核磁共振測井流體識別及擴(kuò)散分析方法

張嘉偉 賽 芳 宋公仆

（中海油田服務(wù)股份有限公司油技研究院，中國 北京101149）

0 引言

核磁共振測井技術(shù)作為一項新興技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場測井作業(yè)中。其可以直接測量地層流體的氫原子信息，獲取地層孔隙度、滲透率等重要信息。同時可利用核磁共振獲取地層流體的T2譜分布曲線，進(jìn)行流體識別及擴(kuò)散效應(yīng)，便于快速判斷地層流體的相關(guān)特性。同時核磁共振能夠進(jìn)行粘土束縛水、毛管束縛水、可動流體特性判斷[1]。

1 核磁共振測井技術(shù)

1.1 核磁共振物理參數(shù)計算

核磁共振測井儀器采集的原始數(shù)據(jù)是地層中的回波串信息。孔隙度、滲透率、束縛水、可動水、流體類型等信息全部包含在回波串中。從回波串到巖石物理及流體特性的獲取，需要經(jīng)過一個基本的處理，即由回波串的多指數(shù)擬合得到包含回波串的全部信息的T2分布，如下式（1）所示。

式（1）中，Ai：與第i個T2時間相對應(yīng)的信號幅度，刻度后成孔隙度單位；T2：T2 組分（bin）或區(qū)間；n：劃分的 T2 組分個數(shù)。

不同的流體以及相同流體的不同賦存狀態(tài)會有不同的T2值。通常粘土束縛水的T2值很短，自由流體的T2值較長，而毛管束縛水的T2值介于粘土束縛水與自由流體之間。因此，根據(jù)粘土束縛水與毛管束縛水之間、毛管束縛水與可動流體之間的兩個截止值，可以把一個完整的T2分布分解成粘土束縛水、毛管束縛水與可動流體三部分[2]。巖石物理參數(shù)的計算如下：

核磁共振總孔隙度：全部T2分布的積分面積：

核磁共振有效孔隙度：大于4ms的T2分布的積分面積：粘土束縛水含量：小于4ms的T2分布的積分面積：

毛管束縛水含量：大于4ms小于T2截止值的T2分布的積分面積：

可動孔隙度為：FFI=MPHI-MBVI （6）

核磁共振滲透率有兩種計算方法：Coates模型和SDR模型：

Coates模型也稱自由流體模型，其滲透率（K）的最簡單形式由下式給出：

上式（7）中系數(shù)C是一個變量，一般默認(rèn)取10，它取決于地層的沉積過程，對每種地層都是不同的。經(jīng)驗表明，Coates模型比平均T2模型更靈活，通過恰當(dāng)?shù)膸r心刻度，Coates模型已經(jīng)成功地應(yīng)用與不同的地層和儲層。只要MBVI不含任何烴的貢獻(xiàn)，就不受其他流體相，如油和油的濾液的影響。當(dāng)分析含烴地層時這一點非常重要。

在未沖洗的含氣層，由于含氫指數(shù)低，Coates公式中的MPHI可能太低了。這樣MPHI就必須要校正，或者使用其他的孔隙度值。在較高的地層壓力條件下，含有較高殘余氣飽和度的地層，其SBVI和CBVI值較高，使?jié)B透率太低。重油的T2值通常都很短，也被認(rèn)為是BVI，使?jié)B透率值變小。

SDR模型（平均T2）模型由下式給出：K=a*T2gm2MPHI4（8）

式（8）中T2gm是T2分布的幾何平均值，就像Coates模型中一樣，數(shù)值a只是一個與地層的類型有關(guān)的系數(shù)。經(jīng)驗表明，SDR模型對只含水的地層應(yīng)用效果好，當(dāng)?shù)貙雍突蛴偷臑V液時，平均T2就向自由流體T2偏移，這樣估算的滲透率不準(zhǔn)確。在原狀氣層，相對于沖洗過的氣層T2平均值太低，滲透率偏低。由于烴對T2gm的影響不可校正，因此SDR模型在含烴層不適用。

1.2 流體識別

核磁共振數(shù)據(jù)可以單獨分析也可以結(jié)合常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)核磁共振資料單獨解釋時，可以提供孔隙度、滲透率以及侵入帶的流體類型和流體飽和度的全部信息。有兩種計算模型可以用于核磁數(shù)據(jù)的獨立分析：TDA模型和擴(kuò)散分析模型（DIFAN）[3]。它可以在數(shù)據(jù)采集期間使用，為檢測稠油提供有價值的信息。

1.2.1時序分析方法（TDA）

TDA方法依賴于不同流體的極化率或T1弛豫時間的不同。氣和輕質(zhì)油（粘度小于5mPa·s）的T1通常比水的T1要長得多。時域分析可提供：沖洗帶流體類型；含氣層校正后的核磁共振孔隙度（如果無這一校正，由于氣的長T1和低含氫指數(shù)，核磁共振數(shù)據(jù)將低估孔隙度）；含輕質(zhì)油儲層的校正后核磁共振孔隙度；僅使用核磁共振數(shù)據(jù)對沖洗帶全部流體飽和度的分析[4]。下圖1是TDA方法的原理：

圖1 TDA時域分析

TDA的方法是利用將長短TW時間獲取的原始回波串首先進(jìn)行相減處理，然后對相減的回波進(jìn)行T2譜的反演運算，從而得出T2譜的差譜圖，來進(jìn)行流體識別。

1.2.2 擴(kuò)散分析

擴(kuò)散分析取決于流體類型和油之間的擴(kuò)散差異，油的粘度范圍在0.5-35mPa·s間，且溫度和壓力至少為200°F和2000 psi。擴(kuò)散弛豫的產(chǎn)生是由于核磁儀器的梯度磁場引起。核磁儀器的T2譜有如下關(guān)系：

式(9)中Tint是流體本征固有弛豫時間；C反映的是擴(kuò)散和磁旋動力的組合效應(yīng)，磁旋動力與梯度磁場中直接回波和受激回波的混合有關(guān)。γ為氫原子的旋磁比系數(shù)，G為磁場梯度，TE為回波間隔，D為流體擴(kuò)散系數(shù)。一個確定的作業(yè)中，除TE外上式中所有參數(shù)都是常數(shù)。利用式（9）特性可以進(jìn)行移譜分析，但是樣品必須處于梯度磁場的情況下進(jìn)行測試。在地層流體由水和中等粘度油組成的情況下，水的擴(kuò)散系數(shù)是中等粘度油的10倍，當(dāng)增加TE時，擴(kuò)散過程使水的T2值減小，且比油的T2值減小數(shù)量要大。因此，選擇長、短T2值（TEL和TES），使得用TEL測得的水和油的T2值相對于TES測量值減小，就可以在T2分布上區(qū)分水和油。比較油TEL和TES確定的T2分布可以證實存在由擴(kuò)散引起的水和油的T2值的相對偏移，這種方法是核磁共振中常用的移譜分析法。

1.2.3 定量擴(kuò)散分析（DIFAN）

定量擴(kuò)散分析的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停谠S多油田已得到成功應(yīng)用。該方法要解決以下問題：使用TDA時，沒有足夠的T1差異；使用簡單的雙TE的移譜時，擴(kuò)散差異很小。它利用擴(kuò)散現(xiàn)象引起的不同流體的不同T2數(shù)值偏移，定量提供含水和含烴孔隙度[5]。DIFAN利用雙TE測井采集的兩種回波串，反演得到相應(yīng)的T2分布。計算這兩個T2分布中自由流體部分的T2幾何平均值，分別稱為T2L和T2S。這兩個均值又通過下面兩式與擴(kuò)散參數(shù)發(fā)生聯(lián)系：

由于 T2S，T2L，TES，TEL，G，γ 和 C 是已知的，這兩個等式就可以同時求解得到T2int和Da。這兩個等式的解又用來構(gòu)建一個T2int和Da/Dw的交會圖，如下圖2所示，從這個圖上可以確定Swa，從而計算Sw。

圖2 1/T2int和Da/Dw的交會圖

在確定點（Da/Dw，1/T2int）之前，要構(gòu)建 Swa=100%和 Swa=0線。為了做到這一點，必須知道Dw、Do和T2Bulk,Oil。Swa=100%的線形成了含水飽和度和地層數(shù)據(jù)點的上邊界，這條線通過體積水點（Da/Dw=1）。經(jīng)驗結(jié)果將這條線的1/T2int的截距置于0.04-1ms，或T2int=25ms。對于大多數(shù)含烴地層來說，由于飽和度的變化主要是Da/Dw的函數(shù)，因此，這一截距的準(zhǔn)確位置不重要。為了確定Swa=0線，認(rèn)為地層是在束縛水條件下，自由流體就是油，使得在儲層條件下T2int等于T2Bulk,Oil，Da 等于 D。 這樣，點（Do/Dw，1/T2Bulk,Oil）將在 Swa=0 線上，且此線應(yīng)與Swa=100%線平行。為了畫出0和100%線之間的Swa，在0和100%線之間構(gòu)建等間距的與0和100%Swa線平行的直線。因此，在某一深度計算了T2int和Da之后，點（Do/Dw，1/T2int）就可以畫出，Swa也就從交會圖上確定下來。Sw也就可以由下式(12)計算出來。將得出的實際Sw參數(shù)后，通過圖2利用圖版得出流體的定量擴(kuò)散特性，從而有效進(jìn)行相關(guān)流體識別[6]。

2 結(jié)束語

核磁共振測井技術(shù)推出到現(xiàn)場實際測井應(yīng)用是在20世紀(jì)90年代開始，經(jīng)過了二十多年的技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)逐漸成熟且被現(xiàn)場廣泛應(yīng)用。核磁共振測井技術(shù)提出了另外一種測量地層孔隙度及滲透率的方法，明顯區(qū)別于常規(guī)中子、密度測井所獲取的孔隙度計算方法，且在測量過程中不帶放射性源，因此被現(xiàn)場廣泛使用。利用核磁共振測井技術(shù)進(jìn)行地層流體識別及擴(kuò)散效應(yīng)分析的方法目前在現(xiàn)場實際測試中已經(jīng)被廣泛采用。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，利用核磁共振技術(shù)進(jìn)行流體更加精細(xì)的識別前景將會越來越光明。

［1］George Coates,肖立志,Manfred Prammer,核磁共振測井原理與應(yīng)用[M].孟繁瑩,譯.北京：石油工業(yè)出版社,2007.

［2］邵維志,莊升,丁娛嬌.一種新型核磁共振測井儀——MREx[J].石油儀器,2004.

［3］肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,1998.

［4］肖立志.核磁成像測井[J].測井技術(shù),1995,19(4)：284-293.

［5］肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,1998.