基于核磁共振技術(shù)的古龍頁巖含油飽和度評(píng)價(jià)新方法

閆偉林 張兆謙 陳龍川 趙志偉 王文娟

（1.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；2.黑龍江省陸相頁巖油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163712）

0 引 言

全世界頁巖油氣資源儲(chǔ)量豐富，以北美為代表的頁巖油革命，深刻改變了全球的能源格局［1-6］。近年來，隨著古龍頁巖油的勘探獲得重大突破，加快推進(jìn)古龍頁巖油勘探開發(fā)具有十分重大的意義，頁巖油已成為大慶油田振興發(fā)展的戰(zhàn)略接替資源。松遼盆地作為世界陸相超大盆地，蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，其中的青山口組沉積時(shí)期所處的深湖—半深湖相沉積環(huán)境，沉積了厚度達(dá)320 m的巨厚暗色泥頁巖。古龍頁巖是松遼盆地青山口組有效源巖控制范圍內(nèi)富含有機(jī)質(zhì)的泥巖、頁巖或被其夾持呈互層狀的粉砂巖、灰?guī)r和白云巖的總稱［7-12］。古龍頁巖不僅黏土含量高，巖電關(guān)系復(fù)雜，而且紋層頁理發(fā)育、各向異性強(qiáng)，如何利用測井資料，精確評(píng)價(jià)頁巖油飽和度參數(shù)，認(rèn)識(shí)富集層段空間分布，評(píng)價(jià)資源潛力，是頁巖油取得重大突破的關(guān)鍵，也是對測井技術(shù)極限的挑戰(zhàn)［13］。對于傳統(tǒng)砂巖或致密型儲(chǔ)層，可以通過巖電實(shí)驗(yàn)獲得阿爾奇系數(shù)，然后利用阿爾奇公式或其他飽和度公式計(jì)算含油飽和度參數(shù)，這種飽和度評(píng)價(jià)技術(shù)十分成熟且廣泛應(yīng)用［14-17］。但古龍頁巖屬于源儲(chǔ)一體型油藏，儲(chǔ)集空間小，均為微納米孔隙且孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的巖電驅(qū)替實(shí)驗(yàn)無法完成；另外古龍頁巖有機(jī)質(zhì)含量高，電阻率曲線不能完全反映含油性的變化，因此亟待開展古龍頁巖油飽和度參數(shù)評(píng)價(jià)研究。

核磁共振技術(shù)是一種計(jì)算儲(chǔ)層孔隙度、表征孔隙結(jié)構(gòu)的重要研究手段，可以通過巖心離心前后的核磁測量得到可動(dòng)孔隙度的數(shù)值，但是在飽和度研究方面應(yīng)用較少。在吉木薩爾頁巖油儲(chǔ)層中，通過應(yīng)用巖樣的油驅(qū)水實(shí)驗(yàn)測量核磁共振結(jié)果，提出了頁巖油賦存的吸附水、吸附油和游離油3種類型，并提出大孔親油含油、小孔親水含水的潤濕性特征和原油賦存模式，利用核磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定截止值，計(jì)算游離油飽和度，應(yīng)用效果較好［18-20］。但是因?yàn)楣琵堩搸r具有黏土含量高的特點(diǎn)，離心實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行。本文針對上述問題，以古龍頁巖為研究對象，依據(jù)核磁共振技術(shù)直接測量儲(chǔ)層中氫原子的特點(diǎn)，以巖心一維核磁飽和度、二維核磁流體分析技術(shù)為基礎(chǔ)，通過采集最先進(jìn)的二維核磁掃描測井（斯倫貝謝公司的CMR-NG），應(yīng)用聚類分析技術(shù)，以巖心分析數(shù)據(jù)標(biāo)定核磁測井處理解釋結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了含油飽和度精確計(jì)算，首次通過測井定量表征了古龍頁巖可動(dòng)油含量，刻畫了單井富集層縱向分布特征。

1 古龍頁巖巖心含油飽和度分析技術(shù)

古龍頁巖油輕組分多，具有高揮發(fā)性、高氣油比的特點(diǎn)，巖心油水含量準(zhǔn)確測定較難。實(shí)驗(yàn)室通過現(xiàn)場熒光和微觀場發(fā)射電鏡技術(shù)，從宏觀到微觀認(rèn)識(shí)到古龍頁巖儲(chǔ)層內(nèi)各類儲(chǔ)集空間均含油，含油性好，含油孔徑最低為9 nm左右。目前，為了研究古龍頁巖儲(chǔ)層的飽和度參數(shù)，在新鉆井中獲取保壓密閉取心資料，然后現(xiàn)場測量巖心一維核磁和二維核磁；另外一部分樣品用液氮密封，在實(shí)驗(yàn)室中利用萃取法測量得到樣品的含油飽和度。

1.1 現(xiàn)場一維核磁共振含油飽和度分析技術(shù)

一維核磁飽和度分析技術(shù)是東北石油大學(xué)開發(fā)的一套現(xiàn)場快速飽和度檢測技術(shù)，儀器主頻是18 MHz，回波間隔為0.09 ms。因?yàn)閮x器在井場操作，可以有效解決頁巖油巖心流體逸失較快的問題，另外因?yàn)榛夭ㄩg隔短，能有效探測納米孔隙中的油氣信息?，F(xiàn)場一維核磁儀器測定方法，通過在鉆井現(xiàn)場及時(shí)取樣分析，測量原始來樣、塊狀自吸飽和地層水、冷凍粉碎飽和氯化錳水溶液3種狀態(tài)下巖樣的一維低場高頻核磁共振測量信號(hào)，獲得地面原始油、水總信號(hào)，地面飽和態(tài)油、水總信號(hào)以及油信號(hào)；將3次核磁共振測量信號(hào)相結(jié)合，利用本井或鄰井原油和地層水標(biāo)定測量結(jié)果，即可得到頁巖總孔隙度和地面總含油飽和度；進(jìn)一步通過地層飽和度恢復(fù)算法，計(jì)算得到地層條件下頁巖含油飽和度。8口井544個(gè)樣品的現(xiàn)場一維核磁含油飽和度分析數(shù)據(jù)表明，古龍頁巖一維核磁含油飽和度主要為40%～80%，平均含油飽和度為62%。

1.2 實(shí)驗(yàn)室含油飽和度分析技術(shù)

準(zhǔn)確的飽和度參數(shù)獲得需要巖心含水量、含油量和孔隙度的精確測定3個(gè)步驟。古龍頁巖實(shí)驗(yàn)室飽和度按照非常規(guī)儲(chǔ)層巖心“保鮮巖心儲(chǔ)運(yùn)、保濕樣品制備、垂向加壓切割、保型體積測量、流體加和測定、一體化巖心分析”的分析思路進(jìn)行測定。不同于美國高溫氣化物理的方法，古龍頁巖采用常溫化學(xué)萃取的方法進(jìn)行含水量測定，優(yōu)點(diǎn)是只萃取測定出對測井有響應(yīng)信號(hào)的束縛水（薄膜水和毛管滯水），不破壞黏土礦物的層間水、結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水。在測量含油量的時(shí)候，對巖心破碎進(jìn)行清洗除油，保證不連通的微納米孔隙中油都能被測定出。根據(jù)古龍頁巖成熟度較高的特征，采用低沸點(diǎn)非極性試劑清洗巖心，保證頁理面中局部存在的固體瀝青質(zhì)不溶解。通過上述方法對古龍頁巖保壓取心樣品測量，含油飽和度最小為34.8%，最大為67.9%，平均為54.4%，較現(xiàn)場一維核磁含油飽和度低。分析認(rèn)為古龍頁巖油具有高揮發(fā)性的特點(diǎn)，現(xiàn)場巖心一維核磁測量比實(shí)驗(yàn)室分析時(shí)效性更高；另外部分微小的納米孔中的油信息，由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)巖心破碎不充分，無法被全部測量到，因此現(xiàn)場巖心一維核磁含油飽和度更符合實(shí)際的地層情況，本文利用其標(biāo)定二維核磁測井的含油性參數(shù)。

1.3 二維核磁共振含油性分析技術(shù)

二維核磁共振評(píng)價(jià)技術(shù)在油氣識(shí)別和評(píng)價(jià)中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。核磁共振實(shí)驗(yàn)中弛豫是指磁化矢量M在射頻磁場作用下偏離穩(wěn)定平衡狀態(tài)之后，恢復(fù)到平衡態(tài)的過程。弛豫時(shí)間T1和T2分別被用來描述恢復(fù)過程中縱向弛豫和橫向弛豫速度的快慢。油和水的T1、T2核磁參數(shù)在儲(chǔ)層條件下存在差異是核磁共振識(shí)別流體的基礎(chǔ)。相比于一維核磁只依賴T2時(shí)間［21-22］，二維核磁［23-24］的一個(gè)優(yōu)勢是可以將T2時(shí)間內(nèi)重疊的流體信息區(qū)分開。古龍頁巖測量有巖樣二維核磁T1—T2譜，另外在一口重點(diǎn)取心井測量了全直徑二維核磁，這給古龍頁巖二維核磁研究奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

巖心二維核磁儀器頻率為6 MHz，回波間隔為0.15 ms。優(yōu)選21組T1—T2脈沖序列，對密閉取心樣品進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)研究表明，古龍頁巖有機(jī)孔和黏土晶間孔等小孔隙賦存油氣；通過二維核磁時(shí)間推移測量，也探測到了小孔中的油氣信號(hào)。圖1為古龍頁巖樣品氮?dú)饫鋮s，隨著樣品取出后不同時(shí)間的二維核磁T1—T2譜，3條直線分別表示T1與T2比值為1、3和10。從圖1中可以看出樣品從液氮取出后6 min，測量有2個(gè)獨(dú)立的油信號(hào)，隨著時(shí)間的推移2個(gè)油信號(hào)逐漸增強(qiáng)，油信號(hào)2為小孔隙中的流體信號(hào)，信號(hào)顯示T1與T2比值為3～10，但是隨著時(shí)間的持續(xù)推移，T1與T2比值小于3的信號(hào)在不斷的增強(qiáng)，可以解釋為黏土束縛水的信號(hào)，直到36 min后信號(hào)全部顯示穩(wěn)定且不隨時(shí)間再變化。從圖1（f）可以看出，微小孔隙中T1與T2比為1～10，流體信息為油、水混合信息，高T1與T2比為油信號(hào)，低T1與T2比為水信號(hào)，這一認(rèn)識(shí)可以有效指導(dǎo)下一步CMR-NG的處理解釋。

古龍頁巖有1口井測量了全直徑二維核磁，在不破壞巖心，不取柱塞樣品的條件下，在鉆井現(xiàn)場直接測量T1—T2信息。儀器頻率為6.8 MHz，回波間隔為0.4 ms，通過測量7組脈沖序列，得到二維核磁T1—T2譜。從全直徑二維核磁譜（圖2）可以看出，流體信號(hào)包括有機(jī)孔吸附油、黏土束縛水、毛管束縛油和可動(dòng)油，可以看出黏土束縛水的信號(hào)比較強(qiáng)，這與古龍頁巖黏土礦物含量高有關(guān)。雖然全直徑巖心核磁儀器和巖心核磁的儀器參數(shù)不一致，但是全直徑二維核磁測量的流體T1—T2譜和巖心核磁譜整體分布一致。

2 二維核磁測井含油飽和度評(píng)價(jià)技術(shù)

應(yīng)用10口井測量的二維核磁測井資料，依據(jù)二維核磁理論完成了二維核磁測井處理解釋。首次計(jì)算了古龍頁巖的可動(dòng)油飽和度，滿足了孔隙度、飽和度和不同束縛流體含量的精確表征，形成了古龍頁巖二維核磁測井處理解釋評(píng)價(jià)技術(shù)。

2.1 二維核磁測井優(yōu)勢

CMR-NG通過對CMR儀器硬件、電子線路以及脈沖序列進(jìn)行技術(shù)革新，在保留CMR儀器所有測量的基礎(chǔ)上，具有連續(xù)的T1、T2測量能力。CMR-NG采用T1、T2聯(lián)合反演的方法獲得T1、T2譜，相較于傳統(tǒng)的一維核磁固定T1與T2比值進(jìn)行T2譜反演，二維核磁可以得到更精確的T2譜信息。另外，CMR-NG顯著的優(yōu)勢在于，通過對T1、T2二維數(shù)據(jù)解析可以進(jìn)行復(fù)雜地層流體識(shí)別及流體含量的定量計(jì)算，為飽和度準(zhǔn)確求取奠定了基礎(chǔ)。新的脈沖測量系列保證了短T1與T2組分的測量精度，通過采集6組回波數(shù)據(jù)，特別是短等待時(shí)間的50次重復(fù)測量，提高了低孔隙地層測量精度。

CMR-NG最終輸出的成果包括總孔隙度、有效孔隙度、T1分布、T2分布、孔隙流體、束縛水體積、水總體積、油體積、氣體積以及總含水飽和度等參數(shù)，廣泛應(yīng)用于致密儲(chǔ)層、非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙度評(píng)價(jià)以及復(fù)雜地層流體識(shí)別中。

2.2 CMR-NG測井?dāng)?shù)據(jù)處理及解釋

CMR-NG測量的測井?dāng)?shù)據(jù)目前只能在Techlog軟件的NMR Suite二維核磁處理與流體識(shí)別模塊中進(jìn)行處理、解釋與應(yīng)用（預(yù)處理、T1、T2譜反演、聚類分析算法、地層流體關(guān)聯(lián)與解釋等）。其中最重要的是聚類分析數(shù)學(xué)算法，根據(jù)用戶選定的簇?cái)?shù)，自動(dòng)地把T1—T2譜圖劃分成不同的區(qū)域，這是處理中非常重要的一步，要求T1—T2譜圖劃分的區(qū)域符合研究區(qū)流體的T1、T2響應(yīng)特征，最后再由用戶把每一個(gè)簇與具體的流體類型關(guān)聯(lián)起來，最終計(jì)算出每種流體的體積。

圖3 為井A7青山口組CMR-NG的T1—T2譜及聚類分析分區(qū)。圖3（a）是原始測量回波信號(hào)反演T1、T2譜后得到的T1—T2譜圖，圖3（b）是進(jìn)行聚類分析算法后的分區(qū)?？梢钥闯?，T1—T2譜圖劃分為13個(gè)區(qū)域，每一個(gè)不同的區(qū)域代表不同分區(qū)，每一個(gè)分區(qū)代表了在數(shù)學(xué)上具有相似特征的流體，而每一深度的流體都由其中某幾個(gè)分區(qū)的流體構(gòu)成。另外，圖3（b）所顯示每一個(gè)不同區(qū)域的顏色代表了這個(gè)區(qū)域孔隙度的相對大小，分區(qū)1、分區(qū)2的信號(hào)比較強(qiáng)，代表了黏土束縛水含量較高，分區(qū)13的信號(hào)比較強(qiáng)，表示可動(dòng)油含量比較高。

通過聚類分析算法得到符合地區(qū)流體類型的分區(qū)后，將13個(gè)分區(qū)解釋成不同的流體類型及賦存狀態(tài)是CMR-NG解釋的重點(diǎn)。針對縱向弛豫—橫向弛豫（T1—T2）二維核磁應(yīng)用于頁巖油氣的解釋國內(nèi)外很多學(xué)者做了大量開創(chuàng)性的二維核磁巖石物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析［25-30］。另外，古龍頁巖測量有大量巖心和全直徑二維核磁T1—T2譜，提高了本地區(qū)二維核磁解釋的應(yīng)用基礎(chǔ)。

通過古龍頁巖巖心二維核磁的時(shí)間推移T1—T2譜，已經(jīng)證實(shí)了古龍頁巖高T1與T2比為小孔中油氣信號(hào)，另外全直徑二維核磁同樣有相同的認(rèn)識(shí)，因此將分區(qū)6解釋為吸附油。經(jīng)典的二維核磁理論認(rèn)為，黏土束縛水流體具有短T2的特點(diǎn)；左下角的5個(gè)分區(qū)，T2為0.5～3 ms，因此分區(qū)1—5解釋為黏土束縛水。分區(qū)6與黏土束縛水只根據(jù)T2值無法區(qū)分，但是根據(jù)T1值可以將2種不同的流體分開，這顯示了二維核磁在流體類型區(qū)分中的優(yōu)勢。分區(qū)7和分區(qū)8解釋為毛管束縛水，這部分流體被認(rèn)為黏滯在孔隙壁內(nèi)，為非可動(dòng)水，一般來說T1與T2比值為1。分區(qū)6右側(cè)的分區(qū)10解釋為毛管束縛油，這部分流體被認(rèn)為賦存在稍微大一點(diǎn)的無機(jī)孔隙中，被毛管力束縛，同樣顯示出高的T1與T2比。古龍頁巖大孔隙中即最大的T2分布，對應(yīng)于分區(qū)11—13，都是可動(dòng)油區(qū)域，T1與T2比值為3～10，也證實(shí)了古龍頁巖大孔含油的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，另外整個(gè)井段不含可動(dòng)水。最后一個(gè)分區(qū)9的流體類型存在爭議，爭議在于毛管束縛油或者毛管束縛水的界限不明顯。

2.3 二維核磁T1—T2圖版優(yōu)化

通過上述聚類分析算法得到T1—T2譜分區(qū)后，經(jīng)過解釋可以得到各分區(qū)的流體類型及賦存狀態(tài)?，F(xiàn)在爭議分區(qū)為分區(qū)9，可以通過現(xiàn)場巖心一維核磁含油量分析來標(biāo)定CMR-NG的流體解釋成果。按照巖心刻度測井的原則，將分區(qū)9分別解釋為毛束縛管水和毛管束縛油，通過誤差分析的方法來標(biāo)定測井解釋成果，優(yōu)化得到最終的流體解釋圖版。

圖4 為井A7青山口組CMR-NG含油量解釋成果，第1道為青山口組油層組，第2—4道為常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)，第6道為利用巖性掃描測井計(jì)算的礦物含量。第7道為核磁總孔隙度、有效孔隙度及巖心分析孔隙度，總孔隙度為上述13個(gè)分區(qū)信號(hào)的總和，其中有效孔隙度為分區(qū)6—13信號(hào)的總和，核磁測井和巖心分析有效孔隙度對應(yīng)得很好，相對誤差為7.9%，達(dá)到了儲(chǔ)量規(guī)范要求。第8道為流體賦存狀態(tài)及含量，從各組分剖面來看，黏土束縛水約占總孔隙的一半，這也符合古龍頁巖黏土含量高的特點(diǎn)。第9和10道分別為將分區(qū)9解釋為毛管束縛水和毛管束縛油的總含油量，以綠色填充顯示，可以看出，如果將分區(qū)9解釋為毛管束縛油，那么總含油量將顯著增大，其中桿狀圖為巖心一維核磁分析總含油量。充填為紅色是可動(dòng)油含量，這兩道的可動(dòng)油含量是一致的，這是通過二維核磁測井首次得到的可動(dòng)油含量剖面，對于富集段的認(rèn)識(shí)具有重要的指導(dǎo)意義。從圖4中可以看到，分區(qū)9解釋為毛管束縛水時(shí)核磁解釋總含油量與實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)吻合得好，飽和度絕對誤差為0.63%，而解釋為毛管束縛油時(shí)與實(shí)驗(yàn)分析相比誤差較大，絕對誤差達(dá)到了2.32%。這表明，將分區(qū)9解釋為毛管束縛水更符合實(shí)際地層情況。另外，巖心二維核磁時(shí)間推移測量和全直徑二維核磁實(shí)驗(yàn)證明了古龍頁巖小孔中存在吸附油，將圖3（b）中的分區(qū)6解釋為吸附油，打破了原來認(rèn)為是黏土束縛水的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。通過實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)的標(biāo)定和優(yōu)化，最終建立了古龍頁巖的CMR-NG流體解釋圖版，形成了基于二維核磁測井的含油飽和度解釋方法。

3 應(yīng)用效果

通過CMR-NG處理與解釋，在準(zhǔn)確計(jì)算各流體組分含量的情況下，通過含油孔隙度與有效孔隙度的比值得到飽和度參數(shù)，另外因?yàn)橥ㄟ^CMR-NG可以得到可動(dòng)油含量，因此也可以計(jì)算可動(dòng)油飽和度。圖5為CMR-NG測井得到的平均含油飽和度和平均可動(dòng)油飽和度，數(shù)據(jù)分布上表明，7口井的平均含油飽和度為48.8%～65.8%，平均可動(dòng)油飽和度為23.9%～36.8%?？傮w上來說，二者有線性關(guān)系。井A7與井A13相比，雖然總含油飽和度基本一致，但是可動(dòng)油飽和度差異較大，說明井A13中油更多的以束縛態(tài)存在。井A11與井A13的總含油飽和度相差12.6%，但是可動(dòng)油飽和度僅相差3.5%，這都表明總含油飽和度在某種情況下不能完全反映可動(dòng)油的含量大小。因?yàn)榭蓜?dòng)油飽和度反映的是大孔隙中的油信息，這與富集層段優(yōu)選和產(chǎn)能具有更好的相關(guān)性。

將6口井二維核磁的含油飽和度與現(xiàn)場巖心一維核磁飽和度進(jìn)行了精度對比分析（圖6），從圖6可以看到，二維核磁測井與一維核磁巖心含油飽和度相關(guān)性很好，通過88層的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，平均絕對誤差為4%，滿足了儲(chǔ)量規(guī)范要求。這表明，二維核磁測井（CMR-NG）對解決古龍頁巖這種含油高揮發(fā)性、納米孔發(fā)育等難點(diǎn)的非常規(guī)儲(chǔ)層飽和度測定問題提供了新的技術(shù)手段。

4 結(jié) 論

（1）通過對古龍頁巖冷凍樣品進(jìn)行時(shí)間推移二維核磁實(shí)驗(yàn)，從T1—T2譜隨時(shí)間的變化表明，古龍頁巖小孔隙中存在油、水兩相流體。

（2）保壓密閉條件下，一維核磁確定飽和度方法具有快速、準(zhǔn)確特點(diǎn)，對實(shí)驗(yàn)分析方法具有互補(bǔ)作用，可以用來刻度二維核磁測井（CMR-NG）得到的含油量數(shù)據(jù)。

（3）應(yīng)用巖心一維核磁含油量標(biāo)定了CMR-NG聚類分析后的流體分區(qū)圖版，通過聚類分析后得到的各流體含量確定了古龍頁巖含油飽和度，與現(xiàn)場巖心一維核磁含油飽和度進(jìn)行了精度對比分析，平均絕對誤差為4%，滿足了儲(chǔ)量規(guī)范要求，二維核磁測井（CMR-NG）為評(píng)價(jià)頁巖油飽和度提供了新的技術(shù)手段。