基于NMR的砂礫巖儲層巖電參數計算方法

駱飛飛,謝天壽,鐘磊,李國利,王長江

(1.中國石油新疆油田公司勘探開發研究院,新疆克拉瑪依834000;2.中國石油集團測井有限公司測井應用研究院,陜西西安710077)

0 引 言

由于受快速沉積的影響,砂礫巖儲層具有結構和成分成熟度低、孔隙度小、滲透率低等地質特征,儲層孔隙結構復雜;在測井曲線上,砂礫巖儲層地質特征與測井曲線之間不是線性關系,常規測井曲線表現復雜多樣[1-9]。這是由于砂礫巖儲層復雜的孔隙結構使儲層巖石參數取值范圍大大增加,從而降低了電阻率測井判別流體性質的能力,影響了飽和度的正確求取[10]。但是計算飽和度的阿爾奇公式是通過物性較好的純砂巖實驗得出,它主要適應于巖性純或泥質含量很低的砂巖地層[11-13]。由于沒有考慮儲層的非均質幾何參數(孔隙度、曲折度)、非均質飽和度、各向異性等參數對巖石電阻率的影響,阿爾奇公式難以滿足低孔隙度、低滲透率、復雜孔隙結構的儲層飽和度計算[9]。因此,對于此類復雜孔隙結構的砂礫巖儲層來說,如何根據儲層特征和孔隙結構特征選擇適當的巖電參數,已成為飽和度定量評價的關鍵[14-19]。

孔隙結構影響儲層巖石導電性[16,20-21]。李秋實等[22]研究得出巖電參數n與孔隙結構的關系密切;趙良孝[23]認為,m表征導電截面積大小的變化率;張明祿等[24]研究證明孔隙結構是影響巖電參數m、n的主要因素;孫建孟等[25]提出孔隙結構對巖電參數n有較大的影響,以此建立巖電參數n的模型;劉紅岐等[26]利用測井資料與孔隙結構分形特性取得巖電參數;閆建平、冉冶等[27-28]依據孔隙結構類型確定巖電參數模型的方法。這些前人的研究成果說明,巖電參數m、n的準確取值依賴于儲層孔隙結構類型精細劃分[16]。因此,本文從瑪湖地區砂礫巖儲層巖心測試數據入手,系統分析砂礫巖儲層巖電參數影響因素,提出基于孔隙結構的砂礫巖儲層巖電參數方法:首先提取巖心測試的核磁共振T2譜特征參數,然后根據提取的這些特征參數與巖電參數m、n的關系,建立基于孔隙結構的巖電參數m、n模型。該方法利用核磁共振測井資料實現了連續深度上的巖電參數m、n的準確計算,進而求取含油飽和度,并取得了顯著的應用效果。

1 研究區概況及儲層特征

瑪湖地區位于準噶爾盆地中央坳陷瑪湖凹陷北部,北接烏下斷裂帶,東臨夏鹽凸起。構造上為向東南方向傾的平緩單斜構造,局部為低幅度平臺、鼻狀或背斜構造,斷裂較少[2]。三疊系百口泉組巖性主要為褐色或灰色含礫中砂巖、細礫巖、鈣質砂礫巖、含礫粗砂巖、粉砂質或含礫泥巖等,優質儲層是灰色細礫巖和含礫中粗砂巖[1-3]。細礫巖平均孔隙度為8.63%,滲透率為4.46 mD(1)非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;中礫巖平均孔隙度為7.43%,滲透率為2.82 mD;砂礫巖平均孔隙度為6.15%,滲透率為0.97 mD;鈣質砂礫巖平均孔隙度為4.61%,滲透率為0.64 mD;含礫中砂巖平均孔隙度為9.58%,滲透率為1.21 mD[2]。研究區儲層不同巖性的孔隙度和滲透率有一定的差別,但都屬于低孔隙度、低滲透率或特低滲透率儲層。這是由于研究區儲層在宏觀上沉積速率快、分選差、巖性變化快、成分和結構成熟度低,造成了微觀上孔隙度低、滲透性差、孔隙結構復雜等地質特征[2,29-30]。

2 砂礫巖儲層巖電參數影響因素分析

影響儲層巖石導電性的因素很多,如巖石顆粒大小、導電礦物、泥質、孔隙尺寸及分布等[31]。本文系統分析研究區儲層巖性、黏土礦物附加導電和孔隙尺寸及分布等對巖電參數的影響。

2.1 儲層巖石顆粒大小

對同時測試物性、巖電參數、粒度的41塊巖心樣品進行分析,認為:①巖電參數m值范圍為0.82～2.05,粒度大小在一定程度上影響m值的變化規律;在相同孔隙度條件下,中砂巖類m值要大于粗砂巖類和礫巖類[見圖1(a)];②巖電參數n值范圍為1.10～3.96,其最大值是最小值的近4倍,巖電參數n比m值變化范圍更大;77%的巖心巖電參數n值高于均質碎屑巖的巖電參數n值(n=2);巖樣顆粒大小與n值變化規律復雜,很難相對準確地描述巖樣顆粒對n值的影響[見圖1(b)]。通過對同時測量粒度和核磁共振的367塊巖心樣品分析發現[見圖1(c)],不同粒度巖樣的核磁共振標準T2譜主峰分布位置明顯不同;巖樣粒度越粗,T2譜主峰分布越靠左;粒度越細,T2譜主峰分布越靠右;巖石骨架粒徑越復雜,T2譜分布位置越寬;這說明巖性不同,孔隙結構也不同。因此,瑪湖地區砂礫巖儲層巖石顆粒大小對巖電參數的影響,體現在微觀上就是孔隙結構對巖電參數的影響。

圖1 砂礫儲層不同粒度巖樣巖電參數m、n值及標準T2譜圖

2.2 黏土礦物附加導電

圖3 不同巖心樣品核磁共振標準T2譜分布圖

圖2 不同類型黏土礦物與巖電參數m關系圖

據瑪湖地區儲層黏土礦物X射線、CT掃描、背散射SEM等測試結果,黏土類型主要為高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙脫石。模擬不同高嶺石含量的砂礫巖三維數字巖心,其中礫石體積含量為34.5%,砂粒體積含量為32%,高嶺石為充填式,且隨著占據粒間孔隙的高嶺石含量增加,孔隙度降低。設地層水礦化度為6×104mg/L,25 ℃時地層水電阻率為0.131 7 Ω·m。數值模擬結果見圖2,隨著高嶺石含量的增加巖電參數m逐漸增大。因儲層中黏土礦物的附加導電性與儲層自由水導電性存在差異,而對高礦化度的孔隙自由水而言,由于高嶺石陽離子交換能力(5 mmol/100 g)最弱,其附加導電性低于孔隙自由水而呈現出增阻作用[32],所以巖電參數m緩慢增大。本文構建了不同蒙脫石含量的砂礫巖三維數字巖心,基本參數與上述巖心相同。巖心中蒙脫石以薄膜式分布,并不改變巖心孔隙度。設地層水礦化度為4×103mg/L,電阻率為1.3 Ω·m,模擬結果見圖2,隨著蒙脫石含量的增加,巖電參數m有明顯減小趨勢。這是因為蒙脫石陽離子交換能力(70～100 mmol/100 g)強,同時地層水電阻率高,此時它主要起到減阻作用。

綜上所述,黏土礦物既有增大電阻率的作用,也有降低電阻率的作用。在測井精細評價中,核磁共振T2譜上黏土束縛水部分幅度越高表示黏土含量越高;反之,表示黏土含量越低。T2譜上黏土束縛水部分的不同形態反映儲層微觀孔隙結構有差異[15],因此,黏土礦物附加導電性對巖電參數m、n的影響可歸結為孔隙結構對m、n值的影響[15]。

2.3 儲層物性

儲層物性對巖電參數的影響主要在儲層孔隙度和孔隙結構2個方面,而表征儲層孔隙結構的方法主要有毛細管壓力法和核磁共振法[15]。圖3(a)中1號和2號巖心T2譜主峰位置和形態基本一致,表示巖心孔隙結構相似;但T2譜幅度和包絡面積不同,表示巖心孔隙度不同;3號和4號巖心也有相同規律。在地層水電阻率、巖性、孔隙結構都基本一致時,孔隙度的差異使得巖電參數存在明顯差異。圖3(b)中2、5、6號巖心孔隙度基本相近,但是T2譜主峰位置和形態不一致,說明這3塊巖心宏觀孔隙度相近,但微觀孔隙結構存在明顯的差異。在地層水電阻率、孔隙度基本一致時,因孔隙結構的不同,使得巖電參數存在明顯差異,說明微觀孔隙結構影響巖電參數的變化。

通過巖心全巖X衍射分析可知,瑪湖地區砂礫巖儲層基本不含黃鐵礦,可不考慮導電礦物含量對巖電參數的影響;通過瑪湖地區砂礫巖儲層巖石潤濕性測試可知,儲層潤濕性整體表現為親水性,巖石潤濕性對巖電參數m、n影響可以忽略。因此,在地層水一定的情況下,影響瑪湖地區低孔隙度、低滲透率砂礫巖儲層巖電參數m、n的主要因素有宏觀的孔隙度、微觀的孔隙結構。

圖4 核磁共振T2譜特征參數描述圖

3 砂礫巖儲層巖電參數計算方法

3.1 巖電參數計算方法的主要步驟

在前人研究的基礎上,通過對瑪湖地區砂礫巖儲層巖電參數影響因素綜合分析,提出一種基于核磁共振的砂礫巖儲層巖電參數的計算方法。該方法主要步驟:①選取目的層位具有代表性的不同巖性和孔隙結構的巖心,系統分析巖心測試的孔隙度、巖電參數m和n、核磁共振T2譜等;②在核磁共振T2譜上提取能充分反映孔隙結構的特征參數;③尋找上一步提取的特征參數與巖電參數m、n之間的關系,得到計算m、n值的方法;④將得到的m、n代入阿爾奇公式,計算含油飽和度。其主要研究內容包括規律分析、T2譜特征參數的定義與提取、巖電參數的建立和飽和度模型的驗證及應用。

3.2 核磁共振T2譜的變化規律

通過對瑪湖地區367塊同時測量粒度和核磁共振T2譜的巖心測試數據分析[見圖2(c)],可以發現:從含礫粗砂巖到礫質粗砂巖再到砂礫巖,隨著礫石含礫的增加,T2譜的主峰和次峰都出現了不同程度的左移。這是由于復模態的砂礫巖中,隨著礫石含量的增加,礫石間的大孔隙被顆粒更細的砂和泥填充,造成小孔隙的比重增加、大孔隙的比重減小,T2譜峰左移。因此,可通過參數表征T2譜的變化規律,反映瑪湖地區砂礫巖的微觀孔隙結構,并進一步尋找其與巖電參數m、n之間的關系。

3.3 核磁共振T2譜特征參數的定義與提取

為了精細表征核磁共振T2譜特征參數,選取6個參數(見圖4):①幅度參數:a1、a2分別為小孔、大孔譜的峰值幅度;②孔隙大小:b1、b2分別為小孔、大孔譜峰值對應的T2譜時間值,ms;③譜峰的延展度:c1、c2分別為小孔、大孔譜峰的延展度。在此基礎上,對上述特征參數進行組合,定義3個特征參數。

(1)孔隙配位比X1:表示孔分布狀況,該值與孔的分選性有關,分選越差該值越大,其公式為

X1=f(b1,b2)

(1)

(2)大孔張開度X2:與連通配比及拖尾程度有關,該值越大連通性越好,拖尾大,其公式為

X2=f(c2)

(2)

(3)小孔貢獻率X3:與小孔隙的有效連通性及幅度大小有關,其公式為

X3=f(a1,a2,c1)

(3)

3.4 巖電參數模型的建立

首先,分析從核磁共振T2譜上提取的特征參數X1、X2、X3與實測的巖電參數m之間的關系。由圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可見,巖電參數m與X1、X2、X3這3個特征參數之間均呈現負相關,采用最小二乘法進行多參數擬合,得到基于孔隙結構的巖電參數m的參數模型

0.355X1+1.445

(4)

圖5 核磁共振T2譜特征參數與巖電參數m、n的關系圖

式中,X1、X2、X3與m的相關系數為0.876 2。計算的巖電參數m值與巖心測試的巖電參數m值基本上分布在對稱軸附近[見圖5(g)],二者的相關性很高(R2=0.990 6),說明該方法得到的巖電參數m模型計算精度高。

然后,用同樣的方法分析巖電參數n與X1、X2、X3之間的關系。由圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)可見,巖電參數n與這些特征參數有較好的正相關關系,采用最小二乘法,進行多參數擬合,得到基于孔隙結構的巖電參數n的參數模型

n=-1.5+1.05X1+2.73X2+4.44X3

(5)

式中,X1、X2、X3與n的相關系數為0.865 3。計算的巖電參數n值與巖心測試的巖電參數n值基本上分布在對稱軸附近[見圖5(h)],二者的相關性很高(R2=0.970 4),說明新方法計算的巖電參數精確度較高。

4 應用分析

瑪湖地區M13井在目的層砂礫巖儲層中取心長度較長(包含密閉取心井段),巖心測試項目齊全。該井的測井資料除常規測井資料外,還包括電成像測井、核磁共振測井等成像測井資料。該井在后期目的層段試油中,獲得了日產油52.89 t、日產氣0.872×104m3的高產工業油流(見圖6)。由于各方面的資料均達到了驗證飽和度模型的條件,因此,選取本井作為瑪湖地區飽和度模型的驗證對象。

圖6 M13井計算飽和度與巖心分析飽和度的對比圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m

圖6中,在3 900～3 925 m井段,井徑曲線顯示儲層段不擴徑,泥巖段或泥質含量很高的層段出現擴徑;自然電位曲線沒有明顯異常幅度,對巖性反映不明顯;自然伽馬在砂礫巖儲層段基本上都是低值,為46～55 API,泥質含量高的層段,自然伽馬值增高;密度測井曲線反映儲層物性變化最明顯,中子測井曲線上變化很小;電阻率曲線顯示探測深度最淺的微球電阻率曲線受井眼擴徑影響嚴重,但深、淺側向電阻率基本重合,對侵入特征反映不明顯,油層深電阻率值一般在20 Ω·m以上;核磁共振T2譜顯示,整個層段含油性差異不明顯,3 901.6～3 904.1 m井段差譜信號最強、含油性最好,3 912.3～3 917.8 m井段差譜信號次之、含油性好。計算的巖電參數m、n隨深度連續變化,達到了計算可變巖電參數的目的。圖6第9道是巖心測試的含油飽和度與計算的含油飽和度,二者基本完全一致,平均相對誤差在4%以內;在整個井段中,計算的含油飽和度(62%～80%)最高的層段是3 901.3～3 906.1 m,此層段的核磁共振差譜信號最強,深電阻率測井曲線值也最高。所以,計算的含油飽和度變化規律與常規測井曲線、核磁共振測井響應特征一致,與巖心測試的含油飽和度完全吻合,符合地區規律,能滿足生產需求。

5 結 論

(1)通過對砂礫巖儲層進行巖石物理性質實驗及數值模擬,分析儲層巖性、黏土礦物附加導電和孔隙尺寸及分布等對巖電參數的影響,明確孔隙結構是影響低孔隙度、低滲透率砂礫巖儲層巖電參數的主要因素。

(2)核磁共振T2譜和巖電參數能夠反映砂礫巖儲層孔隙結構,基于此建立復雜砂礫巖儲層巖電參數新模型,該模型解決了瑪湖地區復雜砂礫巖儲層飽和度定量計算的難題。利用核磁共振T2譜開展基于孔隙結構的巖電參數研究為復雜砂礫巖儲層飽和度計算提供了一種新的研究思路。

(3)新方法計算的飽和度與巖心實驗的飽和度完全一致,表明利用核磁共振測井資料求取的巖電參數能夠準確地表征砂礫巖儲層的導電規律。因此,在缺少巖電參數實驗數據的情況下,利用核磁共振測井數據,可實現連續深度上可變巖電參數的求取,獲得精確度較高的含油飽和度參數。