基于二維核磁共振弛豫譜的雷四段孔隙度計算方法

侯克均，吳見萌，葛 祥，張世懋

基于二維核磁共振弛豫譜的雷四段孔隙度計算方法

侯克均*，吳見萌，葛 祥，張世懋

中石化西南石油工程有限公司測井分公司，四川 成都 610100

基于常規(guī)測井資料的體積模型和一維核磁共振（NMR）測井資料的固定截止值法，可以計算地層孔隙度，但是擴徑段孔隙度計算結(jié)果偏大．本文通過川西海相雷四段巖心樣品NMR實驗和實測二維NMR測井資料，開展擴徑段的2、1孔隙度計算方法研究．首先總結(jié)不同孔徑流體在2譜和1譜上的響應(yīng)特征，分析鉆井液流體峰截止值的分布范圍和影響因素，建立鉆井液流體弛豫時間截止值的計算模型；然后根據(jù)未擴徑段和擴徑段的粘土束縛水弛豫時間截止值確定原則，確立變粘土束縛水弛豫時間截止值的有效孔隙度計算方法．多口井的應(yīng)用效果表明，基于1譜的孔隙度計算結(jié)果精度更高、定量分析誤差小，能有效解決擴徑段孔隙度計算結(jié)果偏大的問題，滿足儲層評價的要求．

二維核磁共振測井；流體響應(yīng)；雷四氣藏；變粘土束縛水弛豫時間截止值；孔隙度

引 言

川西雷四段巖性復雜多樣、裂縫及溶蝕孔洞發(fā)育、非均質(zhì)性強，而測井資料是地層各種因素的響應(yīng)結(jié)果，孔隙度曲線不僅受巖石骨架礦物成分的影響，也受地層孔隙大小和孔隙類型等因素的影響，基于常規(guī)測井資料的體積模型法在計算儲層參數(shù)時存在一定的局限性．另外，多口川西海相井在鉆井過程中均出現(xiàn)明顯的擴徑現(xiàn)象，惡劣的井筒環(huán)境導致采集的測井資料存在失真的情況，采用環(huán)境校正的方法很難有效的解決儲層測井評價的要求．

因此，本文期望通過新技術(shù)的應(yīng)用解決雷四段特別是擴徑段儲層孔隙度計算方法的難題，通過查閱資料，核磁共振（NMR）測井技術(shù)在計算儲層孔隙度方面應(yīng)用廣泛[1-5]、精度較高．部分學者采用基于2譜的固定粘度弛豫時間截止值法計算NMR有效孔隙度，但未分析擴徑段對計算結(jié)果的影響．少數(shù)學者認為可以在回波串信號數(shù)據(jù)中剔除鉆井液流體信號的影響，鉆井液流體信號影響因子的確定非常關(guān)鍵，當毛管束縛流體與鉆井液流體信號重疊時，兩者的貢獻大小很難界定；而且作者未重點考慮實際地層條件下鉆井液侵入情況和鉆井液類型，以及實際生產(chǎn)操作過程的復雜性等因素的影響[3-5]．

隨著二維NMR測井技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展[6-9]，國內(nèi)石油測井行業(yè)目前主要采用二維21交會圖進行流體性質(zhì)的判別，但未深入研究基于1譜的NMR孔隙度計算效果；文獻[10,11]表明1項中不包括擴散弛豫，可以減少流體擴散系數(shù)和磁場梯度等因素的影響，在計算NMR孔隙度方面應(yīng)具備明顯的優(yōu)勢．因此，本文擬采用雙參數(shù)21開展孔隙度研究，并利用合理的處理技術(shù)剔除擴徑段鉆井液流體峰的信號，提高測井解釋參數(shù)的計算精度．對于擴徑段，首先開展鉆井液流體弛豫時間截止值的影響因素分析，并建立合適的模型計算鉆井液流體弛豫時間截止值；然后結(jié)合未擴徑段的NMR譜圖特征，確定單井的變粘土束縛水弛豫時間截止值，開展單井NMR孔隙度的計算．最終建立一套適合川西雷四段的NMR孔隙度計算方法，解決儲層孔隙度等參數(shù)的計算方面難題，為勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐．

1 NMR原理

NMR測井的基礎(chǔ)是原子核的磁性及其與外加磁場的相互作用．其質(zhì)子的弛豫主要分兩個部分，即縱向磁化強度M要恢復到最初平衡狀態(tài)0和橫向磁化強度M要衰減到0[10-13]．M和M的弛豫分別為：

0是射頻脈沖作用前質(zhì)子系統(tǒng)的縱向或橫向磁化強度矢量大小，M()和M() 分別表示時刻的縱向和橫向磁化強度，1和2分別表示縱向和橫向弛豫時間．

孔隙介質(zhì)內(nèi)的2包含表面弛豫、體積弛豫和擴散弛豫三種機制，1包含表面弛豫和體積弛豫兩種機制，分別表示為：

通常，基于2譜或1譜計算儲層流體NMR有效孔隙度的基礎(chǔ)是譜峰面積與流體孔隙度之間存在相關(guān)關(guān)系，這是由于NMR測井采集的自旋回波衰減曲線的初始幅度與孔隙中流體的氫核數(shù)量呈正比：即流體含量越大，氫核數(shù)量越多，2譜或1譜的峰面積越大[2,11]．利用積分面積可以計算地層的NMR有效孔隙度，公式如下：

1、2為1、2有效孔隙度，單位為%；1CBW、2CBW分別為1譜、2譜的粘土束縛水弛豫時間截止值，單位為ms；1MAX、2MAX為1譜、2譜的最長測量時間，一般為5 000 ms；(1)d1和(2)d2為單位時間內(nèi)1譜和2譜的譜峰面積．

實際上NMR測井的探測響應(yīng)范圍是一個以儀器軸為圓心的圓形柱殼，探測直徑取決于儀器探頭尺寸、操作頻率及溫度等因素．當井眼擴徑嚴重時，NMR測井記錄的原始回波串包含地層巖石孔隙流體和井眼鉆井液兩部分貢獻[5,14]，導致NMR采集的信號量明顯增多，計算得到的NMR有效孔隙度明顯偏大．因此，需要分析在實驗條件下和現(xiàn)場測井試驗中地層流體信號在NMR弛豫譜上的分布區(qū)間，研究鉆井液流體峰、毛管束縛流體和可動流體信號的分布狀況．

2 材料與方法

2.1 實驗室T2譜的測定

利用真空加壓飽和裝置將兩口川西雷四段的21顆巖心樣品飽和蒸餾水，選用MicroMR12-025V型NMR分析儀，回波間隔為0.6 ms，回波時間為6 000 ms，測定巖心樣品的2譜，開展巖心樣品的NMR孔隙度測定和2譜分析．

2.2 二維NMR測井試驗

利用MRIL-P型NMR測井儀器和優(yōu)選的測井觀測模式，在川西5口井的雷四段地層進行二維NMR測井試驗，采集合格的NMR測井數(shù)據(jù)，采用特殊的反演技術(shù)得到2和1分布譜，開展井下NMR弛豫譜的響應(yīng)特征分析．

3 結(jié)果與討論

3.1 不同孔徑孔隙中流體的NMR響應(yīng)特征

3.1.1 川西雷四段巖心樣品的2譜

分析巖心飽和水狀態(tài)的2譜時，弛豫時間的長短可以反映巖心孔隙半徑的變化情況：大孔徑孔隙組分2長，小孔徑孔隙組分2短．對于雷四段碳酸鹽巖樣，當2譜的長弛豫組分面積或信號量越大時，巖石的大孔徑孔隙越多，次生孔隙越發(fā)育；T譜信號越靠后，表明巖石發(fā)育較大孔徑的溶蝕孔洞或較寬的裂縫[15-17]．

飽和水狀態(tài)的2譜（圖1）顯示本文所用樣品中多個巖心樣品的2較長，如572、591、614樣品（2有效孔隙度大于6.5%）的2分布主要在10~3 000 ms，譜峰面積大，其所對應(yīng)孔徑組分占總孔隙的比例較高．孔隙度較低的569（2有效孔隙度為5.7%）、570（2有效孔隙度為4.5%）巖心樣品，2分布范圍也較廣，相對于572、591、614巖心樣品，2為100~3 000 ms所對應(yīng)孔徑組分占總孔隙的比例較低，10~100 ms所對應(yīng)孔徑組分占總孔隙的比例較高．然而無論是低孔隙度還是高孔隙度樣品，長2（100~3 000 ms）比短2（10~100 ms）所對應(yīng)的孔徑組分比例更高；而0.1~10 ms的短2信號低，表明粘土束縛水孔隙組分占總孔隙比例很低，與川西地區(qū)多口井薄片鑒定分析的粘土含量（低于5%）基本一致．

圖1 完全飽和水狀態(tài)的巖心樣品的T2譜特征

3.1.2 川西雷四段的二維NMR測井信息

MRIL-P型NMR測井儀經(jīng)過技術(shù)改進，采用多等待時間或多回波間隔的觀測模式，通過特殊的反演處理技術(shù)，能獲得包括1、2或在內(nèi)的二維NMR測井信息．對于裂縫或溶孔發(fā)育的川西雷四段地層，流體的體積弛豫作用往往大于其對碎屑巖中流體的作用．含天然氣和地層水的雷四段碳酸鹽巖地層，1譜主要受體積弛豫項的作用，2譜主要受體積弛豫和表面弛豫項的作用[18,19]．進一步分析粘土束縛水、毛管束縛水和可動流體在2、1譜上的響應(yīng)情況，可了解不同流體的NMR響應(yīng)特性．

xx5井雷四段的二維NMR測井響應(yīng)特征顯示（圖2），短2、1對應(yīng)的流體信號很強，弛豫譜分布異常高且弛豫衰減快，該流體信號在2譜上主要分布在0.5~20 ms范圍內(nèi)，在1譜上主要分布在0.5~40 ms范圍內(nèi)，本文分析認為它為鉆井液流體信號，而非地層真實的粘土束縛水信號，其分布位置與擴徑大小存在明顯關(guān)系．粘土束縛水是粘土礦物所結(jié)合的不可動水，弛豫時間也非常短（圖2中深度為6 400~6 402 m），圖上顯示粘土束縛水信號與鉆井液流體信號有重疊情況．毛管束縛水孔隙是巖石有效孔隙中最小的孔隙，2、1稍長，位于粘土束縛水和鉆井液流體信號之后，信號較弱；在2譜和1譜上主要分布于10~100 ms，分布位置與鉆井液流體信號差異明顯．川西雷四段的可動流體信號主要包括可動水和天然氣，兩者在2譜和1譜上的分布不同：2譜上可動水和天然氣信號主要位于100~800 ms范圍，重疊情況明顯；1譜上可動水信號范圍為200~1 000 ms，天然氣信號范圍為2 000~5 000 ms．

圖2 xx5井的二維NMR響應(yīng)特征（使用MRIL-P型NMR測井儀）

結(jié)果顯示擴徑段NMR弛豫譜出現(xiàn)鉆井液流體信號峰，弛豫時間短且幅度異常高，分布位置與粘土束縛流體信號重疊；毛管束縛流體與可動流體信號明顯靠后，分布位置與鉆井液流體峰信號明顯分離．其它井的NMR資料均呈現(xiàn)該規(guī)律，為本文方法的實施提供了實踐技術(shù)支撐．

3.2 鉆井液流體弛豫時間截止值影響因素分析

利用鉆井液流體信號、毛管束縛流體和可動流體信號在2、1譜上分離的特性，為剔除鉆井液信號的貢獻，首先需分析鉆井液流體弛豫時間截止值（2MUD、1MUD）的影響因素，本文主要考慮實際擴徑大小、鉆井液粘度與密度、地層溫度等因素．

通過單井實測NMR資料，并根據(jù)二維2-1交會圖確定1MUD和2MUD，本文建立了單井不同擴徑段的1MUD和2MUD與影響因素之間的關(guān)系．結(jié)果表明，2MUD、1MUD主要與擴徑大小呈正相關(guān)，與鉆井液粘度呈負相關(guān)（圖3，其中1 in=25.4 mm）．

圖3 鉆井液流體弛豫時間截止值（T2MUD、T1MUD）與擴徑大小、鉆井液粘度和比重的關(guān)系

通過對2MUD、1MUD的影響因素分析，建立了2MUD、1MUD與井眼擴徑大小和鉆井液粘度的多元線性回歸模型：

上式中，1MUD、2MUD為預測的鉆井液流體弛豫時間截止值，單位為ms；為井眼擴徑，單位為in；為鉆井液粘度，單位為s．

預測1MUD、2MUD與實測1MUD、2MUD的關(guān)系如圖4所示，其中1MUD計算模型的精度明顯優(yōu)于2MUD．

圖4 鉆井液流體弛豫時間截止實測值與預測值關(guān)系圖

3.3 川西雷四段變粘土束縛水弛豫時間截止值（T1CBW、T2CBW）曲線的確定

根據(jù)(5)式和(6)式，NMR有效孔隙度準確求準需要確定1CBW、2CBW．國內(nèi)外學者研究認為在井眼規(guī)則處，2CBW取3 ms較為適用[7,11]；而1CBW的確定采用川西地區(qū)21交會圖（圖5），用粘土束縛水峰和毛管束縛水峰信號的界限值確定1CBW，最終1CBW選取10 ms．當井眼明顯擴徑時，需剔除鉆井液流體信號，確定公式中的粘土束縛水弛豫時間截止值．

圖5 xx5井T2-T1交會圖確定T1CBW大?。ㄉ疃龋? 373.1 m）

根據(jù)單井的實測井徑和鉆井液資料，利用(7)式和(8)式計算得到變化的1MUD2MUD．擴徑段采用變化的1MUD2MUD作為(5)式和(6)式的積分下限1CBW2CBW，有效剔除粘土束縛水和鉆井液信號的影響；為實現(xiàn)軟件的可操作性，某一擴徑段內(nèi)的1CBW2CBW采用平均的1MUD2MUD值；未擴徑段采用粘土束縛水弛豫時間截止值大?。?0 ms、3 ms）．利用上述方法確定xx1井的變1CBW、2CBW曲線開展NMR有效孔隙度的計算，如圖6所示．

3.4 NMR孔隙度計算結(jié)果對比

將基于變1CBW、2CBW的NMR有效孔隙度計算技術(shù)應(yīng)用于川西氣田多口井中，效果較好，能明顯降低井眼擴徑的影響．根據(jù)儀器的探測情況、井身結(jié)構(gòu)及儀器工作情況，當井眼擴徑超過一定范圍（6 in）時，儀器探測的主要是鉆井液流體信號，模型的適用性較差．當井眼擴徑小于6 in時，通過多口井的NMR與巖心孔隙度誤差分析，基于1譜的計算模型與巖心分析結(jié)果誤差更小、精度更高，能滿足地質(zhì)評價及儲量計算（孔隙度相對誤差小于8%）的要求，具體見表1．

表1 川西雷四段NMR有效孔隙度與巖心孔隙度對比

*: 絕對誤差=|NMR有效孔隙度-巖心孔隙度|；#: 相對誤差=|NMR有效孔隙度-巖心孔隙度|/巖心孔隙度

圖6 xx1井變粘土束縛水弛豫時間截止值（T1CBW、T2CBW）曲線的確定

3.5 單井應(yīng)用效果分析

xx1井是在崇州構(gòu)造部署的預探井，雷四段儲層巖性為白云巖、灰質(zhì)白云巖，常規(guī)資料指示儲層裂縫或溶蝕孔洞發(fā)育，物性較好（圖7上圖）．二維NMR測井資料顯示毛管束縛流體信號弱，可動流體信號強且明顯后移；擴徑段見明顯的鉆井液流體信號，如5 685~5 688 m、5 708~5 713 m．針對擴徑段儲層，采用固定1CBW、2CBW計算的NMR有效孔隙度明顯偏大；而利用本文提出的變1CBW、2CBW技術(shù)，計算得到的NMR有效孔隙度與巖心分析結(jié)果吻合度較高．誤差定量分析結(jié)果顯示基于2譜計算的NMR有效孔隙度絕對誤差為0.67%；基于1譜計算的NMR有效孔隙度絕對誤差為0.27%，相對誤差為5.44%，誤差更?。?/p>

xx2井是在大邑構(gòu)造部署的重點探井，常規(guī)測井資料解釋為Ⅲ類氣層（圖7下圖）．致密灰?guī)r段5 830~5 859 m井眼擴徑顯著，基于固定1CBW、2CBW計算得到的1有效孔隙度明顯偏大．而利用本文建立的計算方法，1有效孔隙度的計算結(jié)果與巖心分析孔隙度的誤差基本小于1.5%，能有效剔除鉆井液流體信號的影響，計算結(jié)果符合致密灰?guī)r段的地層特征．

4 結(jié)論

（1）川西雷四段地層井眼擴徑顯著，基于常規(guī)測井資料計算擴徑段的孔隙度大小存在局限性，采用2、1譜的校正方法可以有效解決擴徑對孔隙度計算結(jié)果的影響，提高測井解釋的精度．

（2）分析流體在實驗室和MRIL-P型儀器條件下的NMR弛豫譜響應(yīng)特征，確定1MUD和2MUD的分布范圍．根據(jù)其影響因素建立回歸模型和計算1MUD和2MUD，剔除鉆井液流體的信號，采用變2CBW、1CBW曲線計算NMR有效孔隙度，效果明顯．

（3）本文提出的基于二維NMR弛豫譜的孔隙度計算方法能真實反映地層物性的變化情況．多口井的雙參數(shù)計算結(jié)果顯示基于1譜的孔隙度計算方法誤差更小，能滿足儲層評價及儲量計算的要求．

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Calculating Porosity From Two-Dimensional NMR Relaxation Spectra of the Leikoupo Group's 4th Section

*，，，

Well logging Branch of Sinopec Xinan Oilfield Service Corporation, Chengdu 610100, China

Formation porosity can be calculated from one-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) logging data with a fixed cutoff value and the volume model of conventional logging data. However, the porosity calculated with this method often appears to be overestimated in the enlarged hole section. In this work, the calculation methods for2and1nuclear magnetic porosity from NMR results of core samples and two-dimensional NMR logging data were investigated. Firstly, the characteristics of NMR relaxation spectra of fluids at different pore sizes were obtained and used to analyze the distribution range of pore diameter and affecting factors of the cutoff value of the drilling fluid peak. A model for estimating the cutoff value of the drilling fluid relaxation time was then established. A method for calculating the effective porosity was then proposed with variable cutoff value of clay bond water relaxation time, according to the deterministic principle about cutoff value of clay bond water relaxation time in un-enlarged and enlarged hole section. The method proposed was applied to the data from many wells, and demonstrated better accuracy than the traditional method using1distribution spectra. The method can effectively solve the problem of overestimated porosity in the enlarged hole section and meet the requirement for reservoir evaluation.

2D NMR logging, fluid response,Leikoupo Group's 4th Section reservoir, variable cutoff value of clay bond water relaxation time, porosity

O482.53

A

10.11938/cjmr20192708

2019-01-16;

2019-02-27

國家科技重大專項資助項目(2017ZX05005-005-010).

* Tel: 17380432656, E-mail: hunk2050@163.com.