基于核磁共振T2譜集中度的低孔隙度低滲透率儲層飽和度參數(shù)研究

丁娛嬌, 柴細(xì)元, 邵維志, 李俊國, 韓艷, 李慶合

(1.中國石油渤海鉆探工程有限公司測井分公司, 天津 300280; 2.大港油田分公司勘探開發(fā)研究院, 天津 300280; 3.大港油田分公司第二采油廠, 天津 300280)

0 引 言

利用測井技術(shù)定量評價(jià)低孔隙度低滲透率儲集層含油飽和度,前人在實(shí)踐中針對不同的儲集層條件研究和發(fā)展了一系列的變形阿爾奇公式,以解決實(shí)際中存在的難題。Givens、Crane、曾文沖等都給出了考慮微孔隙水導(dǎo)電的解釋模型,李寧模型不僅考慮了儲層復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對飽和度模型的影響,而且考慮了油層與氣層的差異[1-2]。但是,模型中都存在很難確定的參數(shù),應(yīng)用推廣比較困難,在現(xiàn)場生產(chǎn)解釋中使用最多的還是阿爾奇公式。針對歧口凹陷中深層低孔隙度低滲透率儲層,遲秀榮等[3]對阿爾奇公式在該地區(qū)的適應(yīng)性作出了詳細(xì)的分析,認(rèn)為該地區(qū)地層因素與孔隙度關(guān)系以及電阻率增大率與飽和度關(guān)系仍然遵從阿爾奇公式的基本關(guān)系式。由于沉積環(huán)境和成巖作用的復(fù)雜性,導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲層非均質(zhì)性強(qiáng),常規(guī)實(shí)驗(yàn)室得到的不同巖樣的膠結(jié)指數(shù)m、飽和度指數(shù)n值均存在明顯差異,其中m變化范圍為1.0～2.5,n變化范圍為1～6;對于低孔隙度低滲透率儲層,飽和度參數(shù)m、n的變化對飽和度計(jì)算結(jié)果影響非常大[4],區(qū)域平均m、n值已經(jīng)滿足不了低孔隙度低滲透率儲層飽和度評價(jià)。獲得準(zhǔn)確的m、n參數(shù)成為低孔隙度低滲透率儲層飽和度定量評價(jià)的關(guān)鍵。

本文在總結(jié)前人m、n參數(shù)主控因素分析基礎(chǔ)上,通過綜合分析300余塊次巖樣的巖電參數(shù)發(fā)現(xiàn),巖樣m、n值受孔隙度、地層水電阻率、孔隙結(jié)構(gòu)特征形態(tài)等因素共同制約。在主控因素分析基礎(chǔ)上,提出了核磁共振T2譜集中度概念反映微觀孔隙結(jié)構(gòu)分布形態(tài),分不同地層水電阻率范圍,建立利用核磁共振T2譜集中度計(jì)算飽和度關(guān)鍵參數(shù)m、n的解釋模型,獲得連續(xù)的、反映儲層物性變化的m、n值,有效提高了m、n參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確性。

1 飽和度參數(shù)m、n主控因素分析

賈自力等[5]從沉積和成巖作用過程分析了阿爾奇公式中m、n參數(shù)的影響因素,認(rèn)為不同成巖階段,m、n參數(shù)值不同;李梅等[6]認(rèn)為m值主要受儲集空間類型和泥質(zhì)分布形式影響;毛志強(qiáng)等[7]認(rèn)為水膜厚度、孔隙聯(lián)通性、喉道大小、孔隙半徑均值等均影響n值的變化;張明祿等[8]認(rèn)為儲集空間類型是影響m、n參數(shù)的主要因素;李秋實(shí)等[9]文飽和度指數(shù)n值主要受儲層孔喉比的影響?？傊?m、n參數(shù)與巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)及成巖作用等有關(guān),是地下地質(zhì)體的綜合響應(yīng)。本文以歧口凹陷中深層低孔隙度低滲透率巖心為基礎(chǔ),綜合分析地層水電阻率、物性、巖性等對m、n參數(shù)的制約作用。

1.1 地層水電阻率對m、n參數(shù)的影響

為認(rèn)識地層水電阻率是否影響m、n參數(shù),選取不同孔隙度巖樣開展變地層水電阻率環(huán)境下m、n參數(shù)測量,每塊巖樣在飽和地層水礦化度分別為8 000、12 000、16 000、20 000、30 000 mg/L,室溫20 ℃條件下地層水電阻率分別為0.68、0.47、0.38、0.29、0.2 Ω·m等5種環(huán)境下測量其地層因素—孔隙度、電阻率增大率—飽和度,得到每塊巖樣不同地層電阻率下m、n值。地層水電阻率對m、n值有明顯影響,隨著地層水電阻率增加,m、n呈降低的趨勢,但并不是簡單的線性變化,地層水電阻率大于0.29 Ω·m,地層水電阻率對m、n值影響明顯;當(dāng)?shù)貙铀娮杪市∮?.29 Ω·m,地層水電阻率對m、n影響變緩。不同孔隙度條件下,地層水電阻率對m、n影響程度不同,地層水電阻率對m值的影響隨著物性變好而增大,對n值的影響隨著物性變好而降低。因此,建立m、n參數(shù)計(jì)算模型必須考慮地層水電阻率的影響。

1.2 物性對m、n參數(shù)的影響

物性對m、n參數(shù)的影響主要考慮儲層孔隙度和微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征2個(gè)方面。描述儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的方法有2種,分別為毛細(xì)管壓力測量法和核磁共振測量法[10]?？紤]到后續(xù)方法建立的實(shí)用性,本文選擇核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜作為微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征方法。圖1展示了6塊粉砂質(zhì)細(xì)砂巖巖樣的核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜分布,該6塊巖樣在進(jìn)行飽和水核磁共振測量和m、n測量時(shí)飽和的地層水電阻率均為0.38 Ω·m。圖1(a)的3塊巖樣T2譜位置和形態(tài)基本一致,代表3塊巖樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)很相似,3塊巖樣T2譜孔隙度分量幅度和包絡(luò)面積不同,說明3塊巖樣孔隙度不同。在巖性、地層水電阻率、微觀孔隙結(jié)構(gòu)均基本一致的情況下由于孔隙度的差異,使得3塊巖樣的m、n值存在明顯差異,說明孔隙度的變化影響m、n值的變化。圖1(b)的3塊巖樣T2譜位置和形態(tài)存在差異,但是包絡(luò)面積相同,說明3塊巖樣孔隙度相同,但微觀孔隙結(jié)構(gòu)存在差異。在巖性、地層水電阻率、孔隙度均基本一致的情況下由于微觀孔隙結(jié)構(gòu)的差異,使得3塊巖樣的m、n值存在明顯差異,說明微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化影響m、n值的變化。

圖2 不同骨架顆粒巖樣m、n值以及核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜

通常應(yīng)用核磁共振T2譜的幾何平均值描述儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化[8],T2幾何平均值越大說明儲層以大孔徑為主,T2幾何平均值越小說明儲層以小孔徑為主。m值隨著孔隙度、T2幾何平均值增加而增加；n值隨著孔隙度、T2幾何平均值增加而降低,說明物性越差m值越小,n值越大。

1.3 巖性對m、n的影響

歧口凹陷低孔隙度低滲透率儲層巖性主要為砂泥巖儲層,分析巖性對m、n的影響,主要是分析骨架顆粒大小對m、n的影響。圖2展示了不同骨架顆粒巖樣的m、n值和核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜分布情況。從圖2(a)可見,骨架顆粒的大小在一定程度上影響m值的變化,在相同孔隙度條件下,含礫不等粒砂巖的m值要大于細(xì)砂巖和粉砂巖;圖2(b)展示了不同骨架顆粒n值,可見n值與骨架顆粒變化規(guī)律不是很明顯,難以明確地描述骨架顆粒對n值的影響;圖2(c)展示了不同骨架顆粒巖樣的核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜分布,可見不同骨架顆粒巖樣其核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜分布位置明顯不同,骨架顆粒越細(xì),T2譜分布越靠左,骨架顆粒越粗,T2譜分布越靠右,骨架顆粒粒徑越復(fù)雜,T2譜展布位置越寬,說明骨架顆粒不同,微觀孔隙結(jié)構(gòu)不同。故巖性對m、n值的影響,可以歸結(jié)到微觀孔隙結(jié)構(gòu)對m、n值的影響。

1.4 陽離子交換容量QV對m、n的影響

通過實(shí)驗(yàn)室陽離子交換量測試發(fā)現(xiàn),歧口凹陷中深層低孔隙度低滲透率儲層陽離子交換容量QV值均在2 meq/mL之內(nèi),絕大部分?jǐn)?shù)值在0.8 meq/mL之內(nèi)。當(dāng)QV<0.8 meq/mL,QV的變化對m影響不明顯;當(dāng)QV>0.8 meq/mL,隨著QV的增加,m值降低。QV對n影響明顯,隨著QV增加n值降低。隨著泥質(zhì)含量增加QV增加,可以用泥質(zhì)含量表征儲層QV含量。在測井計(jì)算中,除了利用常規(guī)巖性測井曲線描述儲層泥質(zhì)含量以外,核磁共振測井T2譜位置是一種非常有效的泥質(zhì)含量指示方法,黏土束縛流體部分T2譜幅度越高代表泥質(zhì)含量越高,黏土束縛流體部分T2譜幅度越低代表泥質(zhì)含量越低。黏土束縛流體部分T2譜分布形態(tài)不同代表儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)存在差異,故陽離子交換容量QV對m、n的影響同樣可以歸結(jié)到微觀孔隙結(jié)構(gòu)對m、n值的影響。

通過巖石潤濕性實(shí)驗(yàn)測量分析可知,歧口凹陷儲層巖石潤濕性整體表現(xiàn)為親水性,可以不考慮潤濕性變化對m、n值的影響。歧口凹陷中深層低孔隙度低滲透率儲層影響m、n值的主要因素有地層水電阻率、孔隙度、微觀孔隙結(jié)構(gòu)。

圖3 不同T2譜集中度巖樣核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜

2 基于T2譜集中度的飽和度關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

2.1 T2譜集中度概念的提出

利用核磁共振描述儲層孔隙結(jié)構(gòu)最常用的方法是利用T2幾何平均值表征,但是針對歧口凹陷中深層低孔隙度低滲透率儲層,低孔隙度低滲透率儲層其沉積環(huán)境和成巖作用的復(fù)雜性,造成其孔隙結(jié)構(gòu)與常規(guī)儲集層存在很大的差異,基于T2幾何平均值表征孔隙結(jié)構(gòu)描述微觀孔隙結(jié)構(gòu)對m、n值的影響已經(jīng)滿足不了m、n參數(shù)評價(jià)的需求。圖3(a)為2塊巖樣的核磁共振T2譜分布,2塊巖樣孔隙度、T2幾何平均值均一致,但是其測量得到的m、n值差別卻很大,特別是n值,從1.14變化到1.87,說明簡單的T2幾何平均值表征孔隙結(jié)構(gòu)的方法已經(jīng)滿足不了m、n值評價(jià)的需求,亟需能夠充分考慮孔徑分布形態(tài)和不同孔徑尺寸搭配關(guān)系的孔隙結(jié)構(gòu)表征參數(shù)的方法描述微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化。

根據(jù)分析,為提高復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)低孔隙度低滲透率儲層飽和度關(guān)鍵參數(shù)m、n值的計(jì)算準(zhǔn)確性,需要提出一個(gè)能夠充分考慮T2分布形態(tài)、著重研究不同大小的孔隙搭配關(guān)系的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征表征參數(shù)。為此,引入氣象學(xué)研究中評價(jià)空間氣旋或者風(fēng)暴、云分布所常用的集中程度函數(shù)[11],它可以用來定量指示物理場或函數(shù)在空間分布的集中程度,稱為分布模型,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ψ=

(1)

式中,ψ為核磁共振T2譜集中度,ψ值無量綱、歸一化,數(shù)值范圍0～1。ψ值大小反應(yīng)T2譜分布形態(tài),ψ值越小,反映T2譜的集中程度越小,T2譜分布越發(fā)散,代表各種尺寸孔徑均有,孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜;ψ值越大,說明T2值越集中,T2譜形態(tài)越規(guī)則且以單一的孔徑尺寸為主,儲層孔隙結(jié)構(gòu)越規(guī)則。N為核磁共振T2譜時(shí)間刻度區(qū)間的個(gè)數(shù);i為第i個(gè)區(qū)間φ為核磁共振孔隙度;T2g為核磁共振T2譜的幾何平均值;φ2g為T2幾何平均值分布區(qū)間相對應(yīng)的孔隙度分量;T2i為第i個(gè)區(qū)間的T2譜對應(yīng)時(shí)間刻度;φ2i為T2i區(qū)間相對應(yīng)的孔隙度分量。

有了T2譜集中度參數(shù)就很好回答圖3(a)中2塊巖樣m、n參數(shù)為什么會(huì)出現(xiàn)如此大差異的原因,雖然2塊巖樣的孔隙度、T2幾何平均值均一樣,但是2塊巖樣的T2譜集中度ψ值卻存在明顯差異,說明微觀孔尺寸分布特征存在一定程度差異,隨著ψ值降低,m值降低,n值增大。圖3(b)為2塊孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)基本一致巖樣核磁共振T2譜分布,可見兩塊巖樣的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征非常接近,其孔隙度、T2幾何平均值、T2譜集中度基本一致,最終測量得到的m、n值也基本一致,說明將T2譜集中度與T2幾何平均值相結(jié)合可以更好地描述微觀孔隙結(jié)構(gòu)分布特征對m、n值的影響。

2.2 飽和度關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算模型的建立

歧口凹陷中深層低孔隙度低滲透率儲層飽和度關(guān)鍵參數(shù)m、n受地層水電阻率、孔隙度、微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征共同制約,儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征可以由核磁共振T2幾何平均值和T2譜集中度共同描述,其中T2幾何平均值表征孔徑尺寸大小,T2譜集中度表征孔徑尺寸分布形態(tài)。因此,可以建立地層水電阻率、孔隙度、T2幾何平均值、T2譜集中度加權(quán)組合的m、n計(jì)算模型。

首先對孔隙度、T2幾何平均值、T2譜集中度加權(quán)組合,定義為儲層微尺度特征參數(shù),計(jì)算公式為

(2)

微尺度特征參數(shù)主要用于描述儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征,微尺度特征參數(shù)越大,說明儲層物性越好,微觀孔隙結(jié)構(gòu)分布越均勻;微尺度特征參數(shù)越小,說明儲層物性越差,微觀孔隙結(jié)構(gòu)分布非均質(zhì)性越強(qiáng)。在獲得儲層微尺度特征參數(shù)基礎(chǔ)上,分地層水電阻率建立不同地層水電阻率范圍的m、n與微尺度特征參數(shù)之間關(guān)系(見圖4),得到m、n計(jì)算公式為

當(dāng)Rw≤0.3 Ω·m時(shí)

m=0.6052·χ+1.2894R2=0.93

(3)

n=4.56·χ2-10·χ+7.34

R2=0.89

(4)

當(dāng)0.3 Ω·m

m=0.5065·χ+1.2106R2=0.90

(5)

n=3.71·χ2-7.88·χ+5.723

R2=0.91

(6)

當(dāng)Rw≥0.5 Ω·m時(shí)

m=0.4234·χ+1.14R2=0.88

(7)

n=2.3483·χ2-4.4758·χ+3.58

R2=0.83

(8)

圖5為不同方法計(jì)算m、n值與巖心分析m、n值的對比圖。圖5中藍(lán)色圓點(diǎn)為綜合考慮地層水礦度、孔隙度、T2幾何平均值建立的計(jì)算模型得到的m、n值與巖心分析對比,黃色菱形點(diǎn)子為本文提出的微尺度特征參數(shù)計(jì)算得到的m、n值與巖心分析對比。由圖5可見,在增加考慮T2譜集中度因素之后的m、n計(jì)算結(jié)果與巖心分析結(jié)果的一致性要遠(yuǎn)好于未考慮T2譜集中度因素的計(jì)算模型。其中,m值平均相對誤差降低到2.1%,n值平均相對誤差降低到7.23%,有效提高了m、n參數(shù)計(jì)算精度。

圖4 不同地層水電阻率環(huán)境下微尺度特征參數(shù)與m、n關(guān)系圖

圖5 計(jì)算m、n與巖心分析m、n對比圖

3 應(yīng)用實(shí)例分析

圖6為歧北斜坡區(qū)某井主力油層濱Ⅳ油組應(yīng)用實(shí)例。圖6中第5道為核磁共振測井標(biāo)準(zhǔn)T2譜和T2幾何平均值,第6道為T2譜集中度,第7道為基于儲層微尺度特征參數(shù)計(jì)算得到的m值與巖心分析的m值對比,第8道為計(jì)算n與巖心分析n值對比,第9道為總含水飽和度與束縛水飽和度。由圖6可見,本文所述方法計(jì)算得到的m、n與巖心分析m、n的一致性非常好,說明該方法應(yīng)用效果很好。由該方法計(jì)算得到的總含水飽和度與核磁共振測井提供的束縛水飽和度在有些井段差異較大,說明該段儲層含油不飽滿,物性相對較好的層段含油豐度高,物性較差的層段含油豐度低,有產(chǎn)水的可能。對圖6中井段試油,壓后日產(chǎn)油15 m3,水11 m3,試油結(jié)論為油水同層,驗(yàn)證了解釋結(jié)論的正確性。

圖6 歧口凹陷某低孔隙度低滲透率儲層飽和度計(jì)算應(yīng)用實(shí)例

圖7 滄東凹陷某低孔隙度低滲透率儲層飽和度計(jì)算應(yīng)用實(shí)例

4 結(jié) 論

(1) 低孔隙度低滲透率儲層飽和度關(guān)鍵參數(shù)m、n值受孔隙度、地層水電阻率、孔隙結(jié)構(gòu)特征形態(tài)等因素共同制約,計(jì)算m、n值必須綜合考慮以上因素影響。

(2) 提出了利用核磁共振T2幾何平均值和T2譜集中度共同描述儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的方法,其中T2幾何平均值表征孔徑尺寸大小,T2譜集中度表征孔徑尺寸分布形態(tài)。

(3) 在此基礎(chǔ)上,分地層水電阻率建立了孔隙度、T2幾何平均值、T2譜集中度加權(quán)組合的m、n計(jì)算模型,利用模型建立的m、n值進(jìn)行含油飽和度計(jì)算,在實(shí)際應(yīng)用中取得良好應(yīng)用效果。

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