核磁共振测井渗透率模型分析

核磁共振测井渗透率模型分析 核磁共振测井渗透率模型分析 2011年第3期 总第183期 国外测井技术 W0RLDWELLLOGGINGTECHNOLOGY Jun.2011 Tota118327 ? 基础科学? 核磁共振测井渗透率模型分析 邹良志 1中国石油川庆钻探工程有限公司测井公司 刘清华 2中国石化东北油气分公司工程技术研究院 摘要:渗透率是表征储层渗流特性的主要参数之一,大量的测井和实验表明,核磁 共振测井能较 好地表征岩石的孔隙结构.因此,核磁共振测井成为与渗流机理最为接近的测井方 法.本文分析 了核磁共振测井测量渗透率的原理,各种模型的比较,核磁共振测井求取渗透率的 影响因素. 关键词:核磁共振测井;渗透率;影响因素 1核磁共振测井测量渗透率的原理 1.1核磁共振测井测量渗透率的基础 渗透率主要受岩石孔喉半径控制,而核磁共振 测井测得的T2分布反应的是岩石的孔隙直径,岩石 的孔喉半径与孔隙直径之间有密切的关系,因此可 以用核磁共振测井测得的I分布来估算渗透率. 1.2核磁T2谱反映岩石的孔隙直径 岩石样品通常含有大小不一的多种孔隙系统, 各种孑L隙具有不同的表面积与体积之比,因而具有 不同的核磁共振弛豫速率,由此构成观测回波多指 数衰减规律的主要来源.当孔隙中只含有单相流体 时,对于表面积为S;,体积为V的第i种孔隙系统,其 横向弛豫时间可以写成【u: 击=击+D(?G/'E)2+P2Z.L(1)+T(1) 在没有磁场梯度,或(GTE)的值很小时,扩散项对 弛豫时间的贡献可以忽略.并且,在一般情况下 由弛豫会比表面弛豫慢得多,1/T:也可以忽略,此时 有: . , 1S (2),'(2) 得到r,l2 (3) V/S的值取决于孑L隙的形状.对于典型的球形 孔,管状孑L,以及板状孔,V/S分别为d/6,d/4,d/2,其中 d分别为球形,管状孔隙的直径和板状孑L的宽度. 对于储层常常使用管状孔模型.横向表面弛豫强度 P为常数,所以,观测弛豫时间与孔隙直径之间存 在对应关系.岩石多孔介质是由不同大小的孑L隙组 成的,存在多指数衰减信号,总的核磁弛豫信号s(t)为 这些孔隙的核磁弛豫信号的叠JJI1: (f)=A,exp(一f/T2i)(4】 式中,T2为第i种孔隙系统的T2弛豫时间,Ai为弛 豫时间为的孔隙组份所占的比例,对应于岩石孔 隙内在的表面积与体积之比V./S;或管状孔隙喉道 半径的分布比例. 实际核磁共振测量中观测到的原始数据是自旋 回波串,是多种横向弛豫分量共同贡献的结果,对 回波数据做反演,便可以计算出不同T2弛豫时间的 流体所占的份额,即所谓的T2弛豫时间谱.T2弛豫 时间较长的流体存在于较大的孔隙中,弛豫时间较 短的流体存在于较小孔隙中,因此,T2分布在油层物 理上的含义为岩石中不同大小的孔隙占总孔隙的比 例,从T2分布中可以得到孑L隙分布和渗透率的信息 (如图1). 图1多孔介质的多指数衰减规律 作者简介:邹良志(1981一),男,硕士,2010年毕业于中国石油大学(北京)地球探测 与信息技术专业,从事测井资料处理解释与 储层和射孔技术研究工作. l 28国外测井技术 由上述可知,T2分布实际上代表了地层管状孔隙 喉道半径分布情况.地层岩石渗透率与管状孑L隙喉 道半径有关,因此可以从T2分布中计算出地层岩芯 渗透率,这种计算一般是采用一些经验公式来进 行.由于使用常规测井资料计算渗透率常用孔隙度 来计算,与核磁共振测井相比,它没有孔隙分布的信 息,因此它的计算精度常常低于核磁共振测井的孔 隙度. 从油层物理中可知,对球形孔隙模型表面积与 体积之比V~Si=3/ri,对管束孔隙模型表面积与体积之 比V,/Si=2/r,(ri表示孔隙半径),因此,从式(2)可以看出 T2谱实际上反映出了岩石孔隙半径的分布情况.用 孔隙流体T:弛豫时间可以计算岩石管状或者球形的 孑L隙喉道半径,为现场油藏分析提供数据支持. 2核磁共振测井渗透率计算模型分析 2.1核磁共振测井渗透率确定方法 渗透率反映了储层岩石允许流体通过的能力, 具有连通的孔隙是岩石渗透性的必要条件.渗透率 与岩石的孔隙度以及孔隙的表面积与体积的比值有 关,而岩石的核磁共振横向弛豫时间T:与孔隙的表 面积与体积的比值相关,因此可以建立利用核磁共 振估算岩石渗透率的方法.确定核磁渗透率的方法 是以T:分布为基础,通过T2截止值的选取计算可动 流体以及束缚流体的体积,然后利用目前常用的计 算渗透率的模型,即Coates模型和SDR模型】.另外 Sezginer等人研究回波串的和与渗透率的关系得出 了回波串的和计算公式,但该公式目前使用还不成 熟,因此在这里作一简单比较. 1,Coates模型p利用可动流体和束缚水的比值 来表达,模型有很多变化形式,最常用的是: = (C)(BV]?,… 式中:FFI为可动流体体积;BVI为束缚水体积; c为系数,具有地区经验性,需要由岩芯实验确定. Coates模型利用孔隙度,束缚水体积和可动流体体 积来估算渗透率,因此,束缚水体积的确定方法对渗 透率计算结果有很大的影响,如果能够准确确定束 缚水体积和孔隙度,这就是一种比较常用的方法. 当孔隙中含有轻烃,特别是天然气时,束缚水与自由 流体均需要做含烃及含氢指数校正. 上述确定核磁渗透率的方法均以T2分布为基 础,通过T2截止值的选取计算可动流体以及束缚流 体的体积,然后利用上述模型计算核磁渗透率.此 公式计算结果与实际资料相比,往往存在偏差,其原 因主要如下两方面: (1)T截止值的合理选取,大量的实验证明,对于 岩性不均匀的储层,其T2截止值具有不确定性,不同 的岩芯具有不同的T截止值,但在实际应用中,只能 对每一储层岩芯在实验基础上取一相对合理的值; 另外]r2截止值在实验室确定过程中本身与操作人员 的经验和技术水平相关,因此T2截止值的测量比较 困难和存在较大的误差,从而导致可动流体和束缚 流体的不准确. (2)上述模型以T:分布为基础,而核磁共振测量 的是回波信号,需要对测量的回波信号通过复杂的 ,存在拟合误差.尤其是在渗 数学拟合得到T2分布 透率较低时由于信噪比较低,误差更大. 2,根据大量饱和水岩芯核磁共振实验结果, Kenyon等人提出了计算砂岩渗透率的SDR模型: K=c,(6) 式中:.为T2分布的几何平均值;C为系数. 通过对式(6)分析,可以得出以下结论: (1)SDR模型利用T2分布的几何平均值估算渗 透率,经验表明,平均rr2模型对只含水的地层应用效 果非常好. (2)当地层含油或油的滤液时,由于油的T2弛豫 时问常常与水不同,T2分布的几何平均值会发生变 化,平均T2就向自由流体T2偏移,SDR模型估算的渗 透率是不可靠的. (3)当原状地层含气体,相对于冲洗过的气层平 均值太低,渗透率相应偏低.由于对烃的影响不可 校正,因此平均模型对于含烃的地层不适应. 从图2中可以看出,Coates模型主要与束缚水体 积的求取有关,T2截止值的求取很关键,而SDR模型 与T几何平均值T有关,T2是T:分布形态的一个 综合反映". …l -—_.一? 图2渗透率模型示意图 2011年第3期邹良志,等:核磁共振测井渗透率模型分析29 3,回波串幅度和模型 K=(2.188×10-12)×Jp'(7) P,:(n(8) 式中:NS为扫描次数,?Echli)为回波幅度平 方和,K一为核磁的渗透率. 经验表明,Coates渗透率模型比SDR渗透率模型 更灵活,通过仔细的岩芯刻度,Coates渗透率模型可 以成功地用于不同地层的渗透率计算.只要束缚水 孔隙体积(BVI)中不包括烃的贡献,BVI就不受其它 流体(如油和油基泥浆滤液)的影响,这在计算含烃 地层的渗透率时非常重要.在裂缝性地层,由于 Coates和SDR两个模型计算结果都表示骨架渗透 率,因此渗透率值都偏小.应用这三种渗透率模型, 经过大量的岩芯核磁分析,得到图3三种模型的实验 结果图. 图3三种渗透率模型的实验结果图 2.2Coates和SDR两种渗透率模型的关系 上面已经讨论了计算渗透率的两种最常用的模 型是Coates模型,K和SDR模型Kl,两者都是与孔 隙度的四次方成比例. 在SDR模型中,渗透率与从核磁共振的衰减曲 线中计算的特征时间的平方成比例.目前,最常用 的特征时间就是T2谱的几何平均值.然而,在某些 情况下也可以使用其它特征时间,比如在碳酸岩盐 地层中有时用T谱的峰值作为特征时间,应用效果 会比较好.. 另外Coates模型,从表面上看与T2分布并没有 明确的关系,而是依赖于孑L隙体积中自由流体与束 缚流体比值(FFI/BVI)平方的大小.对于100%盐水 饱和的岩芯,两个公式的应用效果都比较好.然而, 由于Coates公式中并没有直接与T2分布相关的量 (像SDR公式中的T2g|rI),因此导致了我们对其理论基 础的一些困惑.同时,当岩石中含有混合流体时 Coates公式的应用效果更好一些,所以理解其本质的 机理是十分重要的.为了更好的理解Coates模型的 机理,可以定义一个新的特征时间T咖来表征 "Coates时间嘲"o 如果定义特征时间为,选一个参考时间Tr,定 义,为孔隙体积大于Tr的孔隙部分,为孔隙体积 小于Tf的孔隙部分,则可以表示为: = (/)(9) 只有当Tr选在T2的范围内,保证任意分布的信 号分别落在Tr的两边时,这种方法定义的才是有 效的.当Tr被选为包含束缚水的孔隙与包含自由水 的孔隙的边界时,T变为的截止时间T,变 为FFI/BVI.T即为Coates模型的特征时间一: ]ro.=Tc(FFI/BVI)(10) 当这个特征时间被引入到Coates渗透率公式, Coates公式具有和SDR公式一样的形式.这两者都 是孔隙度的四次方与特征时间的平方的乘积,即: l(c一=CTc.巾(11) KC(12) 当储层岩石中100%饱和盐水时,Tcoates与T轴 呈线性关系,图4是某地区碎屑岩岩芯Tcoates与T 的关系图,从图中我们可以看出两者之间呈很好的 线性关系. . ::_ .一 : - -_ ' .. . . :: - :-' . ':-_-.. 一. - II_ :0Li.…:.lll一?'…|l…?'- ;_:'.-. ' :.::. fJ2o4D50B01口012014O15口 T2g(f) 图4碎屑岩岩芯T2.与Tcoates之间的关系图 因此,尽管Coates和SDR的表达形式不同,但其 本质是一样的,都取决于岩石孔隙的NMR弛豫谱和 孔隙度.对Coates渗透率而言,其束缚流体与自由 流体体积的比值也可以等同于某个Tcoates,相当于 SDR渗透率中的T轴.从两者的表达式可看出,渗透 率与孔隙度和特征时间有关系,由于孔隙度的变化 范围不大,大多数岩石的孔隙度都在一个很小的范 围内,所以孔隙度的变化对渗透率的影响不大,而岩 石弛豫谱的特征参数Tcoates或T2的变化则对NMR 渗透率影响很大,因此,对NMR弛豫时间分布的潜在 30国外测井技术2011年6月 影响因素进行分析和研究是有效提高NMR测井预 测储层渗透率的基础. 2.3核磁共振测井模型参数选择 石油工业界普遍使用的核磁共振测井渗透率模 型是Coates模型和SDR模型,两个模型中的C都是系 数,其中Ksdr模型中C的默认值为4,Kcoates模型中 的默认值为10.通常核磁共振测井中都是通过现 场取心,进行实验室岩芯实验,然后求取系数C建立 Kcoates和Ksdr模型来求取渗透率.如果对岩芯不 先根据岩性,粘土含量等因素分类,统一的用回归法 求取一个模型系数,这样得到的核磁渗透率与用经 验公式得到的渗透率没有明显的改进. 针对应用核磁共振测井评价储层渗透率中出现 的一些问题,诸如:(1)核磁共振测井求取的储层渗透 率与岩芯分析渗透率相关性有好有坏;(2)一般认为, 核磁共振测井能够提供与孔隙大小相关的更准确的 渗透率信息,利用核磁共振测井数据进行储层的渗 透率评价工作应更具优势,实际上却发现核磁共振 测井提供的储层渗透率与岩芯或测试渗透率有时会 有很大的偏差.为了更好的提高核磁共振测井求取 渗透率的精度,期望通过对核磁共振测井的应用研 究和岩芯核磁共振实验测量相结合,找到适合不同 情况下的计算储层渗透率的方法. 核磁共振测井渗透率是由核磁共振原始回波数 据反演得到T:分布以后,再导出的二级参数,其计算 公式中的系数随地区和储层岩性的不同有很大的变 化.建议在使用时,需要针对所研究的地区进行岩 石物理实验测量,给出地区经验参数,再根据储层特 点,选取合适的计算公式.以提高核磁共振测井求 取渗透率的精度. 2.4核磁共振测井渗透率应用效果分析 图5(a,b,c)是32块岩样常规岩芯渗透率及其对 图5渗透率结果直方图对比 应深度的常规测井资料计算渗透率,核磁共振测井 计算公式渗透率分别作直方图【6j,进行对比,可以看出 核磁共振测井计算渗透率与岩芯分析渗透率非常接 近,而常规测井资料计算渗透率有较大偏差,数值偏 大.显然核磁共振测井资料在计算储层参数方面具 有明显优势. 3核磁共振测井渗透率影响因素分析 储集层微观孔隙结构十分复杂,渗透率在储集 层内部,包括纵,横向上都有很大的变化,因此在选择 渗透率模型时,需要综合考虑各种影响因素. (1)如果储集层是亲水的,当使用水基泥浆钻井, 并且泥浆侵入很深时,井眼附近地层中不存在残余 油气,由于SDR模型不受束缚水饱和度的影响,选择 SDR模型计算渗透率有比较好的效果. (2)如果储集层是亲水的,当使用水基泥浆钻井, 泥浆侵入不太深,井眼附近地层中仍然存在大量低 粘度的残余油时,此时NMR测井得到的T2分布表现 为双峰特征,短弛豫时间峰对应束缚水,长弛豫时间 峰与油有关,建议优先使用Coates模型. (3)如果储集层是亲水的,当使用低粘度的油基 泥浆钻井,地层中的油气被油基泥浆滤液取代时, NMR测井得到的T2分布呈双峰,束缚水和油峰可以 很明显的分开,使用Coates模型效果较好. (4)511果地层为稠油储层,由于稠油的横向弛豫 时间分布范围很宽,与水的T2分布重叠在一起,无法 分辨,目前的渗透率模型都无法准确得到地层的渗 透率. (5)岩石的颗粒直径不同,孔径也不同,其T:分布 随颗粒直径变小而减小.通过对不同粒径岩芯的核 磁共振实验研究表明,随着岩芯颗粒直径的减小,T 分布的几何平均值也会减小.另外,通过岩芯实验 发现,孔隙度几乎相等的两块岩芯,由于粒径不同,细 颗粒的砂岩比粗颗粒的砂岩T2分布靠左,渗透率也 小很多. (6)泥质类型和泥质含量不同,对核磁渗透率的 影响也会不同.对含泥质的岩芯做变回波间隔的 CPMG测量表明,随着回波间隔的增加,含泥质岩芯 的T2分布会向右移动,丢失一部分泥质束缚水的信 号.其中含高岭石岩芯移动最为明显,含伊利石岩 芯只是有很小的移动,而含绿泥石岩芯随着回波间 隔的增加,左右两边都会移动,T2分布变窄,这是由于 短弛豫部分泥质束缚水信号的丢失和由内部梯度场 2011年第3期邹良志,等:核磁共振测井渗透率模型分析31 引起的长弛豫部分丢失两方面引起的,随着泥质含 量的增加,这种现象变明显. (7)岩芯随着压力的增加,T2分布会向左移动,渗 透率会减小,不同类型的岩芯影响程度不一样.含 30%泥质的岩芯,随着压力的增加渗透率的减小趋 势比较明显,相关系数也很高,而纯石英砂岩却不明 显,相关系数也不高. (8)地层水矿化度对核磁共振信号强度T和T2 弛豫时间影响很小,地层水矿化度对核磁测井解释 结果不会产生太大的影响. 实践中,对于某一地区有时即使选用了正确的 模型,结果仍然不理想,这是因为核磁共振测井得到 的T2分布不但与岩石孔隙结构有关,还与地层中的 流体类型及含量,岩石孔隙大小及其连通性,地层的 润湿性,地层中顺磁物质的含量以及测井仪器采集 参数等很多因素有关,只有在横向弛豫时间分布可 以表征岩石孔径分布,且岩石孔隙表面弛豫强度变 化不大时,根据选择的合适的渗透率模型计算结果 才比较可信.此外,地层的渗透率具有各向异性,而 核磁共振不反映渗透率的各向异性. 4结论 (1)由于常规测井没有孔隙分布的信息,所以其 计算的孑L隙度精度常常低于核磁共振测井孔隙度. (2)在不同的储集环境下应选择合适的模型来 求取核磁渗透率,在实际测井中应用这些渗透率模 型的时候,需要综合钻井泥浆和地层的含烃情况等 信息来考虑. (3)核磁共振测井技术在分析渗透率方面具有 独特的优势,尤其对于低渗透储层有较好的评价和 应用效果. 参考文献: …1肖立志,核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用,北 京:科学出版社.1998:1,120. 【2]肖立志,我国核磁共振测井应用中的若干重要问题,测井 技术2007:31(5):401,407. D]Coates,G..R,MarschaU,D,Mardon,D,eta1.ANewCharacte— fizafionofBulk—VolumeIrreducibleUsingMagnetic R.eso—nance.SPWLA38thAnnualLoggingSymposium, Houston,Texas,1997,PaperQQ. [4]Kenyon,W.E,Day,P.I,Straley,C,eta1.AThree—PartSmayof NMRLongitudinalRelaxationPropertiesofWater—— SaturatedSandstones.SPEFormationEv~uation.1988;3: 622,636. [5]ThompsonAH,KatzAJ,andKrohnCE,Themicro— geometryandtransportpropertiesofsedimentaryrock, AdvancesinPhysics,vo1.36,1987,Paper625,694. 【6】黄乔松,赵文杰,杨济泉等,核磁共振渗透率模型研究与应 用,青岛大学(自然科学版),2004,17(4):37,4O. ? 综合信息? 伊拉克石油部副部长 访问中国石油巴士拉营地 CPD讯当地时间4月14日,伊拉克石油部副部长 艾哈德?萨玛一行对中国石油伊拉克公司巴士拉营地进行 了参观访问.伊拉克南方石油公司(soc)部经理马 哈迪,伊拉克国家石油建设公司(SCOP)总经理尼哈德和 巴士拉地区经理阿里等随同参观. 在参观中,艾哈德?萨玛对中国石油在伊项目出色的 工作表现和与伊拉克政府及伙伴公司的良好合作给予了 肯定.