潮坪相白云巖儲層核磁共振擴(kuò)散耦合效應(yīng)
——以四川盆地龍門山山前帶中三疊統(tǒng)雷四上亞段為例

王 迪 程洪亮 丁蔚楠 李定軍 劉昊年

1.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院 2.中國石化西南油氣分公司地質(zhì)中心實(shí)驗(yàn)室

0 引言

核磁共振表面弛豫速率是巖石比表面積的函數(shù)，核磁共振資料具有表征孔隙結(jié)構(gòu)的作用。不少學(xué)者采用核磁共振T2譜直觀反映孔隙結(jié)構(gòu)或通過刻度轉(zhuǎn)換的方式計(jì)算儲層的孔隙半徑。何雨丹等[1-2]、Xiao等[3]采用分段法或非線性擬合方法實(shí)現(xiàn)T2譜與毛細(xì)管半徑的轉(zhuǎn)換；劉堂晏等[4-5]建立了球管模型，將孔隙空間和喉道分別視為球狀及管狀空間，并通過求取最優(yōu)解的方法得到巖石孔喉分布。采用這些方法計(jì)算得到的巖石孔隙半徑分布，與運(yùn)用恒速壓汞等方式得到的孔隙半徑具有良好的匹配性。但對于碳酸鹽巖，上述方法往往難以取得理想的效果：一個(gè)突出的現(xiàn)象便是，無論鏡下所觀察到的孔隙結(jié)構(gòu)有多復(fù)雜，飽含水巖心的弛豫譜多呈現(xiàn)出較為簡單的單峰或近單峰的分布。眾多學(xué)者對其產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析與探討，認(rèn)為造成這一現(xiàn)象的原因?yàn)樘妓猁}巖核磁共振響應(yīng)受到“擴(kuò)散耦合”效應(yīng)的影響[6-8]，導(dǎo)致碳酸鹽巖的T2譜形態(tài)偏離了真實(shí)的孔隙半徑分布。研究結(jié)果表明，這一效應(yīng)在碳酸鹽巖中普遍存在[9-10]，但目前的研究主要針對影響因素的普遍性，對于不同區(qū)域、不同的儲層類型，各因素對碳酸鹽巖擴(kuò)散耦合效應(yīng)的影響程度存在差異。目前對這些因素與差異的研究仍存在不足，需在具體問題具體分析中對規(guī)律進(jìn)行梳理與歸納。二維核磁共振測井技術(shù)在儲層流體性質(zhì)識別等方面的應(yīng)用日益深化，儲層的非均質(zhì)性及流體分布的復(fù)雜性對各弛豫參數(shù)研究的精細(xì)化提出了更高要求。然而，現(xiàn)有的研究仍主要針對橫向弛豫時(shí)間T2，各因素對二維核磁共振的另一重要參數(shù)——縱向弛豫時(shí)間T1的影響程度尚不明確。由于儲層孔隙結(jié)構(gòu)及流體性質(zhì)在核磁共振測井響應(yīng)上主要體現(xiàn)為弛豫譜形態(tài)及分布上的差異，而擴(kuò)散耦合效應(yīng)會對弛豫譜形態(tài)及分布造成潛在的影響，若忽視這一影響，則會在一定程度上降低儲層評價(jià)的準(zhǔn)確度。

為此，筆者以四川盆地川西坳陷中三疊統(tǒng)雷口坡組四段上亞段（以下簡稱雷四上亞段）潮坪相白云巖為例，對白云巖儲層T2擴(kuò)散耦合的影響因素、影響程度進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)和測井資料對T1擴(kuò)散耦合的影響進(jìn)行分析和探討，以提高二維核磁共振資料表征潮坪相白云巖儲層物性、含氣性的準(zhǔn)確性，降低二維核磁測井資料的多解性。

1 擴(kuò)散耦合效應(yīng)的成因

碳酸鹽巖與碎屑巖儲層的核磁共振響應(yīng)在單點(diǎn)弛豫譜形態(tài)上和縱向變化特征上存在明顯的差異，這種差異除受儲層孔隙結(jié)構(gòu)差異影響外，還與兩種不同儲層核磁共振測井的響應(yīng)機(jī)制差異有關(guān)。

以橫向弛豫T2為例，儲層T2受體積弛豫、表面弛豫、擴(kuò)散弛豫3種機(jī)制的影響，總的弛豫速率是單個(gè)弛豫機(jī)制引起的弛豫速率的和，可用下式表示[11-12]：

式中T2表示巖石橫向弛豫時(shí)間，ms；T2B表示體積弛豫的橫向弛豫時(shí)間，ms；T2S表示表面弛豫的橫向弛豫時(shí)間，ms；T2D表示擴(kuò)散弛豫的橫向弛豫時(shí)間，ms；ρ2表示橫向弛豫的表面弛豫強(qiáng)度，m/ms；S表示孔隙表面積，m2；V表示孔隙空間體積，m3；r表示孔隙半徑，m；G表示磁場梯度，Gs/cm；D表示擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；TE表示回波間隔，ms。

對于式（1），體積弛豫速率慢，相對于表面弛豫可以忽略不計(jì)，在低場環(huán)境下，擴(kuò)散弛豫亦明顯慢于表面弛豫，亦可忽略，故可近似認(rèn)為核磁共振T2時(shí)間主要受表面弛豫的影響，故式（1）可表示為：

由于比表面積（S/V）是孔隙半徑（r）的函數(shù)，因此，認(rèn)為T2與孔隙半徑相關(guān)。對于來自同一層系的儲層或巖心，可近似認(rèn)為ρ2無明顯差異，T2譜的差異主要由孔隙結(jié)構(gòu)造成，故可以通過對比核磁共振T2譜的差異比較其孔隙結(jié)構(gòu)的差異。

對于碳酸鹽巖和碎屑巖，由于兩者的形成機(jī)理差異巨大，礦物成分完全不同，ρ2的差異不可忽略，兩者的核磁共振測井響應(yīng)差異，一方面來源于比表面積的差異，另一方面則是由于ρ2的差異造成的核磁共振響應(yīng)機(jī)制的系統(tǒng)性差異。下面將對第二個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)說明。

Kenyon等[13]研究認(rèn)為，核磁共振弛豫譜具備反映孔隙結(jié)構(gòu)的作用有一個(gè)先決條件，即每個(gè)孔隙中的氫核的弛豫過程是獨(dú)立于其他孔隙的，不同孔隙中氫核的弛豫過程互不干擾，但Ramakrishnan等[14]、Roberts等[15]等發(fā)現(xiàn)，對于碳酸鹽巖，“每個(gè)孔隙中氫核的弛豫過程是相互獨(dú)立的”這一結(jié)論總是失效的，因?yàn)闅浜嗽诔谠サ耐瑫r(shí)會在碳酸鹽巖的不同孔隙之間發(fā)生擴(kuò)散，使得碳酸鹽巖中的大孔和小孔的T2譜往往合并成為了一個(gè)單峰，這就是擴(kuò)散耦合效應(yīng)[8-9,16-18]。如果表面弛豫持續(xù)時(shí)間較長，氫核在弛豫的同時(shí)在大、小孔隙中發(fā)生了擴(kuò)散，那么巖石中的“擴(kuò)散耦合”效應(yīng)就很明顯，單峰特征就會越明顯。此時(shí)，弛豫時(shí)間就不能反映巖石的孔徑分布。

根據(jù)Roberts等[15]、王翼君等[8-10]的研究，碳酸鹽巖容易存在擴(kuò)散耦合效應(yīng)，主要是由于其ρ2明顯小于碎屑巖，導(dǎo)致碳酸鹽巖的表面弛豫速率變慢，氫核的弛豫時(shí)間變長，弛豫尚未完成時(shí)氫核已在大、小孔隙中發(fā)生了擴(kuò)散，弛豫譜便反映的是不同孔隙尺度的平均特征。由于火成巖和正變質(zhì)巖中含有大量的暗色鐵鎂礦物，磁化率較高，會增大ρ2，而陸源碎屑巖是由火成巖、變質(zhì)巖以及先形成的沉積巖經(jīng)過風(fēng)化剝蝕、搬運(yùn)、沉積和成巖作用改造后形成，因此，含有一定的火成巖或正變質(zhì)巖巖屑，其表面弛豫強(qiáng)度值相對較高，氫核在不同尺度孔隙之間擴(kuò)散之前便已完成弛豫，其弛豫譜反映單一孔隙的尺度特征。由于碳酸鹽巖屬于原地成因，不可能有太多的陸源物質(zhì)注入，火成巖和正變質(zhì)巖巖屑極少，表面弛豫強(qiáng)度ρ2明顯低于碎屑巖，因而其更容易發(fā)生“擴(kuò)散耦合”效應(yīng)。Dastidar等[19]、Keating[20]亦通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了表面弛豫強(qiáng)度與礦物成分的關(guān)系：含鐵礦物（巖屑等）的含量與表面弛豫強(qiáng)度呈正相關(guān)，而與擴(kuò)散耦合的強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。

2 潮坪相白云巖儲層儲集空間特征與擴(kuò)散耦合效應(yīng)

以上對于擴(kuò)散耦合效應(yīng)影響因素的分析僅針對其普適性，對于不同類型的碳酸鹽巖，由于礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)不同，擴(kuò)散耦合效應(yīng)程度可能存在顯著差異。本研究之前，國內(nèi)外尚未有專門針對潮坪相白云巖儲層擴(kuò)散耦合效應(yīng)的研究，該效應(yīng)對于潮坪相白云巖儲層核磁共振弛豫譜的影響程度尚屬未知。為了探索潮坪相白云巖儲層擴(kuò)散耦合效應(yīng)的強(qiáng)度及具體表現(xiàn)形式，筆者以龍門山山前帶雷四上亞段為例開展了相關(guān)研究。

龍門山山前帶在中三疊統(tǒng)雷口坡組四段沉積時(shí)期整體處于局限臺地潮坪環(huán)境，亞相以潮間帶為主[21-22]。根據(jù)5口井220余個(gè)巖心、薄片樣品分析，儲層巖石類型主要包括晶粒白云巖、藻白云巖等，孔隙類型以溶蝕孔洞為主，鏡下觀察晶間孔、晶間溶孔、藻間溶孔等發(fā)育，同一塊薄片中孔隙尺度差異較大，其中直徑大于100 μm的孔隙較普遍（圖1）。擴(kuò)散耦合效應(yīng)形成的基礎(chǔ)是氫核在大、小孔隙之間的擴(kuò)散，潮坪相白云巖儲層的主要儲集空間為不同尺度的溶蝕孔洞，這為擴(kuò)散耦合效應(yīng)的充分發(fā)生提供了客觀條件，增加了擴(kuò)散耦合效應(yīng)的強(qiáng)度及弛豫譜受該效應(yīng)影響的復(fù)雜性。鑒于這一特性，有必要開展潮坪相白云巖儲層的核磁共振擴(kuò)散耦合效應(yīng)研究。

圖1 龍門山山前帶雷四上亞段白云巖儲集空間特征照片

圖2-a為PD71井雷四上亞段（局部）測井?dāng)?shù)據(jù)圖，第五道和第六道分別為核磁共振測井T2譜和T1譜。從圖2-a中可以看出，白云巖儲層段（井段 6 022～ 6 035 m）物性較好，聲波時(shí)差值可達(dá)70 μs/ft，T2和T1譜呈現(xiàn)近單峰分布特征；由于該區(qū)域陸相地層未進(jìn)行核磁共振測井，故選取鄰區(qū)溫江構(gòu)造陸相地層核磁共振測井響應(yīng)進(jìn)行對比。圖2-b為溫江構(gòu)造C108井上三疊統(tǒng)須家河組（局部）碎屑巖儲層測井?dāng)?shù)據(jù)圖。從圖2-b中可以看出，碎屑巖儲層T2譜及T1譜多峰特征明顯，并且縱向上譜峰形態(tài)變化頻繁，體現(xiàn)出較強(qiáng)的橫向及縱向非均質(zhì)性。二者在核磁共振測井響應(yīng)上的明顯差異反映了潮坪相白云巖儲層擴(kuò)散耦合效應(yīng)的顯著性。

3 潮坪相白云巖儲層T2擴(kuò)散耦合效應(yīng)

在巖性特征和鏡下孔隙特征分析的基礎(chǔ)上，對雷四上亞段6塊白云巖巖心進(jìn)行了核磁共振實(shí)驗(yàn)，觀察潮坪相白云巖儲層的擴(kuò)散耦合效應(yīng)，并分析不同物性巖心的擴(kuò)散耦合特征。6塊巖心樣品基本信息如表1所示。

表1 T2擴(kuò)散耦合效應(yīng)觀測白云巖巖心樣品基礎(chǔ)參數(shù)表

由于擴(kuò)散耦合效應(yīng)改變了核磁共振弛豫譜對孔隙半徑的表征機(jī)理，為了觀測擴(kuò)散耦合效應(yīng)對T2譜的影響程度，筆者采用了以下兩種方法：①觀測T2與采用其他方法得到的孔隙半徑的差異，分析白云巖儲層弛豫譜對孔隙結(jié)構(gòu)的表征能力；②觀測飽含水和離心條件下T2的差異，通過對比分析擴(kuò)散耦合效應(yīng)的顯著程度。

對于方法①，可以通過恒速壓汞得到的孔隙半徑，與核磁共振T2譜進(jìn)行對比。恒速壓汞采用極低的速度對巖心進(jìn)行驅(qū)替，通過壓汞過程中壓力漲落的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對孔隙和喉道的區(qū)分，并計(jì)算獲得孔隙、喉道半徑的頻率分布。核磁共振弛豫譜主要是對孔隙半徑而非喉道半徑的表征，這是因?yàn)楹舜殴舱袷且泽w積比例的形式反映巖石中的各類空間，雖然喉道控制了儲層的滲透性能，但由于其尺度遠(yuǎn)小于孔隙，總體積亦遠(yuǎn)小于孔隙，故在弛豫譜中僅以極低的比例占據(jù)短弛豫部分，容易與黏土礦物束縛水和微孔隙信號重疊，而占巖石內(nèi)部空間主體部分的孔隙構(gòu)成了弛豫譜主要的包絡(luò)范圍[10,23-25]，因此，其所表征的孔隙分布與恒速壓汞實(shí)驗(yàn)得到的孔隙半徑分布的物理意義是相同的，在不考慮擴(kuò)散耦合效應(yīng)的前提下，理論上兩者的分布應(yīng)有相似性。

對于方法②，分別測量得到飽含水條件及300 psi（1 psi=6.895 kPa，下同）離心條件下的巖心T2譜，并將兩者進(jìn)行對比；由于離心過程是將大孔隙中的可動(dòng)水離出巖心，小孔隙中的束縛水得以保留，因此，離心譜應(yīng)位于飽和譜的包絡(luò)范圍內(nèi)。

圖3為1—3號樣品的實(shí)驗(yàn)情況。首先對比恒速壓汞孔隙半徑與飽和條件下的T2分布。從圖3中可以看出，3塊巖心恒速壓汞孔隙半徑多呈現(xiàn)多峰或非對稱分布，且具有較寬的分布范圍，而飽和T2譜呈現(xiàn)出明顯的單峰、對稱分布，且T2區(qū)間很窄，與孔隙半徑差異很大。其次，對比飽和T2譜和離心T2譜發(fā)現(xiàn)，離心T2譜明顯向低值區(qū)方向超出了飽和譜的包絡(luò)范圍。以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象充分證實(shí)雷四上亞段白云巖儲層存在明顯的擴(kuò)散耦合效應(yīng)。

圖3 雷四上亞段白云巖樣品恒速壓汞孔隙半徑分布與核磁共振T2譜對比圖

以上實(shí)驗(yàn)主要針對來自特高孔、低滲儲層（非碎屑巖孔隙度不小于15%、氣測滲透率介于1.0～＜10.0 mD）的巖心。由于實(shí)驗(yàn)所用ASPE-730型恒速壓汞儀最大進(jìn)汞壓力僅為6.2 MPa[26-27]，對于低孔致密儲層，難以采用恒速壓汞實(shí)驗(yàn)求得孔隙半徑分布，因此，僅進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)，通過弛豫譜形態(tài)及飽和譜、離心譜差異的對比分析擴(kuò)散耦合效應(yīng)。

圖4為4～6號樣品的實(shí)驗(yàn)情況。從圖4可以看出，低—特低孔致密白云巖巖心樣品同樣呈現(xiàn)出近對稱單峰的特征，離心譜亦出現(xiàn)向低值區(qū)方向超出飽和譜包絡(luò)范圍的現(xiàn)象，因此，不論巖心物性的相對大小，擴(kuò)散耦合效應(yīng)在雷四上亞段白云巖儲層中普遍存在。

圖4 雷四上亞段白云巖樣品核磁共振T2弛豫譜圖

針對圖4，有兩個(gè)現(xiàn)象需要進(jìn)行額外說明：①4、5號樣在T2時(shí)間介于0.1～1.0 ms區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)譜峰，似乎使得其T2分布具有一定的雙峰特征。但通過和圖3對比發(fā)現(xiàn)，1、2、3號樣飽和譜該區(qū)間亦出現(xiàn)一定的信號量，且該范圍內(nèi)的孔隙度分量峰值（0.013%～0.019%）甚至大于4、5、6號樣在該范圍內(nèi)的孔隙度分量峰值（0.003%～0.008%）。只是由于1—3號巖心總孔隙度大，掩蓋了0.1～1.0 ms區(qū)間的信號強(qiáng)度，實(shí)際上這部分信號在不同物性的巖心中均普遍存在（微孔隙流體信號或極少量黏土礦物束縛水信號），但由于其對儲集性能無實(shí)際意義，在T2譜形態(tài)對比時(shí)無需作為參考；因此，可以認(rèn)為4、5號樣的T2主體部分仍呈單峰分布，仍是擴(kuò)散耦合效應(yīng)的一個(gè)重要體現(xiàn)。②4—6號樣離心譜向低值區(qū)方向的位移不如1—3號樣明顯，主要是因?yàn)槠淇紫抖群蜐B透率極低，離心后含水飽和度仍較高（69.6%～88.5%，1—3號樣離心后含水飽和度均約20.0%），由于離心出的水量很少，所以離心前后水在巖心中所賦存的孔隙半徑差別小，這是T2譜的位移程度小的主要原因。即便如此，該位移的存在足以說明擴(kuò)散耦合效應(yīng)在白云巖儲層中的普遍存在性。

4 潮坪相白云巖儲層T1擴(kuò)散耦合效應(yīng)

對于擴(kuò)散耦合效應(yīng)的觀測及分析，國內(nèi)外學(xué)者主要是針對T2域，極少有針對T1域的研究，主要是因?yàn)樽詮暮舜殴舱駵y井技術(shù)誕生到近十年來，一維核磁共振一直是核磁共振測井的主流技術(shù)，使用T2譜已經(jīng)能夠較好地表征儲層孔隙結(jié)構(gòu)。直到近年，T2—T1二維核磁共振技術(shù)的應(yīng)用，克服了差譜法、移譜法在復(fù)雜儲層流體分析時(shí)的多解性[28]，進(jìn)一步提升儲層評價(jià)的準(zhǔn)確度，但對于T1擴(kuò)散耦合的研究尚不充分。因此，還需要開展T1域擴(kuò)散耦合效應(yīng)的觀測工作，分析T1域與T2域擴(kuò)散耦合效應(yīng)的異同。

相對于橫向弛豫，巖石的縱向弛豫由體積弛豫和表面弛豫構(gòu)成，無擴(kuò)散弛豫，即計(jì)算巖石的T1時(shí)不包含式（1）中等號右邊的第3項(xiàng)[13]。巖石T1的計(jì)算式為：

式中T1表示巖石縱向弛豫時(shí)間，ms；T1B表示體積弛豫的縱向弛豫時(shí)間，ms；T1S表示表面弛豫的縱向弛豫時(shí)間，ms；ρ1表示縱向弛豫的表面弛豫強(qiáng)度，m/ms。

由于體積弛豫明顯慢于表面弛豫，因此，同T2一樣，巖石的T1主要受到表面弛豫的影響。

縱向弛豫強(qiáng)度ρ1一般小于橫向弛豫強(qiáng)度ρ2[29]，因此，碳酸鹽巖核磁共振的縱向弛豫更易產(chǎn)生擴(kuò)散耦合效應(yīng)。為觀測縱向弛豫的擴(kuò)散耦合效應(yīng)，選取雷四上亞段白云巖儲層不同物性條件下4塊巖心，分別在飽含水及多種不同的離心條件下進(jìn)行T2及T1實(shí)驗(yàn)。表2展示了各巖心的基礎(chǔ)資料及實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)，T2譜及T1譜見圖5。實(shí)驗(yàn)觀測到的現(xiàn)象為：①各巖心弛豫譜信號量達(dá)到峰值時(shí)的T1時(shí)間（橫坐標(biāo)）均略大于T2時(shí)間（橫坐標(biāo)），T1與T2的比值介于1～2；②4塊巖心的T2譜和T1譜均以單峰為主，其中巖心7、8、10號樣的弛豫譜及9號樣的T1譜呈現(xiàn)較典型（典型的單峰特征），僅有9號樣的T2譜呈現(xiàn)出弱雙峰特征；③7、8、10號樣的T2或T1離心譜均有不同程度的左移現(xiàn)象，其中物性最好的10號樣左移現(xiàn)象最明顯，而物性相對較差的9號樣離心譜的左移現(xiàn)象不明顯；④7、9號樣T1譜的單峰特征強(qiáng)于T2譜；⑤ 8、9 號樣在測完 100 psi、200 psi離心譜之后重新飽和測飽和譜，重新飽和譜與原始飽和譜重疊程度好。

表2 雷四上亞段白云巖巖心樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及不同離心力條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)表

圖5 雷四上亞段白云巖樣品不同離心力條件下核磁共振實(shí)驗(yàn)T2、T1譜圖

對于上述現(xiàn)象，經(jīng)分析得到以下結(jié)論：①從7、9號樣的T2譜和T1譜形態(tài)對比來看，T1譜單峰程度更高，可見T1譜的擴(kuò)散耦合效應(yīng)略強(qiáng)于T2譜，同時(shí)，T1和T2僅在兩塊孔隙度相對較低的巖心有較小的形態(tài)差異，而對于兩塊孔隙度相對較高的巖心，T1和T2譜無形態(tài)差異，說明T1的擴(kuò)散耦合程度與T2相比僅有量的差異而無質(zhì)的差異；②物性較好的3塊巖心均呈現(xiàn)出明顯—較明顯的擴(kuò)散耦合效應(yīng)，而物性相對較差的9號樣擴(kuò)散耦合效應(yīng)相對不明顯，證實(shí)了擴(kuò)散耦合效應(yīng)與物性的相關(guān)性，即物性越好，氫核在弛豫的同時(shí)更易在白云巖的不同孔隙之間發(fā)生擴(kuò)散，擴(kuò)散耦合效更明顯；③對于碳酸鹽巖巖樣離心譜相對于飽和譜左移這一現(xiàn)象，曾有學(xué)者認(rèn)為是由于離心力過大導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化造成的[30]，而筆者本次實(shí)驗(yàn)觀察到“離心譜相對于飽和譜左移，重新飽和譜相對離心譜右移”的現(xiàn)象，也證實(shí)了上述所謂“孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化”的結(jié)論不可靠。

5 沖洗帶殘余氣對潮坪相白云巖儲層二維核磁共振測井響應(yīng)的影響

在上述研究中，對巖心進(jìn)行離心處理，離心后巖心中僅存該離心條件下的束縛水，其余孔隙空間被非潤濕相流體所占據(jù)，由于空氣中幾乎不含氫原子，因此測得的離心譜實(shí)際上反映離心后僅存在于小孔隙中的潤濕相流體的賦存狀態(tài)。

在實(shí)際井眼環(huán)境下，由于核磁共振儀器探測深度淺[31]，其測井響應(yīng)反映沖洗帶的性質(zhì)，因?yàn)殂@井液濾液的侵入，儲層中實(shí)際的氣水分布與前述使用離心法模擬的氣水分布已有明顯不同：在鉆井前的原始狀態(tài)下，天然氣占據(jù)相對較大孔隙，地層水束縛在小孔隙中，而鉆井時(shí)鉆井液濾液優(yōu)先侵入較大孔隙，導(dǎo)致儲層中出現(xiàn)“地層水占據(jù)小孔隙、天然氣占據(jù)中等孔隙、鉆井液濾液占據(jù)大孔隙”的現(xiàn)象，當(dāng)然這是一種理想狀態(tài)，實(shí)際中地層水、天然氣、鉆井液濾液的分布受到孔隙與喉道配置關(guān)系的影響，分布比這種理想狀態(tài)更為復(fù)雜。

現(xiàn)有的國內(nèi)外研究中，主要對飽含水巖心使用離心法或驅(qū)替法模擬鉆井前的兩相分布狀態(tài)，進(jìn)而研究這種狀態(tài)下非潤濕相對于擴(kuò)散耦合效應(yīng)的影響[10,16]，尚未有鉆井液濾液侵入后，地層水、天然氣、鉆井液濾液3種流體復(fù)雜分布狀態(tài)對擴(kuò)散耦合效應(yīng)影響的研究先例。以下將結(jié)合實(shí)驗(yàn)及測井資料對這一情況進(jìn)行分析。

由于鉆井液濾液與地層水均為潤濕相，且核磁共振測井響應(yīng)幾乎不受礦化度的影響（礦化度極高或水中含有鐵、錳離子等特殊情況除外，本區(qū)域不存在這種情況），因此為簡化分析過程，可將鉆井液濾液與地層水視作同一種流體，則沖洗帶與飽含水狀態(tài)的主要區(qū)別便是在部分孔隙中有少量殘余氣的存在，由于這部分殘余氣更多占據(jù)中等孔隙，可能對水分子中氫核在大、小孔隙之間的擴(kuò)散造成干擾，進(jìn)而對白云巖擴(kuò)散耦合效應(yīng)產(chǎn)生影響。筆者將巖心核磁共振實(shí)驗(yàn)與儲層二維核磁共振測井響應(yīng)進(jìn)行對比，以探索這種影響是否存在及其影響程度。

天然氣中主要成分是甲烷，而甲烷中含有氫原子，和空氣不同的是甲烷對核磁共振有響應(yīng)。由于氣態(tài)流體屬于非潤濕相，且其黏度低、流動(dòng)性好，與水以表面弛豫為主不同，天然氣在T2域的弛豫過程明顯受擴(kuò)散弛豫影響，但由于縱向弛豫沒有擴(kuò)散弛豫機(jī)制，天然氣在T1域僅依靠體積弛豫，弛豫速度明顯減緩，故天然氣在T2—T1二維譜上呈現(xiàn)出“T2中等、T1高值”的特征，即其信號明顯偏離45°線，位于二維譜的上部居中位置。依靠這一特性，可以在二維譜圖中將天然氣與水區(qū)分，觀測沖洗帶中殘余氣對水信號分布的影響。

圖6-a為P115井核磁共振測井響應(yīng)圖，圖6-b、c為該井井深 6 331.30 m 和 6 332.40 m（測井深度）的二維核磁共振譜圖，這兩個(gè)深度點(diǎn)正好也是2號樣和3號樣的采樣深度。從圖6-b、c中可以看出，這兩個(gè)深度點(diǎn)沖洗帶殘余氣信號較明顯，而水信號呈現(xiàn)出多峰特征，這與圖3-b、c中所反映出的巖心飽和譜和離心譜的單峰特征存在明顯差異，其原因?yàn)椋孩賻r樣飽和譜呈現(xiàn)單峰主要是因?yàn)榇蟆⑿】紫哆B通好，擴(kuò)散耦合效應(yīng)程度強(qiáng)；②巖樣離心譜呈現(xiàn)單峰主要是因?yàn)殡x心后大孔隙中的水被離出巖樣，剩下的潤濕相流體分布較為規(guī)律——均束縛于較小孔隙中，加之一定程度擴(kuò)散耦合效應(yīng)的影響疊加，故仍然呈現(xiàn)單峰分布；③沖洗帶中潤濕相流體呈多峰分布主要是因?yàn)槟酀{濾液侵入的影響，其潤濕相流體分布比巖心由特定離心力離心后剩余的潤濕相流體分布復(fù)雜——小孔隙中存在水，大孔隙中亦存在水；由于天然氣占據(jù)一定比例的孔隙，影響了水中氫原子在不同尺度孔隙之間的擴(kuò)散，在一定程度上抑制了擴(kuò)散耦合效應(yīng)。鑒于碳酸鹽巖礦物的固有屬性，擴(kuò)散耦合效應(yīng)在碳酸鹽巖儲層中普遍存在，沖洗帶殘余氣僅會對此效應(yīng)產(chǎn)生一定程度的抑制，而不會阻止這種效應(yīng)的發(fā)生。龍門山前帶雷四上亞段白云巖儲層多口井進(jìn)行了二維核磁共振測井，經(jīng)過多口井資料的分析（圖7、表3），認(rèn)為上述結(jié)論具有普遍的適用性：當(dāng)鉆井液濾液侵入程度不高、沖洗帶存在較明顯的天然氣信號時(shí)，水信號多呈雙峰、多峰分布，而當(dāng)鉆井液濾液侵入程度高、沖洗帶無殘余氣信號時(shí)，水信號多呈單峰分布。

圖6 P115井雷四上亞段核磁共振測井解釋成果圖

圖7 部分井雷四上亞段白云巖儲層典型二維核磁共振譜圖

表3 部分井雷四上亞段白云巖儲層液相信號形態(tài)特征與沖洗帶殘余氣相關(guān)情況統(tǒng)計(jì)表

6 T2截止值法在碳酸鹽巖儲層中的適用性

由于擴(kuò)散耦合效應(yīng)的存在，一些在碎屑巖儲層中取得較好應(yīng)用效果的定量方法，在碳酸鹽巖儲層應(yīng)用時(shí)可能存在不確定性。下面以一個(gè)典型的定量參數(shù)（束縛水飽和度）為例，對其常用的確定方法（T2截止值法）的適用性展開探討。

T2截止值法是確定束縛水飽和度的一種重要方法。由于T2值與孔隙半徑呈正相關(guān)關(guān)系，而束縛水一般存在于小孔隙中，因此，假定存在一個(gè)T2時(shí)間，當(dāng)孔隙中流體的弛豫時(shí)間小于該值時(shí)，孔隙流體為束縛流體，反之，為可動(dòng)流體，這個(gè)T2時(shí)間即為T2截止值，使用這個(gè)截止值便可將流體劃分為束縛流體和可動(dòng)流體[32]。T2截止值的測定，一般是在實(shí)驗(yàn)室中通過巖心核磁共振離心譜和飽和譜標(biāo)定得到[9]。

對于碳酸鹽巖T2截止值的選取，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的工作，取值介于90～180 ms[33-37]：不同的油氣田，取值差異較大，同一油氣田的不同巖心，測得的T2截止值差異亦較大，主要差異包括且不限于以下兩種原因：①不同油氣田、不同儲層，巖性、儲集空間本身存在差異；②不同的實(shí)驗(yàn)，測量離心譜時(shí)離心力取值存在差異。前人在分析時(shí)并未考慮到擴(kuò)散耦合效應(yīng)的影響。若導(dǎo)致T2截止值差異大的原因確為以上兩點(diǎn)，則這一問題仍然有解決的辦法——即便不同油氣田、不同儲層的巖性、儲集空間存在差異，仍可以通過細(xì)分儲層類別、單獨(dú)求取各類儲層的T2截止值，并且在實(shí)驗(yàn)時(shí)固定使用一個(gè)合適的離心力，來達(dá)到使T2截止值盡可能收斂的目的。但實(shí)際上，由于擴(kuò)散耦合效應(yīng)的存在，上述手段往往無法達(dá)到理想的效果：擴(kuò)散耦合效應(yīng)導(dǎo)致大、小孔隙的信號耦合在一起，耦合程度受物性、殘余油氣含量等多種因素的影響，所以，即使對儲層類型、巖性進(jìn)行細(xì)分，也無法避免碳酸鹽巖儲層的核磁共振測井響應(yīng)失去對大、小孔隙準(zhǔn)確分辨的能力。因此，建議在碳酸鹽巖中不使用T2截止值法進(jìn)行束縛水飽和度求取。

7 結(jié)論與建議

1）擴(kuò)散耦合效應(yīng)在白云巖中普遍存在，其導(dǎo)致本具有較為復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的巖樣飽和T2譜傾向于呈現(xiàn)較為對稱的單峰分布，且離心譜易出現(xiàn)向左超出飽和譜包絡(luò)范圍的現(xiàn)象；擴(kuò)散耦合效應(yīng)強(qiáng)度與巖性、物性等因素有關(guān)。

2）飽含水白云巖巖樣T1/T2值略大于1，T1的擴(kuò)散耦合效應(yīng)略強(qiáng)于T2。

3）沖洗帶氣信號明顯的層段，擴(kuò)散耦合效應(yīng)受到抑制，二維譜中水信號多呈多峰分布；無明顯氣信號的層段，擴(kuò)散耦合效應(yīng)較強(qiáng)，二維譜中水信號多呈單峰分布。

4）鑒于擴(kuò)散耦合效應(yīng)的存在，建議在碳酸鹽巖中不使用T2截止值法進(jìn)行束縛水飽和度的求取。

5）不同的地區(qū)及儲層，擴(kuò)散耦合效應(yīng)的具體體現(xiàn)可能會存在差異，建議對其他地區(qū)擴(kuò)散耦合效應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)，可借鑒本研究的分析方法：先通過實(shí)驗(yàn)分析各因素對T2和T1擴(kuò)散耦合效應(yīng)的影響程度，然后結(jié)合實(shí)際測井資料，探索包括沖洗帶殘余氣等實(shí)驗(yàn)室較難模擬的因素對儲層擴(kuò)散耦合效應(yīng)程度的影響。

6）本文揭示了潮坪相白云巖儲層擴(kuò)散耦合效應(yīng)與巖石物性參數(shù)的關(guān)系，建議在今后的研究中充分利用巖心CT掃描等可反映巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法，并將其與恒速壓汞孔隙半徑、核磁共振弛豫譜等資料緊密結(jié)合，以探索擴(kuò)散耦合效應(yīng)對核磁共振弛豫譜表征孔隙結(jié)構(gòu)能力影響程度的定量校正方法。