致密油储层孔隙结构核磁共振测井评价方法

王振林 ，毛志强，孙中春，王志维 ，赵培强

（1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京 102249；3.中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074）

致密油储层孔隙结构核磁共振测井评价方法

王振林1，毛志强2，孙中春1，王志维1，赵培强3

（1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京 102249；3.中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074）

对吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油储层孔隙流体分布、微观润湿性和流体弛豫性质的分析认为，致密油储层的小孔隙主要含水且亲水，大孔隙主要含油且亲油。依据核磁共振测井T2谱评价孔径分布的公式、亲水孔隙表面弛豫率和亲油孔隙表面弛豫率的大小，将水弛豫信号和油弛豫信号分别转换为含油孔径和含水孔径分布，二者相加得到岩石总的孔径分布。通过对核磁共振测井资料的处理及其与岩心分析资料的对比分析，验证了本方法的有效性和可靠性。

孔隙结构；核磁共振测井；芦草沟组致密油储层；吉木萨尔凹陷；准噶尔盆地

0 引言

随着世界范围内对非常规油气资源的重视，致密油作为其中的一种主要类型，不可避免地成为全球石油勘探开发的新领域。致密油储层一般具有低孔、特低渗等特征，单井无自然产能，需通过压裂改造等技术才能获得工业油气流［1-3］。仅依靠有机碳含量、孔隙度、饱和度等宏观参数无法满足致密油储层的有效性评价，而孔隙结构反映岩石的微观特征，控制着岩石的渗透能力。因此，岩石的孔隙结构测井评价是致密油储层研究中的一项重点工作。

核磁共振测井在评价储层孔隙结构方面具有较大的优势［4-10］。国内外研究人员针对核磁共振测井T2谱评价孔隙结构展开了广泛的研究［11-18］。然而，到目前为止还没有亲油油层核磁共振测井T2谱的含烃校正及孔隙结构核磁共振测井评价方法的相关研究。

准噶尔盆地二叠系芦草沟组致密油储层由于极低的渗透率，残余油饱和度很高，使得核磁共振测井仪器（研究区使用斯伦贝谢的CMR仪器）测量获得的流体弛豫信号既包含地层水又包含油。此外，润湿性研究表明，芦草沟组储层表现为中性至亲油润湿。通过研究可知，利用核磁共振测井评价研究区储层的孔隙结构非常困难。本文基于致密油储层的孔隙流体分布、微观润湿性及流体弛豫性质等，提出了一种适合致密油储层的孔隙结构核磁共振测井评价方法，将此方法应用到吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油储层中，取得了良好的应用效果。

1 基本理论

由油层物理学可知，毛细管压力与毛细管孔径之间的关系式为

式中：pc为毛细管压力，MPa；σ为流体界面张力，10-5N/cm；θ为润湿接触角，（°）；r为毛细管半径，μm。

通常利用核磁共振测井T2谱构建毛细管压力曲线时认为，核磁共振横向弛豫中的扩散弛豫和体弛豫分量可忽略。因此，横向弛豫时间与孔径的关系式为

式中：ρ为岩石的横向表面弛豫率，μm/s；S为孔隙内表面积，μm2；V为孔隙体积，μm3；Fs为几何形状因子，本文取值为2。

联立式（1）和式（2）得：

C为毛细管压力曲线和横向弛豫时间之间的转换系数，可通过岩样的毛细管压力曲线和核磁共振实验获得。

2 方法研究

2.1 致密油储层的流体分布和微观润湿特征

研究表明，准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油具有自生自储的特点，但许多砂岩类储集层和碳酸盐岩类储集层所含的石油来源于泥岩类烃源岩［19］。因此，致密油的主要储集孔隙空间中的油气是在外力作用下以油驱水的方式注入的，其注入过程由易到难。在注入压力较低的情况下，先注入孔径较大的孔隙空间，然后随着注入压力的增大，油气渐渐充入孔径较小的孔隙空间，最后储集层孔隙中的烃类饱和度逐渐增高。因此，致密油储层中孔径相对较小的孔隙含水饱和度较高，孔径相对较大的孔隙含油饱和度高。

文献［20］指出，优先运移到大孔隙中的油会发生有机质沉淀。因沥青质、蜡、树脂等有机质一般呈亲油特征，所以油所充注的孔隙表面呈现亲油润湿特征。Amott润湿性指数实验结果说明，研究区致密油储层岩石为中性至亲油特征（见表1）。致密油主要储层段含有一定的有机质，但是其含量较低，因此，致密油储层的亲油特征是由原油运移到孔隙后，使岩石的润湿性发生转变的结果。所以并未充注原油的小孔隙内表面仍然呈亲水特征，小孔隙中流体的核磁共振横向弛豫信号主要由水的表面弛豫贡献。

表1 研究区致密油岩石Amott润湿性指数测量结果

岩石的润湿性和含油级别关系表明（见图1），岩石的亲油性随含油级别增大而增强。亲油性强的岩石，其孔隙亲油表面所占比例大，因此，储集层大孔隙中亲油表面所占比例与含油饱和度呈正相关的关系，这种正相关关系保证了油的体积弛豫信号不会偏大。对油的体积弛豫的影响忽略不计，则大孔隙中流体的核磁共振横向弛豫信号主要为油的表面弛豫。

图1 研究区储集层样品各含油级别的相对润湿指数

电镜扫描实验也证明了致密油储层岩石小孔隙主要含水且亲水，而大孔隙主要含油且亲油。

2.2 孔隙结构评价方法

致密油储层的大孔隙内含油饱和度高，地层水主要集中在小孔隙中，横向弛豫信号主要由表面弛豫贡献。亲油孔隙对油的表面弛豫率低于亲水孔隙对水的表面弛豫率［21-22］，低表面弛豫率会导致弛豫时间增大。所以，致密油储层岩石核磁共振测井长弛豫信号（T2谱右侧）主要为油的弛豫信号（简称油谱），短弛豫信号（T2谱左侧）主要为水的弛豫信号（简称水谱）。

如果储集层某一深度的含油饱和度是已知的，从最小横向弛豫时间起，以逐渐增大的方式分别计算每个横向弛豫时间对应的累计核磁孔隙度分量，并将它们分别与核磁总孔隙度相比。当某一比值等于含油饱和度时，认为相对应的起算时间是水弛豫信号的截止值，计算表达式为

式中：So为含油饱和度；T2_cw为水弛豫信号的截止时间，ms；T2i为第i个组分的横向弛豫时间，ms；φi为横向弛豫时间T2i对应的孔隙度分量；n为横向弛豫分量数。

确定水横向弛豫信号的截止值后，利用亲水孔隙表面弛豫率和亲油孔隙表面弛豫率，将T2谱的水信号分量和油信号分量分别转换为含水和含油孔径分布：

将含水孔隙的孔径分布与含油孔隙的孔径分布进行叠加，可得到整块岩石的孔径分布：

式中：At为岩石孔径分布的相对幅度；Aw为岩石的含水孔隙孔径分布的相对幅度；Ao为岩石的含油孔隙孔径分布的相对幅度。

直接从弛豫时间截止值将油、水两相信号进行截断，得出的孔径分布不光滑。因此，本孔隙结构评价方法引入了孔隙流体的权重函数［17］：

式中：S （T2）为孔隙流体权重函数；a1，a2分别为控制调节参数，相当于一个分布的边界值，本文中的含水比例随着孔隙的增大，从1减为0，所以a1为1，a2为0；m为控制含油和含水孔隙半径的过渡带的系数。

图2为孔隙流体的函数分布，随着横向弛豫时间的增加，含水比例从1逐渐减小至0。系数等于4的油水孔径过渡带小于系数等于2的油水孔径过渡带。

2.3 孔隙结构评价步骤

A井位于吉木萨尔凹陷的中部位置。以A井储集层深度3569 m的核磁共振测井T2谱（见图3）及毛细管压力曲线（见图4）为例，说明本文提出的孔隙结构评价方法的具体步骤。

第1步，根据储层的含油饱和度，利用式（4）求得油、水信号的截止值，本例计算的截止值为6 ms。

第2步，将核磁共振测井T2谱反向累计曲线和毛细管压力曲线绘制到同一个坐标系统中（见图5）。

图2 研究区储集层孔隙流体权重函数分布

图3 研究区A井3569 m储层T2谱

图4 毛细管压力曲线和T2谱反向累计曲线

第3步，分别确定水信号截止值前和截止值后的毛细管压力曲线和横向弛豫时间之间的转换系数。本文的确定方法是，不断调整转换系数值，使得横向弛豫时间反向累计曲线小孔段和大孔段与毛细管压力曲线均尽量重合（见图5）。图5中水谱反向累计和毛细管压力曲线的转换系数为91.9；油谱反向累计曲线和毛细管压力曲线的转换系数为262.5。计算得到亲水孔隙表面弛豫率和亲油孔隙表面弛豫率，分别为4.0，1.3 μm/s。

图5 调整毛细管压力曲线和T2谱分段反向累计曲线

第4步，利用孔隙流体权重函数（m=4）处理获得核磁共振测井的水谱和油谱（见图6）。利用孔隙流体权重函数计算的含油饱和度和含水饱和度与直接利用截止值截断计算的含油饱和度和含水饱和度几乎一致，验证了孔隙流体权重函数的准确性。

图6 储层核磁共振油信号和水信号

第5步，利用式（5）并根据亲油和亲水表面弛豫率的大小，将核磁共振测井的水谱和油谱分别转换为含水孔径分布和含油孔径分布。利用式（6）将含水和含油孔隙的孔径分布累加，得到岩石的孔径分布（见图7）。

图7 研究区A井3569 m储层孔径分布

第6步，依据式（1）将岩石的孔径分布转换为毛细管压力曲线（见图8）。图8中2条毛细管压力曲线吻合较好，说明本文的孔隙结构核磁共振测井评价方法应用效果良好。

图8 储层实测毛细管压力曲线和T2谱转换的毛细管压力曲线

3 实例应用

应用本文提出的毛细管压力曲线核磁共振评价方法，对吉木萨尔凹陷B井芦草沟组致密油储层的T2谱进行处理，取得了良好的效果。利用毛细管压力曲线和T2谱刻度得到长石岩屑粉细砂岩平均的亲水孔隙表面弛豫率为3.50 μm/s，平均的亲油孔隙表面弛豫率为1.00 μm/s。云质岩层平均的亲水表面弛豫率为2.50 μm/s，平均的亲油表面弛豫率为0.75 μm/s。

图9为一段长石岩屑粉细砂岩层段的孔隙结构评价结果，验证了本文提出的孔隙结构核磁共振测井评价方法的可靠性和有效性。将计算的中值半径、平均孔喉半径与实际测量值对比分析可知，二者的相对误差为30%左右，而前人方法计算结果和实际测量值的相对误差在300%左右，说明本方法的精度高。

本文方法在吉木萨尔凹陷芦草沟组14口探井中，应用总体相对误差控制在30%左右，为全区储层物性评价提供了坚实的测井技术支撑。此方法可以为中性储集层提供完全含水且亲水的横向弛豫时间分布，也为含油储层横向弛豫时间分布的含烃校正提供了一种思路。

利用本文提出的方法评价致密油储层的孔隙结构虽然整体上应用效果良好，但是利用T2谱构造的毛细管压力曲线与实际测量的毛细管压力曲线具有一定的误差。分析认为，本文方法建立在忽略油的体弛豫信号的前提下，由于油的体弛豫和表面弛豫时间差较小［22］，当核磁共振测井信号中油的体弛豫信号贡献过大时，应用效果可能变差。

图9 研究区B井芦草沟组孔隙结构核磁共振测井评价成果

4 结束语

吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组致密油储层的小孔隙主要含水且亲水，大孔隙主要含油且亲油，并且核磁共振测井T2谱中短弛豫分量为水弛豫信号，长弛豫分量为油弛豫信号。由于亲水孔隙表面弛豫率和亲油孔隙表面弛豫率不同，因此，水弛豫信号和油弛豫信号转换孔径分布的系数不同。将含水孔隙和含油孔隙的孔径分布相加，得到岩石总的孔径分布。本文方法应用效果良好。本方法不受润湿性、含油性的影响，能够提供完全含水的横向弛豫时间分布。

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（编辑 杨会朋）

Evaluation of pore structure using NMR logs for tight oil reservoirs

WANG Zhenlin1,MAO Zhiqiang2,SUN Zhongchun1,WANG Zhiwei1,ZHAO Peiqiang3
(1.Research Institute of Exploration and Development,Xinjiang Oilfield Company,PetroChina,Karamay 834000,China;2.College of Geophysics and Information Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;3.Institute of Geophysics and Geomatics,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

Analyzing the porefluids distribution,microscopic wettability and relaxation properties of fluids in tight oil reservoirs of Lucaogou Formation,Jimusaer Sag,Junggar Basin,it is believed that the relative small pore is mainly water-wet and saturated with water and thatthe relative big pore is mainly oil-wetand saturated with oil.The water and oilpore size distributions are transferred from the water and oil relaxation components by using different relaxivities and the equation for T2distribution and pore size distribution.The pore size distributions are the sum ofthe water and oil pore size distributions.Comparing the pore size distributions from NMR logs and the core samples,the resultverifies the proposed method for its effectiveness and reliability.

pore structure;NMR logs;tight oil reservoirs of Lucaogou Formation;Jimusaer Sag;Junggar Basin

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“中国陆相致密油（页岩油）形成机理与富集规律”（2014CB239002）

TE132.1+4；P631.827

A

10.6056/dkyqt201706011

2017-05-10；改回日期：2017-09-07。

王振林，男，1983年生，高级工程师，研究方向为测井储层评价。E-mail：wzhenl@petrochina.com.cn。

王振林，毛志强，孙中春，等.致密油储层孔隙结构核磁共振测井评价方法［J］.断块油气田，2017，24（6）：783-787.

WANG Zhenlin，MAO Zhiqiang，SUN Zhongchun，et al.Evaluation of pore structure using NMR logs for tight oil reservoirs ［J］.Fault-Block Oilamp;Gas Field，2017，24（6）：783-787.