核磁共振飽和度指數(shù)及其在儲(chǔ)層流體飽和度計(jì)算中的應(yīng)用

葛新民, 曾炳丁 , 李 楠, 徐紅軍, 劉海濤,顧定娜, 孫萬明, 范宜仁,3

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580; 2.自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510075; 3.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071; 4.中國石油集團(tuán)測井有限公司技術(shù)中心, 陜西西安 710077; 5.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 6.中國石油集團(tuán)測井有限公司吐哈分公司,新疆哈密 839009)

低場核磁共振信號(hào)受巖石骨架影響小,能同時(shí)反映孔隙結(jié)構(gòu)和流體信息,成為解決復(fù)雜及非常規(guī)儲(chǔ)層測井評(píng)價(jià)難題的利器,在地質(zhì)工程等領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用[1-3]。近十年來國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)核磁共振技術(shù)的特點(diǎn)和局限,在試驗(yàn)機(jī)制、方法理論、儀器研制、信息反演和解釋評(píng)價(jià)等方面開展了大量研究,推出多維多頻核磁共振測井儀[4-7],拓寬了核磁共振測量的信息維度和空間維度,豐富了核磁共振測井的應(yīng)用效果。受技術(shù)封鎖等因素限制,目前中國大多數(shù)油氣田所采用的核磁共振測井仍以一維為主,或通過優(yōu)化采集參數(shù)和測量模式實(shí)現(xiàn)二維核磁共振測量功能[8-9]。如何從一維核磁共振T2譜中挖掘出更多流體信息,對(duì)進(jìn)一步提升核磁共振在儲(chǔ)層測井評(píng)價(jià)中的應(yīng)用能力具有重要意義。學(xué)者們針對(duì)不同飽和狀態(tài)下的巖心核磁共振信號(hào)及T2譜特征進(jìn)行了深入研究,提出了孔隙度、滲透率、T2截止值、束縛水飽和度、巖電參數(shù)和孔徑分布等參數(shù)和方法[10-12],認(rèn)識(shí)了不同流體賦存條件下的核磁共振響應(yīng)規(guī)律[13-15],為基于核磁共振測井資料的流體識(shí)別方法提供了支撐。前人開展了大量的數(shù)值仿真和物理模擬,研究了孔隙結(jié)構(gòu)、潤濕狀態(tài)、驅(qū)替歷史和流體性質(zhì)等對(duì)核磁共振響應(yīng)的影響[16-19],為流體識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。但核磁共振參數(shù)與飽和度的定量關(guān)系卻鮮有報(bào)道,單純依靠核磁共振T2譜信息,難以實(shí)現(xiàn)流體飽和度的直接計(jì)算。筆者通過試驗(yàn)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù),總結(jié)分析油-水、氣-水、水合物-水等兩相流體的核磁共振T2譜特征,重點(diǎn)研究核磁共振T2平均值與含水飽和度的關(guān)系,參考阿爾奇公式建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?提出核磁共振飽和度指數(shù)的概念,分析其影響因素,探索應(yīng)用核磁共振T2譜直接計(jì)算流體飽和度的方法及適用條件。

1 油水兩相核磁共振試驗(yàn)

選取鄂爾多斯盆地陜北斜坡延長組某段,巖性為泥質(zhì)粉砂巖,總體上物性差,為低孔滲-致密儲(chǔ)層,完全含水巖石的核磁共振T2譜基本呈單峰或不規(guī)則的雙峰分布。核磁試驗(yàn)采用離線驅(qū)替的方式進(jìn)行,主要流程如下:①將經(jīng)過洗油、洗鹽、烘干等預(yù)處理的柱塞巖樣放入高壓飽和儀,使巖心飽和模擬地層水(氯化鈣溶液,礦化度為85 000 mg/L),取出放入核磁共振儀,測量完全含水狀態(tài)的核磁共振T2譜;②將完全含水巖心放入夾持器,采用模擬油(煤油,黏度為1.96 mPa·s)驅(qū)替孔隙中的地層水,根據(jù)出水量計(jì)算得到巖心的含油、含水飽和度;③將巖心靜置大概8 h后取出,放入核磁共振儀中測量該飽和狀態(tài)的核磁共振T2譜;④將巖心取出再次放入夾持器中進(jìn)行驅(qū)替,直至無可動(dòng)水驅(qū)出為止;⑤每次驅(qū)替并靜置后,將巖心取出放入核磁共振儀中測量核磁共振T2譜。巖心核磁共振儀器的型號(hào)為MARAN-Ⅱ(主頻約2 MHz),橫向弛豫時(shí)間測量采用CPMG脈沖序列,等待時(shí)間為6 s,回波間隔為0.2 ms,掃描次數(shù)為128,回波個(gè)數(shù)為4 096,接受增益為80%。

圖1(a)和圖1(b)是典型樣品的核磁共振回波串和T2譜(孔隙度為11.37%,滲透率為0.294×10-3μm2)。從圖中可知,完全含水巖石的核磁共振T2譜主峰位置約為40 ms。隨著含油飽和度逐漸增大,核磁共振弛豫速率降低,譜峰位置明顯右移,T2譜形態(tài)也由單峰向雙峰過渡。這主要是驅(qū)替時(shí)油先驅(qū)出大孔隙中的地層水并占據(jù)孔道中央,呈體積弛豫的特征。然而,驅(qū)替動(dòng)力不足以改變黏土束縛水的狀態(tài),小于3 ms的弛豫信號(hào)基本不變。由于驅(qū)替用油和模擬地層水的含氫指數(shù)差異很小,在驅(qū)替過程中核磁共振T2譜的面積基本不變,說明此時(shí)流體飽和度對(duì)核磁孔隙度的影響小。

油驅(qū)水過程中核磁共振T2譜峰的位置和分布范圍發(fā)生了明顯變化,必將造成核磁共振T2平均值的改變。為了深入挖掘核磁共振T2譜中的流體組分信息,借鑒阿爾奇先生關(guān)于巖石電阻率與含水飽和度的試驗(yàn)結(jié)果,將任意含水飽和度的T2平均值除以完全含水的T2平均值定義為核磁共振弛豫指數(shù),并對(duì)核磁共振弛豫指數(shù)與含水飽和度的關(guān)系進(jìn)行分析,見圖1(c)和(d)(圖中，T2amw和T2am分別為巖心在完全含水和任意飽和度的T2算術(shù)平均值)。由圖可知,核磁共振弛豫指數(shù)與含水飽和度成反比,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈明顯的線性關(guān)系。由T2幾何平均值(T2gm)得到的核磁共振弛豫指數(shù)與含水飽和度的關(guān)系要好于T2算術(shù)平均值(T2am),這主要是由于T2am容易受核磁共振譜中極端值的影響,T2譜的分布范圍寬、連續(xù)性差時(shí),平均數(shù)的真實(shí)性受到干擾。對(duì)其他9塊樣品也進(jìn)行了分析,得到同樣的規(guī)律。

圖1 泥質(zhì)砂巖油水兩相核磁共振特征Fig.1 NMR responses of a typical shaly sandstone during oil flooding process

仿照阿爾奇先生建立的電阻率增大率與含水飽和度的經(jīng)典公式,建立含水飽和度與核磁共振弛豫指數(shù)的試驗(yàn)關(guān)系式:

(1)

式中,IT2為核磁共振弛豫指數(shù);T2gmw和T2gm分別為巖心在完全含水和任意飽和度的T2幾何平均值;bT2和nT2分別為核磁共振飽和度系數(shù)和核磁共振飽和度指數(shù);Sw為含水飽和度。

表1 泥質(zhì)砂巖油驅(qū)水核磁共振基本參數(shù)及擬合系數(shù)Table 1 NMR parameters and fitting results of shaly sandstone during oil flooding process

圖2 核磁共振飽和度指數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系及飽和度計(jì)算效果Fig.2 Relationship between NMR saturation index and pore structure parameters and saturation calculation effect

圖3為柴達(dá)木盆地某油田礫狀砂巖的核磁共振試驗(yàn)結(jié)果(孔隙度為15.07%,滲透率為5.14×10-3μm2)。所用儀器為蘇州紐邁生產(chǎn)的NM-2-G型巖心核磁共振分析儀(主頻為2MHz),所用脈沖序列為CPMG,等待時(shí)間為6s,回波間隔為0.2ms,掃描次數(shù)為128,回波個(gè)數(shù)為46 000,接受增益為80%,模擬地層水是礦化度為10 000mg/L的氯化鈣溶液,驅(qū)替油的黏度為2mPa·s,試驗(yàn)過程如前所述。試驗(yàn)現(xiàn)象及總體特征與泥質(zhì)砂巖基本相似,但擬合的核磁共振飽和度指數(shù)為2.137,與表1數(shù)據(jù)相差較大,這可能跟巖性等因素有較大關(guān)系[22]。

需要注意的是,油驅(qū)水的核磁共振響應(yīng)特征及擬合結(jié)果受驅(qū)替介質(zhì)影響。圖4(a)是不同性質(zhì)自由流體的T2譜(測量溫度為25 ℃),試驗(yàn)用原油黏度為202.36mPa·s,煤油黏度為2mPa·s,汽油黏度為2.44mPa·s。水、汽油和煤油的體積弛豫時(shí)間長,T2譜分布集中,與巖石表面弛豫有明顯區(qū)別。原油由于含烴組分復(fù)雜,黏度高,體積弛豫時(shí)間短,T2譜分布范圍寬,與毛管束縛水和黏土束縛水的表面弛豫時(shí)間相當(dāng)。圖4(b)為原油和煤油按不同體積混合后測量的核磁共振T2譜(測量溫度為25 ℃)。T2譜峰隨著煤油比例的增大右移,流體中含烴組分對(duì)核磁測量結(jié)果的影響不可忽略。因此應(yīng)根據(jù)具體研究區(qū)域的流體性質(zhì)合理配置驅(qū)替介質(zhì),試驗(yàn)結(jié)果才能更好地用于指導(dǎo)核磁共振測井資料解釋。當(dāng)油的體積弛豫時(shí)間與巖石表面弛豫時(shí)間相當(dāng)時(shí),核磁共振T2譜的變化特征與流體飽和度的關(guān)系不明顯(圖5,孔隙度為17.1%,滲透率為2.16×10-3μm2),bT2和nT2分別為0.964和0.084,此時(shí)應(yīng)用T2譜進(jìn)行飽和度計(jì)算的難度大。

圖3 礫狀砂巖油驅(qū)水核磁共振特征Fig.3 NMR responses of a typical gravel sandstone during oil flooding process

圖4 不同性質(zhì)自由流體及比例核磁共振T2譜特征Fig.4 NMR T2 spectrums of typical free fluids and their mixtures

圖5 油的體積弛豫與巖石的表面弛豫相近時(shí)油驅(qū)水核磁共振響應(yīng)Fig.5 NMR response of oil displacement water when volume relaxation of oil is close to surface relaxation of rock

2 氣水兩相核磁共振試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室開展天然氣驅(qū)核磁共振測量的要求較高,需保證良好的通風(fēng)條件,需配備專門的無磁高壓夾持器、磁體和測量系統(tǒng)。受試驗(yàn)條件限制,將空氣作為驅(qū)替介質(zhì),采用離心機(jī)模擬氣驅(qū)水過程,測量不同氣-水飽和條件的巖石(樣品來自于鄂爾多斯盆地西南部延長組某段致密砂巖,共16塊)核磁共振T2譜,主要流程如下:①將經(jīng)過洗油、洗鹽、烘干等預(yù)處理的柱塞巖樣放入高壓飽和儀,使巖心飽和地層水(氯化鈣溶液,礦化度為50 000 mg/L),取出放入核磁共振儀,測量完全含水狀態(tài)的核磁共振T2譜;②巖心放入高速冷凍離心機(jī),設(shè)置離心力分別為0.345、0.689、1.379、2.069、2.758和3.448 MPa,每個(gè)離心力下對(duì)巖心離心1 h,取出稱重得到巖心的含氣、含水飽和度;③將巖心從離心機(jī)取出靜置大概8 h后,放入核磁共振儀中測量該飽和狀態(tài)的核磁共振T2譜。所用儀器為MARAN-Ⅱ 巖心核磁共振儀(主頻約為2 MHz),所用脈沖序列為CPMG,等待時(shí)間為6 s,回波間隔為0.2 ms,掃描次數(shù)為128,回波個(gè)數(shù)為4 096,接受增益為80%。

試驗(yàn)結(jié)果如圖6(孔隙度為7.25%,滲透率為0.059×10-3μm2) 所示,含水飽和度和長弛豫組分所占的T2譜面積隨離心力的增大而降低,但短弛豫時(shí)間所占T2譜面積基本不變。核磁共振弛豫指數(shù)與含水飽和度成正比,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈線性關(guān)系,但核磁共振飽和度指數(shù)從正值變成負(fù)值。這主要是因?yàn)榭諝獠缓瑲?無弛豫信號(hào),離心后孔隙中氫核信號(hào)降低,使得T2平均值降低。

表2 致密砂巖氣驅(qū)水核磁共振基本參數(shù)及擬合系數(shù)

圖6 不同含水飽和度下典型致密砂巖氣驅(qū)過程的核磁共振響應(yīng)Fig.6 NMR response of a typical tight sandstone at different water saturation during gas flooding process

對(duì)剩下15塊致密砂巖的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,也得到相似結(jié)論。如表2所示,bT2穩(wěn)定在1左右,nT2分布在-1.739～-1.033,平均為-1.385。試驗(yàn)所用氣體為空氣,與儲(chǔ)層孔隙的天然氣性質(zhì)有差異,試驗(yàn)結(jié)果不能直接應(yīng)用于測井解釋。然而,通過氣驅(qū)水核磁共振試驗(yàn)建立的飽和度計(jì)算方法,對(duì)于二氧化碳地質(zhì)埋存和非飽和滲流帶含水量評(píng)價(jià)等具有應(yīng)用潛力。

3 水合物-水兩相核磁共振試驗(yàn)

應(yīng)用測井資料精細(xì)評(píng)價(jià)水合物飽和度及分布,對(duì)深化認(rèn)識(shí)天然氣水合物的成藏規(guī)律和制定水合物勘查和試采方案具有重要意義。現(xiàn)有研究表明,水合物對(duì)低場核磁共振信號(hào)無貢獻(xiàn),可根據(jù)密度測井孔隙度與核磁共振測井孔隙度的差值來表征水合物飽和度[23]。然而,由于含水合物沉積物的巖性復(fù)雜、骨架參數(shù)確定困難,密度測井計(jì)算的孔隙度精度低。低場核磁共振信號(hào)基本不受巖性影響,但與順磁礦物、黏土類型及含量、回波間隔和測井環(huán)境等密切相關(guān),密度測井孔隙度與核磁共振測井孔隙度差值得到的天然氣水合物飽和度一般要比實(shí)際值高。如能直接從核磁共振弛豫信號(hào)中建立天然氣水合物飽和度的直接計(jì)算方法,將大大降低信號(hào)采集、巖石性質(zhì)和解釋模型帶來的誤差。

根據(jù)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果探索核磁共振飽和度指數(shù)在天然氣水合物飽和度評(píng)價(jià)中的可行性。圖7(a)是未膠結(jié)砂巖在水合物生成階段的T2譜(孔隙度為32.6 %,滲透率為1 044.2×10-3μm2)。從圖中可知,核磁共振T2譜面積隨著含水飽和度的降低而降低,且變化主要發(fā)生在長弛豫時(shí)間處,說明水合物優(yōu)先生成于大孔中。T2幾何平均值與含水飽和度的關(guān)系與氣驅(qū)水試驗(yàn)基本一致,這主要是由于天然氣水合物與空氣一樣,基本無核磁信號(hào)。對(duì)剩下3塊巖樣進(jìn)行擬合也得到類似結(jié)論,如表3所示。對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[24-25]進(jìn)行分析(5～7號(hào)樣品來自于文獻(xiàn)[24],8號(hào)樣品來自于文獻(xiàn)[25]),進(jìn)一步證實(shí)了利用T2譜直接計(jì)算水合物飽和度的可行性。與氣-水兩相核磁共振試驗(yàn)結(jié)果相比,含天然氣水合物儲(chǔ)層的核磁共振飽和度指數(shù)分布范圍較廣,這可能跟粒徑和巖性等有關(guān)。

圖7 未膠結(jié)砂巖在水合物生成過程的核磁共振特征Fig.7 NMR response of a typical unconsolidated sandstone during gas hydrate growth process

表3 天然氣水合物核磁共振基本參數(shù)及擬合系數(shù)

4 結(jié) 論

(1)巖石孔隙中含兩相流體且流體的體積弛豫與巖石的表面弛豫時(shí)間有較大差異時(shí),含水飽和度與核磁共振弛豫指數(shù)呈現(xiàn)出較好的冪指數(shù)關(guān)系,可仿照阿爾奇公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。值得注意的是,本文中氣-水兩相核磁共振數(shù)據(jù)是基于離心試驗(yàn)得到,不能直接用于含氣層測井評(píng)價(jià)。

(2)核磁共振飽和度系數(shù)約為1,核磁共振飽和度指數(shù)分布范圍較廣,與流體的自由弛豫、粒徑、巖性、孔隙結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。當(dāng)巖石孔隙中含有油-水兩相時(shí),核磁共振弛豫指數(shù)與含水飽和度成反比,核磁共振飽和度指數(shù)為正值,當(dāng)巖石孔隙中含有氣-水兩相和水合物-水兩相時(shí),核磁共振弛豫指數(shù)與含水飽和度成正比,核磁共振飽和度指數(shù)為負(fù)值?？稍诜诸愌芯亢涂偨Y(jié)基礎(chǔ)上建立區(qū)域性的飽和度計(jì)算模型。

(3)針對(duì)特定研究目標(biāo)開展試驗(yàn)?zāi)M,分析不同流體賦存狀態(tài)和飽和度的核磁共振T2譜特征及其響應(yīng)規(guī)律,對(duì)于指導(dǎo)核磁共振測井解釋建模,提升核磁共振測井資料在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用效果具有重要意義。

致謝感謝中國石油天然氣集團(tuán)公司測井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國石油天然氣股份有限公司測井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局邢東輝博士、中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院劉建宇博士和博士研究生趙吉兒等提供的幫助。