复杂流体储层核磁共振测井孔隙度影响因素

中国科学D辑:地球科学2008年第38卷增刊Ⅰ:191~196复杂流体储层核磁共振测井孔隙度影响因素谢然红①,肖立志①*,王忠东②,邓克俊①①中国石油大学(北京)资源与信息学院,油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京)),北京102249;②辽河石油勘探局测井公司,盘锦124011*E-mail:[e-mail]收稿日期:2007-04-20;接受日期:2008-01-25国家自然科学基金项目(批准号:90510004,40674075)和中国石油天然气集团公司应用基础研究项目(编号:06A30202)资助摘要孔隙度是评价储层的基本参数,核磁共振测井是确定储层孔隙度的有效方法.但是,实践中也发现复杂流体储层核磁共振测井孔隙度与地层实际孔隙度存在较大差异,影响了核磁共振测井的应用效果.根据含复杂流体储层的核磁共振测井孔隙度响应方程,分别从流体的纵向弛豫时间、横向弛豫时间、含氢指数以及井眼环境等方面系统研究了影响核磁共振测井孔隙度的各种因素,给出了各因素的影响规律及校正方法,为提高复杂流体储层核磁共振测井孔隙度的应用效果以及发展适合陆相地层核磁共振孔隙度测量方法提供理论基础与实验依据.关键词核磁共振测井复杂流体储层孔隙度影响因素核磁共振(NMR)测井利用自旋回波脉冲序列,通过对地层孔隙流体中氢核NMR信号的观测,获得用于地层评价所需的孔隙度,与常规确定地层孔隙度的测井方法(中子、密度和声波)相比,NMR测井具有独特优势.目前在海相沉积或泥质含量少、分选好的陆相沉积水层,NMR测井可以提供准确的孔隙度[1~5].但是,在含轻烃和/或稠油储层,NMR测井孔隙度与地层实际孔隙度存在较大差异[6,7],影响了NMR测井的应用效果,因此有必要研究复杂流体储层NMR测井孔隙度的各种影响因素.本文根据复杂流体储层的NMR测井孔隙度响应方程,系统分析了流体的纵向弛豫时间、横向弛豫时间、含氢指数以及井眼环境对NMR孔隙度的影响规律,提高复杂流体储层NMR测井孔隙度的应用效果.1NMR测井孔隙度响应方程NMR测井响应与常规测井响应有本质的区别,常规测井响应的基础是岩石体积物理模型,模型中岩石骨架和孔隙流体对测井响应值的贡献都很大.NMR测井是一种定域观测,只有灵敏区内孔隙流体中的氢核被观测到,其每次测量包括磁化和回波串采集两个独立的过程[8,9].假设地层亲水,若孔隙中含有水、轻质油及天然气,不同孔隙中的水其磁化和回波串衰减速率不同,服从多指数规律;轻质油的磁化和回波串衰减通常服从单指数规律;天然气总是非润湿相,其磁化和回波串衰减服从单指数规律.磁化阶段得到的总磁化量为[10]:0110011()1exp1exp1exp,nwiwiiogogtMtMTttMMTT=⎡⎤⎛⎞=−−⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦⎡⎤⎛⎞⎡⎤⎛⎞+−−+−−⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎢⎥⎝⎠⎣⎦⎝⎠⎣⎦∑(1)采集阶段得到的自旋回波串是多种流体组分、多种横向弛豫分量共同贡献的结果[10]:谢然红等:复杂流体储层核磁共振测井孔隙度影响因素19221()()expnwiWwiitEchotMTT=⎛⎞=⋅−⎜⎟⎝⎠∑22()exp()exp,oWgWogttMTMTTT⎛⎞⎛⎞+⋅−+⋅−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠(2)方程(1)中的T1wi和方程(2)中T2wi分别表示第i种孔隙中水的纵向弛豫时间和横向弛豫时间,T1o和T2o分别表示油的纵向弛豫时间和横向弛豫时间;T1g和T2g分别表示天然气的纵向弛豫时间和横向弛豫时间;Mwi(TW),Mo(TW),Mg(TW)分别表示等待时间为TW时,水的各组分的磁化量,油的磁化量和气的磁化量.下面分别讨论孔隙中只含水,含水和轻烃以及含水和稠油时的NMR测井孔隙度响应方程.1.1孔隙中只含水当地层孔隙中只含水时,方程(1)和(2)中只有第一项.将采集到的自旋回波串对应零时刻的信号强度刻度为地层的NMR孔隙度[10]:NMR111exp,nφφ=⎡⎤⎛⎞=−−⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦∑(3)式中,HIw为水的含氢指数,一般为1;wiφ为第i种孔隙的含水孔隙度;T1wi为第i种孔隙中水的纵向弛豫时间;TW为磁化时间(也称等待时间).由于弛豫机制和弛豫速度的差异,不同大小孔隙中的水将有不同的弛豫速度,通过一定的观测模式和数据处理方法[5,11],可以把泥质束缚水、毛管束缚水、可动水等各部分区分开.1.2孔隙中含有水和轻烃对于孔隙中含有水和轻烃的地层,刻度后地层的NMR孔隙度为[10]:NMR11111exp1exp1exp,nφφφφ=⎡⎤⎛⎞=−−⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦⎡⎤⎛⎞⎡⎤⎛⎞+−−+−−⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎢⎥⎝⎠⎣⎦⎝⎠⎣⎦∑(4)式中,φwi为第i种孔隙的含水孔隙度;φo为含油孔隙度;φg为含气孔隙度;T1wi为第i种孔隙中水的纵向弛豫时间;T1o为轻质油的纵向弛豫时间;T1g为天然气的纵向弛豫时间;HIw,HIo和HIg分别为水、轻质油和天然气的含氢指数.1.3孔隙中含有水和稠油若地层中含有水和稠油,由于稠油是各种组分的混合物,其磁化和回波串衰减均服从多指数规律,方程(1)和(2)中的第二项变为多组分的求和形式,此时刻度后地层的NMR孔隙度为[10]:NMR111expnφφ=⎡⎤⎛⎞=−−⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦∑111exp,pWoojojjTHITφ=⎡⎤⎛⎞+−−⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦∑(5)式中,φwi为第i种孔隙的含水孔隙度;φoj为稠油的第j种组分的孔隙度;T1wi为第i种孔隙中水的纵向弛豫时间;T1oj为稠油的第j种组分的纵向弛豫时间;HIw和HIo分别为水和稠油的含氢指数.2NMR测井孔隙度影响因素2.1纵向弛豫时间核磁共振测井时,基本要求是要有足够长的等待时间使得氢核完全磁化,一般选取等待时间TW(3~5)·T1max.但是,当地层岩石颗粒较粗,表面弛豫强度很小时,则大孔隙水的纵向弛豫时间就会很长,此外地层中的轻质油和天然气的纵向弛豫时间通常也很长,这些都要求测井时需要较长的等待时间TW,通常在10s以上[12].当测速较快,等待时间TW不够长时,具有长的纵向弛豫时间的可动流体部分不能完全恢复,得不到全部的孔隙流体信号,导致NMR孔隙度减小.通常在数据处理时引入极化因子(1−exp(−TW/T1)),如方程(3)~(5)中的系数,对等待时间TW不够引起的NMR孔隙度减小进行校正.2.2横向弛豫时间2.2.1粘土束缚水横向弛豫时间陆相碎屑岩储层中常见的粘土矿物有蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石、伊/蒙间层和绿/蒙间层等[13],粘土束缚水的NMR横向弛豫时间T2很小,可以从0.1ms变化到16ms[12].目前哈里伯顿核磁共振测井仪器(MRIL-P型)的最小回波间隔TE为0.6ms,探测不到部中国科学D辑:地球科学2008年第38卷增刊Ⅰ193分粘土束缚水的信息,造成NMR孔隙度小于地层实际孔隙度.图1为饱和水的泥质砂岩样品在不同回波间隔下实验得到的NMR孔隙度与常规孔隙度的对比图,可以看出回波间隔越大,NMR孔隙度与常规孔隙度误差越大.当回波间隔小于0.35ms时,NMR孔隙度与常规孔隙度一致性很好,建议NMR测井仪器测量回波间隔取0.3ms.图1不同回波间隔下,核磁共振孔隙度与常规孔隙度的对比◆TE=0.35ms;○TE=0.6ms;▲TE=0.9ms;□TE=1.2ms2.2.2固体沥青横向弛豫时间固体沥青的横向弛豫时间T2很短,一般小于0.1ms,目前的NMR测井仪器探测不到沥青中的氢核,使得含沥青的地层NMR孔隙度偏小.常规中子测井能够测量到含沥青和水的孔隙,可以将中子测井与NMR测井组合估计地层中的沥青含量[12].2.2.3地层中存在顺磁物质时横向弛豫时间陆相沉积地层中常含有顺磁性物质,顺磁物质的存在一方面使得横向表面弛豫强度ρ2增大,另一方面造成岩石颗粒与孔隙流体之间磁化率有很大差异,产生内部磁场梯度(G)[14~18],这两种情况都会极大的减小地层孔隙流体的横向弛豫时间T2,结果一些具有很短T2弛豫时间的组分衰减很快,由于NMR仪器死时间的限制,探测不到这部分信号,造成NMR孔隙度减小.图2给出了7块Fe3O4含量不同的人造石英砂岩NMR孔隙度与常规气测孔隙度的对比,可以看出随着岩样中Fe3O4含量的逐渐增加,NMR孔隙度呈明显的减小趋势,NMR孔隙度与气测孔隙度之间的偏差越来越大,当Fe3O4的含量达到6%时,测得的NMR孔隙度基本为零.陆相沉积碎屑岩若含有较多的变质岩成分,由于变质岩磁化率高,造成NMR孔隙度小于地层的实际孔隙度.图2顺磁物质含量对核磁共振孔隙度的影响◇核磁孔隙度;■常规孔隙度2.3含氢指数2.3.1水的含氢指数一般水的含氢指数为1,但当地层水矿化度很高时,大量溶解盐的存在会使水的含氢指数明显减小,图3给出了NaCl盐水的含氢指数随矿化度的变化关系,可以看出,当NaCl盐水矿化度较小(小于50g/L)时,含氢指数近似为1.而当矿化度很高时,含氢指数随矿化度的变化关系为:图3盐水的含氢指数随矿化度的变化关系谢然红等:复杂流体储层核磁共振测井孔隙度影响因素194HIw=1.0−0.0003×SAL,(6)式中,SAL为盐水的矿化度(g/L).2.3.2轻烃的含氢指数对于含轻烃的亲水地层,当等待时间TW足够长时,即TW(3~5)max(T1wi,T1o,T1g).方程(4)可简化为:NMRwwooggHIHIHIφφφφ=×+×+×(),wwooggHISHISHISφ=×+×+××(7)式中,φ为地层的实际孔隙度.根据油、气、水各项的饱和度之和为1,水的含氢指数HIw近似为1,轻质油的HIo≤1,气的HIg≤1,则φNMRφ,利用NMR测井评价含轻烃的地层,求出的NMR孔隙度会偏小,需要做含氢指数校正.,awwooggHIHISHISHIS=×+×+×(8)校正后的孔隙度为:corNMR.aHIφφ=(9)表1给出了4块岩样在常温35℃下,饱和含氢指数为0.87的轻质油时,进行含氢指数校正前后的NMR孔隙度的对比结果.2.3.3稠油的含氢指数稠油由于含有大量的重组分[7,19],含氢指数较低,且随温度的变化而变化(如图4所示),造成NMR孔隙度比地层实际孔隙度低很多,必须进行含氢指数校正.当等待时间TW足够长时,方程(5)简化为:NMR(),wwoowwooHIHIHISHISφφφφ=×+×=×+××(10)图4稠油的含氢指数随温度的变化关系校正后的核磁孔隙度为:NMR().corwwooHISHISφφ=×+×(11)图5为某油田一个稠油储层未校正NMR孔隙度、校正后的NMR孔隙度与地层实际孔隙度的比较.图5稠油储层未校正NMR孔隙度、校正后NMR孔隙度与地层实际孔隙度的比较◆地层实际孔隙度;□未校正NMR孔隙度;▲校正后的NMR孔隙度2.4井眼环境2.4.1扩径哈里伯顿核磁共振测井仪的探测区域是一个可以预先知道的固定形状,井眼、泥饼等只要不在探测区域中,理论上就不会对观测结果产生影响.但是当井眼扩径严重(图6),井径大于35cm,或仪器高度偏心,核磁共振测得的回波信号会受到井眼泥浆信号的影响,造成NMR孔隙度大于地层真实孔隙度,此时NMR测井资料失真,这种情况参考井径曲线可以很容易识别出扩径段.2.4.2井眼温度随着井眼温度的升高,井下NMR仪器磁体温度升高,由永久磁铁产生的静磁场强度Bo会减弱,探测中国科学D辑:地球科学2008年第38卷增刊Ⅰ195表1含氢指数校正前后的核磁共振孔隙度的比较岩样编号岩样常规孔隙度/%含油饱和度/%校正前孔隙度/%校正前孔隙度绝对误差/%HIa校正后孔隙度/%校正后孔隙度绝对误差/%120.0711.4019.550.520.98519.850.22214.9840.7313.881.100.9