二維核磁共振測(cè)井在鄂爾多斯盆地致密氣藏的應(yīng)用

楊雙定, 吳濤, 任小鋒, 郭紅梅, 王建華, 李玉寧

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部, 陜西 西安 710201)

0 引 言

鄂爾多斯盆地致密氣藏物性差,儲(chǔ)層中有效流體信號(hào)信噪比低,其電測(cè)井、放射性測(cè)井和聲波測(cè)井響應(yīng)特征與圍巖或水層差別小,常規(guī)測(cè)井解釋難度大。核磁共振測(cè)井是目前唯一能區(qū)分地層中可動(dòng)流體和束縛流體的測(cè)井方法,具有其他測(cè)井方法不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1-5],在疑難井、關(guān)鍵井和復(fù)雜油氣藏的評(píng)價(jià)中提供了重要的決策信息。常用的P型核磁共振測(cè)井在識(shí)別致密氣和定量評(píng)價(jià)氣水層時(shí)也遇到極大困難,主要原因在于現(xiàn)有的核磁共振測(cè)井基于一維核磁共振測(cè)井技術(shù),只測(cè)量地層孔隙流體的橫向弛豫時(shí)間T2,當(dāng)?shù)貙涌紫吨械臍?、水同時(shí)存在時(shí)其T2譜信號(hào)是重疊在一體的[5],用常用的差譜法、移譜法區(qū)分氣水很困難。致密氣藏由于孔隙度低、信噪比低,常用的差譜法、移譜法效果較差。P型核磁共振測(cè)井是居中測(cè)井,當(dāng)井眼垮塌時(shí),射頻脈沖和回波信號(hào)會(huì)受到影響,導(dǎo)致信噪比降低,難以測(cè)得合格的資料。二維核磁共振測(cè)井將孔隙流體中氫核弛豫特征從1D NMR的單個(gè)T2弛豫變量擴(kuò)展到2D NMR的2個(gè)變量,綜合利用NMR觀(guān)測(cè)的T1、T2信息,豐富了流體識(shí)別的信息,提高了識(shí)別準(zhǔn)確率。二維核磁共振測(cè)井儀器是貼井壁進(jìn)行測(cè)井,其測(cè)量探頭直接接觸井壁,泥漿電阻率對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響基本可以忽略不計(jì),在泥漿電阻率較小或者井身垮塌比較嚴(yán)重時(shí)仍然能夠取得較好的測(cè)井資料。本文介紹二維核磁共振測(cè)井在鄂爾多斯盆地致密氣藏中的應(yīng)用情況。

1 氣田概況

鄂爾多斯盆地的致密氣藏主要分布于烴源巖之間及其上的三角洲平原分流河道砂巖、三角洲前緣水下分流河道砂巖、海相濱岸砂巖及潮道砂巖等儲(chǔ)集巖體之中,砂層厚10～30 m,寬10～20 km。盆地在上古生界發(fā)育石盒子組、太原組、山西組等多套含氣層系,其特點(diǎn)是沉積期沉積相帶及沉積特征變化較大,砂體變化急劇,儲(chǔ)層縱、橫相變大,圈閉類(lèi)型多,天然氣成藏控制因素復(fù)雜。

儲(chǔ)層巖性上以巖屑石英砂巖為主,發(fā)育巖屑融孔及雜基微孔。物性上表現(xiàn)為孔隙類(lèi)型多樣,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,儲(chǔ)集性能相差比較大;滲透率分布級(jí)差大,孔滲關(guān)系復(fù)雜,高孔隙度低滲透率、高孔隙度高滲透率、低孔隙度低滲透率、低孔隙度高滲透率并存?？紫抖确植加?%～12%,滲透率分布于0.1～1 mD*非法定計(jì)量單位: 1 mD=9.87×10-4 μm2,下同。

2 二維核磁共振測(cè)井原理

二維核磁共振測(cè)井利用了NMR波譜學(xué)中的2D NMR概念,通過(guò)對(duì)測(cè)井記錄的回波串進(jìn)行反演,得到T1譜和T2譜。變化的參數(shù)是橫向弛豫時(shí)間T2、縱向弛豫時(shí)間T1、擴(kuò)散系數(shù)D和內(nèi)部梯度磁場(chǎng)G。圖1顯示了T1、T2測(cè)量的例子,不同等待時(shí)間回波串按照降序排列,所以Ma(t)對(duì)應(yīng)于最長(zhǎng)等待時(shí)間的回波串。

特定等待時(shí)間Twa的測(cè)量數(shù)據(jù)Ma(t)是二維概率密度方程x(T1,T2),可由弗萊德霍姆一類(lèi)積分表達(dá)

κ1(Twa,T1)dT1dT2

(1)

式中,κ2(t,T2)=e-t/T2,κ1(Twa,T1)=1-e-twa/T1。

為了簡(jiǎn)化,未知參數(shù)T2和T1可以單獨(dú)離散成n2和n1,目的是在二維圖中得到n2×n1交插的一格的量,所以式(1)中未知的量就是x(T1,T2)的指數(shù)。式(1)的實(shí)現(xiàn)基于以下極化方式完成。

(1) 長(zhǎng)等待時(shí)間足夠長(zhǎng),以保證孔隙內(nèi)流體全部極化。這是反演算法得以可行的前提假設(shè)。

(2) 不同等待時(shí)間的多回波串,只有對(duì)應(yīng)最長(zhǎng)等待時(shí)間的回波串需要很長(zhǎng)(幾百個(gè)回波),其他回波串可以很短(低于10個(gè)回波)。

二維核磁共振主要能夠提供成果是T1、T2二維分布圖(見(jiàn)圖1),從圖1中可以提取烴組分的物理含量,并且能夠針對(duì)各組分流體含量的T1和T2分布從二維圖上計(jì)算并輸出。

圖1 NMR T1、T2測(cè)量(藍(lán)圈)和T1建立曲線(xiàn)(紅線(xiàn))

3 (T1,T2)圖譜識(shí)別氣層

二維核磁共振在INSET系統(tǒng)上處理可以得到2種二維圖譜。一種是(T2,D)即T2譜和擴(kuò)散系數(shù)D的二維圖譜;另外一種是(T1,T2)即T1和T2的二維圖譜。相對(duì)而言,(T2,D)二維譜主要用來(lái)識(shí)別油層,而(T1,T2))圖譜識(shí)別氣層具有優(yōu)勢(shì),通過(guò)優(yōu)選最小等待時(shí)間測(cè)量值,即使信噪比較低時(shí)(T1,T2)方法也能很好地分辨束縛水、可動(dòng)水和氣。

用(T1,T2)圖譜識(shí)別氣層是基于以下的認(rèn)識(shí)。天然氣的縱向弛豫過(guò)程只受體積弛豫作用,無(wú)表面弛豫,水的縱向弛豫與橫向弛豫均主要受表面弛豫的影響。當(dāng)?shù)貙又泻刑烊粴夂褪`水時(shí),這2種流體均呈現(xiàn)出正態(tài)分布。天然氣的T2譜和水的T2譜分布區(qū)間差別不明顯,流體性質(zhì)識(shí)別較難。這2種流體的T1譜分布區(qū)間有一個(gè)數(shù)量級(jí)的差距,利用這一特性能夠較好的區(qū)分天然氣和水(見(jiàn)表1)。

(T1,T2)圖譜是幾組回波串同時(shí)反演的結(jié)果,它是在對(duì)數(shù)刻度上從0.5～5 000 ms用區(qū)間時(shí)間均勻分隔的54階矩陣,現(xiàn)實(shí)處理中,最后一個(gè)時(shí)間4 870.99 ms處理成5 000 ms,區(qū)間時(shí)間以1～10 000 ms也這樣選擇。實(shí)際應(yīng)用中,T1區(qū)間與T2區(qū)間一致。反演之前,一個(gè)額外的回波加入到T1和T2的開(kāi)頭和結(jié)尾,以把0孔隙度限定到這些邊部區(qū)間上,在最終的T1、T2圖上,這些額外的回波被移除。

表1 儲(chǔ)層氣與鹽水的核磁共振特性[4]

圖2顯示了利用2DFC識(shí)別氣層的例子?；疑?5°線(xiàn)代表T1/T2比率,自下而上數(shù)值為1、2、5、10、20、50。

圖2 二維圖譜進(jìn)行流體識(shí)別的基本原理

基于不同流體的信號(hào)貢獻(xiàn),二維圖被劃分成幾部分,其中單一流體的貢獻(xiàn)參考相應(yīng)流體區(qū)間內(nèi)探測(cè)到的信號(hào),

這些貢獻(xiàn)被顯示到T1和T2軸上以得

到一維T1和T2分布。流體體積通過(guò)單一區(qū)間信號(hào)的和計(jì)算得到,它也是單一流體分布的和。所以,VG=SUM(T2GDIST)=SUM(T1GDIST)。

圖譜的分布與所選擇的泥漿類(lèi)型有關(guān)。在選擇油基泥漿的時(shí)候,分區(qū)會(huì)產(chǎn)生如下分布:

氣分區(qū)(紅)→氣分布,T1氣分布和T2氣分布;

油分區(qū)(綠)→油分布,T1油分布和T2油分布;

自由水和束縛水分區(qū)(藍(lán))→水分布,T1水分布和T2水分布。

選擇水基泥漿的時(shí)候,分區(qū)會(huì)產(chǎn)生如下分布:

氣分區(qū)(紅)→氣分布,T1氣分布和T2氣分布;

油分區(qū)(綠),自由水和束縛水分區(qū)(藍(lán))→液體分布,T1液體分布和T2液體分布。

總的T1和T2分布通過(guò)把二維圖映射到T1軸和T2軸上計(jì)算得到?？紫抖惹€(xiàn)和滲透率曲線(xiàn)都是用T1和T2分布計(jì)算得到,而非從各種流體分布得到,在二維圖上束縛水部分的右邊界并不與束縛水的T2截止值一致。

二維圖上流體各自分布被T2值從左到右限定,被比率從上到下所限定;如果最上部界限超過(guò)最后一個(gè)T1區(qū)間時(shí)間,則上部邊界限定在最后一個(gè)區(qū)間時(shí)間。

4 二維核磁共振測(cè)井在致密氣藏的應(yīng)用實(shí)例

為解決鄂爾多斯盆地致密氣藏識(shí)別難題,在S27和L14井進(jìn)行了二維核磁共振測(cè)井。S27井位于鄂爾多斯盆地東部,測(cè)井時(shí)泥漿電阻率0.25 Ω·m。L14井位于鄂爾多斯盆地西南部,測(cè)井時(shí)泥漿電阻率0.53 Ω·m。觀(guān)測(cè)模式均為XL。

圖3 S27井石盒子組二維核磁共振測(cè)井與常規(guī)測(cè)井解釋成果圖

S27井1 914.0～1 916.0 m平均視電阻率114 Ω·m,平均聲波時(shí)差229 μs/m。該層物性及巖性均相對(duì)較好。從二維圖譜的頻度分布看,該井段二維頻度主要分布在比率接近10,T2譜大于100的位置,說(shuō)明該層段有較好的含氣性(見(jiàn)圖3),圖3左下角T2譜<10 ms(即束縛水)的位置也有一定的譜分布。綜合分析認(rèn)為,該層以含氣為主,同時(shí)含有一定量的束縛水,解釋為差氣層。

S27井2 057.0～2 058.0 m平均視電阻率200 Ω·m,平均聲波時(shí)差228 μs/m。該層巖性及物性均很好。從二維圖譜的頻度分布看,該井段頻度分布主要位于T2譜大于100 ms、(T1/T2)>2的位置(見(jiàn)圖4),圖4左下方T2<1 ms(即束縛水)的位置也有分布,說(shuō)明該層是以含氣為主,束縛水含量很少,綜合解釋為氣層。對(duì)這2個(gè)層進(jìn)行壓裂試氣,得到日產(chǎn)17 650 m3的工業(yè)氣流,驗(yàn)證了二維核磁共振測(cè)井解釋結(jié)果的正確性。

L14井4 071.0～4 073.0 m平均視電阻率184 Ω·m,平均聲波時(shí)差163 μs/m。,從二維圖譜的頻度分布看,該井段二維頻度主要分布在在比率接近1、T2譜約為1 000 ms的位置,但在比率為2的地方也有分布,說(shuō)明該層段主要含水,同時(shí),也有少量氣存在。綜合分析認(rèn)為,解釋為含氣水層(見(jiàn)圖5)。

圖4 S27井山西組二維核磁共振測(cè)井與常規(guī)測(cè)井解釋成果圖

試氣結(jié)果,日產(chǎn)氣2 749 m3,水13.9 m3,說(shuō)明了二維核磁共振測(cè)井解釋結(jié)果的正確性。

L14井4 002.7～4 012.5 m井段為一個(gè)砂體,從上到下分別解釋為干層、氣層、差氣層和含氣水層。從二維核磁共振圖譜看(見(jiàn)圖6),上部4 006.0～4 008.0 m譜信號(hào)主要分布于(T1/T2)>5的位置,表明其含氣性最好,同時(shí),含有部分束縛水;中部4 008.0～4 010.0 m譜信號(hào)分布于T1/T2=2的位置,表明其含氣性明顯變差;下部4 010.5～4 012 m譜信號(hào)主要分布于(T1/T2)<2且T2>100 ms的位置,表明其流體以水為主。二維核磁共振圖譜識(shí)別的流體性質(zhì)與常規(guī)測(cè)井顯示結(jié)果相符。

圖6 L14井太原組二維核磁共振測(cè)井與常規(guī)測(cè)井解釋圖

5 結(jié) 論

(1) 二維核磁共振測(cè)井不僅能提供T2譜信息,還能夠提供T1譜信息。

(2) 在二維核磁共振測(cè)井二維(T1,T2)分布圖上根據(jù)不同流體的不同區(qū)域分布規(guī)律可以相對(duì)直觀(guān)地區(qū)分氣和水的信號(hào)。

(3) 通過(guò)二維核磁共振測(cè)井在鄂爾多斯盆地致密氣藏的初步應(yīng)用,證明二維核磁共振測(cè)井在致密氣藏的識(shí)別方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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