基于核磁共振測井的致密砂巖儲層孔喉空間有效性定量評價

羅少成，成志剛，林偉川，張海濤，楊小明，肖　飛，唐冰娥

（1.中國石油測井有限公司油氣評價中心，陜西西安710077；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安710018；3.中國石油測井有限公司長慶事業(yè)部，陜西西安710201）

基于核磁共振測井的致密砂巖儲層孔喉空間有效性定量評價

羅少成1，成志剛1，林偉川1，張海濤2，楊小明2，肖飛1，唐冰娥3

（1.中國石油測井有限公司油氣評價中心，陜西西安710077；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安710018；3.中國石油測井有限公司長慶事業(yè)部，陜西西安710201）

油氣儲層孔隙可分為毫米級孔隙、微米級孔隙和納米級孔隙3種類型，常規(guī)儲層的孔喉直徑一般大于1μm，致密含氣砂巖儲層的孔喉直徑為0.03～1μm，納米級孔隙是致密砂巖儲層連通儲集空間的主體，因此對其儲層有效性評價的難度較大。核磁共振T2譜與壓汞曲線均能很好地反映儲層的孔隙結(jié)構(gòu)，利用核磁共振T2譜與壓汞實驗的相關(guān)性，將核磁共振T2譜轉(zhuǎn)化為孔喉分布圖譜。在此基礎(chǔ)上對巖心核磁共振T2譜和壓汞實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行深入處理分析，并結(jié)合前人研究成果，確定SLG油田致密砂巖儲層孔喉空間的有效性劃分標(biāo)準(zhǔn)為：孔喉半徑小于0.04μm孔喉體系為粘土束縛水體積，孔喉半徑為0.04～0.1μm孔喉體系為非泥質(zhì)微孔隙地層水體積，孔喉半徑為0.1～0.2 μm的孔喉體系為毛細(xì)管束縛水體積，孔喉半徑大于0.2μm的孔喉體系為可采出流體體積。實踐證實，該方法可以對孔喉空間進(jìn)行快速地定量計算，明確孔隙中的含水特征與賦存狀態(tài)，實現(xiàn)了對致密砂巖儲層孔喉空間的有效性定量評價。

致密砂巖 核磁共振T2譜 壓汞 孔喉空間 有效性

隨著世界油氣需求的持續(xù)增長與常規(guī)油氣資源的不斷減少，具有較大資源潛力的非常規(guī)油氣逐漸成為新的研究領(lǐng)域，受到各國和石油公司的高度重視［1-2］。中國致密氣資源分布廣泛，具有現(xiàn)實的和潛在的經(jīng)濟(jì)價值，是現(xiàn)階段應(yīng)著力發(fā)展的非常規(guī)天然氣資源［3-4］；在非常規(guī)天然氣中，未來中國致密氣開采更具現(xiàn)實意義，應(yīng)當(dāng)成為“當(dāng)紅主角”［5-6］。然而，致密砂巖氣藏賦存的地質(zhì)條件復(fù)雜［7］，滯留在巖石孔隙中的水賦存形式多樣，如何經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)這些難采儲量，已成為當(dāng)前氣田開發(fā)的難點［8］。眾所周知，巖石中含有自由水和束縛水，束縛水包含了粘土束縛水、非泥質(zhì)微孔隙地層水和毛細(xì)管束縛水［9-10］。在氣藏開發(fā)過程中，當(dāng)驅(qū)替壓力梯度較小時，賦存在儲層中較大孔喉或孔隙中的自由水先排出，隨著驅(qū)替壓力梯度的增大，粘土束縛水不可動，賦存在微細(xì)孔喉中的束縛水可以運移并部分產(chǎn)出，從而對氣井產(chǎn)能產(chǎn)生較大影響［11］。如何進(jìn)行儲層孔喉空間的有效性劃分，明確水在孔隙中的分布特征以及水的可動性等問題對于致密含水砂巖氣藏的開發(fā)具有重要意義［12-13］。

核磁共振T2譜和壓汞曲線均可在一定程度上反映巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征，且兩者之間存在一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系［14］。通過對SLG油田致密砂巖巖心核磁共振T2譜和壓汞實驗數(shù)據(jù)的深入處理分析，構(gòu)建了核磁共振T2譜轉(zhuǎn)偽毛管壓力曲線的轉(zhuǎn)換模型，并與理論相結(jié)合，建立致密砂巖儲層孔喉空間的劃分標(biāo)準(zhǔn)。在實際測井資料處理過程中，利用轉(zhuǎn)換模型將核磁共振T2譜連續(xù)深度轉(zhuǎn)換偽毛管壓力曲線，結(jié)合孔喉空間劃分標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了對粘土束縛水、非泥質(zhì)微孔隙地層水、毛細(xì)管束縛水和可采出流體孔喉體積的定量計算，從而可以有效評價孔隙中的含水特征和賦存狀態(tài)，為研究區(qū)儲層有效性評價及儲層改造層位的選擇和優(yōu)化提供依據(jù)。

1　致密砂巖儲層特征

SLG油田致密砂巖儲層的巖性以石英砂巖、巖屑石英砂巖和巖屑砂巖為主，碎屑組分主要為石英類，其次為巖屑組分，僅局部偶見少量長石顆粒，填隙物主要為粘土礦物（水云母、高嶺石和綠泥石）、硅質(zhì)和碳酸鹽膠結(jié)物，部分層段含較多的凝灰質(zhì)雜基?？紫额愋椭饕l(fā)育原生粒間孔隙、次生溶孔（粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄模孔）、填隙物內(nèi)溶孔和高嶺石晶間微孔共4類孔隙；其中，以次生溶孔和高嶺石晶間微孔為主，原生粒間孔隙居次，含少量收縮孔和微裂隙?？紫抖戎饕獮?%～12%，空氣滲透率主要為0.1×10-3～1×10-3μm2，排驅(qū)壓力高，喉道半徑小，分選較差，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。將壓汞法計算得到的最大孔喉直徑、主流孔喉直徑［15］、中值孔喉直徑和平均孔喉直徑投點于Nelson連續(xù)譜［16］（圖1），最大孔喉直徑橫跨致密砂巖和常規(guī)砂巖，主流孔喉直徑、中值孔喉直徑和平均孔喉直徑絕大部分分布于Nelson連續(xù)譜的致密砂巖范圍內(nèi)，納米級孔隙是研究區(qū)儲層連通性儲集空間的主體。

圖1　SLG油田致密砂巖儲層在Nelson連續(xù)譜中的分布Fig.1　Pore throatdistribution of the tightsandstone reservoirin SLG oilfield in Nelson’s continuousspectrum

2　核磁共振T2譜與毛管壓力轉(zhuǎn)換關(guān)系建立

毛管壓力與孔喉半徑的關(guān)系［17］可以表示為

式中：pc為毛管壓力，MPa；σ為液體界面張力，mN/m；θ為潤濕角，（o）；r為孔喉半徑，μm。

由核磁共振弛豫機制可知［18］，在均勻磁場中觀測到的橫向弛豫時間可以表示為

式中：T2為橫向弛豫時間，ms；T2B為流體的體積弛豫時間，ms；ρ2為巖石橫向表面弛豫強度，μm/ ms；S為孔隙表面積，cm2；V為孔隙體積，cm3；D為流體擴(kuò)散系數(shù)，μm2/ms；γ為旋磁比，rad/（s·T）；G為磁場梯度強度，Gs/cm；TE為回波間隔，ms。

由于實驗室經(jīng)常使用巖心飽和地層水來進(jìn)行實驗，T2B的數(shù)值通常超過3 000ms，遠(yuǎn)大于T2，因此體積弛豫可以忽略。當(dāng)磁場很均勻，對應(yīng)的G很小且TE也足夠小時，擴(kuò)散弛豫也可以忽略不計，因此式（2）可以簡化為

聯(lián)立式（1）和式（3）可得

令

式中：C為核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換偽毛管壓力曲線的橫向轉(zhuǎn)換系數(shù)。

橫向轉(zhuǎn)換系數(shù)的求取一般是通過巖心刻度采用相似對比法獲得［19］。在獲取橫向轉(zhuǎn)換系數(shù)之后，為得到不同毛管壓力條件下的進(jìn)汞飽和度增量，須將經(jīng)過橫向轉(zhuǎn)換系數(shù)刻度后的偽毛管壓力曲線幅度增量經(jīng)過縱向刻度轉(zhuǎn)換為進(jìn)汞飽和度增量，縱向刻度轉(zhuǎn)換采用分段等面積法確定小孔徑轉(zhuǎn)換系數(shù)（D1）和大孔徑轉(zhuǎn)換系數(shù)（D2）［20］。為實現(xiàn)在無壓汞測量資料情況下有效利用核磁共振T2譜定量計算毛管壓力，提出了一種與壓汞測量資料不相關(guān)的橫、縱向轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算方法。經(jīng)過多次統(tǒng)計分析，建立C，D1和D2的統(tǒng)計關(guān)系模型為

式中：D1為小孔徑轉(zhuǎn)換系數(shù)；D2為大孔徑轉(zhuǎn)換系數(shù)；T2gm為T2的幾何平均值，ms；?為孔隙度，%。

3　儲層孔喉空間有效性劃分

由核磁共振T2譜中T2截止值的物理含義可知，T2時間值所對應(yīng)的孔喉半徑可以表征儲層中流體的流動情況。大于T2截止值時儲層孔隙中的流體可動，小于T2截止值時儲層孔隙中的流體不可動［21-22］，從而可以將T2截止值轉(zhuǎn)換為儲層流動孔喉半徑下限值。具體方法為給定初始孔喉半徑，利用數(shù)理插值方法求取對應(yīng)的進(jìn)汞飽和度，核磁共振T2譜利用T2截止值確定可動流體飽和度，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為

式中：Y為目標(biāo)函數(shù)；i為研究區(qū)既具有核磁共振T2譜又具有壓汞實驗數(shù)據(jù)的巖心數(shù)；n為研究區(qū)既具有核磁共振T2譜又具有壓汞實驗數(shù)據(jù)的總巖心數(shù)；Swm為可動流體飽和度，%；Shg為孔喉半徑對應(yīng)的進(jìn)汞飽和度，%。

當(dāng)Y值達(dá)到最小時的孔喉半徑即為儲層流動孔喉半徑下限值。對研究區(qū)118塊既具有核磁共振T2譜又具有壓汞實驗數(shù)據(jù)的巖心進(jìn)行分析，確定其儲層流動孔喉半徑下限值為0.1μm。

統(tǒng)計分析研究區(qū)致密砂巖儲層的壓汞曲線發(fā)現(xiàn)，其壓汞孔喉分布以雙峰和單峰2種形態(tài)為主，較少見多峰巖心的存在。將具有雙峰形態(tài)特征的孔喉分布曲線疊置，依據(jù)巖心的孔喉分布特征，可以將巖心的孔喉劃分為小孔喉、中孔喉和大孔喉3部分。其中，雙峰形態(tài)特征的孔喉分布曲線的主峰峰值小于0.04μm，次峰峰值大于0.2μm，因此將孔喉半徑小于0.04μm的劃分為小孔喉，大于0.2μm的劃分為大孔喉，兩者之間的部分劃歸為中孔喉。從SLG油田具有雙峰形態(tài)特征孔喉分布曲線巖心的平均孔喉分布（圖2）可以看出，具有雙峰形態(tài)特征孔喉分布曲線的巖心位于小孔喉的主峰峰值比位于大孔喉的次峰峰值高約1.5%，說明研究區(qū)雙峰形態(tài)特征孔喉分布曲線的巖心是以小孔喉占主導(dǎo)地位。

圖2　SLG油田具有雙峰形態(tài)特征孔喉分布曲線巖心的平均孔喉分布Fig.2　Average pore throat distribution of core samples in SLG oilfield having pore throatdistribution curve thatexhibitsbimodalpattern

研究區(qū)具有單峰形態(tài)特征孔喉分布曲線巖心的孔喉分布主峰可以明顯的分為2類（圖3）。一類巖心的孔喉分布主峰主要位于小孔喉，其孔喉分布主峰峰值主要為0.006～0.04μm，平均孔喉分布主峰峰值小于0.04μm，共有26塊巖心，占具有單峰形態(tài)特征孔喉分布曲線巖心的62%。另一類巖心的孔喉分布主峰主要位于大孔喉，其孔喉分布主峰峰值主要為0.2～1.0μm，平均孔喉分布主峰峰值大于0.2μm，共有16塊巖心，占具有單峰形態(tài)特征孔喉分布曲線巖心的38%。

圖3　SLG油田具有單峰形態(tài)特征孔喉分布曲線巖心的平均孔喉分布Fig.3　Average pore throat distribution of core samples in SLG oilfield having pore throatdistribution curve thatexhibitsunimodalpattern

確定致密砂巖儲層的流動孔喉半徑下限值需要2個關(guān)鍵參數(shù)，分別為甲烷分子被穩(wěn)定吸附的喉道半徑臨界值（或甲烷可以自由脫附的喉道半徑臨界值）和束縛水膜厚度。鄒才能等［23］認(rèn)為，甲烷分子被穩(wěn)定吸附的喉道半徑臨界值約為0.02μm，束縛水膜厚度的平均值約為0.02μm，據(jù)此含氣致密儲層的臨界孔喉半徑約為0.04μm。李曉暉等［24］認(rèn)為，孔喉半徑小于0.1μm孔隙中的水與大于0.1μm孔隙中的水的物理化學(xué)特性存在差異，可以將孔喉半徑為0.1μm作為微毛細(xì)管孔隙與自由孔隙的劃分界限。而在實際生產(chǎn)過程中，油氣運移可以近似簡化為平面徑向滲流，基于滲流方程計算出孔隙中水能夠流出所對應(yīng)的孔喉半徑要大于0.188μm。在巖心核磁共振T2譜確定束縛水飽和度過程中，國際上通用的做法是當(dāng)巖石離心速度使得巖石所受的毛管壓力達(dá)到3.75MPa時，巖石中剩下的水即為束縛水［25］，由式（1）即可確定毛管壓力為3.75MPa時對應(yīng)的孔喉半徑為0.2μm。

通過實際巖心測試資料與理論分析，將研究區(qū)儲層孔喉空間以0.04，0.1和0.2μm為界進(jìn)行劃分；每一區(qū)間代表互相連通、孔喉大小相近的同一孔喉體系的體積，確定為研究區(qū)致密砂巖儲層孔喉空間的有效性劃分標(biāo)準(zhǔn)。

4　測井解釋模型建立及實例應(yīng)用

核磁共振測井的原理表明，橫向弛豫時間與孔喉空間具有對應(yīng)關(guān)系，核磁共振T2譜分布實際代表巖石孔喉半徑的分布，不同的孔喉半徑對應(yīng)不同的核磁共振T2值。通過巖心壓汞曲線與核磁共振T2譜的相互轉(zhuǎn)換，根據(jù)孔喉半徑分別為0.04，0.1和0.2 μm將一個完整的核磁共振T2譜分布劃分為粘土束縛水、非泥質(zhì)微孔隙地層水、毛細(xì)管束縛水和可采出流體4個部分（圖4）。其中，孔喉半徑小于0.04 μm孔喉體系中的水為粘土束縛水，孔喉半徑為0.04～0.1μm孔喉體系中的水為非泥質(zhì)微孔隙地層水，孔喉半徑為0.1～0.2μm孔喉體系中的水為毛細(xì)管束縛水，孔喉半徑大于0.2μm孔喉體系中的水為可采出流體。

圖4　 測井解釋模型Fig.4　Logging interpretationmodel

基于核磁共振測井的致密砂巖儲層孔喉空間有效性評價方法、標(biāo)準(zhǔn)及建立的測井解釋模型，編制程序?qū)嶋H資料進(jìn)行處理。由SLG油田A井核磁共振測井評價儲層孔喉空間有效性的應(yīng)用成果（圖5）可以看出，根據(jù)該井毛管壓力曲線形態(tài)、孔喉半徑、綜合儲層分類指數(shù)以及儲層孔喉空間流體類型的綜合分析，認(rèn)為7，9，11和12號層的儲集性能較好；孔喉空間流體類型以可采出流體為主，測井解釋為氣層。對該井3 859～3 874和3 901～3 915m井段試氣，產(chǎn)氣量為39 000m3/d，產(chǎn)油量為6.3 t/d，產(chǎn)水量為6.3m3/d，與測井解釋結(jié)論一致，表明利用核磁共振測井是可以快速進(jìn)行致密砂巖儲層孔喉空間有效性定量評價的。

圖5　SLG油田A井核磁共振測井評價儲層孔喉空間有效性應(yīng)用成果Fig.5　Exampleofusing NMR logging data toevaluateeffectivenessofpore-throatspace inWell A from SLGoilfield

5　結(jié)論

致密砂巖氣藏的儲層具有巖性致密、物性差、微細(xì)孔隙發(fā)育和毛管壓力高等特征，且滯留在巖石孔隙中的水的賦存形式多樣，可產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。利用壓汞曲線和核磁共振T2譜的一致性，采用數(shù)理方法對壓汞曲線進(jìn)行處理，建立SLG油田致密砂巖儲層孔喉空間的有效性劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而利用巖心壓汞和核磁共振T2譜建立的轉(zhuǎn)換模型實現(xiàn)核磁共振測井連續(xù)計算粘土束縛水、非泥質(zhì)微孔隙地層水、毛細(xì)管束縛水和可采出流體4個部分的孔喉體積。通過分析孔隙中水的賦存狀態(tài)，可以為研究區(qū)的儲層有效性評價及儲層改造層位的選擇和優(yōu)化提供依據(jù)。

建議今后應(yīng)重視并加強核磁共振T2譜和壓汞實驗，使轉(zhuǎn)換模型滿足各地區(qū)的規(guī)律性，提高偽毛管壓力的轉(zhuǎn)換精度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儲層孔喉空間劃分標(biāo)準(zhǔn)是可以浮動的，如射孔工藝、壓裂工藝等外界條件發(fā)生變化，有的非工業(yè)性油氣層即可以轉(zhuǎn)化為工業(yè)性油氣層。建議從多角度驗證致密砂巖儲層孔喉空間有效性定量評價標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，以合理、準(zhǔn)確地評價孔隙中的含水特征與賦存狀態(tài)。

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編輯鄒瀲滟

Quantitativeevaluation of theeffectivenessof pore-throat space in tight sandstone reservoirsbased on nuclearmagnetic resonance log

Luo Shaocheng1，Cheng Zhigang1，LinWeichuan1，Zhang Haitao2，Yang Xiaoming2，Xiao Fei1，Tang Bing’e3

（1.ReservoirsEvaluation Center，China Petroleum Logging Co.，Ltd.，Xi’an City，ShannxiProvince，710077，China；2.Exploration and Development InstituteofPetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an City，ShannxiProvince，710018，China；3.Changqing Division，China Petroleum Logging Co.，Ltd.，Xi’an City，ShannxiProvince，710201，China）

The pores in reservoirs bearing hydrocarbon have been divided into three types：millimeterpore，micropore and nanopore.The diameterofpore throat in conventional reservoir isgenerally larger than1μm.The diameterof pore-throat in tightgas reservoirs ranges from 0.03 to 1μm.The nanopore is themain body of the connected reservoir space in tightsand，so it is difficult to evaluate the effectiveness of tight reservoirs.Both NMR T2spectrum and capillary pressure curves can well reflect the pore throat structure of rocks.The NMR T2spectrum was translated into pore throat distributions using the correlation between NMR T2experimentandmercury injection.On the basisof previous research results，the core NMR T2spectrum and capillary pressure data were processed and analyzed deeply to determine effectiveness criteria of the tight sand pore throat in SLG oilfield：the pore-throat system with pore radius less than 0.04μm is associated with clay bound water volume；the pore-throat system with a pore radius between 0.04 and 0.1μm isassociated with non-shalemicro-po-rosity formation water volume；the pore-throatsystem with pore radius between 0.1 and 0.2μm is associated with capillary bound water volume；the pore-throatsystem with pore radiusmore than 0.2μm is associated with the volume in which the fluid can be taken out.The practice proves that themethod can be used to quickly calculate pore-throatspace quantitatively and to determine the porewater featuresand itsoccurrence，which can evaluate the space effectivenessof tightsand reservoirseffectively.

tightsandstone；NMR T2spectrum；mercury injection；pore-throatspace；effectiveness

P631.823

A

1009-9603（2015）03-0016-06

2015-03-05。

羅少成（1983—），男，湖北監(jiān)利人，工程師，碩士，從事測井方法研究與解釋評價工作。聯(lián)系電話：18706718519，E-mail：lsc0222 @126.com。

國家科技重大專項“復(fù)雜儲層油氣測井解釋理論方法與處理技術(shù)”（2011ZX05020-008），中國石油科技攻關(guān)項目“致密氣藏測井采集處理與評價技術(shù)研究”（2010E-2304）。