基于巖石物理實(shí)驗(yàn)束縛水飽和度約束的T2,cutoff優(yōu)化方法

孫佩,崔式濤,張霞,李楠,曹先軍,郭紅梅

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司,陜西西安710077;2.中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠開發(fā)研究所,河南南陽(yáng)457001;3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710077)

0 引 言

核磁共振測(cè)井技術(shù)不僅為測(cè)井解釋提供準(zhǔn)確的儲(chǔ)層參數(shù),還提高了測(cè)井對(duì)孔隙流體的分辨能力,同時(shí)也為測(cè)井解釋研究孔隙結(jié)構(gòu)提供了一種有效方法。巖心實(shí)驗(yàn)分析是核磁共振測(cè)井質(zhì)量控制、資料處理解釋與地質(zhì)應(yīng)用的基礎(chǔ)。但是實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量環(huán)境、儀器精度及測(cè)量對(duì)象等均與測(cè)井有著較大區(qū)別,測(cè)井人員一般直接使用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)標(biāo)定核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)或者在認(rèn)識(shí)到兩者差異的情況下直接使用測(cè)井經(jīng)驗(yàn)值[1-3],目前沒有查到有文獻(xiàn)考慮兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn),核磁共振巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果與測(cè)井測(cè)量的T2譜差異較大,核磁共振實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果用于標(biāo)定核磁共振測(cè)井,基于巖石物理的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于核磁共振測(cè)井中,是利用核磁共振測(cè)井資料準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

圖1 水層核磁共振測(cè)井與巖石物理實(shí)驗(yàn)T2譜較一致的對(duì)比圖

1 核磁共振巖石物理實(shí)驗(yàn)及核磁共振測(cè)井測(cè)量參數(shù)對(duì)比

1.1 測(cè)量參數(shù)

核磁共振巖石物理分析數(shù)據(jù)及核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分別來源于MARAN DRX2 S02605核磁共振測(cè)量?jī)x和中國(guó)市場(chǎng)上廣泛使用的居中型核磁共振測(cè)井儀。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行核磁共振測(cè)量時(shí)針對(duì)不同的地層設(shè)計(jì)了不同的采集參數(shù)(見表1),現(xiàn)場(chǎng)核磁共振測(cè)井相關(guān)的采集模式及參數(shù)見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)室核磁共振測(cè)量參數(shù)表

表2 對(duì)比井核磁共振測(cè)井采集模式及參數(shù)表

1.2 核磁共振巖石物理實(shí)驗(yàn)與核磁共振測(cè)井結(jié)果對(duì)比

1.2.1水層巖石物理實(shí)驗(yàn)T2譜與核磁共振測(cè)井T2譜關(guān)系

研究中實(shí)際收集與分析的與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)匹配的巖心樣品122塊,由于大部分樣品對(duì)應(yīng)的深度為含油儲(chǔ)層,核磁共振測(cè)井測(cè)量對(duì)象與巖石物理實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的飽和鹽水樣品所有不同,因此,研究?jī)烧叩年P(guān)系需要建立在含烴校正的基礎(chǔ)上,而目前還沒有成熟的含烴校正方法,所以對(duì)其中來自5口井的水層所對(duì)應(yīng)的17個(gè)樣品/點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。將這17個(gè)樣品進(jìn)行深度歸位后,分別抽取測(cè)井T2譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,以實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的孔隙度分量為標(biāo)準(zhǔn)將核磁共振測(cè)井資料進(jìn)行歸一化(以同一深度實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的T2譜累計(jì)曲線的最大值作為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)測(cè)井T2譜進(jìn)行乘系數(shù)校正使其T2譜累計(jì)值與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的一致),并繪制在同一圖版中(見圖1、圖2)。同時(shí),對(duì)巖石物理實(shí)驗(yàn)與測(cè)井T2譜的定量特征參數(shù)及主峰位置與幾何均值之間關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見圖3、圖4)。可以看出:①17個(gè)樣品/點(diǎn)中,12個(gè)樣品/點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與測(cè)井T2譜形態(tài)一致或接近(見圖1),被截?cái)嗟螒B(tài)和巖石物理實(shí)驗(yàn)T2譜接近的將測(cè)井T2譜也看做一致,所占比例為70.6%;②5個(gè)(所占比例為29.4%)樣品/點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與測(cè)井T2譜形態(tài)完全沒有相似性(見圖2),其差異主要包括譜展布寬度、開度、峰個(gè)數(shù)、歪度等;③無論形態(tài)接近與否,17個(gè)點(diǎn)的測(cè)井T2譜展布范圍和主峰位置相對(duì)于巖石物理T2譜出現(xiàn)明顯的右偏,導(dǎo)致測(cè)井T2譜主峰位置與幾何均值普遍偏大;圖4中有3個(gè)點(diǎn)測(cè)井T2譜幾何均值比實(shí)驗(yàn)室T2譜幾何均值偏小,是因?yàn)闇y(cè)井T2譜測(cè)量信息僅到2 048 ms,沒有測(cè)量到完整的T2譜[見圖1(a)]。

圖2 水層核磁共振測(cè)井與巖石物理實(shí)驗(yàn)T2譜不一致的對(duì)比圖

圖3 水層核磁共振測(cè)井與巖石物理實(shí)驗(yàn)T2譜主峰位置之間對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 水層核磁共振測(cè)井與巖石物理實(shí)驗(yàn)T2譜幾何均值之間對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2.2巖石物理實(shí)驗(yàn)與核磁共振測(cè)井差異導(dǎo)致的應(yīng)用問題

兩者之間差異影響因素,前人總結(jié)為4個(gè)方面:測(cè)量的儀器和參數(shù)差異、測(cè)量環(huán)境差異、測(cè)量對(duì)象差異及數(shù)據(jù)處理方法的差異[4-6]。無論是哪種因素導(dǎo)致的差異,都會(huì)導(dǎo)致直接將巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接用于核磁共振測(cè)井時(shí)產(chǎn)生如下問題:①T2,cutoff選擇不準(zhǔn)確、束縛水飽和度、滲透率等參數(shù)計(jì)算的不準(zhǔn)確;②偽毛細(xì)管壓力曲線轉(zhuǎn)換精度低;③三孔隙度組分評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)、產(chǎn)能預(yù)測(cè)精度低。

2 巖石物理實(shí)驗(yàn)束縛水飽和度約束下T2,cutoff優(yōu)化

2.1 核磁共振巖石物理實(shí)驗(yàn)束縛水飽和度的精度

2.1.1束縛水與不動(dòng)水

根據(jù)束縛水飽和度的定義,從滲流的角度講,束縛水是絕對(duì)不能流動(dòng)的。而生產(chǎn)中的束縛水是指在生產(chǎn)壓差條件下不能流動(dòng)的水,毛志強(qiáng)等[7]將其稱之為不動(dòng)水。不動(dòng)水與束縛水之間往往存在差異,差異主要來自于儲(chǔ)層中存在的毛細(xì)管滯留水,其在增大生產(chǎn)壓差時(shí)可以流動(dòng),在實(shí)際生產(chǎn)中做不到很大的壓差。因此,儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與測(cè)井解釋所關(guān)注的束縛水不是真正意義的束縛水,而是不動(dòng)水。本文提到的束縛水飽和度即不動(dòng)水飽和度,嚴(yán)格意義上的束縛水飽和度文中稱之為理論束縛水飽和度。

2.1.2束縛水飽和度測(cè)量方法

束縛水飽和度實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的方法主要有壓汞毛細(xì)管壓力法、核磁共振法及常規(guī)稱重法。

(1)壓汞毛細(xì)管壓力法測(cè)量束縛水飽和度,是通過不斷增加驅(qū)替壓力使進(jìn)汞飽和度趨向一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值,一般認(rèn)為這個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值可反映束縛水飽和度。嚴(yán)格意義上,需要將氣汞兩相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到水油或水氣兩相體系下,才能獲得束縛水飽和度,而O’Meara等[8]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的油水兩相驅(qū)替的毛細(xì)管壓力曲線與壓汞法毛細(xì)管壓力曲線潤(rùn)濕相最小飽和度基本一致,只是壓力存在一定差異。因而,生產(chǎn)中一般直接用最小非汞飽和度代表儲(chǔ)層束縛水飽和度。在高壓壓汞實(shí)驗(yàn)中,驅(qū)替壓力較大,可達(dá)到180 MPa左右,遠(yuǎn)高于一般儲(chǔ)層壓力(按儲(chǔ)層埋深5 000 m計(jì)算,對(duì)應(yīng)的地層壓力一般在50 MPa)和實(shí)際生產(chǎn)壓差,其測(cè)量最小非汞飽和度可認(rèn)為是理論束縛水飽和度,一般小于實(shí)際生產(chǎn)的束縛水飽和度。

(2)核磁共振法通過測(cè)量離心后核磁共振孔隙度分量與飽和鹽水孔隙度分量之比來計(jì)算束縛水飽和度。由實(shí)驗(yàn)室核磁共振測(cè)量方法可知,束縛水飽和度的精確測(cè)量依賴于2個(gè)因素:離心壓力、核磁共振儀器的測(cè)量精度。離心壓力與轉(zhuǎn)速相關(guān),而核磁共振儀器的測(cè)量精度則受到多方面因素影響,如儀器本身測(cè)量精度、實(shí)驗(yàn)工藝與流程、測(cè)量環(huán)境及數(shù)據(jù)處理方法。本文中所使用核磁共振巖石物理數(shù)據(jù)均在符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的條件下進(jìn)行測(cè)量,可排除工藝與流程、測(cè)量環(huán)境及數(shù)據(jù)處理方法方面差異的影響。

根據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY T5346—2005巖石毛細(xì)管壓力曲線測(cè)定》,離心壓力差也就是毛細(xì)管壓力計(jì)算公式為

(1)

式中,pci為巖樣驅(qū)替毛細(xì)管壓力,MPa;L為巖樣長(zhǎng)度,cm;Re為巖樣的外旋轉(zhuǎn)半徑,cm;Δρ為兩相流體密度差,g/mL;n為離心機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min。本文中離心機(jī)外旋轉(zhuǎn)半徑為8.8 cm,巖樣平均長(zhǎng)度4 cm,氣水兩相密度差1 g/mL,離心機(jī)轉(zhuǎn)速11 000 r/min,換算成毛細(xì)管壓力為3.61 MPa。該壓力遠(yuǎn)低于高壓壓汞使用的驅(qū)替壓力,因此束縛水遠(yuǎn)達(dá)不到理想狀態(tài),核磁共振所測(cè)量束縛水即為對(duì)應(yīng)壓力差下的不動(dòng)水飽和度。

(3)常規(guī)稱重法束縛水飽和計(jì)算方法為

Swiw=(W離心后-W干)/(W飽和-W干)×100

(2)

式中,Swiw為稱重法束縛水飽和度,%;W離心后為離心后巖樣質(zhì)量,g;W干為烘干后巖樣質(zhì)量,g;W飽和為飽和鹽水后巖樣質(zhì)量,g。該方法測(cè)量束縛水飽和度與核磁共振方法測(cè)量飽和度的相同點(diǎn)是均受到離心壓力的影響。

對(duì)鄂爾多斯盆地59塊不同區(qū)塊不同層位砂巖樣品進(jìn)行核磁共振、高壓壓汞及常規(guī)稱重法進(jìn)行束縛水飽和度測(cè)量分析(見圖5),結(jié)果表明:①同一離心機(jī)和相同的參數(shù)離心后進(jìn)行測(cè)量時(shí),核磁共振束縛水飽和度與常規(guī)稱重法飽和度基本一致,表明MARAN DRX2 S02605核磁共振測(cè)量精度滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求;②束縛水飽和度高于10%時(shí),核磁共振束縛水飽和度明顯高于壓汞束縛水飽和度,原因在于離心壓力明顯低于壓汞驅(qū)替壓力,不動(dòng)水飽和度明顯高于理論束縛水飽和度;③束縛水低于10%時(shí),核磁共振束縛水飽和度明顯低于壓汞,可能是由于壓汞驅(qū)體過程中,高的驅(qū)替壓力更容易在巖心內(nèi)部形成非潤(rùn)濕相(汞)的優(yōu)勢(shì)通道,導(dǎo)致了潤(rùn)濕相(空氣)的殘余,壓汞法束縛水飽和度偏高。

實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)于正常壓力地層,假設(shè)井深5 000 m,可計(jì)算地層壓力約為50 MPa左右,按照井底流壓不能低于地層壓力的1/3,同時(shí)不能低于油藏飽和壓力的限制[9],生產(chǎn)壓差(地層壓力-井底流壓)一般都在15 MPa以內(nèi)(文獻(xiàn)報(bào)道多在3～10 MPa之間),因此,相對(duì)于高壓壓汞(最高壓力180 MPa),離心機(jī)離心力更加接近生產(chǎn)壓差,由此核磁共振法測(cè)量的不動(dòng)水飽和度與生產(chǎn)實(shí)際更吻合。

圖5 核磁共振、壓汞與常規(guī)稱重法束縛水飽和度之間關(guān)系

2.2 核磁共振巖石物理實(shí)驗(yàn)約束下T2,cutoff的求取

核磁共振測(cè)井由于不能測(cè)量束縛狀態(tài)下孔隙度分量,需要巖石物理實(shí)驗(yàn)的標(biāo)定,但由于兩者之間測(cè)量結(jié)果的差異不能直接使用巖石物理實(shí)驗(yàn)T2,cutoff,因此,提出了1種直接利用巖石物理實(shí)驗(yàn)束縛水飽和度約束方法來求取測(cè)井T2,cutoff的方法。

測(cè)井與巖石物理測(cè)量對(duì)象的一致性是巖石物理實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測(cè)井的依據(jù)。對(duì)于核磁共振測(cè)量而言,兩者的關(guān)聯(lián)在于測(cè)量對(duì)象的孔隙度基本不變和束縛水孔隙度基本不變,因此,利用巖石物理實(shí)驗(yàn)束縛水飽和度約束方法來求取測(cè)井T2,cutoff的方法是合理的,其原理和方法見圖6。首先,選取目標(biāo)儲(chǔ)層內(nèi)具有代表性的巖心樣品進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)室離心狀態(tài)下的測(cè)量得到離心后累積孔隙度分量;然后進(jìn)行飽和鹽水狀態(tài)下測(cè)量,得到飽和累積孔隙度分量曲線;再將對(duì)應(yīng)深度的測(cè)井T2譜進(jìn)行累積并歸一化,得到測(cè)井累積孔隙度分量曲線。離心后累積曲線的平臺(tái)段延伸,分別與飽和累積曲線、測(cè)井累積曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為巖石物理實(shí)驗(yàn)的T2,cutoff和測(cè)井T2,cutoff。

圖6 巖石物理實(shí)驗(yàn)束縛水飽和度約束下的核磁共振T2,cutoff確定

3 應(yīng)用效果分析

在巖石物理實(shí)驗(yàn)約束情況下,對(duì)蘇里格××區(qū)塊盒8儲(chǔ)層測(cè)井T2,cutoff進(jìn)行優(yōu)化(見表3)。結(jié)果表明,該地區(qū)盒8儲(chǔ)層測(cè)井T2,cutoff與巖石物理截止值之間數(shù)值差異較大,不能直接使用核磁共振巖石物理實(shí)驗(yàn)提供的T2,cutoff進(jìn)行測(cè)井儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算。

表3 蘇里格氣田××區(qū)塊盒8核磁共振巖石物理與測(cè)井T2,cutoff對(duì)比

圖7 T2,cutoff優(yōu)化前后計(jì)算滲透率精度對(duì)比

T2,cutoff選取的準(zhǔn)確性直接影響核磁共振滲透率的計(jì)算精度,從Coates模型(見式3)可以看出,滲透率與束縛水飽和度孔隙體積的平方成反比關(guān)系,即束縛水飽和度越大滲透率越小。

(3)

式中,K為滲透率,×10-3μm2;φ為孔隙度,%;c為與地層有關(guān)的常數(shù);BVI為束縛水孔隙體積,無量綱;FFI為可動(dòng)流體體積,無量綱。

式(3)中常數(shù)c通過巖石物理實(shí)驗(yàn)擬合取得,在已知樣品的空氣滲透率、孔隙度(核磁共振飽和度水孔隙度)、可動(dòng)流體體積、束縛水孔隙體積的情況下,進(jìn)行16塊巖心樣品的回歸,取得蘇里格氣田××區(qū)塊盒8組的c常數(shù)為13。并根據(jù)以上模型,利用優(yōu)化后的T2,cutoff(18.85 ms,實(shí)際使用時(shí)取19 ms)進(jìn)行儲(chǔ)層滲透率計(jì)算,結(jié)果見圖7。在T2,cutoff=10 ms(直接使用巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果)的條件下,計(jì)算儲(chǔ)層滲透率明顯偏大;在T2,cutoff=19 ms(利用巖石物理束縛水約束確定T2,cutoff的條件下)計(jì)算則較為合理,與巖心分析滲透率值較為吻合。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

(1)在水層條件下,巖石物理實(shí)驗(yàn)與核磁共振測(cè)井T2譜之間存在一定的差異:①核磁共振測(cè)井譜整體較實(shí)驗(yàn)室測(cè)量T2譜向右偏移;②譜形態(tài)存在差異,包括譜展布寬度、開度、峰個(gè)數(shù)、歪度等。

(2)巖石物理實(shí)驗(yàn)與核磁共振測(cè)井結(jié)果差異導(dǎo)致直接使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來標(biāo)定核磁共振測(cè)井存在較多的應(yīng)用問題,如T2,cutoff選擇不準(zhǔn)確、偽毛細(xì)管壓力曲線轉(zhuǎn)換精度低、三孔隙度組分評(píng)級(jí)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及產(chǎn)能預(yù)測(cè)精度低等。

(3)核磁共振巖石物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量的束縛水并不是嚴(yán)格意義的束縛水,而應(yīng)該是不動(dòng)水,離心法所測(cè)的不動(dòng)水飽和度與地層實(shí)際生產(chǎn)條件下的束縛水飽和度更為接近。因此,實(shí)驗(yàn)室核磁共振測(cè)量束縛水飽和度相對(duì)于高壓壓汞測(cè)量飽和度在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)時(shí)具有更多的優(yōu)勢(shì)。

(4)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,利用束縛水飽和度進(jìn)行約束的方法確定核磁共振測(cè)井T2,cutoff,可有效消除核磁共振實(shí)驗(yàn)與核磁共振測(cè)井資料由于眾多因素的影響而導(dǎo)致兩者差異較大、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能精準(zhǔn)地進(jìn)行核磁共振測(cè)井標(biāo)定的問題。