核磁共振測井滲透率模型分析

1、核磁共振測井滲透率模型分析2011年第3期總第183期國外測井技術W0RLDWELLLOGGINGTECHNOLOGYJun.2011Tota118327?基礎科學?核磁共振測井滲透率模型分析鄒良志1中國石油川慶鉆探工程有限公司測井公司劉清華2中國石化東北油氣分公司工程技術研究院摘要:滲透率是表征儲層滲流特性的主要參數(shù)之一,大量的測井和實驗表明,核磁共振測井能較好地表征巖石的孔隙結構.因此,核磁共振測井成為與滲流機理最為接近的測井方法.本文分析了核磁共振測井測量滲透率的原理,各種模型的比較,核磁共振測井求取滲透率的影響因素.關鍵詞:核磁共振測井;滲透率;影響因素1核磁共振測井測量滲透率的原理1

2、.1核磁共振測井測量滲透率的基礎滲透率主要受巖石孔喉半徑控制,而核磁共振測井測得的T2分布反應的是巖石的孔隙直徑,巖石的孔喉半徑與孔隙直徑之間有密切的關系,因此可以用核磁共振測井測得的I分布來估算滲透率.1.2核磁T2譜反映巖石的孔隙直徑巖石樣品通常含有大小不一的多種孔隙系統(tǒng),各種孑L隙具有不同的表面積與體積之比,因而具有不同的核磁共振弛豫速率,由此構成觀測回波多指數(shù)衰減規(guī)律的主要來源.當孔隙中只含有單相流體時,對于表面積為S;,體積為V的第i種孔隙系統(tǒng),其橫向弛豫時間可以寫成【u:擊=擊+D(?G/'E)2+P2Z.L(1)+T(1)在沒有磁場梯度,或(GTE)的值很小時,擴散項對弛

3、豫時間的貢獻可以忽略.并且,在一般情況下由弛豫會比表面弛豫慢得多,1/T:也可以忽略,此時有:.,1S(2),'(2)得到r,l2(3)V/S的值取決于孑L隙的形狀.對于典型的球形孔,管狀孑L,以及板狀孔,V/S分別為d/6,d/4,d/2,其中d分別為球形,管狀孔隙的直徑和板狀孑L的寬度.對于儲層常常使用管狀孔模型.橫向表面弛豫強度P為常數(shù),所以,觀測弛豫時間與孔隙直徑之間存在對應關系.巖石多孔介質是由不同大小的孑L隙組成的,存在多指數(shù)衰減信號,總的核磁弛豫信號s(t)為這些孔隙的核磁弛豫信號的疊JJI1:(f)=A,exp(一f/T2i)(4】式中,T2為第i種孔隙系統(tǒng)的T2弛豫時

4、間,Ai為弛豫時間為的孔隙組份所占的比例,對應于巖石孔隙內在的表面積與體積之比V./S;或管狀孔隙喉道半徑的分布比例.實際核磁共振測量中觀測到的原始數(shù)據(jù)是自旋回波串,是多種橫向弛豫分量共同貢獻的結果,對回波數(shù)據(jù)做反演,便可以計算出不同T2弛豫時間的流體所占的份額,即所謂的T2弛豫時間譜.T2弛豫時間較長的流體存在于較大的孔隙中,弛豫時間較短的流體存在于較小孔隙中,因此,T2分布在油層物理上的含義為巖石中不同大小的孔隙占總孔隙的比例,從T2分布中可以得到孑L隙分布和滲透率的信息(如圖1).圖1多孔介質的多指數(shù)衰減規(guī)律作者簡介:鄒良志(1981一),男,碩士,2010年畢業(yè)于中國石油大學(北京)地

5、球探測與信息技術專業(yè),從事測井資料處理解釋與儲層評價和射孔技術研究工作.l28國外測井技術由上述可知,T2分布實際上代表了地層管狀孔隙喉道半徑分布情況.地層巖石滲透率與管狀孑L隙喉道半徑有關,因此可以從T2分布中計算出地層巖芯滲透率,這種計算一般是采用一些經驗公式來進行.由于使用常規(guī)測井資料計算滲透率常用孔隙度來計算,與核磁共振測井相比,它沒有孔隙分布的信息,因此它的計算精度常常低于核磁共振測井的孔隙度.從油層物理中可知,對球形孔隙模型表面積與體積之比VSi=3/ri,對管束孔隙模型表面積與體積之比V,/Si=2/r,(ri表示孔隙半徑),因此,從式(2)可以看出T2譜實際上反映出了巖石孔隙半

6、徑的分布情況.用孔隙流體T:弛豫時間可以計算巖石管狀或者球形的孑L隙喉道半徑,為現(xiàn)場油藏分析提供數(shù)據(jù)支持.2核磁共振測井滲透率計算模型分析2.1核磁共振測井滲透率確定方法滲透率反映了儲層巖石允許流體通過的能力,具有連通的孔隙是巖石滲透性的必要條件.滲透率與巖石的孔隙度以及孔隙的表面積與體積的比值有關,而巖石的核磁共振橫向弛豫時間T:與孔隙的表面積與體積的比值相關,因此可以建立利用核磁共振估算巖石滲透率的方法.確定核磁滲透率的方法是以T:分布為基礎,通過T2截止值的選取計算可動流體以及束縛流體的體積,然后利用目前常用的計算滲透率的模型,即Coates模型和SDR模型】.另外Sezginer等人研

7、究回波串的和與滲透率的關系得出了回波串的和計算公式,但該公式目前使用還不成熟,因此在這里作一簡單比較.1,Coates模型p利用可動流體和束縛水的比值來表達,模型有很多變化形式,最常用的是:=(C)(BV,式中:FFI為可動流體體積;BVI為束縛水體積;c為系數(shù),具有地區(qū)經驗性,需要由巖芯實驗確定.Coates模型利用孔隙度,束縛水體積和可動流體體積來估算滲透率,因此,束縛水體積的確定方法對滲透率計算結果有很大的影響,如果能夠準確確定束縛水體積和孔隙度,這就是一種比較常用的方法.當孔隙中含有輕烴,特別是天然氣時,束縛水與自由流體均需要做含烴及含氫指數(shù)校正.上述確定核磁滲透率的方法均以T2分布為

8、基礎,通過T2截止值的選取計算可動流體以及束縛流體的體積,然后利用上述模型計算核磁滲透率.此公式計算結果與實際資料相比,往往存在偏差,其原因主要如下兩方面:(1)T截止值的合理選取,大量的實驗證明,對于巖性不均勻的儲層,其T2截止值具有不確定性,不同的巖芯具有不同的T截止值,但在實際應用中,只能對每一儲層巖芯在實驗基礎上取一相對合理的值;另外r2截止值在實驗室確定過程中本身與操作人員的經驗和技術水平相關,因此T2截止值的測量比較困難和存在較大的誤差,從而導致可動流體和束縛流體的不準確.(2)上述模型以T:分布為基礎,而核磁共振測量的是回波信號,需要對測量的回波信號通過復雜的數(shù)學擬合得到T2分布

9、,存在擬合誤差.尤其是在滲透率較低時由于信噪比較低,誤差更大.2,根據(jù)大量飽和水巖芯核磁共振實驗結果,Kenyon等人提出了計算砂巖滲透率的SDR模型:K=c,(6)式中:.為T2分布的幾何平均值;C為系數(shù).通過對式(6)分析,可以得出以下結論:(1)SDR模型利用T2分布的幾何平均值估算滲透率,經驗表明,平均rr2模型對只含水的地層應用效果非常好.(2)當?shù)貙雍突蛴偷臑V液時,由于油的T2弛豫時問常常與水不同,T2分布的幾何平均值會發(fā)生變化,平均T2就向自由流體T2偏移,SDR模型估算的滲透率是不可靠的.(3)當原狀地層含氣體,相對于沖洗過的氣層平均值太低,滲透率相應偏低.由于對烴的影響不可

10、校正,因此平均模型對于含烴的地層不適應.從圖2中可以看出,Coates模型主要與束縛水體積的求取有關,T2截止值的求取很關鍵,而SDR模型與T幾何平均值T有關,T2是T:分布形態(tài)的一個綜合反映".l-_.一圖2滲透率模型示意圖2011年第3期鄒良志,等:核磁共振測井滲透率模型分析293,回波串幅度和模型K=(2.188×10-12)×Jp'(7)P,:(n(8)式中:NS為掃描次數(shù),Echli)為回波幅度平方和,K一為核磁的滲透率.經驗表明,Coates滲透率模型比SDR滲透率模型更靈活,通過仔細的巖芯刻度,Coates滲透率模型可以成功地用于不同地層的滲

11、透率計算.只要束縛水孔隙體積(BVI)中不包括烴的貢獻,BVI就不受其它流體(如油和油基泥漿濾液)的影響,這在計算含烴地層的滲透率時非常重要.在裂縫性地層,由于Coates和SDR兩個模型計算結果都表示骨架滲透率,因此滲透率值都偏小.應用這三種滲透率模型,經過大量的巖芯核磁分析,得到圖3三種模型的實驗結果圖.圖3三種滲透率模型的實驗結果圖2.2Coates和SDR兩種滲透率模型的關系上面已經討論了計算滲透率的兩種最常用的模型是Coates模型,K和SDR模型Kl,兩者都是與孔隙度的四次方成比例.在SDR模型中,滲透率與從核磁共振的衰減曲線中計算的特征時間的平方成比例.目前,最常用的特征時間就是

12、T2譜的幾何平均值.然而,在某些情況下也可以使用其它特征時間,比如在碳酸巖鹽地層中有時用T譜的峰值作為特征時間,應用效果會比較好.另外Coates模型,從表面上看與T2分布并沒有明確的關系,而是依賴于孑L隙體積中自由流體與束縛流體比值(FFI/BVI)平方的大小.對于100%鹽水飽和的巖芯,兩個公式的應用效果都比較好.然而,由于Coates公式中并沒有直接與T2分布相關的量(像SDR公式中的T2g|rI),因此導致了我們對其理論基礎的一些困惑.同時,當巖石中含有混合流體時Coates公式的應用效果更好一些,所以理解其本質的機理是十分重要的.為了更好的理解Coates模型的機理,可以定義一個新的

13、特征時間T咖來表征"Coates時間嘲"o如果定義特征時間為,選一個參考時間Tr,定義,為孔隙體積大于Tr的孔隙部分,為孔隙體積小于Tf的孔隙部分,則可以表示為:=(/)(9)只有當Tr選在T2的范圍內,保證任意分布的信號分別落在Tr的兩邊時,這種方法定義的才是有效的.當Tr被選為包含束縛水的孔隙與包含自由水的孔隙的邊界時,T變?yōu)闃藴实慕刂箷r間T,變?yōu)镕FI/BVI.T即為Coates模型的特征時間一:ro.=Tc(FFI/BVI)(10)當這個特征時間被引入到Coates滲透率公式,Coates公式具有和SDR公式一樣的形式.這兩者都是孔隙度的四次方與特征時間的平方的乘積

14、,即:l(c一=CTc.巾(11)KC(12)當儲層巖石中100%飽和鹽水時,Tcoates與T軸呈線性關系,圖4是某地區(qū)碎屑巖巖芯Tcoates與T的關系圖,從圖中我們可以看出兩者之間呈很好的線性關系.:_.一:-_'.:-:-'.':-_-.一.-II_:0Li.:.lll一'|l?'-;_:'.-.':.:.fJ2o4D50B01口012014O15口T2g(f)圖4碎屑巖巖芯T2.與Tcoates之間的關系圖因此,盡管Coates和SDR的表達形式不同,但其本質是一樣的,都取決于巖石孔隙的NMR弛豫譜和孔隙度.對Coates滲透率

15、而言,其束縛流體與自由流體體積的比值也可以等同于某個Tcoates,相當于SDR滲透率中的T軸.從兩者的表達式可看出,滲透率與孔隙度和特征時間有關系,由于孔隙度的變化范圍不大,大多數(shù)巖石的孔隙度都在一個很小的范圍內,所以孔隙度的變化對滲透率的影響不大,而巖石弛豫譜的特征參數(shù)Tcoates或T2的變化則對NMR滲透率影響很大,因此,對NMR弛豫時間分布的潛在30國外測井技術2011年6月影響因素進行分析和研究是有效提高NMR測井預測儲層滲透率的基礎.2.3核磁共振測井模型參數(shù)選擇石油工業(yè)界普遍使用的核磁共振測井滲透率模型是Coates模型和SDR模型,兩個模型中的C都是系數(shù),其中Ksdr模型中C

16、的默認值為4,Kcoates模型中的默認值為10.通常核磁共振測井中都是通過現(xiàn)場取心,進行實驗室?guī)r芯實驗,然后求取系數(shù)C建立Kcoates和Ksdr模型來求取滲透率.如果對巖芯不先根據(jù)巖性,粘土含量等因素分類,統(tǒng)一的用回歸法求取一個模型系數(shù),這樣得到的核磁滲透率與用經驗公式得到的滲透率沒有明顯的改進.針對應用核磁共振測井評價儲層滲透率中出現(xiàn)的一些問題,諸如:(1)核磁共振測井求取的儲層滲透率與巖芯分析滲透率相關性有好有壞;(2)一般認為,核磁共振測井能夠提供與孔隙大小相關的更準確的滲透率信息,利用核磁共振測井數(shù)據(jù)進行儲層的滲透率評價工作應更具優(yōu)勢,實際上卻發(fā)現(xiàn)核磁共振測井提供的儲層滲透率與巖芯

17、或測試滲透率有時會有很大的偏差.為了更好的提高核磁共振測井求取滲透率的精度,期望通過對核磁共振測井的應用研究和巖芯核磁共振實驗測量相結合,找到適合不同情況下的計算儲層滲透率的方法.核磁共振測井滲透率是由核磁共振原始回波數(shù)據(jù)反演得到T:分布以后,再導出的二級參數(shù),其計算公式中的系數(shù)隨地區(qū)和儲層巖性的不同有很大的變化.建議在使用時,需要針對所研究的地區(qū)進行巖石物理實驗測量,給出地區(qū)經驗參數(shù),再根據(jù)儲層特點,選取合適的計算公式.以提高核磁共振測井求取滲透率的精度.2.4核磁共振測井滲透率應用效果分析圖5(a,b,c)是32塊巖樣常規(guī)巖芯滲透率及其對圖5滲透率結果直方圖對比應深度的常規(guī)測井資料計算滲透

18、率,核磁共振測井計算公式滲透率分別作直方圖【6j,進行對比,可以看出核磁共振測井計算滲透率與巖芯分析滲透率非常接近,而常規(guī)測井資料計算滲透率有較大偏差,數(shù)值偏大.顯然核磁共振測井資料在計算儲層參數(shù)方面具有明顯優(yōu)勢.3核磁共振測井滲透率影響因素分析儲集層微觀孔隙結構十分復雜,滲透率在儲集層內部,包括縱,橫向上都有很大的變化,因此在選擇滲透率模型時,需要綜合考慮各種影響因素.(1)如果儲集層是親水的,當使用水基泥漿鉆井,并且泥漿侵入很深時,井眼附近地層中不存在殘余油氣,由于SDR模型不受束縛水飽和度的影響,選擇SDR模型計算滲透率有比較好的效果.(2)如果儲集層是親水的,當使用水基泥漿鉆井,泥漿侵

19、入不太深,井眼附近地層中仍然存在大量低粘度的殘余油時,此時NMR測井得到的T2分布表現(xiàn)為雙峰特征,短弛豫時間峰對應束縛水,長弛豫時間峰與油有關,建議優(yōu)先使用Coates模型.(3)如果儲集層是親水的,當使用低粘度的油基泥漿鉆井,地層中的油氣被油基泥漿濾液取代時,NMR測井得到的T2分布呈雙峰,束縛水和油峰可以很明顯的分開,使用Coates模型效果較好.(4)511果地層為稠油儲層,由于稠油的橫向弛豫時間分布范圍很寬,與水的T2分布重疊在一起,無法分辨,目前的滲透率模型都無法準確得到地層的滲透率.(5)巖石的顆粒直徑不同,孔徑也不同,其T:分布隨顆粒直徑變小而減小.通過對不同粒徑巖芯的核磁共振實

20、驗研究表明,隨著巖芯顆粒直徑的減小,T分布的幾何平均值也會減小.另外,通過巖芯實驗發(fā)現(xiàn),孔隙度幾乎相等的兩塊巖芯,由于粒徑不同,細顆粒的砂巖比粗顆粒的砂巖T2分布靠左,滲透率也小很多.(6)泥質類型和泥質含量不同,對核磁滲透率的影響也會不同.對含泥質的巖芯做變回波間隔的CPMG測量表明,隨著回波間隔的增加,含泥質巖芯的T2分布會向右移動,丟失一部分泥質束縛水的信號.其中含高嶺石巖芯移動最為明顯,含伊利石巖芯只是有很小的移動,而含綠泥石巖芯隨著回波間隔的增加,左右兩邊都會移動,T2分布變窄,這是由于短弛豫部分泥質束縛水信號的丟失和由內部梯度場2011年第3期鄒良志,等:核磁共振測井滲透率模型分析

21、31引起的長弛豫部分丟失兩方面引起的,隨著泥質含量的增加,這種現(xiàn)象變明顯.(7)巖芯隨著壓力的增加,T2分布會向左移動,滲透率會減小,不同類型的巖芯影響程度不一樣.含30%泥質的巖芯,隨著壓力的增加滲透率的減小趨勢比較明顯,相關系數(shù)也很高,而純石英砂巖卻不明顯,相關系數(shù)也不高.(8)地層水礦化度對核磁共振信號強度T和T2弛豫時間影響很小,地層水礦化度對核磁測井解釋結果不會產生太大的影響.實踐中,對于某一地區(qū)有時即使選用了正確的模型,結果仍然不理想,這是因為核磁共振測井得到的T2分布不但與巖石孔隙結構有關,還與地層中的流體類型及含量,巖石孔隙大小及其連通性,地層的潤濕性,地層中順磁物質的含量以及

22、測井儀器采集參數(shù)等很多因素有關,只有在橫向弛豫時間分布可以表征巖石孔徑分布,且?guī)r石孔隙表面弛豫強度變化不大時,根據(jù)選擇的合適的滲透率模型計算結果才比較可信.此外,地層的滲透率具有各向異性,而核磁共振不反映滲透率的各向異性.4結論(1)由于常規(guī)測井沒有孔隙分布的信息,所以其計算的孑L隙度精度常常低于核磁共振測井孔隙度.(2)在不同的儲集環(huán)境下應選擇合適的模型來求取核磁滲透率,在實際測井中應用這些滲透率模型的時候,需要綜合鉆井泥漿和地層的含烴情況等信息來考慮.(3)核磁共振測井技術在分析滲透率方面具有獨特的優(yōu)勢,尤其對于低滲透儲層有較好的評價和應用效果.參考文獻:1肖立志,核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應用,北京:科學出版社.1998:1120.【