基于核磁共振(NMR)技術(shù)進(jìn)行致密儲(chǔ)層參數(shù)研究
——以鄂爾多斯盆地南部富縣油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)8致密儲(chǔ)層為例

郭 蘭，丁 超，門艷萍，朱海濤，黃賢良.

(1.延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西延安 716000；2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065)

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基于核磁共振(NMR)技術(shù)進(jìn)行致密儲(chǔ)層參數(shù)研究
——以鄂爾多斯盆地南部富縣油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)8致密儲(chǔ)層為例

郭 蘭1，丁 超2，門艷萍1，朱海濤1，黃賢良1.

(1.延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西延安 716000；2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065)

核磁共振(NMR)試驗(yàn)分析儲(chǔ)層巖石物理參數(shù)是近年來興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，但由于參數(shù)確定和計(jì)算方法的不同，導(dǎo)致結(jié)果誤差較大。本研究基于陜北富縣油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)8致密儲(chǔ)層特征和巖石NMR試驗(yàn)分析，通過核磁信號(hào)的弛豫譜分布特征，系統(tǒng)獲取巖心孔隙度、滲透率、束縛水飽和度等豐富的巖石物理性質(zhì)信息，并與常規(guī)巖石物理參數(shù)分析相對(duì)比，探討NMR分析技術(shù)在致密儲(chǔ)層物理參數(shù)分析中的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：長(zhǎng)8儲(chǔ)層砂巖類型為長(zhǎng)石砂巖或巖屑長(zhǎng)石砂巖，儲(chǔ)層物性較差，屬于低-特低孔、特低-超低滲儲(chǔ)層。NMR孔隙度具有較高精度，無明顯偏差；NMR滲透率計(jì)算存在較大偏差，仍需修改完善。NMR束縛水飽和度模型中，信號(hào)比值法更適用于長(zhǎng)8儲(chǔ)層束縛水飽和度分析。長(zhǎng)8儲(chǔ)層的NMR研究為相鄰地區(qū)或相似盆地的致密儲(chǔ)層NMR分析以及物理參數(shù)改進(jìn)優(yōu)化提供了參考和依據(jù)。

致密儲(chǔ)層；長(zhǎng)8油層組；核磁共振；巖石物理參數(shù)

—A Case Study of Chang 8 Member of Yanchang Formation,Fuxian Oilfield, Southern Ordos Basin

隨著多數(shù)常規(guī)油氣儲(chǔ)層的勘探開發(fā)進(jìn)入中后期，為了尋找油氣資源的接力區(qū)，非常規(guī)資源越發(fā)顯得重要，而致密儲(chǔ)層作為非常規(guī)資源中重要的一部分，是油田穩(wěn)產(chǎn)增效的重要勘探開發(fā)領(lǐng)域[1-4]。儲(chǔ)層巖石的核磁共振(NMR)分析技術(shù)作為一種新技術(shù)、新方法，備受石油地質(zhì)學(xué)家關(guān)注，其樣品無損傷、試驗(yàn)速度快等優(yōu)點(diǎn)被越來越多地應(yīng)用到致密儲(chǔ)層參數(shù)評(píng)價(jià)之中[5-8]。

NMR試驗(yàn)的實(shí)用性與有效性、NMR參數(shù)的準(zhǔn)確性是近年來致密儲(chǔ)層參數(shù)研究的熱點(diǎn)問題。隨著NMR試驗(yàn)儲(chǔ)層參數(shù)不同數(shù)學(xué)模型的提出，致密儲(chǔ)層參數(shù)數(shù)據(jù)的精度不斷提高，但仍存在較多爭(zhēng)議；尤其是滲透率小于1.0 mD的致密儲(chǔ)層，其束縛水飽和度與孔滲無明顯的相關(guān)性，如果要更高精度地獲取儲(chǔ)層參數(shù)，還需不斷修改與完善[9-13]。本文以富縣油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)8致密儲(chǔ)層為例，從NMR原理出發(fā)，結(jié)合常規(guī)巖心化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，建立致密儲(chǔ)層NMR參數(shù)的數(shù)據(jù)模型，并探討分析NMR巖心參數(shù)的實(shí)用性及其準(zhǔn)確性，以期為致密儲(chǔ)層NMR物理參數(shù)分析提供重要的基礎(chǔ)信息。

1 儲(chǔ)層特征

通過對(duì)陜北富縣油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)8油層組致密砂巖進(jìn)行巖石學(xué)與物性分析得出，長(zhǎng)8油層組砂巖各組成中：石英平均含量為20.6%、鉀長(zhǎng)石平均含量為39.5%、斜長(zhǎng)石平均含量為15.8%、黑云母平均含量為2.7%、巖屑平均含量為9.7%。采用三角分類投點(diǎn)(圖1)，研究區(qū)長(zhǎng)8油層組巖石類型為長(zhǎng)石砂巖或巖屑長(zhǎng)石砂巖。富縣油田長(zhǎng)8油層砂巖填隙物含量總體不高(圖2)，平均為8%。填隙物主要由膠結(jié)物組成，其中，方解石含量最高，平均為3.4%；其次為綠泥石，平均為2.3%；石英加大與長(zhǎng)石加大含量相當(dāng)，平均為1.4%。

富縣油田長(zhǎng)8油層組400余塊次砂巖實(shí)測(cè)孔隙度、滲透率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，孔隙度主值區(qū)間為6%～11%(占樣品總數(shù)的61.9%)，平均值為8.4%；滲透率分布較為廣泛，主值區(qū)間為0.1～1.0 mD(占樣品總數(shù)的83.4%)，平均為0.35 mD。根據(jù)國家碎屑巖儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)長(zhǎng)8油層組儲(chǔ)層砂巖總體物性屬低-特低孔、特低-超低滲儲(chǔ)層。

圖1 富縣油田長(zhǎng)8油層組致密砂巖成分特征Fig.1 Characteristics of tight sandstone reservoir composition of Chang 8 member in Fuxian oilfieldⅠ.石英砂巖；Ⅱ.長(zhǎng)石石英砂巖；Ⅲ.巖屑石英砂巖；Ⅳ.長(zhǎng)石砂巖；Ⅴ.巖屑長(zhǎng)石砂巖；Ⅵ.長(zhǎng)石巖屑砂巖；Ⅶ.巖屑砂巖

圖2 富縣油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)8油層組填隙物特征Fig.2 Characteristics of interstitial matter of Chang 8 member in Fuxian oilfielda.方解石晶體呈鑲嵌狀，富西77井，979.30 m；b.充填孔喉的絨球狀綠泥石，富指84井，1181.85 m；c.石英自生加大填隙物，富西12井，1351.50 m；d. 長(zhǎng)石自生加大填隙物，富西77井，978.20 m

2 儲(chǔ)層NMR物性參數(shù)分析

2.1 NMR流程

NMR測(cè)試設(shè)備通過測(cè)量巖心內(nèi)部流體的弛豫譜，與地質(zhì)參數(shù)建立關(guān)系，根據(jù)強(qiáng)度對(duì)比可計(jì)算巖石的孔隙度，根據(jù)T2譜的分布可建立滲透率解釋模型和確定束縛水飽和度、截止值等參數(shù)。本次試驗(yàn)利用CoreSpec-1000巖心分析儀器對(duì)巖樣進(jìn)行了NMR參數(shù)測(cè)量，試驗(yàn)測(cè)量分以下5個(gè)步驟：

(1)將巖心樣品進(jìn)行洗油、洗鹽等預(yù)處理；

(2)用濃度為13000 mg/L的NaCl溶液(地層水礦化度相一致)飽和巖心樣品；

(3)將巖心放入CoreSpec-1000巖心分析儀器中，在1 MHz脈沖均勻磁場(chǎng)中，采用回波間隔0.6 ms和1.2 ms，分別測(cè)量巖石飽和水時(shí)的NMR特性；

(4)用離心機(jī)12000 r/min給巖心樣品脫水，測(cè)量離心后巖心樣品的NMR特性；

(5)通過數(shù)字處理，獲得飽和巖心樣品和離心后巖心樣品的T2分布。

2.2 NMR孔隙度

從理論上來說，巖樣NMR巖心試驗(yàn)分析的孔隙度會(huì)略小于氣測(cè)孔隙度。造成砂巖NMR孔隙度偏小的主要原因是致密儲(chǔ)層砂巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、黏土束縛水較高，黏土中微孔隙內(nèi)的流體弛豫時(shí)間太短而無法被探測(cè)到。為了求準(zhǔn)NMR孔隙度，本次研究嘗試在對(duì)巖樣NMR孔隙度與氣測(cè)孔隙度進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，探討NMR巖心試驗(yàn)分析致密儲(chǔ)層砂巖孔隙度的有效性和精確性，并成功地應(yīng)用于富縣油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)8油層組巖樣的NMR孔隙度計(jì)算。

NMR測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度是探測(cè)室內(nèi)氫原子的數(shù)量，孔隙中只含水時(shí)，氫原子的數(shù)量反映的是巖石內(nèi)水的含量，測(cè)量單位體積內(nèi)不同孔隙度對(duì)應(yīng)的NMR信號(hào)強(qiáng)度(XW)，再通過刻度因子(F)、接收增益(RG)的確定，利用公式(1)可以計(jì)算獲得巖石的NMR孔隙度：

(1)

XW——信號(hào)強(qiáng)度；

F——刻度因子，m3；

VT——樣品體積，m3；

RG——接收增益。

通過研究區(qū)10塊巖心樣品的NMR試驗(yàn)分析，利用上述NMR孔隙度計(jì)算方法獲得了本區(qū)長(zhǎng)8致密儲(chǔ)層的NMR孔隙度(表1)。結(jié)果表明，NMR孔隙度分布在5.3%～12.7%，平均為8.63%。同時(shí)研究區(qū)10塊巖心樣品完成了氣測(cè)孔隙度、液測(cè)孔隙度、氣滲透率等常規(guī)物性試驗(yàn)分析。NMR計(jì)算孔隙度與氣測(cè)孔隙度相關(guān)系數(shù)為0.9969，平均相對(duì)誤差為1.62%；NMR計(jì)算孔隙度與液測(cè)孔隙度相關(guān)系數(shù)為0.9940，平均相對(duì)誤差為3.21%(圖3)。對(duì)比結(jié)果顯示，NMR計(jì)算孔隙度與氣測(cè)孔隙度吻合程度較高，且無明顯的偏小特點(diǎn)。

表1 NMR計(jì)算孔隙度與常規(guī)物性分析

2.3 NMR滲透率

致密儲(chǔ)層砂巖成巖過程復(fù)雜、滲透率極低，基于測(cè)井建立的滲透率計(jì)算模板只是處于估算階段，誤差較大。NMR提供了一種計(jì)算滲透率的新方法，利用巖石NMR的弛豫特性及擴(kuò)散測(cè)量結(jié)果，人們探索提出了多種基于NMR巖心試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)獲取滲透率的經(jīng)驗(yàn)公式[14-17]。目前應(yīng)用較廣的NMR滲透率模型主要有SDR模型和Coates模型以及兩者相應(yīng)的擴(kuò)展模型。

SDR模型以平均弛豫時(shí)間為特征時(shí)間，推導(dǎo)獲得了SDR滲透率與特征時(shí)間和NMR孔隙度的關(guān)系式(式(2))：

(2)

式中KSDR——SDR模型計(jì)算滲透率，mD；T2g——T2譜的幾何平均值，ms；CS1——模型參數(shù)。

圖3 NMR孔隙度與氣測(cè)孔隙度(a)、液測(cè)孔隙度(b)對(duì)比
Fig.3 Comparison of NMR porosity with gas survey porosity(a) and fluids survey porosity(b)

后有專家學(xué)者在此基礎(chǔ)上結(jié)合擬合與逼近的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，推導(dǎo)出與之相應(yīng)的SDR-reg等擴(kuò)展模型(式(3))：

(3)

式中KSDR-reg——SDR-reg模型計(jì)算滲透率，mD；CS2、m、n——數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)建模參數(shù)。

Coates模型采用NMR孔隙度及束縛水與可動(dòng)水體積比來計(jì)算Coates滲透率，因確定束縛流體體積的方法不同，出現(xiàn)Coates-cutoff和Coates-SBVI兩個(gè)模型。Coates-cutoff模型使用的是T2截止值計(jì)算可動(dòng)和不可動(dòng)流體體積比，利用離心脫水前的T2譜，通過對(duì)T2截止值前的面積與總面積之比獲得束縛流體飽和度。

(4)

式中，利用鹽水飽和度和巖樣的NMR孔隙度及T2截止值法求得的可動(dòng)水體積(FFI)和束縛水體積(BVI)計(jì)算滲透率(KCoates-cutoff)，模型參數(shù)為Cn1。

Coates-SBVI模型使用的是T2加權(quán)法，即T2譜的每一個(gè)分量T2i都包含束縛水的貢獻(xiàn)，只是貢獻(xiàn)的大小不同。

(5)

式中，利用鹽水飽和度和巖樣的NMR孔隙度及T2加權(quán)法求得的可動(dòng)水體積(φNMRm)和束縛水體積(φNMRb)計(jì)算滲透率(KCoates-SBVI)，模型參數(shù)為Cn2。

利用富縣油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)8油層組巖樣的NMR巖心試驗(yàn)分析，結(jié)合SDR和Coates模型及擴(kuò)展模型的上述計(jì)算方法，獲取巖樣的NMR滲透率(表2)。計(jì)算結(jié)果表明，SDR模型計(jì)算滲透率主要分布在0.01～1.63 mD，平均為0.50 mD；SDR-reg模型計(jì)算滲透率平均為0.21 mD；Coates-cutoff模型計(jì)算滲透率主要分布在0.01～1.25 mD，平均為0.53 mD；Coates-SBVI模型計(jì)算滲透率平均為0.44 mD，與之對(duì)應(yīng)的巖心氣測(cè)滲透率主要分布在0.04～0.57 mD，平均為0.23 mD。

表2 常規(guī)氣測(cè)滲透率與NMR滲透率

續(xù)表

圖4 NMR SDR-reg滲透率與氣測(cè)滲透率相關(guān)性分析Fig.4 Analysis of correlation between NMR SDR-reg permeability and gas permeability

如NMR計(jì)算滲透率與氣測(cè)滲透率回歸關(guān)系(圖4)所示，SDR-reg擴(kuò)展模型獲得滲透率與巖心氣測(cè)滲透率的相關(guān)系數(shù)為0.820。上述研究結(jié)果顯

示，對(duì)于致密儲(chǔ)層，其砂巖物性影響因素復(fù)雜，4種NMR滲透率模型計(jì)算得到的NMR滲透率相差較大；其中SDR擴(kuò)展模型預(yù)測(cè)滲透率可能具有相對(duì)較好的效果，但仍達(dá)不到巖心常規(guī)物性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

3 NMR束縛水飽和度

油氣儲(chǔ)層束縛水飽和度分析是油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容，束縛水飽和度是儲(chǔ)量計(jì)算正確與否的主要參數(shù)。NMR作為一種確定儲(chǔ)層束縛水飽和度的重要方法，被廣泛應(yīng)用在儲(chǔ)層產(chǎn)能預(yù)測(cè)、孔隙流體分析過程中。但致密儲(chǔ)層砂巖成巖過程與孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給束縛水飽和度的確定帶來了一定困難，不確定性與多解性較強(qiáng)。本文系統(tǒng)開展了NMR束縛水飽和度評(píng)價(jià)方法的試驗(yàn)研究。近年來，地質(zhì)研究學(xué)者探索了稱重法、SBVI法、T2統(tǒng)一截止值法、信號(hào)比值法等基于巖心NMR試驗(yàn)分析的方法(表3)。

稱重法作為一種傳統(tǒng)的確定束縛水飽和度的方法，具有精確度較高的特點(diǎn)，可以驗(yàn)證其他3種方法的準(zhǔn)確性和適用性。利用飽和一定濃度鹽水的巖心重與烘干后巖心質(zhì)量之差，獲取巖心孔隙中的總含水量；再把飽和水的巖心通過離心機(jī)離心之后，得到巖心自由水含量；最后根據(jù)總含水量與自由水含量之差確定巖樣束縛水含量。

SBVI法基于Coates等提出的束縛水體積模型，根據(jù)飽和水巖心的NMRT2譜幾何平均值(T2i)建立與試驗(yàn)分析巖心束縛水飽和度的數(shù)據(jù)關(guān)系模型，結(jié)合樣品束縛水與自由水之間的重系數(shù)(a)，計(jì)算NMR束縛水飽和度。信號(hào)比值法根據(jù)NMR試驗(yàn)的T2譜曲線，以T2截止值(T2cutoff)為分界，將左峰(小于T2cutoff)下包面積與整個(gè)T2譜下包面積之比作為NMR束縛水飽和度。T2統(tǒng)一截止值法與T2譜面積比值相似，通過試驗(yàn)獲得的平均統(tǒng)一截止值(T2cutoff)計(jì)算不可動(dòng)峰下包面積與T2譜面積比值。這兩種方法的關(guān)鍵是確定T2譜的截止值(T2cutoff)，與傳統(tǒng)方法確定T2譜的截止值相比，離心束縛水法確定的T2cutoff值更加準(zhǔn)確。

結(jié)果顯示(表3)，SBVI法、信號(hào)比值法、T2統(tǒng)一截止值法與稱重法求解的束縛水飽和度的平均相對(duì)誤差分別為16.62%、4.78%、19.05%。其中，SBVI法的平均相對(duì)誤差與T2統(tǒng)一截止值法基本相近。此外，信號(hào)比值法與稱重法求解的束縛水飽和度具有相對(duì)較高的吻合程度和較小的系統(tǒng)偏差(圖5)，為研究區(qū)儲(chǔ)層束縛水飽和度計(jì)算模型的確定奠定了基礎(chǔ)。

圖5 束縛水飽和度SBVI法、信號(hào)比值法、T2統(tǒng)一截止值法與稱重法對(duì)比關(guān)系Fig.5 Compared of irreducible water saturation calculated by methods of SBVI, the signal ratio method, unified T2 cutoff

4 結(jié)論

(1)富縣油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)8油層組儲(chǔ)層砂巖以鉀長(zhǎng)石(39.5%)和斜長(zhǎng)石(15.8%)為主，其次為石英(20.6%)和巖屑(9.7%)；巖石類型為長(zhǎng)石砂巖或巖屑長(zhǎng)石砂巖；填隙物總體含量不高(8.0%)，以方解石和綠泥石為主。長(zhǎng)8油層組儲(chǔ)層砂巖物性較差，孔隙度平均為8.4%，滲透率平均為0.35 mD，屬于低-特低孔、特低-超低滲儲(chǔ)層。

(2)NMR分析的孔隙度具有較高精度，NMR孔隙度與氣測(cè)孔隙度的相關(guān)系數(shù)為0.9969，平均相對(duì)誤差為1.62%；但NMR計(jì)算滲透率與氣測(cè)滲透率存在一定偏差，對(duì)比分析的3種NMR滲透率計(jì)算模型中，SDR擴(kuò)展模型更適用于富縣油田長(zhǎng)8致密儲(chǔ)層的滲透率計(jì)算。

(3)利用信號(hào)比值法、統(tǒng)一截止值法、SBVI法獲得了長(zhǎng)8儲(chǔ)層砂巖的NMR束縛水飽和度，并與傳統(tǒng)的稱重法對(duì)比分析，得到T2統(tǒng)一截止值法的平均相對(duì)誤差(19.05%)與SBVI法(平均相對(duì)誤差為16.62%)基本相近；信號(hào)比值法的平均相對(duì)誤差最小(4.78%)，更適用于長(zhǎng)8致密儲(chǔ)層束縛水飽和度的系統(tǒng)分析。

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Study on Petrophysical Parameters of Tight Reservoir Basedon Nuclear Magnetic Resonance(NMR) Technique

Guo Lan1, Ding Chao2, Men Yanping1, Zhu Haitao1, Huang Xianliang1

(1.The Research Center of Yan-chang Oilfield Co., Ltd., Yan＇an, Shaanxi 716000, China;2.School of Earth Sciences and Engineering of Xi＇an Shiyou University, Xi＇an, Shaanxi 710065, China)

The nuclear magnetic resonance (NMR) is a high technology for petrophysical parameters analysis of the tight reservoir rock in recent years. But the parameters determination and calculation method is variety and that lead to the result error is bigger. Based on the characteristics of tight sandstone reservoir of Chang 8 member of Yanchang formation in the Fuxian oilfield and rock NMR test analysis, this research obtained rich information about petrophysical parameters such as core porosity, core permeability, irreducible water saturation systematacially through the distribution characteristics of NMR relaxation spectra. And compared with conventional petrophysical parameters, the NMR technology application effect for petrophysical parameters analysis of the tight reservoir was discussed. The results showed that the reservoir type is feldspar sandstone or lithic feldspar sandstone and belong to low to ultra-low porosity, ultra-low permeability reservoir with poor reservoir physical property. The NMR porosity had a higher accuracy, no significant deviation, but there was a large deviation in NMR permeability, still need to modify and improve. In the NMR irreducible water saturation calculation model, the signal ratio method was more suitable for Chang 8 member reservoir. The NMR studies of Chang 8 reservoir provided a reference and basis for the NMR analysis of tight reservoir in adjacent areas or similar basins, as well as the optimization of physical parameters.

tight reservoir; Chang 8 member; nuclear magnetic resonance (NMR); petrophysical parameters

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目“鄂爾多斯盆地東北部二疊系油氣成藏的時(shí)-空序列及其物理化學(xué)參量的流體包裹體分析”(16JK1599)、西安石油大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目“鄂爾多斯盆地南部銅川地區(qū)三疊系構(gòu)造熱演化史”(2014BS04)和延長(zhǎng)油田股份有限公司科研項(xiàng)目“富縣指揮部姜家川區(qū)域低孔滲測(cè)井巖石物理實(shí)驗(yàn)研究”(ycsy2013ky-A-01)聯(lián)合資助。

郭蘭(1984—)，女，工程師，主要從事儲(chǔ)層巖石物理測(cè)井研究。郵箱：guolan_577@163.com.

丁超(1983—)，男，博士，主要從事盆地構(gòu)造與油氣成藏地質(zhì)學(xué)的教學(xué)與研究工作。郵箱：chaod@xsyu.edu.cn.

TE121.1

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