頁巖油儲層核磁有效孔隙度起算時(shí)間的確定
——以吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油儲層為例

王 偉，趙延偉，毛 銳，孫中春，牟立偉

(1.中國石油 新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000;2.中國石油 新疆油田分公司 采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000)

對于現(xiàn)今越來越重要的致密油儲層以及頁巖油儲層，有效孔隙度已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的物性參數(shù)。然而，利用測井資料計(jì)算頁巖油儲層有效孔隙度卻存在很大的困難。首先，作為骨架存在的干酪根會直接導(dǎo)致聲波、密度測井計(jì)算的孔隙度偏高，使得利用常規(guī)測井計(jì)算孔隙度的方法基本失效。其次，復(fù)雜的巖性以及礦物類型造成巖石骨架測井參數(shù)難以確定[1-2]。針對此問題，目前主要有兩種解決辦法：一是有機(jī)質(zhì)校正的密度孔隙度法[3-5]；二是利用元素俘獲測井估算巖石骨架的測井響應(yīng)，再利用常規(guī)測井進(jìn)行孔隙度計(jì)算[6-7]。此外，核磁共振測井計(jì)算的孔隙度因基本不受干酪根的影響，已廣泛應(yīng)用于頁巖油、致密油等非常規(guī)儲層物性評價(jià)中[8-11]。

本文以吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油儲層為研究對象，通過實(shí)際資料處理與分析，上述方法在研究區(qū)的應(yīng)用效果均不夠理想。主要因?yàn)闊o機(jī)礦物變化大、需要大量的巖心數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定以及核磁共振有效孔隙度的起算時(shí)間不夠準(zhǔn)確。為了解決頁巖油儲層有效孔隙度問題，對研究區(qū)含不同粘土礦物類型的巖心進(jìn)行了X-射線衍射和核磁共振聯(lián)測實(shí)驗(yàn)。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確了不同類型的粘土礦物對核磁T2馳豫時(shí)間的影響機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，采取“巖心刻度測井”方法，利用迭代法實(shí)現(xiàn)了頁巖油儲層有效孔隙度的準(zhǔn)確計(jì)算，并確定起算核磁時(shí)間為1.7 ms，為準(zhǔn)噶爾盆地頁巖油儲層有效孔隙度評價(jià)提供了一種新的技術(shù)思路和解決辦法。

1 地質(zhì)概況

吉木薩爾凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東部，其北界為吉木薩爾斷裂，南界為三臺斷裂，西界為老莊灣斷裂和西地?cái)嗔?，向東逐漸過渡為古西凸起上。二疊系蘆草溝組整體為咸化的湖相沉積環(huán)境，厚度大、分布廣，縱向上以暗色泥巖的烴源巖與云質(zhì)巖的儲層呈互層分布，屬源儲相鄰、近源成藏的頁巖油氣藏。蘆草溝組頁巖油儲層屬于低孔特低滲儲層：覆壓孔滲樣品平均孔隙度為9.5%，滲透率為0.001×10-3～0.6×10-3μm2；儲層以微孔為主，大尺寸的納米孔和微米孔為油氣的主要儲集空間[12]。

2 理論基礎(chǔ)

核磁共振測井可以準(zhǔn)確地反映地層孔隙度[13]，圖1是巖石中不同類型孔隙流體的核磁孔隙度模型[14]。從圖中可知，核磁有效孔隙度的計(jì)算公式為：

φE=φT-φCBW

(1)

式中：φE為有效孔隙度，%；φT為總孔隙度，%；φCBW為粘土束縛水孔隙度，%。

利用上式計(jì)算有效孔隙度的核心是確定粘土束縛水孔隙度的大小。巖石T2分布中短弛豫組分通常是粘土束縛水的弛豫特性，通常將T2時(shí)間小于3 ms的組分歸為粘土束縛水。常規(guī)的砂巖儲層常用3 ms作為粘土束縛水截止值，最早是由Straley等提出的[15]。Straley等通過對45塊不同油田的砂巖巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將薄膜電位測量的陽離子交換當(dāng)量計(jì)算的粘土束縛水飽和度與2 MHz頻率下的核磁共振測量結(jié)果進(jìn)行對比，確定粘土束縛水的T2截止值為3 ms。Freedman等(1997)和Martin等(2004)采用與Straley相同的方法，對不同地區(qū)的砂巖巖樣實(shí)驗(yàn)，得出的有效孔隙度起算時(shí)間分別為1 ms和2.8 ms[16-17]。前人研究表明粘土束縛水截止值并不是固定不變的，而是隨著地區(qū)的不同而發(fā)生變化。

蘆草溝組頁巖油儲層巖性細(xì)、孔隙度小[18-21]，核磁共振T2分布短弛豫分量比例大，粘土束縛水截止值的改變對儲層有效孔隙度的計(jì)算結(jié)果影響非常顯著[22-23]。因此研究合適的粘土束縛水截止值及認(rèn)識其巖石物理依據(jù)是準(zhǔn)確評價(jià)研究區(qū)頁巖油儲層有效孔隙度的關(guān)鍵。

3 粘土礦物類型對粘土束縛水T2截止值的影響

Prammer等(1996)通過對不同類型的粘土礦物進(jìn)行T2弛豫時(shí)間測量，結(jié)果表明(表1)：高嶺石的T2譜峰分布為8～16 ms，綠泥石的T2譜峰分布為5 ms左右，伊利石的T2譜峰分布為1～2 ms，而蒙脫石的T2譜峰分布為0.3～1 ms?？梢?，不同粘土礦物的T2馳豫時(shí)間不同，蒙脫石、伊利石的T2馳豫時(shí)間小于3 ms，而綠泥石和高嶺石則大于3 ms[24]。

Prammer的實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了單種粘土礦物的T2譜橫向馳豫范圍。然而實(shí)際地層中巖石的粘土礦物往往是不同類型粘土組合而成，粘土束縛水T2馳豫時(shí)間就是多種粘土礦物的綜合響應(yīng)。本文對準(zhǔn)噶爾盆地三個(gè)地區(qū)(阜東地區(qū)、陸梁地區(qū)及莫北地區(qū))的30塊砂巖巖樣進(jìn)行了核磁共振及配套實(shí)驗(yàn)測量。所有樣品核

圖1 核磁共振T2分布與不同類型孔隙流體對應(yīng)關(guān)系概念模型[14]Fig.1 Conceptual model showing the correlation between NMR T2 spectrum and various pore fluids[14]

粘土類型含水率/%粘土束縛T2(Te=0.5)/ms蒙脫石7.0—18.90.331.10.554.41.0伊利石8.81.015.82.0高嶺石11.78.017.412.020.016.0綠泥石7.55.0

注：Te.回波間隔，ms。

磁共振實(shí)驗(yàn)均采用NaCl溶液飽和，巖心核磁共振測量使用的是英國核磁共振儀器公司開發(fā)的MARAN-2型核磁共振巖心分析儀。主要工作參數(shù)為：測試溫度30 ℃，工作頻率2 MHz，回波間隔0.2 ms、等待時(shí)間6 s，回波數(shù)4 096、掃描次數(shù)128。使用LD5-10B型離心機(jī)，在100 psi壓力下對巖樣進(jìn)行離心處理，使其達(dá)到束縛水狀態(tài)，然后進(jìn)行核磁共振測量，主要采集參數(shù)與飽和水狀態(tài)相同。

表2為3個(gè)地區(qū)4個(gè)層位的X-衍射分析結(jié)果，圖2為這3個(gè)地區(qū)核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中紅色的為飽和水T2譜，藍(lán)色虛線為離心T2譜。阜東地區(qū)頭屯河組砂巖粘土礦物類型以伊/蒙混層為主，平均相對含量為78.71%，其他粘土礦物相對含量較少，伊利石、高嶺石和綠泥石的平均相對含量分別為6.21%，9.43%和5.64%，該區(qū)樣品的粘土束縛水峰值介于1～3 ms(圖2a)。莫北地區(qū)三工河組砂巖粘土礦物類型以高嶺石和綠泥石為主，平均相對含量分別為38.38%和28.78%，伊利石和伊/蒙混層平均相對含量均較低，分別為16%和17%，該區(qū)樣品的粘土束縛水峰值介于15～30 ms(圖2b)。陸梁地區(qū)白堊系砂巖粘土礦物類型以蒙脫石和伊/蒙混層為主，平均相對含量分別為42.14%和27.63%，綠泥石、伊利石和高嶺石平均相對含量較低，分別為15.91%,7.77%和6.54%，該區(qū)樣品的粘土束縛水峰值介于3～4 ms(圖2c)。陸梁地區(qū)侏羅系砂巖粘土類型以高嶺石為主，平均相對含量44.93%，伊利石、伊/蒙混層和綠泥石平均相對含量分別為23.07%,17.24%和14.76%，該區(qū)樣品的粘土束縛水峰值大于20 ms(圖2d)。

表2 準(zhǔn)噶爾盆地不同地區(qū)不同層位砂巖樣品粘土礦物類型及相對含量Table 2 Mineral types and relative contents of clay in the sandstone samples from different horizons of various regions in Junggar Basin

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，以伊/蒙混層為主的阜東頭屯河組巖樣和以蒙脫石、伊/蒙混層為主陸梁白堊系巖樣的T2譜中粘土束縛水峰靠前，在3 ms左右；以高嶺石和綠泥石為主的莫北三工河組巖樣和以高嶺石為主的陸梁侏羅系巖樣，T2譜中粘土束縛水峰靠后，大于15 ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明粘土礦物類型確實(shí)對儲層核磁共振T2短弛豫分量的分布有控制作用，含蒙脫石或伊/蒙混層礦物的砂巖比含伊利石或高嶺石礦物的砂巖核磁共振T2短弛豫分布更小更靠前。

4 核磁有效孔隙度起算時(shí)間的確定

上述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，利用核磁共振測井評價(jià)儲層有效孔隙度的關(guān)鍵是在明確儲層粘土礦物主要類型的基礎(chǔ)上，選擇合理的核磁有效孔隙度起算時(shí)間。

蘆草溝組巖樣X-衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖3)，蘆草溝組頁巖油儲層不含高嶺石，綠泥石的平均相對含量不到5%，伊/蒙混層和蒙脫石相對含量均在30%～40%，綠/蒙混層相對含量為25%左右，說明此地區(qū)粘土礦物類型以伊利石和蒙脫石為主。通過分析蘆草溝組頁巖油儲層25塊離心樣品的核磁共振實(shí)驗(yàn)和粘土礦物X-衍射數(shù)據(jù)，其中19塊樣品粘土礦物以蒙脫石和伊/蒙混層為主，離心T2譜峰小于或等于3 ms，4塊樣品的離心T2譜峰在3～5 ms，其綠/蒙含量較高，僅兩塊樣品的離心T2譜峰大于10 ms，其綠泥石和綠/蒙混層相對含量較高(表3)。以C井01357號的巖樣核磁共振T2譜圖為例(圖4)，藍(lán)色為飽水T2譜，紅色為離心后T2譜，可以看到粘土束縛峰小于3 ms。根據(jù)配套的核磁共振和X-衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，本地區(qū)的粘土束縛水T2截止值應(yīng)小于3 ms。

確定有效孔隙度起算時(shí)間最為直接的方法是巖心有效孔隙度和核磁共振聯(lián)測實(shí)驗(yàn)[25]。然而，這種方法需要大量的實(shí)驗(yàn)樣品，同時(shí)由于巖心實(shí)驗(yàn)的環(huán)境與井下儀器的采集環(huán)境和儀器參數(shù)具有較大的差異，會造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果與井下實(shí)測資料的一致性差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常無法直接應(yīng)用于孔隙度計(jì)算[26]。對此，研究提出應(yīng)用系統(tǒng)取心巖心有效孔隙度分析數(shù)據(jù)和核磁共振測井不同T2起算時(shí)間計(jì)算的孔隙度進(jìn)行對比分析，采用迭代法確定核磁有效孔隙度起算時(shí)間。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地不同地區(qū)不同層位砂巖巖樣核磁共振實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果Fig.2 NMR measurements of sandstone samples from various sections in different areas of the Junggar Basina.阜東地區(qū)頭屯河組；b.莫北地區(qū)三工河組；c.陸梁地區(qū)白堊系；d.陸梁地區(qū)侏羅系

圖3 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組巖樣X-衍射數(shù)據(jù)分析結(jié)果Fig.3 Analysis of X-ray diffraction data of rock samples from the Permian Lucaogou Formation,Jimusaer sag

圖4 吉木薩爾凹陷C井01357號巖樣核磁共振測量結(jié)果Fig.4 NMR measurements of rock samples from Well C in Jimusaer sag

對巖心分析的孔隙度進(jìn)行厘米級巖心歸位后，基于實(shí)際地層的核磁共振測井T2譜，從0.3 ms至3 ms，并以0.1 ms的時(shí)間間隔逐漸增加，計(jì)算得到不同起始時(shí)間的有效孔隙度。計(jì)算公式為：

(2)

式中：φe為計(jì)算的有效孔隙度，%；T2，max為橫向弛豫時(shí)間最大值，斯倫貝謝公司CMR儀器最大T2時(shí)間為3 000 ms；T2,cutoff為粘土束縛水T2截止值；φk為第k個(gè)T2時(shí)間對應(yīng)的孔隙度分量，%。

表3 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組巖樣離心T2譜峰值與粘土礦物含量Table 3 The peak of centrifugal T2 spectrum and clay mineral content of rock samples in the Permian Lucaogou Formation,Jimusaer sag

當(dāng)每得到一個(gè)T2截止值計(jì)算的有效孔隙度后，將取心處儲層的計(jì)算值與其巖心分析的有效孔隙度進(jìn)行均方根誤差分析，其表達(dá)式為：

(3)

式中：RMSE為某一截止值計(jì)算的有效孔隙度與巖心分析孔隙度的均方根誤差；n為樣品總數(shù)；φei為核磁共振計(jì)算的第i個(gè)樣點(diǎn)的有效孔隙度，%；φci為第i個(gè)樣品的巖心分析孔隙度，%。

均方根誤差最小所對應(yīng)的T2時(shí)間，認(rèn)定為儲層有效孔隙度的T2截止值。表3為利用上述方法從0.3 ms至3 ms起始時(shí)間計(jì)算的有效孔隙度與巖心分析孔隙度的均方根誤差。從此表可知，以1.7 ms起始時(shí)間計(jì)算的有效孔隙度與巖心分析有效孔隙度的均方根誤差為3.87，小于其他起始時(shí)間計(jì)算的孔隙度與巖心分析孔隙度的誤差。綜合考慮，最終確定以1.7 ms為粘土束縛水截止值計(jì)算的核磁有效孔隙度為蘆草溝組頁巖油儲層有效孔隙度。

5 應(yīng)用

將1.7 ms作為有效孔隙度起算時(shí)間的方法應(yīng)用到實(shí)際井資料中，取得了較理想的結(jié)果。圖5為C井核磁共振測井孔隙度處理成果圖，從圖中可以看出核磁0.3 ms孔隙度(第一道)和核磁3 ms孔隙度(第三道)的變化趨勢均與分析孔隙度有較好的相關(guān)性，但絕對誤差較大。3 146～3 150 m井段，核磁0.3 ms起算孔隙度與分析孔隙度的吻合度高于核磁3 ms起算孔隙度與分析孔隙度的吻合度；而3 155～3 161 m井段處恰好相反。而1.7 ms起算時(shí)間計(jì)算的有效孔隙度(第二道)與分析的孔隙度在全井段吻合性均較好，能夠較真實(shí)地反映地層的孔隙度。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可靠性，使用該方法對B井進(jìn)行了核磁共振孔隙度處理，如圖6所示。圖中第一、三、四道是常規(guī)測井曲線道，第五道為分析孔隙度與核磁共振測井處理孔隙度，包括核磁3 ms孔隙度和核磁1.7 ms孔隙度。

可以看出核磁1.7 ms孔隙度與分析孔隙度吻合度高，相對誤差為2.86%，而常用的核磁3 ms孔隙度與分析孔隙度吻合度較差，相對誤差可達(dá)20%以上。這也說明了在研究區(qū)蘆草溝組頁巖油儲層以1.7 ms作為有效孔隙度起算時(shí)間具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

6 結(jié)論

1) 通過對比準(zhǔn)噶爾盆地不同地區(qū)、不同層系巖心核磁共振T2譜和X-衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，明確了核磁共振有效孔隙度起算時(shí)間受粘土礦物類型的控制。

表3 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組不同起算時(shí)間值與巖心分析值的均方根誤差Table 3 RMS error analysis for different starting time values and core analysis values in the Permian Lucaogou Formation,Jimusaer sag

圖5 吉木薩爾凹陷C井核磁共振有效孔隙度處理成果Fig.5 A profile showing the effective porosity through processing NMR data from Well C in Jimusaer sag

圖6 吉木薩爾凹陷B井不同起算時(shí)間下孔隙度計(jì)算精度對比Fig.6 Comparison of porosity calculation accuracy in Well B at different starting time,Jimusaer sag

2) 若儲層的主要粘土礦物類型以伊利石、蒙脫石或伊/蒙混層為主，則有效孔隙度的起算時(shí)間在0.3 ms至3 ms的范圍內(nèi)確定。若儲層的主要粘土礦物類型以高嶺石、綠泥石為主，則有效孔隙度的起算時(shí)間在大于3 ms的范圍內(nèi)確定。研究區(qū)頁巖油儲層粘土礦物以蒙脫石和伊利石為主，其有效孔隙度起算時(shí)間應(yīng)小于3 ms。

3) 以系統(tǒng)取心巖心有效孔隙度分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，與現(xiàn)場核磁共振測井不同粘土束縛水截止值計(jì)算的孔隙度進(jìn)行對比，利用迭代法最終確定1.7 ms為研究區(qū)核磁共振有效孔隙度起算時(shí)間，為儲層物性評價(jià)提供了可靠參數(shù)。