浅析核磁共振测井在储层流体性质识别方面的局限性

邵维志，贵兴海，郝丽萍，李俊国，朱伟峰，刘洪波，唐建军

（1．中国石油渤海钻探工程有限公司测井分公司，天津300280；2．中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南 新乡453003；3．大港油田勘探开发研究院，天津300280）

0 引 言

核磁共振测井技术自20世纪90年代初期被引进到中国石油测井行业以来，在20多年的发展应用中从仪器研发、测井采集、数据处理到解释评价都有了长足进步，尤其在复杂岩性油气藏、致密油气藏的勘探开发中。由于核磁共振测井能够提供不依赖于岩性及骨架参数的孔隙度、渗透率评价以及与电性无关的油气识别而深受地质家和测井分析家的青睐。但是，每一种技术都有其适应范围和局限性，核磁共振测井技术也是如此。随着它在储层评价应用中的深入，尽管测井分析家提出了许多针对各类复杂油气藏的油气识别方法，但与试油结论矛盾的现象依然很多。本文针对这些现象，结合应用实例讨论了它在流体性质识别方面的局限性，其目的在于更合理、更准确地应用核磁共振测井技术发现油气层，提高勘探开发效益，为油田服务。

1 核磁共振测井识别储层流体性质的物理基础

核磁共振测井识别流体性质主要依靠标准T2谱、移谱、差谱以及由移、差谱演变产生的一些方法。标准T2谱方法主要依据饱和多相流体孔隙的T2分布谱的整体形态特征和多相流体中天然气、不同黏度原油以及不同赋存状态的水在T2谱上位置不同识别储层流体性质。移谱又称双TE（双回波间隔）测井，是一种扩散系数加权方法，通过设置长、短不同的2个回波间隔TE，在足够长的等待时间TW下测量2组回波串，由于水与气或油的扩散系数D不一样（见表1），使得各自在T2分布上的位置发生变化，由此识别出储层中油、气、水。差谱又称双TW测井，主要基于水与油、气的纵向弛豫时间T1相差很大，水的纵向恢复速率远比轻烃快（见表1），选择长、短不同的2个等待时间，观测到的回波串中将包含不一样的信号，由于水的信号在短等待时间下能够被完全极化，烃的信号在短等待时间下不能完全极化，因此2个不同等待时间观测到的回波串幅度存在差异，双TW测井利用这个差异来识别储层是否含烃。

表1 多孔介质中饱和流体的核磁共振特性

2 影响核磁共振测井评价储层流体性质的主要因素

测井评价中一般认为储层由岩石骨架和孔隙两大部分组成，骨架由不同成分的矿物组成，孔隙则由孔隙水、原油、天然气和钻井泥浆滤液等多种流体饱和，其中孔隙水包括束缚水和可动水，为不同矿化度盐水。原油可以是脱气原油或者饱和气体的（含气）原油，可以从轻质油到稠油不同黏度变化；天然气为自由气，主要是甲烷，而不是溶解在油中的气；钻井泥浆滤液为侵入到油藏中的钻井液，它往往与油藏流体混合在一起，以泥浆性质的不同而变化，影响着测井信号及储层评价。现有的核磁共振测井仪器对岩石骨架不敏感，主要测量的是储层孔隙中各种流体的信息。假设储层岩石是亲水的，这些不同性质的流体饱和到多孔介质后，其核磁共振性质由式（1）、式（2）给出。

式中，T1为纵向弛豫时间；T2为横向弛豫时间；T1B、T2B分别为纵、横向体积弛豫；ρ1、ρ2分别为纵、横向表面弛豫率；S／V为岩石比表面积；D为扩散系数；G为磁场梯度；TE为回波间隔；γ为旋磁比。可见，岩石孔隙中氢的T1、T2值大小主要受控于静磁场的均匀性、孔隙孔径大小分布、孔隙中流体的物理及化学特性、流体的黏度及扩散系数、孔隙流体与岩石骨架颗粒的磁化系数差异、孔隙表面及流体中是否存在顺磁物质等因素［1－3］。这些因素的共同作用造成了岩石孔隙中油、气、水的核磁共振差异，认识或去除影响油、气、水识别的不利差异而突出有利于油、气、水识别的差异是应用核磁共振技术识别储层流体性质的基础。具体到标准T2谱法、移谱法、差谱法3种基本方法在流体性质识别中的影响因素，主要为以下3个方面。

2．1 影响标准T2谱识别油气水的主要因素

图1 不同黏度原油自由状态下T2分布形态特征

用标准T2谱识别油、气、水要考虑的主要因素为储层所含流体的性质及其黏度、储层孔隙结构对T2谱形态及油、气、水在T2谱上位置的影响。图1为黏度从3．22cP＊非法定计量单位，1cP＝1mPa·s，下同／50℃到1914cP／50℃之间12种黏度的原油自由状态下T2分布图。可以看出，对于原油而言，虽然没有孔隙结构的影响，它们的弛豫时间仍是一个分布，受混合黏度的影响，每个弛豫时间下都有一个幅度；不同黏度的原油T2分布形态不同，其峰值在T2谱上的位置也不同；黏度越小，T2越大；同时随着黏度的增加，T2分布谱形状变窄，其峰值位于束缚水位置。以上现象说明黏度是影响T2谱形态的主要因素之一。图2为饱和到不同孔隙结构的岩样中黏度不同的2种原油其T2分布谱特征。很明显，水和相同黏度的原油在不同孔隙结构下，其T2分布谱形态完全不同，轻质油有较长的T2值，能够与水分开，而中等黏度的油与水信号基本重叠在一起，很难识别出来。水、轻质油、中等黏度油在同一孔隙结构岩样下，其T2谱特征也完全不同。从而说明随着孔隙结构的变化，即使相同性质的流体其T2分布形态也在变化。所以在使用标准T2谱特征识别储层流体性质时，首先要考虑的是所要评价的目标储层中所含原油的黏度以及这些原油储存在什么样孔隙结构中。

2．2 影响移谱（双TE）法识别油气水的主要因素

由式（1）结合移谱识别储层流体性质的原理可以看出，移谱法识别储层油、气、水突出的是扩散弛豫项，见式（3），影响其效果的主要因素有扩散系数D、回波间隔TE及磁场梯度G。

油、气、水都是能扩散的流体，但它们的扩散系数D不同（见表1），自由状态下水的扩散系数与温度有关，油的扩散系数与黏度有关，天然气的扩散系数是温度及压力的函数，它的横向弛豫几乎完全由扩散弛豫控制。当流体处于岩石孔隙中时，其扩散会受到孔壁的限制，称为受限扩散，其扩散系数定义为有效扩散系数D0（也称视扩散系数），通常D0小于D，致使T2D增大，从这个意义上讲，孔隙中流体的扩散还要受到岩石孔隙结构的控制。影响扩散弛豫的另一个参数是磁场梯度G，测井时造成G不确定的因素有2个：一个是岩石骨架颗粒与孔隙流体之间磁化率差异引起的内部梯度磁场，会使弛豫时间减小；另一个是地层温度，虽然每一种仪器在测量过程中都会对地层温度进行校正，但对于深井和地温梯度较高的区域，地层高温会造成B0的不稳定，从而带来G的不稳定性［3］。影响扩散弛豫的第3个参数就是回波间隔TE，移谱主要靠人工调整TE的大小，来凸显扩散弛豫对不同流体的T2影响，TE设计的是否合适直接影响到油水识别效果，这个参数人为性和经验性很强。所以在利用移谱法识别储层流体性质时，必须依据储层所含流体的黏度和储层孔隙结构来设计回波间隔TE以凸显油、气、水在移谱上的差异，达到有效识别的目的。

图2 不同黏度原油饱和到不同孔隙结构的岩样中T2谱特征

2．3 影响差谱（双TW）法识别油气水的主要因素

差谱法识别流体性质主要利用的是不同孔隙介质的极化率的差异，即T1差异。测井时主要靠长、短等待时间TW的设计，凸显不同介质T1差异。因此极化率的差异和长、短TW的设计是影响差谱法识别流体性质准确性的主要因素［4］。如表1所示的稠油与中小孔径孔隙中的水、中－轻质油与大孔径孔隙中的水，T1差别极小，如果要用差谱法识别它们，必须设计好长、短TW，现有核磁共振测井仪器长、短等待时间选择范围很小，尤其短TW，MRIL－P型仪器只能选择1s和2s，这就使得在很多情况下大孔径孔隙中的水在短等待时间下没有完全恢复，水层依然存在差谱信号，与油层基本一样，无法进行油、水识别。

3 核磁共振测井识别储层流体性质方法局限性分析

3．1 核磁共振测井识别轻质油局限性分析

轻质油指地层条件下黏度小于5cP的原油，有的时候以油气共存形式出现，其自由状态下T2值可达到2000ms以上（见图1）。

当轻质油存在于大孔径孔隙中时（见图3的上半部分），轻质油与水都具有自由状态下的特征，油、水的T2都很长，大部分信号会叠加在一起［4－5］，因此从标准T2谱上无法识别出轻质油；又由于轻质油的扩散系数D与水的扩散系数接近，当采用移谱测井模式时，轻质油与水会同时向T2减小的方向移动，移动幅度差异很小，所以靠T2谱的前移现象无法区分轻质油与水，从而使移谱法失效［2，5］。但是，当储层孔隙的孔径分布比较均匀时，选择合适的长回波间隔时间TEL，从移谱后T2谱形态上可以识别出轻质油与水。其明显的特征：轻质油受混合黏度的影响，移谱后其T2谱可动部分为一个渐宽分布，而水则呈较为规则的正态单峰分布，但遇到砾岩、含砾砂岩储层的时候，这种方法就会失效。这是因为水在孔隙中的弛豫主要受控于表面弛豫，砾岩、含砾砂岩储层孔隙结构非均质性很强，孔径非均质性对水的弛豫的影响会使移谱后的T2谱分布极不均匀，同样会是一个渐宽分布，与孔隙中油的特征相似。对于这种情况，差谱方法也无法使用，主要是受现有仪器特点限制，大孔径孔隙中水和轻质油都有很明显的差谱信号。

当轻质油存在于中－小孔径孔隙中时（见图3的中间部分），它的标准T2谱形态特征和差谱信号的强弱与水都有很明显差异，因此仅靠标准T2和差谱就可以很好地将轻质油层和水层识别出来，但移谱不能用。

当超低孔渗、致密油藏中含有轻质油时（见图3的下半部分），它的标准T2谱与水相比有很明显的长拖曳现象，很容易区分油、水，由于受孔隙结构的影响大于孔隙介质性质的影响，所以移、差谱现象都不明显。

图3 轻质油在不同孔隙结构中与水层在标准T2谱、移谱、差谱上响应特征对比图

3．2 核磁共振测井识别中等黏度油局限性分析

中等黏度油是指地层条件下原油黏度介于5～50cP的原油。由于黏度跨度较大，其自由状态下T2值分布范围较大，黏度较小偏轻质油时，T2值可达到1000ms以上，黏度较大偏稠油时，其T2值小于100ms（见图1）。

当储层中含有中等黏度原油时，无论储层孔隙孔径是大还是小，油的信号总是与水的信号叠在一起，因此从标准T2谱上很难识别出油、水。如储层以大孔径孔隙为主，由于中等黏度原油的扩散系数D比水的扩散系数小的多，选择合适的长回波间隔TEL，水的T2谱会向减小的方向移动更快，这样在长回波间隔的T2谱上，中等黏度油的T2谱会出现长拖曳现象，移谱方法很适合这种情况下的流体性质识别，而差谱方法因受短等待时间设计的局限，在该情况下无法使用（见图4）。当中等黏度原油储存于以中－小孔径孔隙为主的储层时，移谱和差谱都能够很好地识别油、水，这种实例很多，也是核磁共振最适合的使用情况；但对于低孔隙度低渗透率和致密储层，孔隙结构以小－微孔为主，如果储层所含原油为中等偏轻质，标准T2谱上油的T2会比水长一些，以此定性识别油、水；而移谱、差谱方法都不可用；如果储层所含原油为中等偏稠，用核磁共振测井识别油水完全失效。

图4 中等黏度油储存于以大孔径孔隙为主的储层时与水层在标准T2谱、移谱、差谱响应特征对比图

3．3 核磁共振测井识别稠油局限性分析

稠油是指地层条件下原油黏度大于50cP的原油。其T2分布位于短T2部分，往往与黏土和毛细管束缚流体信号叠合在一起，这并不代表稠油存在于小孔隙中，而是由于稠油的核磁共振特性使得它的T2分布位置位于标准T2谱的短T2部分（见图1）。对稠油信号的识别只考虑短T2部分T2谱的形态特征及其在移、差谱条件下的变化即可。当储层含泥质较多或微－小孔径孔隙比较发育，所含稠油黏度超过120cP时，无法从标准T2谱上识别稠油；但如果储层黏土束缚水和毛细管束缚水信号都很少，比较稠油层与水层标准T2谱上短T2部分T2分布形态和幅度大小可定性识别出稠油信号；当储层以大－中孔径孔隙为主时，在移谱测量模式下选择长回波间隔TEL≥4．5ms，束缚水信号在长回波间隔T2谱上可能消失，如果有稠油存在，由于稠油的扩散系数很小，分子向颗粒表面扩散能力也大大减小，即使是润湿相，也是以自由弛豫为主，它在长、短不同回波间隔的T2谱上短T2部分的T2分布基本没有变化，以此识别稠油和束缚水（见图5）。

3．4 核磁共振测井识别天然气局限性分析

这里的天然气指的是地层条件下纯气层，不是溶解气或凝析气。气体在静止状态下极少以连续相存在，当含水饱和度比较低时，水阻塞着孔喉，气体则以孤立的气泡状态存在于孔隙中心，所以，气体在岩石孔隙中总是非润湿相，只有自由弛豫和扩散弛豫，没有表面弛豫的影响［1，5］。尽管天然气和液体之间的扩散能力差异很大，但很少使用这一差异区分这2种流体［1］。一般来说，气的T2值是非常小的。多数情况下，气的T2成分可以占满束缚水BVI窗口，当使用较长的TE时，气体成分可能在T2谱上消失。当储层岩性较纯，且以大－中孔径孔隙为主时，在差谱模式下，依据长、短等待时间下T2谱的差后信号幅度及所处位置可定性识别气层（见图6）。

图5 稠油储存于以大孔径孔隙为主、黏土束缚水较低的储层中与水层标准T2谱、移谱、差谱响应特征对比图

图6 大－中孔径孔隙储层气层、水层核磁共振测井响应特征图

4 结 论

（1）核磁共振测井技术能够识别储层流体性质是毫无疑问的，但有一定的适用条件和局限性，孔隙结构对水的弛豫特性的影响和原油黏度对油的弛豫特性的影响是造成核磁共振评价储层流体性质不成功的主要因素。

（2）用核磁共振测井技术识别轻质油气层，在大孔径孔隙情况下，标准T2谱和差谱不能用，移谱基本不能使用，但在孔隙结构较为均匀的储层条件下，设计好长回波间隔TEL时，移谱可以使用；在中－小孔径孔隙情况下利用标准T2谱和差谱可以很好地识别轻质油层和水层；超低孔隙度低渗透率、致密油藏可利用标准T2谱识别轻质油层，移、差谱不能用。对于砾岩、含砾砂岩储层，核磁共振测井技术很难区分轻质油层和水。

（3）用核磁共振测井技术识别中等黏度油层，在大孔径孔隙情况下，标准T2谱和差谱不能用，移谱很好用；在中－小孔径孔隙情况下，标准T2谱不能用，移、差谱都很有效；低孔隙度低渗透率、致密油藏情况下，如果储层所含原油在中偏轻质油时，标准T2谱可以用，差谱基本没有信号，如果储层所含原油在中偏稠油时，核磁共振测井技术无法区分油、水。

（4）用核磁共振测井技术识别稠油层，当储层黏土和毛细管束缚流体信号很少的时候，用标准T2谱可定性识别稠油信号，移谱、差谱都不好用；当储层黏土和毛细管束缚流体信号较多的时候，标准T2谱和差谱都不好用，移谱在设计好长回波间隔TEL时，可以使用，一般选择TEL≥4．5ms；当地层条件下原油黏度大于120cP，储层以小孔径孔隙为主时，应用核磁共振测井难以有效评价稠油储层。

（5）用核磁共振测井技术识别纯天然气层时，一般不使用移谱测量模式，当储层以大－中孔径孔隙为主时，用标准T2谱与差谱模式结合可识别气层，低孔隙度低渗透率气层或致密气层不建议进行核磁共振测井。

［1］邓克俊．核磁共振测井理论及应用［M］．东营：中国石油大学出版社，2010．

［2］黄隆基．核测井原理［M］．东营：中国石油大学出版社，2009．

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