基于高壓壓汞與核磁共振的致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)研究
——以蘇里格氣田山西組與下石盒子組為例

崔哲治，孫 衛(wèi).

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710069)

儲(chǔ)層的孔隙控制著儲(chǔ)層儲(chǔ)集流體的能力，喉道則控制著孔隙內(nèi)流體的流動(dòng)能力?？紫杜c喉道的連通性控制著儲(chǔ)層的生產(chǎn)能力[1-2]。本文以鄂爾多斯地區(qū)蘇里格氣田為研究對象。蘇里格氣田為典型的致密性氣田，具有低孔、低滲且非均質(zhì)性強(qiáng)等特征，但是氣田面積大，整體儲(chǔ)量大，開采價(jià)值大[3-4]。因此，為了更有效地研究氣田的生產(chǎn)能力，對孔隙結(jié)構(gòu)分析以及孔隙連通性的研究顯得十分重要。

高壓壓汞(MICP)作為一種間接研究孔隙結(jié)構(gòu)的方法，在國內(nèi)外應(yīng)用普遍且效果明顯[5]。核磁共振(NMR)是一種可以反映巖石內(nèi)部全部孔隙結(jié)構(gòu)的分析方法，在評價(jià)儲(chǔ)層時(shí)應(yīng)用越來越廣泛[6]。根據(jù)前人研究結(jié)果，結(jié)合高壓壓汞曲線，可將核磁共振T2譜轉(zhuǎn)化為核磁孔喉曲線[6-11]。高壓壓汞毛細(xì)管曲線和核磁孔喉曲線都可以反映孔隙結(jié)構(gòu)，但由于原理不同，因此兩者所測試的內(nèi)容有所不同。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能反映連通孔隙結(jié)構(gòu)，而核磁共振可以反映所有孔隙結(jié)構(gòu)[12]。對于同一塊巖石，兩種方法得到的曲線形態(tài)走勢大致一樣。對于物性較好的巖石，兩根曲線之間的差距較小，從而也就反映巖石連通性較好；對于物性較差的巖石，兩根曲線之間的差距較大，因此巖石連通性較差。根據(jù)上述原理，可利用兩根曲線的差值來反映巖石連通性的情況。

本文在前人的研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，將核磁共振T2譜轉(zhuǎn)化為核磁孔喉曲線，利用核磁孔喉曲線評價(jià)孔隙結(jié)構(gòu)和確定可動(dòng)流體喉道半徑截止值，并且對比高壓壓汞毛細(xì)管曲線，分析樣品孔隙結(jié)構(gòu)，確定可動(dòng)流體截止半徑，結(jié)合X-衍射分析結(jié)果及鏡下觀察結(jié)果對儲(chǔ)層進(jìn)行評價(jià)，為蘇里格氣田的評價(jià)與開發(fā)提供一種新思路。

1 區(qū)域地質(zhì)背景與樣品

鄂爾多斯盆地是我國第二大沉積盆地，其中含有豐富的天然氣、石油等資源。整個(gè)盆地可分為6個(gè)構(gòu)造單元——伊盟隆起、渭北隆起、西緣前陸沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶[13]。本次研究區(qū)位于伊陜斜坡西北部，西鄰天環(huán)坳陷(圖1)。鄂爾多斯盆地上古生界地層自下而上發(fā)育有上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組、中二疊統(tǒng)下石盒子組和上石盒子組以及上二疊統(tǒng)石千峰組。本次研究的層位是山西組上部的山1段、下石盒子組底部的盒8段。其中山西組山1段巖性主要是灰色泥巖、泥質(zhì)砂巖、細(xì)—中砂巖不等厚互層，下部夾煤層、黑色炭質(zhì)泥巖；下石盒子組底部的盒8段巖性主要是一套淺綠色、灰綠色含礫粗砂巖、灰綠色中粗砂巖夾雜色泥巖[14]。本次研究從山1段和盒8段共選取5塊樣品，詳細(xì)樣品數(shù)據(jù)見表1。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造(據(jù)長慶勘探研究院)Fig.1 Regional structural of the study area (according to Changqing Exploration Institute)

表1 樣品物性表Table 1 Samples physical properties

2 理論推導(dǎo)與計(jì)算步驟

巖石中的孔隙類型可以分為連通孔隙和非連通孔隙。為了保持地層壓力穩(wěn)定，非連通孔隙中一定充滿流體。在實(shí)驗(yàn)條件下，通過抽真空可將連通孔隙被模擬地層水飽和。被單相流體所飽和的巖石測得的核磁共振T2譜所反映的是巖石中所有孔隙的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。將核磁共振T2譜經(jīng)高壓壓汞曲線轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)據(jù)就可以反映巖石中所有孔徑的分布特征[10-11]。其推導(dǎo)公式如下：

核磁共振的總弛豫速率為幾種機(jī)制的疊加，公式為：

(1)

式中T2——弛豫時(shí)間，ms；

T2B——橫向體積弛豫時(shí)間，ms；

ρ——橫向表面弛豫強(qiáng)度，μm/ms；

S——孔隙表面積，cm2；

V——孔隙體積，cm3；

D——擴(kuò)散系數(shù)，μm2/ms；

G——磁場梯度，T/cm(高斯/cm)；

TE——回波間隔，ms；

γ——磁旋比。

巖石被單一相飽和后，可將上式簡化得：

(2)

式中T2——橫向弛豫時(shí)間，ms；

S/V——單個(gè)孔隙的比表面，μm2/μm3。

上式中，T2與S/V成反比。將孔隙和喉道的體積分別假象為球形與柱形，則得到下式：

(3)

式中FS——孔隙形狀因子(球狀FS=3，柱狀FS=2)；

rc——孔隙半徑，μm。

經(jīng)過大量實(shí)際實(shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，地層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，T2與孔隙半徑的冪指數(shù)(n)成正比關(guān)系。因此，對上式進(jìn)行修正便有：

(4)

因?yàn)榭紫栋霃降扔诤淼腊霃脚c孔喉比的乘積，所以將上式變形為下式：

(5)

式中c1——平均孔喉比；

rt——喉道半徑，μm。

(6)

根據(jù)上式可知，求得C和n值便可進(jìn)行T2到rt的轉(zhuǎn)換。

3 致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)

3.1 核磁孔喉曲線的轉(zhuǎn)換

高壓壓汞技術(shù)因研究手段與方法的限制不能反映非連通孔隙的體積，而核磁共振則可以反映巖石所有孔隙的體積。因此，在計(jì)算時(shí)為了保證精準(zhǔn)度，于核磁共振T2累計(jì)分布曲線與高壓壓汞孔喉累計(jì)分布曲線相對應(yīng)處取值[15]。以L1樣品為例，得到樣品T2弛豫時(shí)間與壓汞喉道半徑的累計(jì)分布頻率曲線，如圖2所示。根據(jù)壓汞喉道半徑累計(jì)分布頻率的分布范圍，取得任意喉道半徑rt，確定其累計(jì)分布頻率，并利用該累計(jì)分布頻率對其相對應(yīng)的T2弛豫時(shí)間進(jìn)行插值，最后將兩者進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖2 核磁T2弛豫時(shí)間與壓汞孔喉半徑累計(jì)分布曲線Fig.2 Cumulative distribution curves of nuclear magnetic T2 relaxation time and throat radius of mercury intrusion hole

圖3 核磁T2弛豫時(shí)間與壓汞孔喉半徑擬合曲線Fig.3 Fit curve of nuclear magnetic T2 relaxation time and throat radius of mercury intrusion hole

根據(jù)圖3的擬合結(jié)果，得到L1樣品所對應(yīng)的C和n值。重復(fù)上述步驟，求得所有樣品對應(yīng)的C和n值。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同樣品的C和n值Table 2 C and n values for different samples

如圖4所示為5塊樣品核磁孔隙與壓汞孔隙分布圖。從圖中可看出，兩條曲線的分布趨勢大致相同。其中處于相同的孔隙半徑下，核磁孔隙的分布總是高于壓汞孔隙分布，這一現(xiàn)象是因高壓壓汞只能反映連通孔隙而核磁可以反映所有孔隙所造成的。理論分析與實(shí)驗(yàn)相符，進(jìn)而也驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換的合理性。圖中兩條曲線之間的差值表示不連通孔隙的分布頻率，隨著滲透率的變小，巖石的連通性比變差，因而兩條曲線之間的差距也隨之加大。

圖4 5塊樣品核磁孔隙與壓汞孔隙分布Fig.4 Distribution of nuclear magnetic pores and mercury intrusion pores in five samples

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)分析

圖5為5塊樣品核磁共振T2譜轉(zhuǎn)化為孔隙半徑的分布頻率圖，圖中反映巖石孔隙結(jié)構(gòu)的信息點(diǎn)明顯增多，孔隙分布范圍增大，相比于高壓壓汞，顯示出核磁共振在反映孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)的優(yōu)勢。圖中曲線都呈雙峰分布，其中左峰明顯高于右峰，表明樣品中孔隙的結(jié)構(gòu)主要以小孔隙為主，5塊樣品中孔喉半徑大都處于0.01～1 μm之間。

圖5 5塊樣品核磁孔喉分布頻率Fig.5 Five samples nuclear pore throat distribution frequency

根據(jù)鏡下觀察及X-衍射分析結(jié)果， L2與L3樣品中伊利石含量最多(圖6a、6b、6c，表3)，它們在孔隙中多呈毛發(fā)狀、搭橋狀、網(wǎng)絡(luò)狀分布，影響巖石物性；但L3樣品的滲透率最大，是因?yàn)長3樣品中存在微裂縫(圖6d)，反映在曲線上便是右峰的分布頻率明顯高于其他4塊樣品。如圖5所示，L4和L5曲線走勢大致相同，兩者滲透率都較小，這是因?yàn)長4和L5樣品中黏土礦物含量相對較高(圖6e、6f)，大量密集填充在孔隙中，影響巖石物性。

表3 5塊樣品X-衍射分析結(jié)果Table 3 Table of five samples X-ray diffraction analysis results

圖6 樣品鏡下觀察圖(200×)Fig.6 Samples microscope observationa,b,c.樣品中伊利石的分布，3 610.44 m；d.樣品中微裂縫發(fā)育，3 610.44 m；e,f.樣品中高嶺石的分布，3 836.13 m。

3.3 確定最小可動(dòng)流體喉道半徑

核磁共振T2譜中存在一個(gè)特殊的點(diǎn)，稱之為T2截止值[16-17]；位于該值以下的孔隙中的流體因毛管力的存在而處于束縛狀態(tài)，稱之為束縛流體。位于該值以上的孔隙中的流體則是可以流動(dòng)的流體，此種孔隙對油氣田的開發(fā)意義重大，因此，可以通過T2截止值來確定最小可動(dòng)流體孔喉半徑。按照文獻(xiàn)[18]，根據(jù)T2譜的形態(tài)確定T2截止值。將式(6)進(jìn)行改變得：

(7)

式中rtcutoff——可動(dòng)流體喉道截止半徑，μm；

T2cutoff——可動(dòng)流體T2截止值，ms。

由表4、表5可知，L1樣品的可動(dòng)流體孔喉截止半徑最大，為0.523 5 μm，證明當(dāng)孔隙半徑低于該值時(shí)流體大都處于束縛狀態(tài)，可動(dòng)流體飽和度較低。在圖5中可看出小于截止半徑的孔隙占據(jù)巖石總孔隙的大半，而核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，L1樣品的可動(dòng)流體飽和度為44.53%。L2樣品的可動(dòng)流體截止值最小，為0.025 9 μm，在圖5中可知，小于該值所占的孔隙并不多。但是L2樣品的可動(dòng)流體飽和度僅為15.60%，這是因?yàn)闃悠氛w孔喉較小，并含有大量的黏土礦物，物性較差，流體大量以束縛水狀態(tài)存在。L3樣品中的小于可動(dòng)流體孔喉截止半徑的孔喉占據(jù)較少，可動(dòng)流體飽和度為23.69%。與L2樣品一樣，L3樣品中也含有大量的黏土礦物，導(dǎo)致巖心物性較差，大量流體呈束縛狀留在巖心中。L4樣品小于可動(dòng)流體孔喉截止半徑的孔喉占據(jù)較少，相比其他樣品，綠泥石含量明顯增加，可動(dòng)流體飽和度僅為7.73%。L5樣品小于可動(dòng)流體孔喉截止半徑的占據(jù)較多，導(dǎo)致大部分流體都處于束縛狀態(tài)，可動(dòng)流體飽和度為17.18%。根據(jù)核磁共振可動(dòng)流體飽和度劃分標(biāo)準(zhǔn)(表6)，可知L1樣品所在層位為中等儲(chǔ)層，而L2、L3、L5樣品所在層位為較差儲(chǔ)層，L4所處層位為很差儲(chǔ)層。

表4 5塊樣品的T2截止值與可動(dòng)流體喉道截止半徑Table 4 T2 cut-off values of five samples and movable fluid cut-off radius

表5 核磁共振測試結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistical analysis of nuclear magnetic resonance test results

表6 核磁共振可動(dòng)流體飽和度劃分依據(jù)Table 6 Standards for the classification of mobility fluid saturation

4 結(jié)論

(1)根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，將核磁共振T2譜轉(zhuǎn)化為核磁孔喉半徑分布曲線，得到的核磁共振孔喉半徑曲線與高壓壓汞孔喉曲線分布趨勢一樣，證明了轉(zhuǎn)化的合理性；相同的孔喉半徑，核磁孔喉曲線分布頻率總是高于高壓壓汞孔喉分布頻率，證明核磁共振在反映巖石孔喉結(jié)構(gòu)時(shí)優(yōu)于高壓壓汞。

(2)5塊樣品中，核磁孔喉曲線呈雙峰分布，且左峰明顯高于右峰，證明小孔喉占比較大，孔喉半徑大都處于0.01～1 μm之間。

(3)通過核磁共振T2截止值確定巖石可動(dòng)流體喉道半徑截止值，處于該值以下的孔喉中的流體均處于束縛水狀態(tài)，得L1樣品的可動(dòng)流體孔喉半徑最大為0.523 5 μm，L2樣品最小為0.025 9 μm。

(4)通過可動(dòng)流體飽和度，并結(jié)合樣品黏土礦物的含量與種類進(jìn)行分析，最后將樣品所處層位進(jìn)行劃分，L1樣品所在層位為物性中等儲(chǔ)層，L2、L3、L5樣品所在層位為物性較差儲(chǔ)層，L4所在層位為物性很差儲(chǔ)層。