邵維志,貴興海,郝麗萍,李俊國(guó),朱偉峰,劉洪波,唐建軍
(1.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司測(cè)井分公司,天津300280;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所,河南 新鄉(xiāng)453003;3.大港油田勘探開發(fā)研究院,天津300280)
核磁共振測(cè)井技術(shù)自20世紀(jì)90年代初期被引進(jìn)到中國(guó)石油測(cè)井行業(yè)以來,在20多年的發(fā)展應(yīng)用中從儀器研發(fā)、測(cè)井采集、數(shù)據(jù)處理到解釋評(píng)價(jià)都有了長(zhǎng)足進(jìn)步,尤其在復(fù)雜巖性油氣藏、致密油氣藏的勘探開發(fā)中。由于核磁共振測(cè)井能夠提供不依賴于巖性及骨架參數(shù)的孔隙度、滲透率評(píng)價(jià)以及與電性無關(guān)的油氣識(shí)別而深受地質(zhì)家和測(cè)井分析家的青睞。但是,每一種技術(shù)都有其適應(yīng)范圍和局限性,核磁共振測(cè)井技術(shù)也是如此。隨著它在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)應(yīng)用中的深入,盡管測(cè)井分析家提出了許多針對(duì)各類復(fù)雜油氣藏的油氣識(shí)別方法,但與試油結(jié)論矛盾的現(xiàn)象依然很多。本文針對(duì)這些現(xiàn)象,結(jié)合應(yīng)用實(shí)例討論了它在流體性質(zhì)識(shí)別方面的局限性,其目的在于更合理、更準(zhǔn)確地應(yīng)用核磁共振測(cè)井技術(shù)發(fā)現(xiàn)油氣層,提高勘探開發(fā)效益,為油田服務(wù)。
核磁共振測(cè)井識(shí)別流體性質(zhì)主要依靠標(biāo)準(zhǔn)T2譜、移譜、差譜以及由移、差譜演變產(chǎn)生的一些方法。標(biāo)準(zhǔn)T2譜方法主要依據(jù)飽和多相流體孔隙的T2分布譜的整體形態(tài)特征和多相流體中天然氣、不同黏度原油以及不同賦存狀態(tài)的水在T2譜上位置不同識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。移譜又稱雙TE(雙回波間隔)測(cè)井,是一種擴(kuò)散系數(shù)加權(quán)方法,通過設(shè)置長(zhǎng)、短不同的2個(gè)回波間隔TE,在足夠長(zhǎng)的等待時(shí)間TW下測(cè)量2組回波串,由于水與氣或油的擴(kuò)散系數(shù)D不一樣(見表1),使得各自在T2分布上的位置發(fā)生變化,由此識(shí)別出儲(chǔ)層中油、氣、水。差譜又稱雙TW測(cè)井,主要基于水與油、氣的縱向弛豫時(shí)間T1相差很大,水的縱向恢復(fù)速率遠(yuǎn)比輕烴快(見表1),選擇長(zhǎng)、短不同的2個(gè)等待時(shí)間,觀測(cè)到的回波串中將包含不一樣的信號(hào),由于水的信號(hào)在短等待時(shí)間下能夠被完全極化,烴的信號(hào)在短等待時(shí)間下不能完全極化,因此2個(gè)不同等待時(shí)間觀測(cè)到的回波串幅度存在差異,雙TW測(cè)井利用這個(gè)差異來識(shí)別儲(chǔ)層是否含烴。
表1 多孔介質(zhì)中飽和流體的核磁共振特性
測(cè)井評(píng)價(jià)中一般認(rèn)為儲(chǔ)層由巖石骨架和孔隙兩大部分組成,骨架由不同成分的礦物組成,孔隙則由孔隙水、原油、天然氣和鉆井泥漿濾液等多種流體飽和,其中孔隙水包括束縛水和可動(dòng)水,為不同礦化度鹽水。原油可以是脫氣原油或者飽和氣體的(含氣)原油,可以從輕質(zhì)油到稠油不同黏度變化;天然氣為自由氣,主要是甲烷,而不是溶解在油中的氣;鉆井泥漿濾液為侵入到油藏中的鉆井液,它往往與油藏流體混合在一起,以泥漿性質(zhì)的不同而變化,影響著測(cè)井信號(hào)及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。現(xiàn)有的核磁共振測(cè)井儀器對(duì)巖石骨架不敏感,主要測(cè)量的是儲(chǔ)層孔隙中各種流體的信息。假設(shè)儲(chǔ)層巖石是親水的,這些不同性質(zhì)的流體飽和到多孔介質(zhì)后,其核磁共振性質(zhì)由式(1)、式(2)給出。
式中,T1為縱向弛豫時(shí)間;T2為橫向弛豫時(shí)間;T1B、T2B分別為縱、橫向體積弛豫;ρ1、ρ2分別為縱、橫向表面弛豫率;S/V為巖石比表面積;D為擴(kuò)散系數(shù);G為磁場(chǎng)梯度;TE為回波間隔;γ為旋磁比??梢?,巖石孔隙中氫的T1、T2值大小主要受控于靜磁場(chǎng)的均勻性、孔隙孔徑大小分布、孔隙中流體的物理及化學(xué)特性、流體的黏度及擴(kuò)散系數(shù)、孔隙流體與巖石骨架顆粒的磁化系數(shù)差異、孔隙表面及流體中是否存在順磁物質(zhì)等因素[1-3]。這些因素的共同作用造成了巖石孔隙中油、氣、水的核磁共振差異,認(rèn)識(shí)或去除影響油、氣、水識(shí)別的不利差異而突出有利于油、氣、水識(shí)別的差異是應(yīng)用核磁共振技術(shù)識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)的基礎(chǔ)。具體到標(biāo)準(zhǔn)T2譜法、移譜法、差譜法3種基本方法在流體性質(zhì)識(shí)別中的影響因素,主要為以下3個(gè)方面。
圖1 不同黏度原油自由狀態(tài)下T2分布形態(tài)特征
用標(biāo)準(zhǔn)T2譜識(shí)別油、氣、水要考慮的主要因素為儲(chǔ)層所含流體的性質(zhì)及其黏度、儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)T2譜形態(tài)及油、氣、水在T2譜上位置的影響。圖1為黏度從3.22cP*非法定計(jì)量單位,1cP=1mPa·s,下同/50℃到1914cP/50℃之間12種黏度的原油自由狀態(tài)下T2分布圖??梢钥闯?,對(duì)于原油而言,雖然沒有孔隙結(jié)構(gòu)的影響,它們的弛豫時(shí)間仍是一個(gè)分布,受混合黏度的影響,每個(gè)弛豫時(shí)間下都有一個(gè)幅度;不同黏度的原油T2分布形態(tài)不同,其峰值在T2譜上的位置也不同;黏度越小,T2越大;同時(shí)隨著黏度的增加,T2分布譜形狀變窄,其峰值位于束縛水位置。以上現(xiàn)象說明黏度是影響T2譜形態(tài)的主要因素之一。圖2為飽和到不同孔隙結(jié)構(gòu)的巖樣中黏度不同的2種原油其T2分布譜特征。很明顯,水和相同黏度的原油在不同孔隙結(jié)構(gòu)下,其T2分布譜形態(tài)完全不同,輕質(zhì)油有較長(zhǎng)的T2值,能夠與水分開,而中等黏度的油與水信號(hào)基本重疊在一起,很難識(shí)別出來。水、輕質(zhì)油、中等黏度油在同一孔隙結(jié)構(gòu)巖樣下,其T2譜特征也完全不同。從而說明隨著孔隙結(jié)構(gòu)的變化,即使相同性質(zhì)的流體其T2分布形態(tài)也在變化。所以在使用標(biāo)準(zhǔn)T2譜特征識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)時(shí),首先要考慮的是所要評(píng)價(jià)的目標(biāo)儲(chǔ)層中所含原油的黏度以及這些原油儲(chǔ)存在什么樣孔隙結(jié)構(gòu)中。
由式(1)結(jié)合移譜識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)的原理可以看出,移譜法識(shí)別儲(chǔ)層油、氣、水突出的是擴(kuò)散弛豫項(xiàng),見式(3),影響其效果的主要因素有擴(kuò)散系數(shù)D、回波間隔TE及磁場(chǎng)梯度G。
油、氣、水都是能擴(kuò)散的流體,但它們的擴(kuò)散系數(shù)D不同(見表1),自由狀態(tài)下水的擴(kuò)散系數(shù)與溫度有關(guān),油的擴(kuò)散系數(shù)與黏度有關(guān),天然氣的擴(kuò)散系數(shù)是溫度及壓力的函數(shù),它的橫向弛豫幾乎完全由擴(kuò)散弛豫控制。當(dāng)流體處于巖石孔隙中時(shí),其擴(kuò)散會(huì)受到孔壁的限制,稱為受限擴(kuò)散,其擴(kuò)散系數(shù)定義為有效擴(kuò)散系數(shù)D0(也稱視擴(kuò)散系數(shù)),通常D0小于D,致使T2D增大,從這個(gè)意義上講,孔隙中流體的擴(kuò)散還要受到巖石孔隙結(jié)構(gòu)的控制。影響擴(kuò)散弛豫的另一個(gè)參數(shù)是磁場(chǎng)梯度G,測(cè)井時(shí)造成G不確定的因素有2個(gè):一個(gè)是巖石骨架顆粒與孔隙流體之間磁化率差異引起的內(nèi)部梯度磁場(chǎng),會(huì)使弛豫時(shí)間減?。涣硪粋€(gè)是地層溫度,雖然每一種儀器在測(cè)量過程中都會(huì)對(duì)地層溫度進(jìn)行校正,但對(duì)于深井和地溫梯度較高的區(qū)域,地層高溫會(huì)造成B0的不穩(wěn)定,從而帶來G的不穩(wěn)定性[3]。影響擴(kuò)散弛豫的第3個(gè)參數(shù)就是回波間隔TE,移譜主要靠人工調(diào)整TE的大小,來凸顯擴(kuò)散弛豫對(duì)不同流體的T2影響,TE設(shè)計(jì)的是否合適直接影響到油水識(shí)別效果,這個(gè)參數(shù)人為性和經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)。所以在利用移譜法識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)時(shí),必須依據(jù)儲(chǔ)層所含流體的黏度和儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)回波間隔TE以凸顯油、氣、水在移譜上的差異,達(dá)到有效識(shí)別的目的。
圖2 不同黏度原油飽和到不同孔隙結(jié)構(gòu)的巖樣中T2譜特征
差譜法識(shí)別流體性質(zhì)主要利用的是不同孔隙介質(zhì)的極化率的差異,即T1差異。測(cè)井時(shí)主要靠長(zhǎng)、短等待時(shí)間TW的設(shè)計(jì),凸顯不同介質(zhì)T1差異。因此極化率的差異和長(zhǎng)、短TW的設(shè)計(jì)是影響差譜法識(shí)別流體性質(zhì)準(zhǔn)確性的主要因素[4]。如表1所示的稠油與中小孔徑孔隙中的水、中-輕質(zhì)油與大孔徑孔隙中的水,T1差別極小,如果要用差譜法識(shí)別它們,必須設(shè)計(jì)好長(zhǎng)、短TW,現(xiàn)有核磁共振測(cè)井儀器長(zhǎng)、短等待時(shí)間選擇范圍很小,尤其短TW,MRIL-P型儀器只能選擇1s和2s,這就使得在很多情況下大孔徑孔隙中的水在短等待時(shí)間下沒有完全恢復(fù),水層依然存在差譜信號(hào),與油層基本一樣,無法進(jìn)行油、水識(shí)別。
輕質(zhì)油指地層條件下黏度小于5cP的原油,有的時(shí)候以油氣共存形式出現(xiàn),其自由狀態(tài)下T2值可達(dá)到2000ms以上(見圖1)。
當(dāng)輕質(zhì)油存在于大孔徑孔隙中時(shí)(見圖3的上半部分),輕質(zhì)油與水都具有自由狀態(tài)下的特征,油、水的T2都很長(zhǎng),大部分信號(hào)會(huì)疊加在一起[4-5],因此從標(biāo)準(zhǔn)T2譜上無法識(shí)別出輕質(zhì)油;又由于輕質(zhì)油的擴(kuò)散系數(shù)D與水的擴(kuò)散系數(shù)接近,當(dāng)采用移譜測(cè)井模式時(shí),輕質(zhì)油與水會(huì)同時(shí)向T2減小的方向移動(dòng),移動(dòng)幅度差異很小,所以靠T2譜的前移現(xiàn)象無法區(qū)分輕質(zhì)油與水,從而使移譜法失效[2,5]。但是,當(dāng)儲(chǔ)層孔隙的孔徑分布比較均勻時(shí),選擇合適的長(zhǎng)回波間隔時(shí)間TEL,從移譜后T2譜形態(tài)上可以識(shí)別出輕質(zhì)油與水。其明顯的特征:輕質(zhì)油受混合黏度的影響,移譜后其T2譜可動(dòng)部分為一個(gè)漸寬分布,而水則呈較為規(guī)則的正態(tài)單峰分布,但遇到礫巖、含礫砂巖儲(chǔ)層的時(shí)候,這種方法就會(huì)失效。這是因?yàn)樗诳紫吨械某谠ブ饕芸赜诒砻娉谠ィ[巖、含礫砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性很強(qiáng),孔徑非均質(zhì)性對(duì)水的弛豫的影響會(huì)使移譜后的T2譜分布極不均勻,同樣會(huì)是一個(gè)漸寬分布,與孔隙中油的特征相似。對(duì)于這種情況,差譜方法也無法使用,主要是受現(xiàn)有儀器特點(diǎn)限制,大孔徑孔隙中水和輕質(zhì)油都有很明顯的差譜信號(hào)。
當(dāng)輕質(zhì)油存在于中-小孔徑孔隙中時(shí)(見圖3的中間部分),它的標(biāo)準(zhǔn)T2譜形態(tài)特征和差譜信號(hào)的強(qiáng)弱與水都有很明顯差異,因此僅靠標(biāo)準(zhǔn)T2和差譜就可以很好地將輕質(zhì)油層和水層識(shí)別出來,但移譜不能用。
當(dāng)超低孔滲、致密油藏中含有輕質(zhì)油時(shí)(見圖3的下半部分),它的標(biāo)準(zhǔn)T2譜與水相比有很明顯的長(zhǎng)拖曳現(xiàn)象,很容易區(qū)分油、水,由于受孔隙結(jié)構(gòu)的影響大于孔隙介質(zhì)性質(zhì)的影響,所以移、差譜現(xiàn)象都不明顯。
圖3 輕質(zhì)油在不同孔隙結(jié)構(gòu)中與水層在標(biāo)準(zhǔn)T2譜、移譜、差譜上響應(yīng)特征對(duì)比圖
中等黏度油是指地層條件下原油黏度介于5~50cP的原油。由于黏度跨度較大,其自由狀態(tài)下T2值分布范圍較大,黏度較小偏輕質(zhì)油時(shí),T2值可達(dá)到1000ms以上,黏度較大偏稠油時(shí),其T2值小于100ms(見圖1)。
當(dāng)儲(chǔ)層中含有中等黏度原油時(shí),無論儲(chǔ)層孔隙孔徑是大還是小,油的信號(hào)總是與水的信號(hào)疊在一起,因此從標(biāo)準(zhǔn)T2譜上很難識(shí)別出油、水。如儲(chǔ)層以大孔徑孔隙為主,由于中等黏度原油的擴(kuò)散系數(shù)D比水的擴(kuò)散系數(shù)小的多,選擇合適的長(zhǎng)回波間隔TEL,水的T2譜會(huì)向減小的方向移動(dòng)更快,這樣在長(zhǎng)回波間隔的T2譜上,中等黏度油的T2譜會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)拖曳現(xiàn)象,移譜方法很適合這種情況下的流體性質(zhì)識(shí)別,而差譜方法因受短等待時(shí)間設(shè)計(jì)的局限,在該情況下無法使用(見圖4)。當(dāng)中等黏度原油儲(chǔ)存于以中-小孔徑孔隙為主的儲(chǔ)層時(shí),移譜和差譜都能夠很好地識(shí)別油、水,這種實(shí)例很多,也是核磁共振最適合的使用情況;但對(duì)于低孔隙度低滲透率和致密儲(chǔ)層,孔隙結(jié)構(gòu)以?。⒖诪橹?,如果儲(chǔ)層所含原油為中等偏輕質(zhì),標(biāo)準(zhǔn)T2譜上油的T2會(huì)比水長(zhǎng)一些,以此定性識(shí)別油、水;而移譜、差譜方法都不可用;如果儲(chǔ)層所含原油為中等偏稠,用核磁共振測(cè)井識(shí)別油水完全失效。
圖4 中等黏度油儲(chǔ)存于以大孔徑孔隙為主的儲(chǔ)層時(shí)與水層在標(biāo)準(zhǔn)T2譜、移譜、差譜響應(yīng)特征對(duì)比圖
稠油是指地層條件下原油黏度大于50cP的原油。其T2分布位于短T2部分,往往與黏土和毛細(xì)管束縛流體信號(hào)疊合在一起,這并不代表稠油存在于小孔隙中,而是由于稠油的核磁共振特性使得它的T2分布位置位于標(biāo)準(zhǔn)T2譜的短T2部分(見圖1)。對(duì)稠油信號(hào)的識(shí)別只考慮短T2部分T2譜的形態(tài)特征及其在移、差譜條件下的變化即可。當(dāng)儲(chǔ)層含泥質(zhì)較多或微-小孔徑孔隙比較發(fā)育,所含稠油黏度超過120cP時(shí),無法從標(biāo)準(zhǔn)T2譜上識(shí)別稠油;但如果儲(chǔ)層黏土束縛水和毛細(xì)管束縛水信號(hào)都很少,比較稠油層與水層標(biāo)準(zhǔn)T2譜上短T2部分T2分布形態(tài)和幅度大小可定性識(shí)別出稠油信號(hào);當(dāng)儲(chǔ)層以大-中孔徑孔隙為主時(shí),在移譜測(cè)量模式下選擇長(zhǎng)回波間隔TEL≥4.5ms,束縛水信號(hào)在長(zhǎng)回波間隔T2譜上可能消失,如果有稠油存在,由于稠油的擴(kuò)散系數(shù)很小,分子向顆粒表面擴(kuò)散能力也大大減小,即使是潤(rùn)濕相,也是以自由弛豫為主,它在長(zhǎng)、短不同回波間隔的T2譜上短T2部分的T2分布基本沒有變化,以此識(shí)別稠油和束縛水(見圖5)。
這里的天然氣指的是地層條件下純氣層,不是溶解氣或凝析氣。氣體在靜止?fàn)顟B(tài)下極少以連續(xù)相存在,當(dāng)含水飽和度比較低時(shí),水阻塞著孔喉,氣體則以孤立的氣泡狀態(tài)存在于孔隙中心,所以,氣體在巖石孔隙中總是非潤(rùn)濕相,只有自由弛豫和擴(kuò)散弛豫,沒有表面弛豫的影響[1,5]。盡管天然氣和液體之間的擴(kuò)散能力差異很大,但很少使用這一差異區(qū)分這2種流體[1]。一般來說,氣的T2值是非常小的。多數(shù)情況下,氣的T2成分可以占滿束縛水BVI窗口,當(dāng)使用較長(zhǎng)的TE時(shí),氣體成分可能在T2譜上消失。當(dāng)儲(chǔ)層巖性較純,且以大-中孔徑孔隙為主時(shí),在差譜模式下,依據(jù)長(zhǎng)、短等待時(shí)間下T2譜的差后信號(hào)幅度及所處位置可定性識(shí)別氣層(見圖6)。
圖5 稠油儲(chǔ)存于以大孔徑孔隙為主、黏土束縛水較低的儲(chǔ)層中與水層標(biāo)準(zhǔn)T2譜、移譜、差譜響應(yīng)特征對(duì)比圖
圖6 大-中孔徑孔隙儲(chǔ)層氣層、水層核磁共振測(cè)井響應(yīng)特征圖
(1)核磁共振測(cè)井技術(shù)能夠識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)是毫無疑問的,但有一定的適用條件和局限性,孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水的弛豫特性的影響和原油黏度對(duì)油的弛豫特性的影響是造成核磁共振評(píng)價(jià)儲(chǔ)層流體性質(zhì)不成功的主要因素。
(2)用核磁共振測(cè)井技術(shù)識(shí)別輕質(zhì)油氣層,在大孔徑孔隙情況下,標(biāo)準(zhǔn)T2譜和差譜不能用,移譜基本不能使用,但在孔隙結(jié)構(gòu)較為均勻的儲(chǔ)層條件下,設(shè)計(jì)好長(zhǎng)回波間隔TEL時(shí),移譜可以使用;在中-小孔徑孔隙情況下利用標(biāo)準(zhǔn)T2譜和差譜可以很好地識(shí)別輕質(zhì)油層和水層;超低孔隙度低滲透率、致密油藏可利用標(biāo)準(zhǔn)T2譜識(shí)別輕質(zhì)油層,移、差譜不能用。對(duì)于礫巖、含礫砂巖儲(chǔ)層,核磁共振測(cè)井技術(shù)很難區(qū)分輕質(zhì)油層和水。
(3)用核磁共振測(cè)井技術(shù)識(shí)別中等黏度油層,在大孔徑孔隙情況下,標(biāo)準(zhǔn)T2譜和差譜不能用,移譜很好用;在中-小孔徑孔隙情況下,標(biāo)準(zhǔn)T2譜不能用,移、差譜都很有效;低孔隙度低滲透率、致密油藏情況下,如果儲(chǔ)層所含原油在中偏輕質(zhì)油時(shí),標(biāo)準(zhǔn)T2譜可以用,差譜基本沒有信號(hào),如果儲(chǔ)層所含原油在中偏稠油時(shí),核磁共振測(cè)井技術(shù)無法區(qū)分油、水。
(4)用核磁共振測(cè)井技術(shù)識(shí)別稠油層,當(dāng)儲(chǔ)層黏土和毛細(xì)管束縛流體信號(hào)很少的時(shí)候,用標(biāo)準(zhǔn)T2譜可定性識(shí)別稠油信號(hào),移譜、差譜都不好用;當(dāng)儲(chǔ)層黏土和毛細(xì)管束縛流體信號(hào)較多的時(shí)候,標(biāo)準(zhǔn)T2譜和差譜都不好用,移譜在設(shè)計(jì)好長(zhǎng)回波間隔TEL時(shí),可以使用,一般選擇TEL≥4.5ms;當(dāng)?shù)貙訔l件下原油黏度大于120cP,儲(chǔ)層以小孔徑孔隙為主時(shí),應(yīng)用核磁共振測(cè)井難以有效評(píng)價(jià)稠油儲(chǔ)層。
(5)用核磁共振測(cè)井技術(shù)識(shí)別純天然氣層時(shí),一般不使用移譜測(cè)量模式,當(dāng)儲(chǔ)層以大-中孔徑孔隙為主時(shí),用標(biāo)準(zhǔn)T2譜與差譜模式結(jié)合可識(shí)別氣層,低孔隙度低滲透率氣層或致密氣層不建議進(jìn)行核磁共振測(cè)井。
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