袁 方，燕 軍，羅 晶，楊光照，王洪偉，陳仕明，華帥1上海市應用數(shù)學和力學研究所(上海大學)，上海蘇州紐邁分析儀器股份有限公司博士后工作站，江蘇 蘇州大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井二公司，吉林 松原

基于低場核磁共振錄井鉆井液的油氣識別技術

袁 方1,2，燕 軍2＊，羅 晶2，楊光照3，王洪偉3，陳仕明2，華帥1,21上海市應用數(shù)學和力學研究所(上海大學)，上海2蘇州紐邁分析儀器股份有限公司博士后工作站，江蘇 蘇州3大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井二公司，吉林 松原

隨著鉆井工藝的不斷進步以及勘探開發(fā)對象趨于復雜化，熒光錄井和氣測錄井已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)場油氣識別與評價的需求。當鉆遇油氣層及水層等不同流體時，其鉆井液在核磁弛豫譜上響應位置是不同的。根據(jù)該特性可以計算鉆井液的含油率和含水率，進而直觀地判斷油層、干層和水層，再綜合利用錄井氣測和熒光參數(shù)建立不同地區(qū)，不同油品，不同儲層的油、水層解釋初步標準，為完井及試油層位決策提供全面、準確的依據(jù)。與常規(guī)錄井測試相比，該次研究采用高分辨率低場核磁共振技術對水基鉆井液的弛豫特性進行研究，建立了水基鉆井液含油性及含油率的精細評價方法，并對東北某油田砂巖儲層水基泥漿進行了大量的實驗和驗證，建立了水基鉆井液含油性及含油率的精細評價方法，提高了錄井技術對流體性質(zhì)識別的準確性。由此可見，利用核磁共振技術測試鉆井液含油率對錄井行業(yè)具有重要而深遠的意義。

核磁共振，鉆井液，泥漿測井，油水識別，含油率，含水率，潤滑劑

Copyright ? 2017 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

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Received: Jun.8th, 2017; accepted: Aug.30th, 2017; published: Oct.15th, 2017

AbstractWith the progress of drilling technology and the complication of exploration and development,Fluorescent logging and gas logging could not meet the demands of field oil and gas identification and evaluation.When different fluids in oil and gas layer and water layer are drilled, the response location of drilling fluid is different in nuclear magnetic relaxation spectra.According to the characteristics of drilling fluid, the ratio of oil and water content could be calculated to judge fluid types in reservoir, and a preliminary standard method was built for different areas and different oil reservoirs to solve the comprehensive utilization in combination with well-logging interpretation and fluorescence parameters, this study provided a comprehensive and accurate basis for decision making for well completion and oil testing horizon.Compared with the conventional mud logging methods, low field nuclear magnetic resonance technology is used to study the water based drilling fluid based on their NMR relaxation.A number of experiments and applications in northeast oilfield are established in order to improve the accuracy of evaluation technology to identify the fluid types.The nuclear magnetic resonance technology used for testing drilling fluid has important and far reaching significance for the mud-logging industry.

KeywordsNuclear Magnetic Resonance, Drilling Fluid, Mud Log, Oil and Water Identification,Oil Content, Water Content, Lubricant

1.引言

隨著錄井技術的發(fā)展和提高，錄井已經(jīng)成為井場發(fā)現(xiàn)油氣藏和評價油氣層最快速、直接、便捷的技術手段。近年來，更多的錄井儀器和技術被引用，主要包括地化錄井儀，色譜氣測儀等。油田現(xiàn)場主要采用綜合錄井技術，依據(jù)巖屑、熒光顯示和鉆井液脫氣的氣測成分檢測識別油氣層，上述技術可以定性、快速識別油氣層，在油氣層解釋方面起到了非常重要的作用。其優(yōu)點可以歸結(jié)為設備結(jié)構簡單、直觀、操作簡便。但是，隨著鉆井工藝的不斷進步以及勘探開發(fā)對象日趨復雜化，尤其是在大角度斜井及水平井的鉆探中，熒光觀測和氣測錄井已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)場油氣識別與評價的需求。例如，氣測錄井無法對C6～C25和地層水做定量檢測，鉆井液中的添加劑可具有熒光特性，油氣芳香烴類揮發(fā)易受到流體黏度的影響；巖屑返還易形成巖屑床等，都會嚴重干擾熒光錄井和氣測錄井，從而造成熒光顯示與氣測總烴含量不符的矛盾。

為了解決上述難題，筆者采用高分辨率低場核磁共振技術對鉆入目的層的鉆井液弛豫特性進行研究，建立了一套水基鉆井液含油性及含油率的核磁定量及評價解釋方法，提高了流體性質(zhì)識別的準確性。該次研究圍繞核磁共振鉆井液錄井技術，對東北某油田砂巖儲層水基泥漿進行了大量實驗，并從理論分析、實驗測試流程、評價方法、數(shù)據(jù)處理及成果顯示等方面做了大量的驗證，建立了一套適合錄井現(xiàn)場的快速鉆井液核磁定量解釋方法，并在實際應用中取得了很好的效果，彌補了氣測錄井技術和熒光油氣識別技術的不足。

2.鉆井液核磁測試描述

2.1. 實驗裝置以及測試方法

錄井鉆井液的核磁測試采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的MicroMR20-025V型鉆井液核磁共振錄井儀，共振頻率為20.984 MHz，磁體強度為0.49T，探頭線圈直徑為25 mm，回波時間為0.4 ms，等待時間為 2000 ms，回波個數(shù)為 1000，所采用的脈沖序列為 CPMG序列，實驗溫度控制在 31.99℃～32.01℃。實際測試步驟為：① 測試時在試管里放入鉆井液樣品，放入核磁儀器中，然后設置系統(tǒng)參數(shù)并選擇 CPMG序列，完成飽錳前的采樣測試；② 采樣測試結(jié)束后，設置反演參數(shù)，自動反演，得出反演曲線以及積分曲線，鉆井液含(油+水)率測量值；③ 在鉆井液原液中加入 MnCl2溶液攪拌均勻后進行測量，得到反演曲線及積分曲線、鉆井液含(油+水)率、鉆井液含油率、鉆井液含水率等測量值。

2.2. 鉆井液基液及基線定標

2.2.1. 樣品的處理

未下井的水基鉆井液基液(東北某油田砂巖儲層水基泥漿)，其主要成分為水、土粉、純堿等。如圖1所示，該水基鉆井液基液的橫向弛豫時間τ2譜有2個峰，主峰在10 ms左右。當加入飽和MnCl2溶液后，水峰完全受到抑制，信號量急劇減小，未呈現(xiàn)峰型分布特征，表明該水基鉆井液基液不包含油等提供信號量的物質(zhì)，不影響含油率和含水率的測試。

Figure 1.Theτ2spectra of water-based drilling fluid added with MnCl2solution圖1.水基鉆井液及加入MnCl2溶液后的τ2譜

由于水基鉆井液含油率的變化比較大，高含油率與低含油率樣品的信噪比、穩(wěn)定性等存在一定差異，因此筆者制定了2條含油率(一條為高含油率，一條為低含油率)的標線。

2.2.2. 含油率標線

取0.0382～0.4289 g原油樣品，以水基鉆井液6 g為基準，對含油率0.64%～7.2%進行核磁測試，利用其總油峰面積作出含油率標線，線性相關系數(shù)為0.99996，相關性較好。取0.0007～0.0161 g原油樣品，以水基鉆井液6 g為基準，含油率約為0.0112%～0.268%，利用其總峰面積作出標線[1][2]，但是標線的相關系數(shù)比較低，線性關系較差。筆者對飽錳量進行了研究，當MnCl2溶液占鉆井液質(zhì)量19%左右時，其油峰面積最穩(wěn)定。該測試方法使上述低含油率標線的線性相關系數(shù)達0.99997，含油率最低分辨率可達0.01%。

利用MnCl2溶液可使水的弛豫時間減小，進而區(qū)分出油水峰，但往往并未全部抑制掉水峰。對于水基鉆井液的測試，譜圖前端保留一部分水峰信號，可提高信號量，也可減小數(shù)據(jù)的反演誤差。高含油率的定標與測樣均比較理想，而低含油率鉆井液定油標線時，完全飽錳后的標線線性度不理想。

如表1、圖2所示，當加入0.76 g的MnCl2溶液(MnCl2溶液是質(zhì)量分數(shù)為50%的溶液，即MnCl2顆粒與水的混合物的質(zhì)量比)，其占鉆井液質(zhì)量的19%時，原油τ2譜峰面積最高、最穩(wěn)定(穩(wěn)定性 =[(峰面積- 峰面積平均值)/峰面積平均值]× 100%)。

Figure 2.Theτ2spectral distribution of oil-peak and water-peak areas圖2.油峰面積和水峰面積τ2譜分布

Table 1.The contrast of repeatability and error of oil-peak area表1.油峰面積重復性及誤差比較

3.鉆井液影響因素及校正

3.1. 鉆井液中潤滑劑識別

為保障大角度或水平井的順利鉆進，常在鉆井液中添加一定數(shù)量的潤滑劑[3][4]。潤滑劑包括原油、柴油、白油、乳化瀝青、酚醛樹脂、燒堿、銨鹽以及褐煤樹脂等。上述潤滑劑均會對氣測錄井和熒光錄井產(chǎn)生影響，造成油氣藏評價困難[5][6]。氣測錄井是依據(jù)烴類組分來識別是否鉆遇油氣層，當?shù)貙佑团c潤滑油組分類似時，氣測方法則很難對油氣進行識別。

如圖3所示，當水基鉆井液中加入一定量的MnCl2溶液后，其核磁共振測試的τ2譜為一單峰(0.01～2 ms)；當加入0.1 g潤滑劑時，在10～200 ms之間出現(xiàn)一個新峰，該峰就是潤滑劑的峰；在該基礎上繼續(xù)增加潤滑劑的量至0.15、0.21 g時，潤滑劑的峰呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，因此可以利用核磁共振技術有效識別鉆井液中的潤滑劑。

3.2. 鉆井液中添加劑影響分析

取水基鉆井液，加入各種添加劑，隨后加入MnCl2溶液，分別比較添加劑對水峰的影響。從圖4可以看出，銨鹽、土粉、純堿不影響水基鉆井液的峰型，飽錳后也未出現(xiàn)異常峰，表明銨鹽、土粉、純堿對鉆井液的含油率和含水率測試影響不大；但是，白油類潤滑劑對水基鉆井液的峰型有較大影響，當和鉆井液混合時就會出現(xiàn)第二峰值，且具有較長的弛豫時間。

3.3. 影響校正方法

在實際應用中，低場核磁共振錄井所測的含油率受諸多因素影響，其測量值校正方法主要有：① 利用核磁鉆井液識別油水層，首先必須對鉆井液是否混入白油類潤滑劑進行測試，并在解釋剖面圖做出標識和詳細的描述；② 對核磁鉆井液升高層段，首先應考慮白油類潤滑劑影響，通過標準層對比，采用扣除基值的方法；③ 通過巖性及熒光含油性描述，確定是否含有油頁巖等含烴巖層，在泥漿的浸泡下，油頁巖包含的烴類會部分溶解到鉆井液中，造成非儲層段的核磁含油率升高，但核磁含水率一般較穩(wěn)定。

Figure 4.Theτ2spectral contrast of water-based drilling fluid added with lubricant such as white oil圖4.水基鉆井液添加劑及白油類潤滑劑的τ2譜對比

4.儲層評價效果分析

4.1. 儲層特征及鉆井液錄井

東北某油田目的層巖性為與下伏地層整合接觸的紫紅色泥巖和灰白色粉細砂巖；區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育，多條斷層切割形成斷階構造，有利于油氣富集。根據(jù)鄰井資料統(tǒng)計顯示，該區(qū)油層的儲層物性差，孔隙度一般為6%～14%，滲透率為0.1 mD～1.28 mD，含水飽和度較高。鉆井液的設計以保證井壁穩(wěn)定和井眼安全為目的，因此采用優(yōu)質(zhì)的水基鉆井液類型。錄井設備選用全脫分析儀、電動脫氣器以及熒光測定儀，所測數(shù)據(jù)包括總烴和組分，同時也包括二氧化碳、氫氣和硫化氫的測定。進入目的層到井底要求連續(xù)測量泥漿罐鉆井液體積、鉆井液總體積、進出口鉆井液密度、進出口鉆井液溫度、進出口鉆井液電導率、出口流量等參數(shù)，對油氣顯示層段要求每2m采集一個鉆井液樣品并做核磁分析。

4.2. 測試質(zhì)量及穩(wěn)定性分析

利用上述定標和測量流程，按照實驗區(qū)油層的原油參數(shù)，人工配置了高含油率為0.8%和3%的樣品，并進行測量精度分析。由表 2可以看到，3次重復測試的檢測誤差非常小。利用上述方法對低含油率的鉆井液做了同樣的比對，配置的含油率約在0.05%～0.1%左右，共進行了5次測試，其誤差也是在控制范圍之內(nèi)(表3)。

Table 2.The repeatability test of oil content of high oil containing drilling fluids表2.高含油鉆井液含油率重復性測試

Table 3.The repeatability test of oil content of low oil containing drilling fluids表3.低含油鉆井液含油率重復性測試

4.3. 應用實例及成果顯示

圖5是試驗區(qū)的一口核磁鉆井液測試及綜合解釋結(jié)果，可以看到，核磁含油率、核磁含水率與總烴體積分數(shù)有很好的對應關系，其測量值可以對鉆井液中的含油率做出定量表征。

Figure 5.The result of NMR interpreting of drilling fluid圖5.核磁鉆井液綜合解釋成果圖

5.結(jié)語

對于水基鉆井液的含油率測試，高含油率的測試樣品的準確性和重復性均較好；對于低含油率的測試，選擇保留一定的水峰后，其低含油率標線的相關性較好，測試效果也較好，能測得分辨率為0.1%～0.01%的含油率。水基鉆井液中包含多種添加劑，且在鉆井過程中還會不斷添加，其中銨鹽、土粉、純堿不影響水基鉆井液的峰型，對核磁鉆井液含油率與含水率的測試也影響較小。但是，白油類潤滑劑及泥巖中的油頁巖等夾層含油物質(zhì)會導致核磁鉆井液含油率升高，應對其測量值進行校正。

致 謝

感謝蘇州紐邁分析儀器股份有限公司博士后工作站及蘇州泰紐測試服務公司對該項研究的大力支持！感謝大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井二公司核磁共振項目組全體技術人員的協(xié)助！

References)

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[3]劉強.磺化聚合物鉆井液在石油開采的應用[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量, 2013(22): 181.

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[編輯]龔丹

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Hydrocarbon Identification Technique Based on Low Field NMR Well Logging of Drilling Fluids

Fang Yuan1,2, Jun Yan2*, Jing Luo2, Guangzhao Yang3, Hongwei Wang3,Shiming Chen1, Shuai Hua1,21

Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics (Shanghai University), Shanghai2Post-Doctory Working Station of Suzhou Analytical Instrument Co., Ltd., Suzhou Jiangsu3The Second Mud-logging Company, Daqing Drilling Engineering Company, Songyuan Jilin

2017年6月08日；錄用日期：2017年8月30日；發(fā)布日期：2017年10月15日

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2013YQ17046304)。

袁方(1988-)，男，博士，在讀博士(后)，現(xiàn)主要從事油氣地球化學、油氣田井場技術服務及核磁共振技術的油田應用方面的工作。

*通信作者。

文章引用: 袁方, 燕軍, 羅晶, 楊光照, 王洪偉, 陳仕明, 華帥.基于低場核磁共振錄井鉆井液的油氣識別技術[J].石油天然氣學報, 2017, 39(5): 83-90.

10.12677/jogt.2017.395070