高孔隙度低滲透率碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖心核磁共振實(shí)驗(yàn)研究

張鳳生,隋秀英,段朝偉,鄧浩陽,高樹芳,李亞鋒

(1.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井應(yīng)用研究所,陜西 西安 710021;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500;3.中國石油青海油田勘探開發(fā)研究院,甘肅 敦煌 736200)

0 引 言

核磁共振巖心實(shí)驗(yàn)是一種分析儲(chǔ)層物性與孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)技術(shù),與壓汞、氣體吸附等方法相比,核磁共振技術(shù)具有快速、無損測(cè)量的優(yōu)勢(shì)[1-3]。通過核磁共振巖心實(shí)驗(yàn)可以揭示巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征,獲取有效孔隙度、滲透率、束縛流體體積等儲(chǔ)層物性及產(chǎn)能評(píng)價(jià)參數(shù)[4-6]。X油田位于中東地區(qū)油氣產(chǎn)量較豐富的Jbisseh附近,C組處于海相碳酸鹽巖緩坡環(huán)境。由于地層形成較晚、埋藏淺,成巖作用弱,儲(chǔ)層孔隙度較高,平均值為19.5%,基質(zhì)滲透性較差,89%的樣品滲透率小于1×10-3μm2,屬于高孔隙度、低滲透率型儲(chǔ)層。目前,核磁共振技術(shù)在砂巖和低孔隙度低滲透率的常規(guī)碳酸鹽巖儲(chǔ)層中應(yīng)用較多[7-11],但在高孔隙度低滲透率這種特殊碳酸鹽巖儲(chǔ)層方面研究比較少。研究區(qū)儲(chǔ)層發(fā)育多類型、多尺度的孔隙和裂縫,孔隙結(jié)構(gòu)及孔滲關(guān)系復(fù)雜,利用常規(guī)碳酸鹽巖T2截止值理論值(86 ms)進(jìn)行核磁共振測(cè)井解釋容易造成儲(chǔ)層漏失,所以研究區(qū)高孔隙度低滲透率碳酸鹽巖儲(chǔ)層核磁共振分析方法的實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究是目前迫切需要解決的問題。

本文選取中東X油田13塊小巖樣,利用飽和水后再多次離心的方法,開展高孔隙度低滲透率碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖心核磁共振實(shí)驗(yàn),確定研究區(qū)儲(chǔ)層巖心T2譜特征及T2截止值,并結(jié)合36塊洗油前后的核磁共振對(duì)比實(shí)驗(yàn),明確有利儲(chǔ)層巖心核磁共振T2譜特征,為研究區(qū)儲(chǔ)層的測(cè)井評(píng)價(jià)以及核磁共振測(cè)井資料解釋提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 樣品基本特征和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

X油田巖性以泥晶灰?guī)r為主,該類巖性粒屑含量低,泥晶方解石含量高,其次是含生屑泥晶灰?guī)r,泥晶生屑灰?guī)r少量發(fā)育。對(duì)研究區(qū)19口井625塊巖心樣品孔隙度和滲透率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),88.9%樣品孔隙度分布在10%～30%,孔隙度的平均值為19.5%;巖心的滲透率主要分布在(0.01～972)×10-3μm2,其中76.5%樣品滲透率小于1×10-3μm2,巖心具有高孔隙度低滲透率的特征。

選用美國Core Lab公司生產(chǎn)的UltraPore300孔隙度儀測(cè)量氦氣孔隙度,UltraPeamTM-410空氣滲透率儀測(cè)量滲透率,英國牛津生產(chǎn)的MARAN DRX2核磁共振巖樣分析儀開展核磁共振實(shí)驗(yàn)。

1.1 巖樣準(zhǔn)備和孔隙度、滲透率測(cè)量

鉆取直徑為2.5 cm,長度為5 cm的柱塞巖樣,將兩端切平打磨,保證端面與軸線垂直,對(duì)巖樣進(jìn)行洗油、洗鹽、烘干、測(cè)量尺寸、稱取干質(zhì)量,測(cè)量5次長度、直徑、干重,取平均值。

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5336—2006《巖心分析方法》的要求,使用氦氣孔隙度儀,打開氣源,使氦氣壓力為200～220 psi,在室溫25 ℃、濕度<80%的條件下測(cè)得巖樣氣體孔隙度。

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5336—2006《巖心分析方法》的要求,使用空氣滲透率儀測(cè)量滲透率,打開氣源,保持氣源圍壓200 psi,進(jìn)氣壓力40～70 psi,室溫25 ℃、濕度<80%;先對(duì)孔隙型標(biāo)樣的滲透率值進(jìn)行測(cè)量,其測(cè)量結(jié)果與標(biāo)樣值相對(duì)誤差應(yīng)在±5%之內(nèi),如超出范圍,用ULTRAPEAM滲透率標(biāo)定儀重新對(duì)設(shè)備內(nèi)各個(gè)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,然后再進(jìn)行待測(cè)巖樣空氣滲透率的測(cè)量。

1.2 洗油前后核磁共振T2譜測(cè)量

為確定含油巖心核磁共振T2譜特征,開展洗油前后核磁共振T2譜對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在巖心洗油、洗鹽前,巖心抽真空,直接飽和160 000 mg/L等效氯化鈉溶液,將刻度油、標(biāo)樣放入探頭內(nèi)恒溫,調(diào)節(jié)中心頻率,測(cè)量刻度油、標(biāo)樣T2譜。對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定,將待測(cè)巖心放入恒溫水箱中,保持35 ℃恒溫測(cè)量核磁共振T2譜。采用的核磁共振采集參數(shù):回波間隔TE=0.2 ms,等待時(shí)間TW=6 s,掃描次數(shù)N=256,回波個(gè)數(shù)4 096。

洗油、洗鹽后,按照洗油前核磁共振測(cè)量步驟,選用相同核磁共振采集參數(shù),先飽和巖樣進(jìn)行T2譜測(cè)試,再進(jìn)行離心實(shí)驗(yàn),測(cè)量不同離心力下巖樣的T2譜。

2 核磁共振T2譜特征與結(jié)果分析

四川盆地、塔里木盆地等中國常規(guī)海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層一般具有低孔隙度低滲透率特征,核磁共振T2譜多為雙峰或多峰分布,T2譜主峰靠右[12-14],研究區(qū)高孔隙度低滲透率碳酸鹽巖樣品核磁共振T2譜特征表現(xiàn)為單峰主峰靠左、單峰主峰靠右和左峰占優(yōu)的雙峰型3種類型。

2.1 單峰型T2譜特征

13塊分析樣品中9塊樣品的核磁共振T2譜為單峰特征,分單峰左偏型和單峰右偏型2種類型。

2.1.1 單峰左偏型

單峰左偏型儲(chǔ)層的孔隙度平均值19.5%,滲透率平均值為0.063×10-3μm2,T2譜主峰值在2～12 ms,核磁共振T2譜主峰向左偏移,核磁共振T2幾何均值平均為7.7 ms,束縛水飽和度平均值為81.7%(見表1)。

單峰左偏型整體以中高孔隙度、特低滲儲(chǔ)層為主,該類儲(chǔ)層巖石結(jié)構(gòu)以填隙物為主,其占比約85.7%,主要成分為泥晶方解石,形成的晶間孔隙一般都小于0.1 μm,屬于納米級(jí)晶間微孔隙。該類納米級(jí)晶間微孔隙孔喉細(xì)小,對(duì)應(yīng)的核磁共振T2譜橫向弛豫時(shí)間短,T2譜幾何均值小,束縛水飽和度高。單峰左偏型為差儲(chǔ)層核磁共振響應(yīng)特征(見圖1)。

2.1.2 單峰右偏型

單峰右偏型儲(chǔ)層的孔隙度平均值為27.5%,滲透率平均值為5.45×10-3μm2,T2譜主峰值18～123 ms,核磁共振T2譜幾何均值平均為33.1 ms,束縛水飽和度平均值為32.3%。

單峰右偏型整體以高孔隙度、中低滲透率儲(chǔ)層為主,T2譜幾何均值增大,核磁共振T2譜主峰向右偏移,束縛水飽和度降低,指示發(fā)育連通性好的中大孔隙,結(jié)合鑄體薄片資料,明確巖石中發(fā)育有孔蟲等生物體腔孔隙(見圖2)。生物體腔孔隙一般小于0.2 mm,多數(shù)個(gè)體細(xì)小,呈破碎狀,為微米級(jí)孔隙,該類孔隙是研究區(qū)有利儲(chǔ)集空間類型,單峰右偏型也是X油田孔隙型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層典型核磁共振譜特征。

2.2 雙峰型T2譜特征

13塊分析樣品中4塊樣品的核磁共振T2譜為雙峰特征,左峰幅度大,核磁共振橫向弛豫時(shí)間主要集中在6.0～19.5 ms;右峰幅度小,核磁共振橫向弛豫時(shí)間在234～562 ms。×325-1號(hào)巖樣右峰相對(duì)其他樣品T2譜右峰幅度高,通過分析×295-1井巖樣薄片,發(fā)現(xiàn)巖樣不發(fā)育微裂縫,晶間微孔占總孔隙86.4%,生物體腔孔占比13.6%,生物體腔孔相比其他巖樣較發(fā)育,該巖樣儲(chǔ)層類型為孔隙型儲(chǔ)層;另外3個(gè)樣品的右峰幅度很低,通過薄片分析為晶間孔、微裂縫與少量生物體腔孔發(fā)育的裂縫-孔隙型儲(chǔ)層(見圖3)。

表1 13塊碳酸鹽巖巖樣核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 單峰左偏型核磁共振T2譜特征與掃描電鏡圖

圖2 單峰右偏型核磁共振T2譜特征與鑄體薄片圖

左峰占優(yōu)的雙峰型儲(chǔ)層的孔隙度平均值為23.5%,滲透率平均值為6.81×10-3μm2。核磁共振T2譜幾何均值平均為12.1 ms,束縛水飽和度平均值為65.2%。該類儲(chǔ)層核磁共振T2譜左鋒幅度大,指示儲(chǔ)層小孔隙比較發(fā)育,對(duì)應(yīng)核磁共振T2譜右側(cè)小峰指示儲(chǔ)層少量發(fā)育中大孔隙或裂縫。綜合分析巖心實(shí)驗(yàn)資料,晶間微孔在該類儲(chǔ)層孔隙空間平均占比為94.3%;中大孔隙或微裂縫平均占比為5.7%,雙峰型儲(chǔ)層中大孔隙或微裂縫相對(duì)發(fā)育,儲(chǔ)層滲透性較好,是研究區(qū)好儲(chǔ)層的T2譜特征。

2.3 核磁共振物性分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)量氦氣孔隙度分布在13%～36.8%,平均值為24.4%,核磁共振孔隙度分布在13.2%～36.4%,平均值為24.1%(見表1)。由圖4(a)可以看出,巖樣核磁共振孔隙度精度很高,測(cè)得核磁共振孔隙度與常規(guī)氦氣孔隙度較為一致,絕大多數(shù)巖樣核磁共振孔隙度與常規(guī)孔隙度的誤差小于1%,氦氣孔隙度略大于核磁共振孔隙度,導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是部分泥質(zhì)束縛孔隙及晶間微孔隙的半徑細(xì)小,核磁共振信號(hào)衰減太快,該類孔隙對(duì)應(yīng)短弛豫組分未被完整檢測(cè)到。

圖3 左峰占優(yōu)雙峰型核磁共振T2譜特征與鑄體薄片圖

圖4 核磁共振孔隙度、T2幾何均值與氦氣孔隙度滲透率關(guān)系圖

圖5 不同離心力下核磁共振T2譜、飽和度交會(huì)圖

滲透性是決定儲(chǔ)層品質(zhì)與產(chǎn)能的重要參數(shù),由達(dá)西定律知,在壓差一定條件下,儲(chǔ)層滲透性與流體通過截面積大小存在正相關(guān)性,假設(shè)儲(chǔ)層孔隙為管球模型,孔喉半徑是控制儲(chǔ)層滲透性關(guān)鍵參數(shù)。前人研究成果表明,核磁共振T2譜的算術(shù)平均值、幾何平均值與儲(chǔ)層的孔喉半徑具有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系[15-17]。根據(jù)研究區(qū)T2譜型分類結(jié)果,分類作T2幾何均值與滲透率關(guān)系圖(見圖4)。結(jié)果表明,T2幾何均值與儲(chǔ)層滲透率呈正相關(guān),隨著T2幾何均值增大,儲(chǔ)層滲透率增大。單峰型、雙峰型儲(chǔ)層T2幾何均值與滲透率的斜率存在差異,其中雙峰型儲(chǔ)層存在異常點(diǎn)×295-1巖樣。由前面分析可知,該巖樣為孔隙型儲(chǔ)層,故其與單峰孔隙型儲(chǔ)層的T2幾何均值與滲透率變化關(guān)系一致。

3 核磁共振T2截止值確定

核磁共振T2截止值是確定可動(dòng)流體、束縛流體和計(jì)算滲透率的重要參數(shù),常規(guī)海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層的T2截止值為86 ms,X油田核磁共振T2譜相對(duì)左移,應(yīng)用T2截止值理論值對(duì)研究區(qū)進(jìn)行儲(chǔ)層劃分時(shí)常導(dǎo)致儲(chǔ)層漏失的情況,因此,有必要開展核磁共振離心實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確求取T2截止值。

3.1 離心法測(cè)定T2截止值

核磁共振測(cè)井巖樣分析時(shí)標(biāo)定儲(chǔ)層T2截止值最常用的是離心法,具體做法:對(duì)離心前后的T2譜分別作累積線,從離心后的T2譜累積線最大值處作X軸平行線,與離心前的T2譜累積線相交,由交點(diǎn)引垂線到X軸,其對(duì)應(yīng)的值為T2截止值。該方法準(zhǔn)確可靠,但離心力的準(zhǔn)確選取比較關(guān)鍵,既要保證基本離心出樣品中的可動(dòng)流體,又不致使樣品的孔隙結(jié)構(gòu)因離心力太大而被破壞。

根據(jù)巖樣核磁共振參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量規(guī)范(SY/T 6490—2007):干樣密度小于2.6 g/cm3的巖樣,使用50 psi脫水壓力;干樣密度在2.6～2.65 g/cm3的巖樣,使用100 psi的脫水壓力;干樣密度大于2.65 g/cm3的巖樣,使用150 psi的脫水壓力。

統(tǒng)計(jì)687塊干巖心的平均密度2.21 g/cm3,但X油田儲(chǔ)層巖心具有基質(zhì)高孔隙度、低滲透率的特征,對(duì)于基質(zhì)低滲-特低滲儲(chǔ)層,采用50 psi離心力太小,可動(dòng)流體沒有完全離心出去,離心效果差,與實(shí)際情況不符。實(shí)驗(yàn)選取13塊巖樣開展了不同離心力下的T2截止值研究,當(dāng)離心力為250 psi時(shí),T2信號(hào)衰減曲線、離心譜、累積曲線譜趨于一致,確定了250 psi應(yīng)為標(biāo)定研究區(qū)儲(chǔ)層巖樣T2截止值的合適離心力,離心譜與飽和譜結(jié)合進(jìn)行T2截止值標(biāo)定,得出研究區(qū)T2截止值分布范圍為11.52～34.41 ms,平均值為19.15 ms,與常規(guī)碳酸鹽巖T2截止值理論值86 ms相比,該區(qū)儲(chǔ)層巖心T2截止值明顯變小。

3.2 T2截止值影響因素分析

3.2.1 礦物成分

通過200塊X-衍射全巖及薄片分析,研究區(qū)礦物以泥晶方解石為主,泥晶方解石含量平均為88.9%;其次是黏土和泥晶白云石,黏土含量平均為7.2%,泥晶白云石含量平均為2.3%,其他陸源碎屑含量少。分析泥晶方解石、泥質(zhì)含量與核磁共振T2截止值的關(guān)系,泥質(zhì)無明顯相關(guān)性。泥晶方解石含量與T2截止值存在一定負(fù)相關(guān)性,隨泥晶方解石含量增高,T2截止值呈降低趨勢(shì)。泥晶方解石晶間微孔隙發(fā)育,其含量越高,晶間孔隙占比越高,T2幾何均值越小,在離心情況下測(cè)得T2截止值越小。

3.2.2 離心力大小

T2截止值大小受離心力的影響,離心力越大,對(duì)應(yīng)核磁共振T2截止值越小[見圖5(a)]。由圖5(b)可以看出,隨著離心力增大,巖心含水飽和度逐漸降低,當(dāng)離心力為250 psi時(shí),巖樣的飽和度、核磁共振離心譜及累積譜趨于穩(wěn)定,確定研究區(qū)最佳離心力為250 psi,該離心力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量規(guī)范的50 psi。

3.2.3 孔隙結(jié)構(gòu)

由核磁共振測(cè)量原理,不同大小的單一孔隙其核磁共振自旋回波串的衰減時(shí)間不同,小孔隙的核磁共振自旋回波串衰減時(shí)間短,對(duì)應(yīng)的T2弛豫時(shí)間短,T2幾何均值小;隨著孔隙半徑的增大,衰減時(shí)間變長,T2弛豫時(shí)間變長,T2幾何均值變大。T2幾何均值是反映儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù),X油田儲(chǔ)層的T2截止值與T2幾何均值呈正相關(guān)關(guān)系(見圖6),孔隙半徑小,T2幾何均值小,對(duì)應(yīng)的T2截止值變小,研究區(qū)晶間微孔為主的孔隙結(jié)構(gòu)是研究區(qū)低T2截止值的重要成因。

圖6 巖心核磁共振T2幾何均值與T2截止值關(guān)系圖

4 洗油前后物性與核磁共振T2譜對(duì)比

由前面分析可知,研究區(qū)有利的儲(chǔ)層核磁共振T2譜特征主要為2類:單峰右偏型和雙峰型。選取X油田3口井36塊巖心開展洗油前后常規(guī)物性與核磁共振實(shí)驗(yàn)對(duì)比工作,進(jìn)一步對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層核磁共振特征進(jìn)行驗(yàn)證(見圖7)。

圖7 洗油前后物性與核磁共振T2譜變化對(duì)比圖*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),以泥晶灰?guī)r為主的單峰左偏型儲(chǔ)層,晶間微孔發(fā)育,孔隙度較高,但孔喉細(xì)小,基質(zhì)滲透性差,孔隙流體以束縛水為主,可動(dòng)流體孔隙度小。該類樣品巖心基本不含油,洗油前后T2譜型、孔隙度參數(shù)基本不變,為研究區(qū)的差儲(chǔ)層(13號(hào)樣)。左鋒占優(yōu)的雙峰型儲(chǔ)層,生物體腔孔或微裂縫發(fā)育,中大孔隙占比增大,儲(chǔ)層滲透性好,樣品含油性好,生物體腔孔或微裂縫等中含有部分殘余油。洗油后孔隙度、滲透率增大,T2譜型可動(dòng)孔隙增加(29號(hào)樣)。通過對(duì)比分析可以得出,單峰右偏型和雙峰型儲(chǔ)層生物體腔孔或微裂縫發(fā)育,是X油田的有利儲(chǔ)層。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)高孔隙度低滲透率碳酸鹽巖儲(chǔ)層核磁共振T2譜特征劃分為單峰左偏、單峰右偏和左峰占優(yōu)的雙峰型3種類型。其中單峰左偏特征儲(chǔ)層主要發(fā)育納米級(jí)晶間微孔,單峰右偏型和雙峰型儲(chǔ)層生物體腔孔或微裂縫相對(duì)較發(fā)育。

(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)量核磁共振孔隙度與常規(guī)孔隙度較為一致,核磁共振T2幾何均值與儲(chǔ)層滲透率呈正相關(guān)。

(3)確定了250 psi為標(biāo)定X油田高孔隙度低滲透率碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖樣T2截止值的合適離心力,通過標(biāo)定得到該區(qū)巖樣T2截止值為19.15 ms,遠(yuǎn)小于常規(guī)碳酸鹽巖儲(chǔ)層理論值86 ms。

(4)生物體腔孔或微裂縫較發(fā)育的單峰右偏型和左鋒占優(yōu)的雙峰型儲(chǔ)層,洗油后T2譜型可動(dòng)孔隙增加,是X油田有利的儲(chǔ)層。