孔隙。

由式(9)、式(10)，以孔喉半徑為橋梁建立T2恒等式，即

于是問題轉(zhuǎn)化為求解式(11)的系數(shù)pi，即求解對給定T2時間下的p1、p2、p3的相對比值，將分解過程轉(zhuǎn)換為數(shù)值求解。由于方程為三元欠定方程，解不是唯一，為了最佳地表征致密砂巖的孔隙特征，建立如下假設(shè):

(1)等效加權(quán)因子pi的取值范圍為(0，1)。

(2)致密砂巖滲透性能的主要貢獻(xiàn)來源于連通性最好的槽型孔隙(主要體現(xiàn)在連片溶蝕的孔隙空間及微裂縫等)，認(rèn)為球型孔隙是孤立的或者連通性差的原生孔隙。

令pi從0.01開始計算，根據(jù)誤差最小求解原則，通過最優(yōu)化算法［16］尋找最小pi值下的等效加權(quán)因子比例，此時的解即為巖石最大滲透率貢獻(xiàn)的三組分分解。該分解最大程度地表征了儲集空間的連通性能。通過分解，可以得到不同孔隙結(jié)構(gòu)類型的T2特征譜。

4 分解效果及分析

圖6 不同樣品的孔隙結(jié)構(gòu)三組分分解

圖6是利用孔隙結(jié)構(gòu)三組分分解原理對表1所示巖樣進(jìn)行分解的結(jié)果。由于選取巖樣的主要連通孔隙空間為溶蝕孔隙，因此對表征孤立的、連通性差的球型孔隙壓制效果較好。對于Ⅰ號樣品，孔隙空間最大，滲透性能最好，分解后槽型孔隙空間占主體［見圖6(a)］;II號樣品雖然孔隙儲集空間較大，但滲透性極差，滲透率僅為0.06×10-3μm2，分解后可以看到該樣品中主要為管型孔隙空間［見圖6(b)］，即該巖石的孔隙以微毛細(xì)管孔隙為主，屬于儲集性與連通性均差的孔隙類型;Ⅲ號樣品類似Ⅰ號樣品，T2譜具有雙峰結(jié)構(gòu)，分解后的結(jié)構(gòu)同樣以槽型孔隙為主，其滲透性能較Ⅰ號差的主要原因是巖性細(xì)、總的儲集空間小。

同時，對比圖2可以看出，Ⅰ、Ⅲ的2塊樣品在0.03～0.08μm大小孔隙半徑處進(jìn)汞量明顯有下降趨勢，說明該半徑范圍內(nèi)的孔隙連通性差、毛細(xì)管壓力高，該現(xiàn)象在分解后的T2弛豫時間2～6 ms明顯體現(xiàn)出來。由分解結(jié)果可知，處于大孔隙與小孔隙過渡區(qū)的中等大小孔隙多發(fā)育管型孔隙結(jié)構(gòu)。對分解的結(jié)果可做如下解釋:

(1)致密砂巖T2譜雙峰類型大孔隙部分以強(qiáng)溶蝕作用形成的粒間-粒內(nèi)復(fù)合型溶孔為主，溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，溶蝕空間連片或成網(wǎng)狀，應(yīng)以槽型孔隙為主。

(2)致密砂巖T2譜雙峰類型小孔隙部分，主要為石英顆粒線接觸下微弱溶蝕作用所致，儲集空間呈板狀，孔隙類型同樣以槽型孔隙為主。

(3)致密砂巖T2譜單峰形態(tài)的孔隙主要以管型孔隙為主，形成管型孔隙的原因是蘇里格致密砂巖巖屑含量與泥質(zhì)含量高，充填堵塞有效儲集空間，這種孔隙含有較高的束縛水，增加了孔隙的毛細(xì)管壓力，對烴類的儲集和運移起著極大的抑制作用。

5 結(jié)論

(1)壓汞進(jìn)汞量分布可以在一定程度上反映巖石孔隙的連通性，其分布特征與核磁共振T2譜具有相似性，按形態(tài)特征刻度可以得到T2-r的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并且通過理論推導(dǎo)確定其為冪指數(shù)關(guān)系。

(2)將巖石的孔隙空間等效為球型、管型及槽型的組合可以有效反映巖石的連通性，對于致密砂巖，連通性好的孔隙槽型孔占優(yōu)，連通性差的孔隙管型孔占優(yōu)。

(3)具有T2譜雙峰形態(tài)的巖石以槽型孔隙占優(yōu)，連通性較好;具有T2譜單峰形態(tài)的巖石以管型孔隙占優(yōu)，孔隙空間以束縛孔隙為主。

(4)孔隙結(jié)構(gòu)三組分分解可以有效揭示巖石孔隙空間各類型孔隙的存在比例和分布形式，分解結(jié)果有助于儲層有效儲集空間的尋找與致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)的精細(xì)評價。

［1］ 戴金星，倪云燕，吳小奇.中國致密砂巖氣及在勘探開發(fā)上的重要意義［J］.石油勘探與開發(fā)，2012，39(3):257-264.

［2］ 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司.低孔低滲油氣藏測井評價技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:石油工業(yè)出版，2009:31-67.

［3］ 肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1998:3-44.

［4］ 鄧克俊.核磁共振測井理論及應(yīng)用［M］.東營:中國石油大學(xué)出版社，2010:42-75.

［5］ Yakov V，Win L S.A Practical Approach to Obtain Primary Drainage Capillary Pressure Curves from NMR Core and Log Data［J］.Petrophysics，2001，42(4):334-343.

［6］ 運華云，趙文杰，劉兵開，等.利用T2分布進(jìn)行巖石孔隙結(jié)構(gòu)研究［J］.測井技術(shù)，2002，26(1):18-21.

［7］ 何雨丹，毛志強(qiáng)，肖立志，等.核磁共振T2分布評價巖石孔徑分布的改進(jìn)方法［J］.地球物理學(xué)報，2005，48(2):373-378.

［8］ 劉堂宴，傅容珊.核磁共振譜的巖石孔喉結(jié)構(gòu)分析［J］.石油地球物理勘探，2003，38(3):328-333.

［9］ 邵維志，丁娛嬌，劉亞，等.核磁共振測井在儲層孔隙結(jié)構(gòu)評價中的應(yīng)用［J］.測井技術(shù)，2009，33(1):52-56.

［10］李天降，李子豐，趙彥超，等.核磁共振與壓汞法的孔隙結(jié)構(gòu)一致性研究［J］.天然氣工業(yè)，2006，26(10):57-59.

［11］劉堂晏，肖立志，傅容珊，等.球管孔隙模型的核磁共振(NMR)弛豫特征及應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)報，2004，47(4):663-671.

［12］周燦燦，劉堂晏，馬在田，等.應(yīng)用球管模型評價巖石孔隙結(jié)構(gòu)［J］.石油學(xué)報，2006，27(1):92-96.

［13］何雨丹，毛志強(qiáng)，肖立志，等.利用核磁共振T2分布構(gòu)造毛細(xì)管壓力曲線的新方法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版，2005，35(2):177-181.

［14］秦積順，李愛芬.油層物理學(xué)［M］.東營:中國石油大學(xué)出版社，2006:211-218.

［15］王樹寅，李曉光，石強(qiáng)，等.復(fù)雜儲層測井評價原理和方法［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2006:117-121.

［16］唐煥文，秦學(xué)志.實用最優(yōu)化方法［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，1994.