基于NMR的砂砾岩储层岩电参数计算方法

2021-09-29骆飞飞谢天寿钟磊李国利王长江

测井技术 2021年3期

骆飞飞,谢天寿,钟磊,李国利,王长江

(1.中国石油新疆油田公司勘探开发研究院,新疆克拉玛依834000;2.中国石油集团测井有限公司测井应用研究院,陕西西安710077)

0 引言

由于受快速沉积的影响,砂砾岩储层具有结构和成分成熟度低、孔隙度小、渗透率低等地质特征,储层孔隙结构复杂;在测井曲线上,砂砾岩储层地质特征与测井曲线之间不是线性关系,常规测井曲线表现复杂多样[1-9]。这是由于砂砾岩储层复杂的孔隙结构使储层岩石参数取值范围大大增加,从而降低了电阻率测井判别流体性质的能力,影响了饱和度的正确求取[10]。但是计算饱和度的阿尔奇公式是通过物性较好的纯砂岩实验得出,它主要适应于岩性纯或泥质含量很低的砂岩地层[11-13]。由于没有考虑储层的非均质几何参数(孔隙度、曲折度)、非均质饱和度、各向异性等参数对岩石电阻率的影响,阿尔奇公式难以满足低孔隙度、低渗透率、复杂孔隙结构的储层饱和度计算[9]。因此,对于此类复杂孔隙结构的砂砾岩储层来说,如何根据储层特征和孔隙结构特征选择适当的岩电参数,已成为饱和度定量评价的关键[14-19]。

孔隙结构影响储层岩石导电性[16,20-21]。李秋实等[22]研究得出岩电参数n与孔隙结构的关系密切;赵良孝[23]认为,m表征导电截面积大小的变化率;张明禄等[24]研究证明孔隙结构是影响岩电参数m、n的主要因素;孙建孟等[25]提出孔隙结构对岩电参数n有较大的影响,以此建立岩电参数n的模型;刘红岐等[26]利用测井资料与孔隙结构分形特性取得岩电参数;闫建平、冉冶等[27-28]依据孔隙结构类型确定岩电参数模型的方法。这些前人的研究成果说明,岩电参数m、n的准确取值依赖于储层孔隙结构类型精细划分[16]。因此,本文从玛湖地区砂砾岩储层岩心测试数据入手,系统分析砂砾岩储层岩电参数影响因素,提出基于孔隙结构的砂砾岩储层岩电参数方法:首先提取岩心测试的核磁共振T2谱特征参数,然后根据提取的这些特征参数与岩电参数m、n的关系,建立基于孔隙结构的岩电参数m、n模型。该方法利用核磁共振测井资料实现了连续深度上的岩电参数m、n的准确计算,进而求取含油饱和度,并取得了显著的应用效果。

1 研究区概况及储层特征

玛湖地区位于准噶尔盆地中央坳陷玛湖凹陷北部,北接乌下断裂带,东临夏盐凸起。构造上为向东南方向倾的平缓单斜构造,局部为低幅度平台、鼻状或背斜构造,断裂较少[2]。三叠系百口泉组岩性主要为褐色或灰色含砾中砂岩、细砾岩、钙质砂砾岩、含砾粗砂岩、粉砂质或含砾泥岩等,优质储层是灰色细砾岩和含砾中粗砂岩[1-3]。细砾岩平均孔隙度为8.63%,渗透率为4.46 mD(1)非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;中砾岩平均孔隙度为7.43%,渗透率为2.82 mD;砂砾岩平均孔隙度为6.15%,渗透率为0.97 mD;钙质砂砾岩平均孔隙度为4.61%,渗透率为0.64 mD;含砾中砂岩平均孔隙度为9.58%,渗透率为1.21 mD[2]。研究区储层不同岩性的孔隙度和渗透率有一定的差别,但都属于低孔隙度、低渗透率或特低渗透率储层。这是由于研究区储层在宏观上沉积速率快、分选差、岩性变化快、成分和结构成熟度低,造成了微观上孔隙度低、渗透性差、孔隙结构复杂等地质特征[2,29-30]。

2 砂砾岩储层岩电参数影响因素分析

影响储层岩石导电性的因素很多,如岩石颗粒大小、导电矿物、泥质、孔隙尺寸及分布等[31]。本文系统分析研究区储层岩性、黏土矿物附加导电和孔隙尺寸及分布等对岩电参数的影响。

2.1 储层岩石颗粒大小

对同时测试物性、岩电参数、粒度的41块岩心样品进行分析,认为:①岩电参数m值范围为0.82～2.05,粒度大小在一定程度上影响m值的变化规律;在相同孔隙度条件下,中砂岩类m值要大于粗砂岩类和砾岩类[见图1(a)];②岩电参数n值范围为1.10～3.96,其最大值是最小值的近4倍,岩电参数n比m值变化范围更大;77%的岩心岩电参数n值高于均质碎屑岩的岩电参数n值(n=2);岩样颗粒大小与n值变化规律复杂,很难相对准确地描述岩样颗粒对n值的影响[见图1(b)]。通过对同时测量粒度和核磁共振的367块岩心样品分析发现[见图1(c)],不同粒度岩样的核磁共振标准T2谱主峰分布位置明显不同;岩样粒度越粗,T2谱主峰分布越靠左;粒度越细,T2谱主峰分布越靠右;岩石骨架粒径越复杂,T2谱分布位置越宽;这说明岩性不同,孔隙结构也不同。因此,玛湖地区砂砾岩储层岩石颗粒大小对岩电参数的影响,体现在微观上就是孔隙结构对岩电参数的影响。

图1 砂砾储层不同粒度岩样岩电参数m、n值及标准T2谱图

2.2 黏土矿物附加导电

图3 不同岩心样品核磁共振标准T2谱分布图

图2 不同类型黏土矿物与岩电参数m关系图

据玛湖地区储层黏土矿物X射线、CT扫描、背散射SEM等测试结果,黏土类型主要为高岭石、伊利石、绿泥石和蒙脱石。模拟不同高岭石含量的砂砾岩三维数字岩心,其中砾石体积含量为34.5%,砂粒体积含量为32%,高岭石为充填式,且随着占据粒间孔隙的高岭石含量增加,孔隙度降低。设地层水矿化度为6×104mg/L,25 ℃时地层水电阻率为0.131 7 Ω·m。数值模拟结果见图2,随着高岭石含量的增加岩电参数m逐渐增大。因储层中黏土矿物的附加导电性与储层自由水导电性存在差异,而对高矿化度的孔隙自由水而言,由于高岭石阳离子交换能力(5 mmol/100 g)最弱,其附加导电性低于孔隙自由水而呈现出增阻作用[32],所以岩电参数m缓慢增大。本文构建了不同蒙脱石含量的砂砾岩三维数字岩心,基本参数与上述岩心相同。岩心中蒙脱石以薄膜式分布,并不改变岩心孔隙度。设地层水矿化度为4×103mg/L,电阻率为1.3 Ω·m,模拟结果见图2,随着蒙脱石含量的增加,岩电参数m有明显减小趋势。这是因为蒙脱石阳离子交换能力(70～100 mmol/100 g)强,同时地层水电阻率高,此时它主要起到减阻作用。

综上所述,黏土矿物既有增大电阻率的作用,也有降低电阻率的作用。在测井精细评价中,核磁共振T2谱上黏土束缚水部分幅度越高表示黏土含量越高;反之,表示黏土含量越低。T2谱上黏土束缚水部分的不同形态反映储层微观孔隙结构有差异[15],因此,黏土矿物附加导电性对岩电参数m、n的影响可归结为孔隙结构对m、n值的影响[15]。

2.3 储层物性

储层物性对岩电参数的影响主要在储层孔隙度和孔隙结构2个方面,而表征储层孔隙结构的方法主要有毛细管压力法和核磁共振法[15]。图3(a)中1号和2号岩心T2谱主峰位置和形态基本一致,表示岩心孔隙结构相似;但T2谱幅度和包络面积不同,表示岩心孔隙度不同;3号和4号岩心也有相同规律。在地层水电阻率、岩性、孔隙结构都基本一致时,孔隙度的差异使得岩电参数存在明显差异。图3(b)中2、5、6号岩心孔隙度基本相近,但是T2谱主峰位置和形态不一致,说明这3块岩心宏观孔隙度相近,但微观孔隙结构存在明显的差异。在地层水电阻率、孔隙度基本一致时,因孔隙结构的不同,使得岩电参数存在明显差异,说明微观孔隙结构影响岩电参数的变化。

通过岩心全岩X衍射分析可知,玛湖地区砂砾岩储层基本不含黄铁矿,可不考虑导电矿物含量对岩电参数的影响;通过玛湖地区砂砾岩储层岩石润湿性测试可知,储层润湿性整体表现为亲水性,岩石润湿性对岩电参数m、n影响可以忽略。因此,在地层水一定的情况下,影响玛湖地区低孔隙度、低渗透率砂砾岩储层岩电参数m、n的主要因素有宏观的孔隙度、微观的孔隙结构。

图4 核磁共振T2谱特征参数描述图

3 砂砾岩储层岩电参数计算方法

3.1 岩电参数计算方法的主要步骤

在前人研究的基础上,通过对玛湖地区砂砾岩储层岩电参数影响因素综合分析,提出一种基于核磁共振的砂砾岩储层岩电参数的计算方法。该方法主要步骤:①选取目的层位具有代表性的不同岩性和孔隙结构的岩心,系统分析岩心测试的孔隙度、岩电参数m和n、核磁共振T2谱等;②在核磁共振T2谱上提取能充分反映孔隙结构的特征参数;③寻找上一步提取的特征参数与岩电参数m、n之间的关系,得到计算m、n值的方法;④将得到的m、n代入阿尔奇公式,计算含油饱和度。其主要研究内容包括规律分析、T2谱特征参数的定义与提取、岩电参数的建立和饱和度模型的验证及应用。

3.2 核磁共振T2谱的变化规律

通过对玛湖地区367块同时测量粒度和核磁共振T2谱的岩心测试数据分析[见图2(c)],可以发现:从含砾粗砂岩到砾质粗砂岩再到砂砾岩,随着砾石含砾的增加,T2谱的主峰和次峰都出现了不同程度的左移。这是由于复模态的砂砾岩中,随着砾石含量的增加,砾石间的大孔隙被颗粒更细的砂和泥填充,造成小孔隙的比重增加、大孔隙的比重减小,T2谱峰左移。因此,可通过参数表征T2谱的变化规律,反映玛湖地区砂砾岩的微观孔隙结构,并进一步寻找其与岩电参数m、n之间的关系。

3.3 核磁共振T2谱特征参数的定义与提取

为了精细表征核磁共振T2谱特征参数,选取6个参数(见图4):①幅度参数:a1、a2分别为小孔、大孔谱的峰值幅度;②孔隙大小:b1、b2分别为小孔、大孔谱峰值对应的T2谱时间值,ms;③谱峰的延展度:c1、c2分别为小孔、大孔谱峰的延展度。在此基础上,对上述特征参数进行组合,定义3个特征参数。

(1)孔隙配位比X1:表示孔分布状况,该值与孔的分选性有关,分选越差该值越大,其公式为

X1=f(b1,b2)

(1)

(2)大孔张开度X2:与连通配比及拖尾程度有关,该值越大连通性越好,拖尾大,其公式为

X2=f(c2)

(2)

(3)小孔贡献率X3:与小孔隙的有效连通性及幅度大小有关,其公式为

X3=f(a1,a2,c1)

(3)

3.4 岩电参数模型的建立

首先,分析从核磁共振T2谱上提取的特征参数X1、X2、X3与实测的岩电参数m之间的关系。由图5(a)、图5(b)、图5(c)可见,岩电参数m与X1、X2、X3这3个特征参数之间均呈现负相关,采用最小二乘法进行多参数拟合,得到基于孔隙结构的岩电参数m的参数模型

0.355X1+1.445

(4)

图5 核磁共振T2谱特征参数与岩电参数m、n的关系图

式中,X1、X2、X3与m的相关系数为0.876 2。计算的岩电参数m值与岩心测试的岩电参数m值基本上分布在对称轴附近[见图5(g)],二者的相关性很高(R2=0.990 6),说明该方法得到的岩电参数m模型计算精度高。

然后,用同样的方法分析岩电参数n与X1、X2、X3之间的关系。由图5(d)、图5(e)、图5(f)可见,岩电参数n与这些特征参数有较好的正相关关系,采用最小二乘法,进行多参数拟合,得到基于孔隙结构的岩电参数n的参数模型

n=-1.5+1.05X1+2.73X2+4.44X3

(5)

式中,X1、X2、X3与n的相关系数为0.865 3。计算的岩电参数n值与岩心测试的岩电参数n值基本上分布在对称轴附近[见图5(h)],二者的相关性很高(R2=0.970 4),说明新方法计算的岩电参数精确度较高。

4 应用分析

玛湖地区M13井在目的层砂砾岩储层中取心长度较长(包含密闭取心井段),岩心测试项目齐全。该井的测井资料除常规测井资料外,还包括电成像测井、核磁共振测井等成像测井资料。该井在后期目的层段试油中,获得了日产油52.89 t、日产气0.872×104m3的高产工业油流(见图6)。由于各方面的资料均达到了验证饱和度模型的条件,因此,选取本井作为玛湖地区饱和度模型的验证对象。

图6 M13井计算饱和度与岩心分析饱和度的对比图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m

图6中,在3 900～3 925 m井段,井径曲线显示储层段不扩径,泥岩段或泥质含量很高的层段出现扩径;自然电位曲线没有明显异常幅度,对岩性反映不明显;自然伽马在砂砾岩储层段基本上都是低值,为46～55 API,泥质含量高的层段,自然伽马值增高;密度测井曲线反映储层物性变化最明显,中子测井曲线上变化很小;电阻率曲线显示探测深度最浅的微球电阻率曲线受井眼扩径影响严重,但深、浅侧向电阻率基本重合,对侵入特征反映不明显,油层深电阻率值一般在20 Ω·m以上;核磁共振T2谱显示,整个层段含油性差异不明显,3 901.6～3 904.1 m井段差谱信号最强、含油性最好,3 912.3～3 917.8 m井段差谱信号次之、含油性好。计算的岩电参数m、n随深度连续变化,达到了计算可变岩电参数的目的。图6第9道是岩心测试的含油饱和度与计算的含油饱和度,二者基本完全一致,平均相对误差在4%以内;在整个井段中,计算的含油饱和度(62%～80%)最高的层段是3 901.3～3 906.1 m,此层段的核磁共振差谱信号最强,深电阻率测井曲线值也最高。所以,计算的含油饱和度变化规律与常规测井曲线、核磁共振测井响应特征一致,与岩心测试的含油饱和度完全吻合,符合地区规律,能满足生产需求。