順磁性物質(zhì)含量對(duì)火山巖核磁孔隙度的影響及校正
——以準(zhǔn)噶爾盆地中拐凸起石炭系火山巖為例

高衍武，趙延靜，吳偉，張文靜，藺敬旗，安銀銀

1.中國石油集團(tuán)測井有限公司地質(zhì)研究院，陜西 西安 710000 2.中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710000 3.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710000 4.中國石油測井有限公司新疆分公司，新疆 克拉瑪依 834000

中國的松遼、準(zhǔn)噶爾、四川等盆地廣泛發(fā)育火山巖儲(chǔ)層，是近年來非常規(guī)油氣勘探的熱點(diǎn)[1,2]?；鹕綆r儲(chǔ)層多具低孔低滲特征，核磁共振測井在該類型儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間尤其是物性評(píng)價(jià)中發(fā)揮著重要作用[3-6]。一般認(rèn)為，核磁共振測井不受巖性、泥餅的影響，由核磁共振測井獲得的核磁孔隙度被較多地應(yīng)用到火山巖儲(chǔ)層測井解釋評(píng)價(jià)中[7]。但相較于碎屑巖儲(chǔ)層，火山巖儲(chǔ)層巖石中普遍含有更多的特殊礦物，如順磁性物質(zhì)(Fe、Cr、Ni等)，會(huì)導(dǎo)致測量信號(hào)的衰減時(shí)間變得相當(dāng)短，短到低于核磁共振測井儀測量下限值，使得測量的核磁孔隙度迅速減小[8,9]。因此，當(dāng)巖石中含有一定量的順磁性物質(zhì)時(shí)，核磁共振測井在火山巖中的應(yīng)用受到限制，應(yīng)考慮順磁性物質(zhì)含量對(duì)核磁共振測井的影響，并對(duì)核磁孔隙度給予校正。

司馬立強(qiáng)等[10]分析認(rèn)為，核磁共振測井會(huì)受到火成巖巖性的嚴(yán)重影響，在火成巖中的應(yīng)用具有一定的局限性，尤其是在中基性火成巖地層中。史飛洲等[11]從鐵磁礦物含量、石英含量和泥質(zhì)含量3方面對(duì)核磁共振的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)核磁共振測井在酸性火成巖中的應(yīng)用效果優(yōu)于中基性火成巖。楊正明等[12]研究發(fā)現(xiàn)，巖石中順磁性物質(zhì)含量越高，巖石磁化率越高，核磁孔隙度與常規(guī)分析孔隙度的偏差越大。謝然紅等[13]對(duì)7塊不同F(xiàn)e3O4含量的人造石英砂巖進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)核磁孔隙度與氣測孔隙度的誤差隨著巖樣中Fe3O4含量的增加而增大，當(dāng)Fe3O4的含量達(dá)到6%時(shí)，測得的核磁孔隙度基本為零。屈樂等[14]試驗(yàn)分析表明，不同巖性的火成巖，核磁孔隙度誤差不同，當(dāng)順磁性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過6% 時(shí)，核磁孔隙度基本為零。已有研究表明，常規(guī)石英砂巖、火山巖巖石中，只要含有順磁性礦物，均會(huì)對(duì)核磁孔隙度產(chǎn)生影響，影響程度與特殊礦物含量有關(guān)；且認(rèn)為當(dāng)順磁性物質(zhì)超過某一含量上限時(shí)，核磁孔隙度為零，但對(duì)引起孔隙度變化的順磁性物質(zhì)含量下限缺少分析。李曉峰等[15]建立了順磁物質(zhì)Fe含量與火山巖核磁孔隙度的關(guān)系，提高了松遼盆地深層中基性火山巖孔隙度的計(jì)算精度，但沒有對(duì)除Fe以外的其他特殊礦物含量的影響做討論。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以準(zhǔn)噶爾盆地中拐凸起石炭系火山巖為研究對(duì)象，利用ECS(地層元素)測井資料和實(shí)驗(yàn)室不同巖性的火山巖核磁孔隙度與常規(guī)孔隙度的測量結(jié)果，分析了Fe、Al、Ca、Ti等多種順磁性物質(zhì)對(duì)核磁孔隙度的影響，建立了順磁性物質(zhì)含量與核磁孔隙度的校正公式，確定了核磁孔隙度校正的Fe含量下限，提高了研究區(qū)核磁孔隙度的解釋精度。

1 火山巖核磁共振試驗(yàn)分析

1.1 核磁試驗(yàn)影響因素分析

準(zhǔn)噶爾盆地中拐凸起石炭系火山巖儲(chǔ)層巖性主要為玄武安山巖、英安巖和火山角礫巖，其中玄武安山巖為中基性火山巖，英安巖和火山角礫巖為酸性火山巖。試驗(yàn)選取了區(qū)塊內(nèi)JL井區(qū)6口井38塊樣品開展混合巖性核磁信號(hào)隨機(jī)測量。為獲得每種巖性更多的核磁信號(hào)，首先開展每個(gè)核磁測量參數(shù)(包括變等待時(shí)間Tw,c、變回波數(shù)量Ne,c、變掃描數(shù)量Ns,c和變回波間隔時(shí)間Te,c)對(duì)其核磁信號(hào)的影響分析，如圖1所示。

圖1 核磁共振τ2譜分布圖Fig. 1 NMR τ2 spectrum distribution

核磁試驗(yàn)測量巖樣孔隙度的基本原理是通過探測孔隙流體的弛豫時(shí)間來刻度孔隙度。由圖1所示核磁試驗(yàn)結(jié)果可知，不同巖性測量樣品Tw,c、Ne,c和Ns,c的改變對(duì)核磁信號(hào)的影響較小，可以忽略不計(jì)。但是，考慮到巖心取樣位置均為孔洞、裂縫不發(fā)育段，而火山巖儲(chǔ)層通常次生孔隙較發(fā)育，對(duì)于含有較大氣孔、溶洞和裂縫的火山巖儲(chǔ)層，在較小的等待時(shí)間下(試驗(yàn)中設(shè)置等待時(shí)間Tw=6s)，儲(chǔ)層孔隙中仍然會(huì)有少量流體氫核不能完全極化，可能導(dǎo)致所測得的核磁孔隙度偏小。為了獲得較大孔隙中的流體信號(hào)，對(duì)于孔洞較為發(fā)育的儲(chǔ)層，將回波數(shù)量Ne設(shè)置為4096個(gè)。另外，火山巖儲(chǔ)層由于巖性致密，且可能含有順磁性和Fe磁性物質(zhì)，導(dǎo)致信噪比太低，為了克服信噪比較低的問題，試驗(yàn)中將掃描數(shù)量設(shè)置為128次。

由圖1可知，變回波間隔時(shí)間Te,c對(duì)核磁信號(hào)的影響較大，隨著Te,c的增大，可動(dòng)峰位置向短τ2方向移動(dòng)且峰值幅度逐漸減小。分析其原因主要有以下2點(diǎn)：①較大的回波間隔時(shí)間(Te)會(huì)導(dǎo)致儀器無法檢測到巖心中橫向弛豫時(shí)間(τ2)很小的氫核信號(hào)。因?yàn)樾】紫吨械乃哂泻芏痰摩?，如果Te設(shè)置過長，則會(huì)在儀器未完全反應(yīng)之前，這些小孔隙中的流體信號(hào)已經(jīng)弛豫結(jié)束，無法檢測到它們的弛豫信號(hào)，對(duì)巖性比較致密的低滲火山巖儲(chǔ)層影響較大。②火山巖中的順磁性物質(zhì)所產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場會(huì)抵消一部分外磁場強(qiáng)度，使得τ2縮短，導(dǎo)致一些組分無法被探測到，表現(xiàn)為核磁孔隙度偏小。由于Te對(duì)核磁信號(hào)的影響較大，為了和MRIL-P型核磁共振測井儀回波間隔時(shí)間(0.6ms)一致，該次試驗(yàn)中Te取0.6ms。

1.2 孔隙度誤差分析

首先對(duì)38塊樣品進(jìn)行加壓飽和，因有2塊巖樣破碎，實(shí)測為36塊。為了接近地層水礦化度，飽和溶液采用12000mg/L的CaCl2溶液，然后對(duì)飽和樣品按照上述測量參數(shù)進(jìn)行核磁共振測量，巖心分析孔隙度與核磁孔隙度測量結(jié)果交會(huì)圖如圖2所示。由圖2可以看出，英安巖與火山角礫巖的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度相當(dāng)，玄武安山巖的核磁孔隙度明顯小于巖心分析孔隙度。圖2中16塊玄武安山巖巖心分析孔隙度在2%～9%之間，核磁孔隙度比巖心分析孔隙度偏小0.31%～6.56%，平均絕對(duì)誤差達(dá)51%，中基性火山巖的核磁孔隙度資料失去利用價(jià)值。

圖2 3種巖性巖心分析孔隙度與核磁孔隙度交會(huì)圖Fig. 2 Cross plot of core analysis porosity and NMR porosity of three lithologies

對(duì)38個(gè)取樣點(diǎn)處ECS測井得到的Fe含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見圖3)，結(jié)果顯示，玄武安山巖的Fe含量在0.054%～0.073%之間，平均為0.064%；火山角礫巖的Fe含量在0.035%～0.063%之間，平均為0.053%；英安巖的Fe含量在0.024%～0.043%之間，平均為0.034%。

圖3 3種巖性的ECS測井Fe含量直方圖 Fig. 3 Histogram of Fe content in ECS logging of three lithologies

由圖3可見，火山巖儲(chǔ)層巖石中Fe含量數(shù)量級(jí)較小。相對(duì)而言，分析樣品中玄武安山巖Fe含量最高，火山角礫巖次之，英安巖最低。前文討論過，在盡可能消除核磁試驗(yàn)參數(shù)對(duì)測量數(shù)據(jù)影響的前提下，巖石中Fe含量是造成核磁孔隙度誤差的主要原因。這是因?yàn)镕e為強(qiáng)順磁性物質(zhì)，F(xiàn)e的磁化率是其他弱磁性礦物的數(shù)百倍至數(shù)萬倍，因此核磁共振測井參數(shù)的主要影響因素是Fe含量，其他弱順磁性礦物起次要作用，對(duì)提高孔隙度校正精度有幫助。根據(jù)圖2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖3的ECS測井統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，F(xiàn)e含量平均為0.053%的火山角礫巖和0.034%的英安巖核磁孔隙度不需要校正，而Fe含量平均為0.064%的玄武安山巖核磁孔隙度卻誤差明顯，盡管3種巖性Fe含量差別不大，但存在一個(gè)引起核磁孔隙度誤差的Fe含量下限，研究區(qū)核磁孔隙度校正Fe含量的下限應(yīng)在0.053%～0.064%之間。

2 火山巖核磁孔隙度校正方法

2.1 Fe含量下限確定

研究發(fā)現(xiàn)，玄武安山巖的巖心分析孔隙度與核磁孔隙度之間的差值與巖石中Fe含量之間有較好的線性關(guān)系，如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)巖石中Fe含量為0.057%時(shí)，巖心分析孔隙度與核磁孔隙度差值為零。說明當(dāng)Fe含量小于0.057%時(shí)，巖心分析孔隙度與核磁孔隙度之間沒有差值，F(xiàn)e含量沒有引起核磁孔隙度誤差，不需要對(duì)核磁孔隙度進(jìn)行校正。因此確定研究區(qū)孔隙度校正的Fe含量下限為0.057%。

圖4 巖心分析孔隙度與核磁孔隙度差值-Fe含量交會(huì)圖 Fig. 4 Cross plot of difference between core analysis porosity and NMR porosity and Fe content

當(dāng)Fe含量大于0.057%時(shí)，采用下列公式進(jìn)行校正：

φ′=φt+402.4400×wFe

-22.9960

(1)

式中：φ′為Fe含量校正后的核磁孔隙度，%；φt為核磁孔隙度，%；wFe為ECS測井得到的巖石中Fe含量，%。

經(jīng)Fe含量校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度的相關(guān)系數(shù)R2=0.8152，如圖5所示。

圖5 巖心分析孔隙度與Fe含量校正后核磁孔隙度交會(huì)圖 Fig. 5 Cross plot of core analysis porosity and NMR porosity after Fe content correction

2.2 多礦物核磁孔隙度校正公式建立

ECS測井獲得的巖石骨架中，除有強(qiáng)順磁性礦物Fe外，還有Si、Ca、Na、K、Al、Ti等順磁性礦物(磁化率為正值)，上述礦物的磁化率遠(yuǎn)小于Fe，但只要有順磁性物質(zhì)的存在，都會(huì)影響核磁共振測井。研究區(qū)火山巖儲(chǔ)層巖石中Al、Ca、 Ti含量相對(duì)較高，僅次于Fe，為分析多順磁性礦物微弱的磁化率對(duì)核磁共振測井的影響，利用多元回歸方法，建立了巖心分析孔隙度與核磁孔隙度孔隙度差值與Fe、Al、Ca、Ti含量的關(guān)系，得到多礦物核磁孔隙度校正公式：

φ″=φb+349.196×wFe-16.625

×wAl-15.323×wCa

+415.661×wTi-19.819

(2)

式中：φ″為多礦物校正后的核磁孔隙度，%；φb為巖心分析孔隙度與核磁孔隙度差值，%；wAl、wCa、wTi分別為ECS測井得到的巖石中Al、Ca、Ti含量，%。

通過式(2)多礦物核磁孔隙度校正，校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度的相關(guān)系數(shù)R2從0.8152提高到了0.9356(見圖6)，平均絕對(duì)誤差從0.77%降到了0.42%，核磁孔隙度的解釋精度明顯提高。

圖6 巖心分析孔隙度與多礦物校正后核磁孔隙度交會(huì)圖Fig. 6 Cross plot of core analysis porosity and NMR porosity after multi-mineral correction

3 應(yīng)用效果

應(yīng)用上述校正方法對(duì)中拐凸起JL103井開展效果檢驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。該井目的層巖性為深灰色玄武安山巖，在3165.88～3171.40m處鉆井取心獲得9個(gè)巖心分析孔隙度數(shù)據(jù)，在3150～3190m處井壁取心獲得7個(gè)巖心分析孔隙度數(shù)據(jù)。由圖7可知，校正前核磁孔隙度數(shù)值偏小，經(jīng)多礦物校正后，核磁孔隙度曲線與校正前曲線形態(tài)發(fā)生較大改變，校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度一致性較好，校正結(jié)果驗(yàn)證了多礦物核磁孔隙度校正的必要性和可信度。

圖7 JL103井核磁孔隙度校正成果圖Fig.7 NMR porosity correction results of well JL103

巖心分析孔隙度與校正后核磁孔隙度的數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)如表1所示。校正前核磁孔隙度分布在0.858%～3.601%之間，與巖心分析孔隙度絕對(duì)誤差為1.324%，校正后核磁孔隙度分布在0.875%～7.027%之間，與巖心分析孔隙度絕對(duì)誤差為0.233%。核磁孔隙度平均提高1.207%。校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度符合度較高，多礦物核磁孔隙度校正方法大幅提高了核磁孔隙度的解釋精度，應(yīng)用效果較好。

表1 校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度對(duì)比表

4 結(jié)論

1)研究區(qū)英安巖和火山角礫巖不需要做核磁孔隙度校正，玄武安山巖核磁孔隙度低于巖心分析孔隙度，需要校正。

2)研究區(qū)玄武安山巖核磁孔隙度校正的Fe含量下限為0.057%，當(dāng)ECS測井得到的Fe含量小于0.057%時(shí)，不需要做核磁孔隙度校正；當(dāng)Fe含量大于0.057%時(shí)，則需要做核磁孔隙度校正。

3)針對(duì)研究區(qū)玄武安山巖，采用順磁性物質(zhì)Fe、Al、Ca、Ti建立的多礦物核磁孔隙度校正公式，大幅提高了核磁孔隙度的解釋精度，應(yīng)用效果較好。