顺磁性物质含量对火山岩核磁孔隙度的影响及校正——以准噶尔盆地中拐凸起石炭系火山岩为例

高衍武，赵延静，吴伟，张文静，蔺敬旗，安银银

1.中国石油集团测井有限公司地质研究院，陕西 西安 710000 2.中国石油集团测井有限公司长庆分公司，陕西 西安 710000 3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710000 4.中国石油测井有限公司新疆分公司，新疆 克拉玛依 834000

中国的松辽、准噶尔、四川等盆地广泛发育火山岩储层，是近年来非常规油气勘探的热点[1,2]。火山岩储层多具低孔低渗特征，核磁共振测井在该类型储层储集空间尤其是物性评价中发挥着重要作用[3-6]。一般认为，核磁共振测井不受岩性、泥饼的影响，由核磁共振测井获得的核磁孔隙度被较多地应用到火山岩储层测井解释评价中[7]。但相较于碎屑岩储层，火山岩储层岩石中普遍含有更多的特殊矿物，如顺磁性物质(Fe、Cr、Ni等)，会导致测量信号的衰减时间变得相当短，短到低于核磁共振测井仪测量下限值，使得测量的核磁孔隙度迅速减小[8,9]。因此，当岩石中含有一定量的顺磁性物质时，核磁共振测井在火山岩中的应用受到限制，应考虑顺磁性物质含量对核磁共振测井的影响，并对核磁孔隙度给予校正。

司马立强等[10]分析认为，核磁共振测井会受到火成岩岩性的严重影响，在火成岩中的应用具有一定的局限性，尤其是在中基性火成岩地层中。史飞洲等[11]从铁磁矿物含量、石英含量和泥质含量3方面对核磁共振的影响进行了分析，发现核磁共振测井在酸性火成岩中的应用效果优于中基性火成岩。杨正明等[12]研究发现，岩石中顺磁性物质含量越高，岩石磁化率越高，核磁孔隙度与常规分析孔隙度的偏差越大。谢然红等[13]对7块不同Fe3O4含量的人造石英砂岩进行研究，发现核磁孔隙度与气测孔隙度的误差随着岩样中Fe3O4含量的增加而增大，当Fe3O4的含量达到6%时，测得的核磁孔隙度基本为零。屈乐等[14]试验分析表明，不同岩性的火成岩，核磁孔隙度误差不同，当顺磁性物质质量分数超过6% 时，核磁孔隙度基本为零。已有研究表明，常规石英砂岩、火山岩岩石中，只要含有顺磁性矿物，均会对核磁孔隙度产生影响，影响程度与特殊矿物含量有关；且认为当顺磁性物质超过某一含量上限时，核磁孔隙度为零，但对引起孔隙度变化的顺磁性物质含量下限缺少分析。李晓峰等[15]建立了顺磁物质Fe含量与火山岩核磁孔隙度的关系，提高了松辽盆地深层中基性火山岩孔隙度的计算精度，但没有对除Fe以外的其他特殊矿物含量的影响做讨论。

笔者在前人研究的基础上，以准噶尔盆地中拐凸起石炭系火山岩为研究对象，利用ECS(地层元素)测井资料和实验室不同岩性的火山岩核磁孔隙度与常规孔隙度的测量结果，分析了Fe、Al、Ca、Ti等多种顺磁性物质对核磁孔隙度的影响，建立了顺磁性物质含量与核磁孔隙度的校正公式，确定了核磁孔隙度校正的Fe含量下限，提高了研究区核磁孔隙度的解释精度。

1 火山岩核磁共振试验分析

1.1 核磁试验影响因素分析

准噶尔盆地中拐凸起石炭系火山岩储层岩性主要为玄武安山岩、英安岩和火山角砾岩，其中玄武安山岩为中基性火山岩，英安岩和火山角砾岩为酸性火山岩。试验选取了区块内JL井区6口井38块样品开展混合岩性核磁信号随机测量。为获得每种岩性更多的核磁信号，首先开展每个核磁测量参数(包括变等待时间Tw,c、变回波数量Ne,c、变扫描数量Ns,c和变回波间隔时间Te,c)对其核磁信号的影响分析，如图1所示。

图1 核磁共振τ2谱分布图Fig. 1 NMR τ2 spectrum distribution

核磁试验测量岩样孔隙度的基本原理是通过探测孔隙流体的弛豫时间来刻度孔隙度。由图1所示核磁试验结果可知，不同岩性测量样品Tw,c、Ne,c和Ns,c的改变对核磁信号的影响较小，可以忽略不计。但是，考虑到岩心取样位置均为孔洞、裂缝不发育段，而火山岩储层通常次生孔隙较发育，对于含有较大气孔、溶洞和裂缝的火山岩储层，在较小的等待时间下(试验中设置等待时间Tw=6s)，储层孔隙中仍然会有少量流体氢核不能完全极化，可能导致所测得的核磁孔隙度偏小。为了获得较大孔隙中的流体信号，对于孔洞较为发育的储层，将回波数量Ne设置为4096个。另外，火山岩储层由于岩性致密，且可能含有顺磁性和Fe磁性物质，导致信噪比太低，为了克服信噪比较低的问题，试验中将扫描数量设置为128次。

由图1可知，变回波间隔时间Te,c对核磁信号的影响较大，随着Te,c的增大，可动峰位置向短τ2方向移动且峰值幅度逐渐减小。分析其原因主要有以下2点：①较大的回波间隔时间(Te)会导致仪器无法检测到岩心中横向弛豫时间(τ2)很小的氢核信号。因为小孔隙中的水具有很短的τ2，如果Te设置过长，则会在仪器未完全反应之前，这些小孔隙中的流体信号已经弛豫结束，无法检测到它们的弛豫信号，对岩性比较致密的低渗火山岩储层影响较大。②火山岩中的顺磁性物质所产生的诱导磁场会抵消一部分外磁场强度，使得τ2缩短，导致一些组分无法被探测到，表现为核磁孔隙度偏小。由于Te对核磁信号的影响较大，为了和MRIL-P型核磁共振测井仪回波间隔时间(0.6ms)一致，该次试验中Te取0.6ms。

1.2 孔隙度误差分析

首先对38块样品进行加压饱和，因有2块岩样破碎，实测为36块。为了接近地层水矿化度，饱和溶液采用12000mg/L的CaCl2溶液，然后对饱和样品按照上述测量参数进行核磁共振测量，岩心分析孔隙度与核磁孔隙度测量结果交会图如图2所示。由图2可以看出，英安岩与火山角砾岩的核磁孔隙度与岩心分析孔隙度相当，玄武安山岩的核磁孔隙度明显小于岩心分析孔隙度。图2中16块玄武安山岩岩心分析孔隙度在2%～9%之间，核磁孔隙度比岩心分析孔隙度偏小0.31%～6.56%，平均绝对误差达51%，中基性火山岩的核磁孔隙度资料失去利用价值。

图2 3种岩性岩心分析孔隙度与核磁孔隙度交会图Fig. 2 Cross plot of core analysis porosity and NMR porosity of three lithologies

对38个取样点处ECS测井得到的Fe含量进行统计(见图3)，结果显示，玄武安山岩的Fe含量在0.054%～0.073%之间，平均为0.064%；火山角砾岩的Fe含量在0.035%～0.063%之间，平均为0.053%；英安岩的Fe含量在0.024%～0.043%之间，平均为0.034%。

图3 3种岩性的ECS测井Fe含量直方图 Fig. 3 Histogram of Fe content in ECS logging of three lithologies

由图3可见，火山岩储层岩石中Fe含量数量级较小。相对而言，分析样品中玄武安山岩Fe含量最高，火山角砾岩次之，英安岩最低。前文讨论过，在尽可能消除核磁试验参数对测量数据影响的前提下，岩石中Fe含量是造成核磁孔隙度误差的主要原因。这是因为Fe为强顺磁性物质，Fe的磁化率是其他弱磁性矿物的数百倍至数万倍，因此核磁共振测井参数的主要影响因素是Fe含量，其他弱顺磁性矿物起次要作用，对提高孔隙度校正精度有帮助。根据图2的试验数据和图3的ECS测井统计数据，Fe含量平均为0.053%的火山角砾岩和0.034%的英安岩核磁孔隙度不需要校正，而Fe含量平均为0.064%的玄武安山岩核磁孔隙度却误差明显，尽管3种岩性Fe含量差别不大，但存在一个引起核磁孔隙度误差的Fe含量下限，研究区核磁孔隙度校正Fe含量的下限应在0.053%～0.064%之间。

2 火山岩核磁孔隙度校正方法

2.1 Fe含量下限确定

研究发现，玄武安山岩的岩心分析孔隙度与核磁孔隙度之间的差值与岩石中Fe含量之间有较好的线性关系，如图4所示。由图4可知，当岩石中Fe含量为0.057%时，岩心分析孔隙度与核磁孔隙度差值为零。说明当Fe含量小于0.057%时，岩心分析孔隙度与核磁孔隙度之间没有差值，Fe含量没有引起核磁孔隙度误差，不需要对核磁孔隙度进行校正。因此确定研究区孔隙度校正的Fe含量下限为0.057%。

图4 岩心分析孔隙度与核磁孔隙度差值-Fe含量交会图 Fig. 4 Cross plot of difference between core analysis porosity and NMR porosity and Fe content

当Fe含量大于0.057%时，采用下列公式进行校正：

φ′=φt+402.4400×wFe

-22.9960

(1)

式中：φ′为Fe含量校正后的核磁孔隙度，%；φt为核磁孔隙度，%；wFe为ECS测井得到的岩石中Fe含量，%。

经Fe含量校正后的核磁孔隙度与岩心分析孔隙度的相关系数R2=0.8152，如图5所示。

图5 岩心分析孔隙度与Fe含量校正后核磁孔隙度交会图 Fig. 5 Cross plot of core analysis porosity and NMR porosity after Fe content correction

2.2 多矿物核磁孔隙度校正公式建立

ECS测井获得的岩石骨架中，除有强顺磁性矿物Fe外，还有Si、Ca、Na、K、Al、Ti等顺磁性矿物(磁化率为正值)，上述矿物的磁化率远小于Fe，但只要有顺磁性物质的存在，都会影响核磁共振测井。研究区火山岩储层岩石中Al、Ca、 Ti含量相对较高，仅次于Fe，为分析多顺磁性矿物微弱的磁化率对核磁共振测井的影响，利用多元回归方法，建立了岩心分析孔隙度与核磁孔隙度孔隙度差值与Fe、Al、Ca、Ti含量的关系，得到多矿物核磁孔隙度校正公式：

φ″=φb+349.196×wFe-16.625

×wAl-15.323×wCa

+415.661×wTi-19.819

(2)

式中：φ″为多矿物校正后的核磁孔隙度，%；φb为岩心分析孔隙度与核磁孔隙度差值，%；wAl、wCa、wTi分别为ECS测井得到的岩石中Al、Ca、Ti含量，%。

通过式(2)多矿物核磁孔隙度校正，校正后的核磁孔隙度与岩心分析孔隙度的相关系数R2从0.8152提高到了0.9356(见图6)，平均绝对误差从0.77%降到了0.42%，核磁孔隙度的解释精度明显提高。

图6 岩心分析孔隙度与多矿物校正后核磁孔隙度交会图Fig. 6 Cross plot of core analysis porosity and NMR porosity after multi-mineral correction

3 应用效果

应用上述校正方法对中拐凸起JL103井开展效果检验，结果如图7所示。该井目的层岩性为深灰色玄武安山岩，在3165.88～3171.40m处钻井取心获得9个岩心分析孔隙度数据，在3150～3190m处井壁取心获得7个岩心分析孔隙度数据。由图7可知，校正前核磁孔隙度数值偏小，经多矿物校正后，核磁孔隙度曲线与校正前曲线形态发生较大改变，校正后的核磁孔隙度与岩心分析孔隙度一致性较好，校正结果验证了多矿物核磁孔隙度校正的必要性和可信度。

图7 JL103井核磁孔隙度校正成果图Fig.7 NMR porosity correction results of well JL103

岩心分析孔隙度与校正后核磁孔隙度的数据对比统计如表1所示。校正前核磁孔隙度分布在0.858%～3.601%之间，与岩心分析孔隙度绝对误差为1.324%，校正后核磁孔隙度分布在0.875%～7.027%之间，与岩心分析孔隙度绝对误差为0.233%。核磁孔隙度平均提高1.207%。校正后的核磁孔隙度与岩心分析孔隙度符合度较高，多矿物核磁孔隙度校正方法大幅提高了核磁孔隙度的解释精度，应用效果较好。

表1 校正后的核磁孔隙度与岩心分析孔隙度对比表

4 结论

1)研究区英安岩和火山角砾岩不需要做核磁孔隙度校正，玄武安山岩核磁孔隙度低于岩心分析孔隙度，需要校正。

2)研究区玄武安山岩核磁孔隙度校正的Fe含量下限为0.057%，当ECS测井得到的Fe含量小于0.057%时，不需要做核磁孔隙度校正；当Fe含量大于0.057%时，则需要做核磁孔隙度校正。

3)针对研究区玄武安山岩，采用顺磁性物质Fe、Al、Ca、Ti建立的多矿物核磁孔隙度校正公式，大幅提高了核磁孔隙度的解释精度，应用效果较好。