页岩油储层核磁有效孔隙度起算时间的确定——以吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组页岩油储层为例

王 伟，赵延伟，毛 锐，孙中春，牟立伟

(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 新疆油田分公司 采油一厂，新疆 克拉玛依 834000)

对于现今越来越重要的致密油储层以及页岩油储层，有效孔隙度已经成为一个非常重要的物性参数。然而，利用测井资料计算页岩油储层有效孔隙度却存在很大的困难。首先，作为骨架存在的干酪根会直接导致声波、密度测井计算的孔隙度偏高，使得利用常规测井计算孔隙度的方法基本失效。其次，复杂的岩性以及矿物类型造成岩石骨架测井参数难以确定[1-2]。针对此问题，目前主要有两种解决办法：一是有机质校正的密度孔隙度法[3-5]；二是利用元素俘获测井估算岩石骨架的测井响应，再利用常规测井进行孔隙度计算[6-7]。此外，核磁共振测井计算的孔隙度因基本不受干酪根的影响，已广泛应用于页岩油、致密油等非常规储层物性评价中[8-11]。

本文以吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组页岩油储层为研究对象，通过实际资料处理与分析，上述方法在研究区的应用效果均不够理想。主要因为无机矿物变化大、需要大量的岩心数据进行标定以及核磁共振有效孔隙度的起算时间不够准确。为了解决页岩油储层有效孔隙度问题，对研究区含不同粘土矿物类型的岩心进行了X-射线衍射和核磁共振联测实验。通过分析实验数据，明确了不同类型的粘土矿物对核磁T2驰豫时间的影响机制，在此基础上，采取“岩心刻度测井”方法，利用迭代法实现了页岩油储层有效孔隙度的准确计算，并确定起算核磁时间为1.7 ms，为准噶尔盆地页岩油储层有效孔隙度评价提供了一种新的技术思路和解决办法。

1 地质概况

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部，其北界为吉木萨尔断裂，南界为三台断裂，西界为老庄湾断裂和西地断裂，向东逐渐过渡为古西凸起上。二叠系芦草沟组整体为咸化的湖相沉积环境，厚度大、分布广，纵向上以暗色泥岩的烃源岩与云质岩的储层呈互层分布，属源储相邻、近源成藏的页岩油气藏。芦草沟组页岩油储层属于低孔特低渗储层：覆压孔渗样品平均孔隙度为9.5%，渗透率为0.001×10-3～0.6×10-3μm2；储层以微孔为主，大尺寸的纳米孔和微米孔为油气的主要储集空间[12]。

2 理论基础

核磁共振测井可以准确地反映地层孔隙度[13]，图1是岩石中不同类型孔隙流体的核磁孔隙度模型[14]。从图中可知，核磁有效孔隙度的计算公式为：

φE=φT-φCBW

(1)

式中：φE为有效孔隙度，%；φT为总孔隙度，%；φCBW为粘土束缚水孔隙度，%。

利用上式计算有效孔隙度的核心是确定粘土束缚水孔隙度的大小。岩石T2分布中短弛豫组分通常是粘土束缚水的弛豫特性，通常将T2时间小于3 ms的组分归为粘土束缚水。常规的砂岩储层常用3 ms作为粘土束缚水截止值，最早是由Straley等提出的[15]。Straley等通过对45块不同油田的砂岩岩样进行实验，将薄膜电位测量的阳离子交换当量计算的粘土束缚水饱和度与2 MHz频率下的核磁共振测量结果进行对比，确定粘土束缚水的T2截止值为3 ms。Freedman等(1997)和Martin等(2004)采用与Straley相同的方法，对不同地区的砂岩岩样实验，得出的有效孔隙度起算时间分别为1 ms和2.8 ms[16-17]。前人研究表明粘土束缚水截止值并不是固定不变的，而是随着地区的不同而发生变化。

芦草沟组页岩油储层岩性细、孔隙度小[18-21]，核磁共振T2分布短弛豫分量比例大，粘土束缚水截止值的改变对储层有效孔隙度的计算结果影响非常显著[22-23]。因此研究合适的粘土束缚水截止值及认识其岩石物理依据是准确评价研究区页岩油储层有效孔隙度的关键。

3 粘土矿物类型对粘土束缚水T2截止值的影响

Prammer等(1996)通过对不同类型的粘土矿物进行T2弛豫时间测量，结果表明(表1)：高岭石的T2谱峰分布为8～16 ms，绿泥石的T2谱峰分布为5 ms左右，伊利石的T2谱峰分布为1～2 ms，而蒙脱石的T2谱峰分布为0.3～1 ms。可见，不同粘土矿物的T2驰豫时间不同，蒙脱石、伊利石的T2驰豫时间小于3 ms，而绿泥石和高岭石则大于3 ms[24]。

Prammer的实验结果揭示了单种粘土矿物的T2谱横向驰豫范围。然而实际地层中岩石的粘土矿物往往是不同类型粘土组合而成，粘土束缚水T2驰豫时间就是多种粘土矿物的综合响应。本文对准噶尔盆地三个地区(阜东地区、陆梁地区及莫北地区)的30块砂岩岩样进行了核磁共振及配套实验测量。所有样品核

图1 核磁共振T2分布与不同类型孔隙流体对应关系概念模型[14]Fig.1 Conceptual model showing the correlation between NMR T2 spectrum and various pore fluids[14]

粘土类型含水率/%粘土束缚T2(Te=0.5)/ms蒙脱石7.0—18.90.331.10.554.41.0伊利石8.81.015.82.0高岭石11.78.017.412.020.016.0绿泥石7.55.0

注：Te.回波间隔，ms。

磁共振实验均采用NaCl溶液饱和，岩心核磁共振测量使用的是英国核磁共振仪器公司开发的MARAN-2型核磁共振岩心分析仪。主要工作参数为：测试温度30 ℃，工作频率2 MHz，回波间隔0.2 ms、等待时间6 s，回波数4 096、扫描次数128。使用LD5-10B型离心机，在100 psi压力下对岩样进行离心处理，使其达到束缚水状态，然后进行核磁共振测量，主要采集参数与饱和水状态相同。

表2为3个地区4个层位的X-衍射分析结果，图2为这3个地区核磁共振实验结果，其中红色的为饱和水T2谱，蓝色虚线为离心T2谱。阜东地区头屯河组砂岩粘土矿物类型以伊/蒙混层为主，平均相对含量为78.71%，其他粘土矿物相对含量较少，伊利石、高岭石和绿泥石的平均相对含量分别为6.21%，9.43%和5.64%，该区样品的粘土束缚水峰值介于1～3 ms(图2a)。莫北地区三工河组砂岩粘土矿物类型以高岭石和绿泥石为主，平均相对含量分别为38.38%和28.78%，伊利石和伊/蒙混层平均相对含量均较低，分别为16%和17%，该区样品的粘土束缚水峰值介于15～30 ms(图2b)。陆梁地区白垩系砂岩粘土矿物类型以蒙脱石和伊/蒙混层为主，平均相对含量分别为42.14%和27.63%，绿泥石、伊利石和高岭石平均相对含量较低，分别为15.91%,7.77%和6.54%，该区样品的粘土束缚水峰值介于3～4 ms(图2c)。陆梁地区侏罗系砂岩粘土类型以高岭石为主，平均相对含量44.93%，伊利石、伊/蒙混层和绿泥石平均相对含量分别为23.07%,17.24%和14.76%，该区样品的粘土束缚水峰值大于20 ms(图2d)。

表2 准噶尔盆地不同地区不同层位砂岩样品粘土矿物类型及相对含量Table 2 Mineral types and relative contents of clay in the sandstone samples from different horizons of various regions in Junggar Basin

上述实验结果可以看出，以伊/蒙混层为主的阜东头屯河组岩样和以蒙脱石、伊/蒙混层为主陆梁白垩系岩样的T2谱中粘土束缚水峰靠前，在3 ms左右；以高岭石和绿泥石为主的莫北三工河组岩样和以高岭石为主的陆梁侏罗系岩样，T2谱中粘土束缚水峰靠后，大于15 ms。实验结果表明粘土矿物类型确实对储层核磁共振T2短弛豫分量的分布有控制作用，含蒙脱石或伊/蒙混层矿物的砂岩比含伊利石或高岭石矿物的砂岩核磁共振T2短弛豫分布更小更靠前。

4 核磁有效孔隙度起算时间的确定

上述实验分析结果表明，利用核磁共振测井评价储层有效孔隙度的关键是在明确储层粘土矿物主要类型的基础上，选择合理的核磁有效孔隙度起算时间。

芦草沟组岩样X-衍射实验结果表明(图3)，芦草沟组页岩油储层不含高岭石，绿泥石的平均相对含量不到5%，伊/蒙混层和蒙脱石相对含量均在30%～40%，绿/蒙混层相对含量为25%左右，说明此地区粘土矿物类型以伊利石和蒙脱石为主。通过分析芦草沟组页岩油储层25块离心样品的核磁共振实验和粘土矿物X-衍射数据，其中19块样品粘土矿物以蒙脱石和伊/蒙混层为主，离心T2谱峰小于或等于3 ms，4块样品的离心T2谱峰在3～5 ms，其绿/蒙含量较高，仅两块样品的离心T2谱峰大于10 ms，其绿泥石和绿/蒙混层相对含量较高(表3)。以C井01357号的岩样核磁共振T2谱图为例(图4)，蓝色为饱水T2谱，红色为离心后T2谱，可以看到粘土束缚峰小于3 ms。根据配套的核磁共振和X-衍射实验数据分析认为，本地区的粘土束缚水T2截止值应小于3 ms。

确定有效孔隙度起算时间最为直接的方法是岩心有效孔隙度和核磁共振联测实验[25]。然而，这种方法需要大量的实验样品，同时由于岩心实验的环境与井下仪器的采集环境和仪器参数具有较大的差异，会造成实验结果与井下实测资料的一致性差，实验结果通常无法直接应用于孔隙度计算[26]。对此，研究提出应用系统取心岩心有效孔隙度分析数据和核磁共振测井不同T2起算时间计算的孔隙度进行对比分析，采用迭代法确定核磁有效孔隙度起算时间。

图2 准噶尔盆地不同地区不同层位砂岩岩样核磁共振实验测量结果Fig.2 NMR measurements of sandstone samples from various sections in different areas of the Junggar Basina.阜东地区头屯河组；b.莫北地区三工河组；c.陆梁地区白垩系；d.陆梁地区侏罗系

图3 吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组岩样X-衍射数据分析结果Fig.3 Analysis of X-ray diffraction data of rock samples from the Permian Lucaogou Formation,Jimusaer sag

图4 吉木萨尔凹陷C井01357号岩样核磁共振测量结果Fig.4 NMR measurements of rock samples from Well C in Jimusaer sag

对岩心分析的孔隙度进行厘米级岩心归位后，基于实际地层的核磁共振测井T2谱，从0.3 ms至3 ms，并以0.1 ms的时间间隔逐渐增加，计算得到不同起始时间的有效孔隙度。计算公式为：

(2)

式中：φe为计算的有效孔隙度，%；T2，max为横向弛豫时间最大值，斯伦贝谢公司CMR仪器最大T2时间为3 000 ms；T2,cutoff为粘土束缚水T2截止值；φk为第k个T2时间对应的孔隙度分量，%。

表3 吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组岩样离心T2谱峰值与粘土矿物含量Table 3 The peak of centrifugal T2 spectrum and clay mineral content of rock samples in the Permian Lucaogou Formation,Jimusaer sag

当每得到一个T2截止值计算的有效孔隙度后，将取心处储层的计算值与其岩心分析的有效孔隙度进行均方根误差分析，其表达式为：

(3)

式中：RMSE为某一截止值计算的有效孔隙度与岩心分析孔隙度的均方根误差；n为样品总数；φei为核磁共振计算的第i个样点的有效孔隙度，%；φci为第i个样品的岩心分析孔隙度，%。

均方根误差最小所对应的T2时间，认定为储层有效孔隙度的T2截止值。表3为利用上述方法从0.3 ms至3 ms起始时间计算的有效孔隙度与岩心分析孔隙度的均方根误差。从此表可知，以1.7 ms起始时间计算的有效孔隙度与岩心分析有效孔隙度的均方根误差为3.87，小于其他起始时间计算的孔隙度与岩心分析孔隙度的误差。综合考虑，最终确定以1.7 ms为粘土束缚水截止值计算的核磁有效孔隙度为芦草沟组页岩油储层有效孔隙度。

5 应用

将1.7 ms作为有效孔隙度起算时间的方法应用到实际井资料中，取得了较理想的结果。图5为C井核磁共振测井孔隙度处理成果图，从图中可以看出核磁0.3 ms孔隙度(第一道)和核磁3 ms孔隙度(第三道)的变化趋势均与分析孔隙度有较好的相关性，但绝对误差较大。3 146～3 150 m井段，核磁0.3 ms起算孔隙度与分析孔隙度的吻合度高于核磁3 ms起算孔隙度与分析孔隙度的吻合度；而3 155～3 161 m井段处恰好相反。而1.7 ms起算时间计算的有效孔隙度(第二道)与分析的孔隙度在全井段吻合性均较好，能够较真实地反映地层的孔隙度。

为进一步验证该方法的可靠性，使用该方法对B井进行了核磁共振孔隙度处理，如图6所示。图中第一、三、四道是常规测井曲线道，第五道为分析孔隙度与核磁共振测井处理孔隙度，包括核磁3 ms孔隙度和核磁1.7 ms孔隙度。

可以看出核磁1.7 ms孔隙度与分析孔隙度吻合度高，相对误差为2.86%，而常用的核磁3 ms孔隙度与分析孔隙度吻合度较差，相对误差可达20%以上。这也说明了在研究区芦草沟组页岩油储层以1.7 ms作为有效孔隙度起算时间具有明显的技术优势。

6 结论

1) 通过对比准噶尔盆地不同地区、不同层系岩心核磁共振T2谱和X-衍射实验结果，明确了核磁共振有效孔隙度起算时间受粘土矿物类型的控制。

表3 吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组不同起算时间值与岩心分析值的均方根误差Table 3 RMS error analysis for different starting time values and core analysis values in the Permian Lucaogou Formation,Jimusaer sag

图5 吉木萨尔凹陷C井核磁共振有效孔隙度处理成果Fig.5 A profile showing the effective porosity through processing NMR data from Well C in Jimusaer sag

图6 吉木萨尔凹陷B井不同起算时间下孔隙度计算精度对比Fig.6 Comparison of porosity calculation accuracy in Well B at different starting time,Jimusaer sag

2) 若储层的主要粘土矿物类型以伊利石、蒙脱石或伊/蒙混层为主，则有效孔隙度的起算时间在0.3 ms至3 ms的范围内确定。若储层的主要粘土矿物类型以高岭石、绿泥石为主，则有效孔隙度的起算时间在大于3 ms的范围内确定。研究区页岩油储层粘土矿物以蒙脱石和伊利石为主，其有效孔隙度起算时间应小于3 ms。

3) 以系统取心岩心有效孔隙度分析数据为基础，与现场核磁共振测井不同粘土束缚水截止值计算的孔隙度进行对比，利用迭代法最终确定1.7 ms为研究区核磁共振有效孔隙度起算时间，为储层物性评价提供了可靠参数。