低滲透儲層核磁共振實驗與測井應用

范卓穎, 侯加根, 邢東輝, 葛新民, 張鳳生

(1.中國石油大學(北京)地球科學學院,北京 102249; 2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 3.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島 266580; 4.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室,山東青島 266071; 5.中國石油測井應用研究院,陜西西安 710077)

近年來,隨著油氣田勘探開發(fā)程度的日益深入,低滲透儲層的勘探開發(fā)引起人們的高度重視,這類非常規(guī)油氣資源所占油氣儲量的比重也越來越大,開展低滲透儲層巖石實驗特征分析及測井評價研究具有重大意義[1-4]。在眾多測井方法中,核磁共振測井因其能提供地層孔隙度、滲透率、自由流體和束縛流體體積等與儲層物性及產能有關的地質參數而得到廣泛應用,在物性參數計算、薄層評價和復雜油藏流體識別等方面顯示出了其獨特的優(yōu)勢,為解決油田勘探開發(fā)中各種復雜地質問題提供了新方法,成為必不可少的重要測井手段[5-8]。在低滲透儲層中,由于物性及孔隙連通性差,束縛流體飽和度高,核磁共振測井面臨信噪比低、有效信號量少等難題。使得測量結果受采集參數及流體性質的影響嚴重,常規(guī)的處理方法難以準確得到儲層孔隙度、滲透率、束縛水飽和度等參數,流體識別也更加困難[9-13]。開展低滲透儲層巖石核磁共振特性實驗分析及測井評價方法研究,對中國低滲透油田資源評價及開發(fā)具有重要的意義。筆者以中國西部某盆地低滲透儲層為研究對象,開展巖心核磁共振實驗[7, 14-15],分析弛豫信號變化特征,明確核磁共振影響因素,通過實驗數據分析建立一套針對研究區(qū)域的儲層物性參數計算模型,并將其應用于核磁共振測井數據處理中,以期提高核磁共振測井在低滲透儲層中的應用效果。

1 實驗內容及方法

使用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產的NM-II型儀器(主頻約為2 MHz)開展了不同回波間隔(TE)、等待時間(TW)和回波個數(NE)的巖心核磁共振實驗及配套巖石物理實驗,主要包括:①常規(guī)物性參數測量;②完全含水狀態(tài)巖心核磁共振測量;③離心至束縛水狀態(tài)巖心核磁共振測量;④油驅至束縛水狀態(tài)巖心核磁共振測量。

共選取巖心31塊,其孔滲分布如圖1所示,除個別巖心用于比對外,所選巖心均屬于低滲透巖心。實驗采用的流體為NaCl溶液(質量濃度為80 000 mg/L)和煤油(密度為0.793 g/cm3,黏度為2.01 mPa·s),實驗溫度為25 ℃。核磁共振數據采用儀器自帶軟件進行反演。

圖1 實驗巖心物性分布Fig.1 Porosity and permeability histograms of experimental cores

2 實驗結果分析

2.1 回波串及橫向馳豫時間T2譜特征

核磁共振測井采集的原始信號為回波串,通過反演得到T2分布,回波串中蘊含了豐富的信息,其衰減特征和數據質量直接影響著T2分布和核磁共振測井的解釋與處理。對比普通巖心與低滲透巖心的核磁共振回波信號和其在離心前后的核磁共振T2譜可知,低滲透巖心核磁共振的回波串信噪比較低,信號幅度小且很快衰減為噪聲信號,T2分布位置相對靠前,主要集中在10 ms內,以單峰分布為主,短弛豫組分所占比重大,可動峰較小或基本消失,具有較高的束縛水飽和度,且離心前后T2譜變化幅度相對較小(圖2)。

圖2 普通巖心與低滲透巖心的核磁共振信號對比Fig.2 Comparison of NMR signals between conventional and low permeability cores

2.2 核磁共振影響因素

2.2.1 回波間隔的影響

煤油驅替完全含水巖心前后,隨著回波間隔增大,核磁共振信號強度減小,T2譜包絡面積減小,T2譜起點和譜峰逐漸向后移動,部分短弛豫組分信息丟失(圖3,Tw=6 s)。完全含水巖心的長弛豫組分受回波間隔影響較小,T2譜向前移動不明顯(圖3(a))。當煤油驅至束縛水狀態(tài)時長弛豫組分的T2譜也明顯前移(圖3(b)),主要由于實驗所用輕質煤油具有較高的擴散系數,測量結果受回波間隔的影響比鹽水大。當短回波間隔小于1.2 ms,長回波間隔大于2.4 ms時,兩者測量的含油巖石T2譜有一定偏移,說明采用移譜法識別低滲透儲層的流體性質能取得一定效果。

圖3 A1-A17號樣不同回波間隔下的T2譜Fig.3 T2spectrums of A1-A17 core under different echo spacings

2.2.2 等待時間的影響

在煤油驅替完全含水巖心前后分別記錄不同等待時間下測得的T2譜(圖4)。由于水的極化時間較短,完全含水巖石的等待時間在1 s以上時,孔隙中的水已經基本極化完畢,隨著等待時間的增加,T2譜基本不變。當巖心被油驅替至束縛水狀態(tài)后,由于煤油所需的極化時間較長,短等待時間內只有少量油和束縛水被極化。隨著等待時間增加,孔隙中的油被極化比例增大,T2譜中長弛豫組分增大。當等待時間大于6 s時,孔隙中的油也基本極化完全,此時隨著等待時間增加,T2譜基本不變。實驗表明,對于低滲透巖心,可分別采用1和6 s作為雙等待時間開展差譜測量,突出油氣信號的差異,為流體識別提供可能。

2.3 儲層參數校正方法

回波間隔對核磁共振T2譜的幅度和分布均有較大影響,這是核磁共振測井中很難避免的問題。國際三大測井公司生產的核磁共振測井儀器,目前僅有少數儀器如CMR型儀器能達到0.2 ms的回波間隔,針對中國銷售和服務的主流儀器MRIL-P型儀器,其最短回波間隔為0.6 ms,若不對測量結果進行有效校正,將影響解釋精度。本次研究采用譜面積法將核磁共振測量結果轉換成巖石孔隙度,并選用兩塊孔徑分布均勻、物性較好、性質穩(wěn)定的貝雷砂巖作比對,建立所有樣品在不同測量條件下的核磁共振孔隙度與液測法孔隙度關系圖(圖5,Tw=0.2 ms)。當回波間隔小于0.3 ms時,核磁共振孔隙度和液測孔隙度一致性好,基本能反應巖石的真實孔隙度。隨著回波間隔增大,核磁共振孔隙度逐漸偏小,且不同粒徑巖石對回波間隔的敏感程度不同。貝雷砂巖的核磁共振響應受回波間隔影響小,核磁共振孔隙度與液測孔隙度高度一致;礫巖的核磁共振響應受回波間隔的影響也較小;不等粒砂巖、細砂巖的核磁共振響應受回波間隔影響較大,隨著回波間隔增大,短弛豫組分的信息漏失嚴重,使得核磁共振孔隙度偏小。

圖4 A1-A17號樣不同等待時間下的T2譜Fig.4 T2 spectrums of A1-A17 core under different waiting times

圖5 不同回波間隔下巖心核磁共振孔隙度與液測孔隙度的關系Fig.5 Comparison between fluid saturated porosity and NMR porosity under different echo spacings

為降低回波間隔對核磁共振孔隙度的影響,將回波間隔為0.2 ms的測量孔隙度作為標準,根據不同回波間隔下的巖心核磁共振實驗結果,分巖性對回波間隔影響進行統(tǒng)計,得到相應的校正系數。對比0.9和1.2 ms時的校正效果可知,校正后的核磁共振孔隙度和液測孔隙度基本一致(圖6)。核磁共振孔隙度校正公式可寫為

φc=XφTE.

(1)

式中,φc為校正后核磁孔隙度;φTE為校正前核磁孔隙度;X為校正系數,如表1所示。

圖6 校正后巖心核磁共振孔隙度與液測孔隙度對比Fig.6 Comparison between corrected NMR porosity and fluid saturated porosity

巖性回波間隔/ms 0.30.60.91.2 礫巖111.151.18 不等粒砂巖11.071.121.15 細砂巖1.081.411.732.13

滲透率計算是核磁共振測井的另一重要用途,目前核磁共振測井滲透率模型主要有SDR模型和Coates模型兩大類[16-18]。結合巖心分析滲透率,可擬合得到低滲透儲層核磁共振測井滲透率模型的參數,如表2所示。

為克服核磁共振反演的誤差傳遞對滲透率計算結果的影響,推導出一種利用回波幅度計算滲透率的模型。由于T2譜能夠較好地反映巖石的孔隙結構,測量的原始回波與滲透率也會有特定的對應關系。在回波幅度和與滲透率雙對數坐標交會圖(圖7(a))下,回波幅度和與滲透率有如下對應關系:

k=CAm.

(2)

其中

式中,C為滲透率轉化系數;A為核磁共振回波幅度和。通過擬合可得C=10-6.638 8,m=1.743 2。

與Coates模型相比,新模型可避開T2截止值和束縛流體體積的確定問題;與SDR模型相比,新模型無需對回波串進行復雜反演,減少了誤差傳遞,特別是在低滲透儲層信噪比較低的情況下,可以提高滲透率計算的準確性(圖7(b))。

2.4 應用實例

根據巖心實驗分析結果,將所建的儲層參數計算模型運用到實際井資料中,如圖8所示。圖8中第6道為核磁孔隙度與巖心分析孔隙度,可以看出核磁共振總孔隙度明顯小于巖心分析孔隙度,經回波間隔校正后,核磁共振孔隙度與分析孔隙度趨于一致。圖8中第3道為新模型計算的滲透率與巖心分析結果對比,從圖中可知,計算滲透率與巖心分析滲透率的一致性好。

圖7 基于回波幅度的滲透率模型及計算效果Fig.7 New model of NMR permeability and its performance

圖8 A1井處理成果Fig.8 Log interpretation results of well A1

3 結 論

(1)與常規(guī)巖心相比,低滲透巖心的核磁共振的回波串信噪比明顯較低,信號幅度較小且衰減速度較快。T2譜位置相對靠前,多以單峰分布為主,短弛豫組分所占比重大。巖心核磁共振T2譜、孔隙度受采樣參數、孔隙流體性質等因素的影響嚴重。

(2)孔隙以小孔徑為主時,增大回波間隔會漏失部分短弛豫組分的核磁信號,導致核磁共振孔隙度偏小,在低滲透儲層影響更嚴重。

(3)分巖性針對不同回波間隔條件下的核磁共振孔隙度進行校正,校正后的核磁共振孔隙度與巖心分析結果一致性強;基于回波幅度法建立的滲透率模型無需對回波串進行復雜反演,能夠減少誤差傳遞,提高滲透率計算精度。