用于計算火成巖儲層基質孔隙度的首選測井曲線

戴詩華 趙 輝 姜淑云

1.中國石油西部鉆探工程公司 2.中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院 3.中國石油長城鉆探工程公司服務公司

火成巖基質孔隙度的計算不能完全照搬沉積巖的計算方法，適應于計算沉積巖孔隙度的測井曲線并不一定完全適用于火成巖，兩者之間存在較大的差異。優選計算火成巖基質孔隙度的有利曲線是可靠評價火成巖基質孔隙度的關鍵。研究表明：在火成巖儲層中，密度曲線計算火成巖孔隙度要明顯的優于核磁［1－2］、聲波［3－5］、中子和地層元素測井（ECS）［6］曲線。

1 各類測井方法在火成巖中的響應特征

1.1 聲波測井

聲波測井能有效反映孔隙均勻分布的均質地層的孔隙度，而火成巖儲層孔隙孔徑差別較大，孔隙分布不均勻，孔隙分布各向異性強，連通性差（圖1）。如準噶爾盆地陸東地區和克拉美麗氣田的火成巖儲層孔隙分布不均勻，如黃驊坳陷北堡地區火成巖儲層中普遍發育有連通性較差的氣孔和杏仁體內孔［7］，松遼盆地慶深氣田儲層中發育有孔喉比大、孔喉分選差的儲層，可見火成巖儲層的孔隙分布往往不均勻［8］。聲波測井記錄的是聲波傳播最快的首波，對于這種孔隙分布不均勻的儲層，聲波測井記錄的是繞過部分孔隙傳播速度最快的波，因為沿骨架傳播的聲波速度最快，故聲波測井在這類儲層中測得的速度往往偏低；此外，實測資料也顯示，從酸性巖到基性巖類，隨著鐵鎂礦物含量的增加，密度測井值和補償中子值是逐漸增大，且不同巖類間差別大，但聲波總體變化不大，差別較小。圖2是某地區基性熔巖、酸性熔巖和中性火山角礫巖的聲波時差對比圖，3種不同的巖性且孔隙度存在一定差異，但3種巖性的聲波時差差別較小。準噶爾盆地197口井不同巖性的火成巖聲波時差統計也顯示，不同巖性火成巖的聲波時差無明顯的差異。大慶油田深層不同火山熔巖的聲波測井值也無明顯的差別。因此，不宜優選聲波測井資料來計算火成巖地層的孔隙度。

圖1 火成巖儲層主要儲集空間類型圖

圖2 不同巖類的聲波測井響應特征圖

1.2 中子測井

火成巖的蝕變程度高，蝕變后常常會形成高含結晶水的綠泥石、高嶺石、云母、蛇紋石和方沸石等，如綠泥石的含氫指數可達52%，高嶺石的含氫指數可達36%，云母的含氫指數在20%以上，因而蝕變后的一些礦物對補償中子測井值影響很大，會使補償中子顯著增加，一般是蝕變越嚴重，補償中子也越大。因此，在不能有效定量評價火成巖蝕變程度的情況下，利用補償中子計算的孔隙度往往不可靠，故不建議用補償中子來計算。

1.3 核磁共振測井

火成巖巖性復雜，巖性識別較難，這給孔隙度的計算帶來了很大困難，而“核磁共振測井不受巖性影響”這一廣泛認識，使得一些研究人員想到利用這一優勢來計算火成巖地層的孔隙度，因為這樣可以避開火成巖復雜巖性識別這一難題，已發表了一些不考慮火成巖巖性直接使用核磁來計算火成巖儲層孔隙度的文獻。結合核磁共振測井響應理論與實際測井資料研究表明，火成巖巖性會對核磁共振測井信號產生顯著影響，核磁共振測井在火成巖儲層中使用具有很大的局限性，尤其是在基性巖和低孔火成巖儲層中。核磁共振測井T2譜受自由弛豫、表面弛豫和擴散弛豫3種弛豫機制的作用。自由弛豫（體弛豫）與巖石空隙中的流體體積、流體類型、流體性質等因素有關，表面弛豫是表面弛豫強度與孔隙比表面的乘積，其值與巖石顆粒比表面大小、膠結物性質等有關，但不受溫度及壓力的影響。可見自由弛豫和表面弛豫都與巖性關系小。擴散弛豫是由梯度場中分子擴散引起的，而梯度場一是來自于測井儀器建立的，稱外部梯度磁場，另一個來源是巖石骨架顆粒與孔隙流體之間磁化率差（Δχ）引起的內部梯度磁場。若巖石顆粒（骨架）呈逆磁性時，油和水呈弱逆磁性，則巖石骨架顆粒與孔隙流體之間磁化率差便很小，孔隙內部梯度磁場便很小，對于這類巖石，擴散弛豫與巖性關系不大，巖性對核磁共振測井T2譜影響不大。若巖石顆粒呈強順磁性時，巖石骨架顆粒與孔隙流體之間磁化率差便很大，會在孔隙內部產生強內部梯度磁場，將對核磁共振測井產生很大影響，對于這類巖石，巖性會對核磁共振測井產生較大影響。

而火成巖大多呈強順磁性，會使火成巖儲層孔隙內部產生強梯度磁場，這是因為火成巖中含大量磁鐵礦、角閃石和黑云母等強順磁性礦物和鐵磁性礦物。從酸性火成巖到基性巖，鐵磁性礦物和強順磁性礦物的含量是逐漸增大，巖石的磁化率也逐漸增大，因此，基性巖的磁化率明顯的大于酸性巖。火成巖具有的強磁化率特征會使火成巖儲層孔隙內部產生強梯度磁場，在孔徑一定的情況下，巖石的磁化率越大，孔隙內部梯度磁場越強。

1.3.1 強順磁性巖石對核磁共振測井T2譜影響的理論分析

式（1）與式（2）相結合理論模擬強內部梯度磁場對T2譜的影響，模擬兩種大小的內部磁場強度，模擬假定外部磁場梯度一定、不考慮不同尺寸孔徑的孔隙其內部磁場梯度的差異性及增大回波間隔引起的短弛豫信號的損失，即

式中T2B為體積弛豫，μs；D 為擴散系數，cm2／s；G 為觀測時的梯度磁場；γ為旋磁比；TE為回波間隔；ρ2為橫向表面弛豫強度；S／V為巖石比表面；B0為外加磁場強度；r為磁場變化的距離；Δχ為巖石骨架顆粒與孔隙流體之間磁化率的差。

對比模擬的兩種大小的內部梯度磁場對T2譜影響的成果圖可看出（圖3）：相同回波間隔下，內部磁場梯度越強，相同弛豫組分對應的T2譜時間越短，意味著T2譜前移越明顯，使其向弛豫時間變短的方向移動。

1.3.2 強順磁性巖石對核磁共振測井T2譜影響的實際資料分析

實際測井資料與理論模擬結果有相同的認識。圖4所示井段為酸性火成巖類，巖性是花崗斑巖，孔隙度最大為12%，平均孔隙度為9%，圖5所示井段為基性火成巖類，巖性是玄武巖，取心段最大孔隙度為18.6%，平均孔隙度為12%，基性玄武巖的孔隙度要高于酸性花崗斑巖的孔隙度。

圖3 磁場梯度對T2弛豫時間的影響圖

圖4 B－1井花崗斑巖取心段測井綜合曲線及巖心喉道半徑分布圖

圖5 A－1井玄武巖測井綜合曲線及巖心喉道半徑分布圖

從孔喉大小看，圖5所示的基性玄武巖的孔喉半徑（圖5－b）要明顯的大于酸性花崗斑巖（圖4－b）。基性玄武巖孔喉半徑大于0.148μm的孔喉體積要明顯的大于酸性花崗斑巖，孔喉半徑大于0.148μm的孔喉體積兩口井分別是48%和18.2%，孔喉半徑大小差異明顯。

根據核磁共振測井理論知，核磁共振測井T2譜時間的長短反映孔喉半徑的大小，一般孔喉半徑越大，T2譜弛豫時間越長，T2譜越靠后［9－12］，但圖5的基性玄武巖盡管其孔隙度大、孔喉半徑也大，但其T2譜相對酸性花崗斑巖明顯偏向短弛豫時間，基性玄武巖的T2譜普遍分布在10ms的左邊（圖5－a），而酸性花崗斑巖盡管其孔喉半徑小，但其T2譜卻普遍分布在10 ms的右邊（圖4－a），差異顯著，這與一般的核磁理論認識不一致，這是因為基性玄武巖具有強順磁性，會使儲層孔隙內部產生強梯度磁場，使擴散弛豫明顯增強，使T2譜發生明顯前移的現象，這與前面的關于強順磁性巖石對核磁共振測井T2譜影響的理論分析相一致。

1.3.3 內部梯度磁場的大小對核磁孔隙度的影響

火成巖強磁化率特征會使儲層孔隙內部產生強梯度磁場，使擴散弛豫明顯增強，除了使T2譜發生前移外，還會使核磁T2譜發生衰減，譜面積減小，核磁孔隙度降低，核磁信號的衰減程度與孔隙內部的梯度磁場大小成正比，孔隙內部梯度磁場越大，核磁信號衰減越大，核磁孔隙度越小。

6塊巖心核磁實驗孔隙度與常規分析孔隙度對比看出，火成巖核磁實驗孔隙度明顯低于常規分析的孔隙度（表1），并且基性巖（21號巖樣）減小的程度要明顯的大于酸性巖（如表1中的12、22、23號巖樣）。這是因為，基性玄武巖的磁化率高，孔隙內部梯度磁場強，核磁信號衰減幅度大。

實際測井資料也具有相同的規律。圖5中基性玄武巖取心段巖心分析平均孔隙度11.93%，核磁分析平均孔隙度8.15%，平均誤差31.7%。圖4中酸性花崗斑巖巖心分析平均孔隙度8.45%，核磁分析平均孔隙度7.97%，平均誤差5.7%。表明強磁化率巖石核磁分析的孔隙度較常規分析的偏低，巖石磁化率越大，核磁分析的孔隙度偏低幅度越大。

表1 45mm火成巖巖心核磁實驗分析孔隙度與常規分析孔隙度表

由式（3）可知，巖石孔隙內部磁場梯度的強弱除與巖石磁化率有關外，還與巖石孔喉尺寸大小有關，與孔喉尺寸大小成反比，孔喉半徑越小，孔隙內部梯度磁場越強，T2譜前移越明顯，核磁測井孔隙度也越低。

圖5中3 641～3 645m段核磁孔隙度與常規巖心孔隙度之間的誤差要明顯的大于3 636～3 641m段（圖5－a），這是因為3 641～3 645m 段的巖心孔喉半徑要明顯的小于3 636～3 641m段。

因此，利用核磁共振測井計算火成巖地層的孔隙度具有很大的局限性，尤其在中基性火成巖地層和低孔地層中［13－14］。

1.4 密度測井

密度測井反映的是儀器探測范圍內地層的總密度，能有效反映地層的總孔隙度，對各種類型的孔隙度都能有效反映，如火成巖地層中大的氣孔、溶蝕孔洞空隙都能反映。采用巖心刻度測井的方法，分區塊、分巖性建立了不同區塊、不同巖性的密度測井與巖心分析孔隙度間的線性回歸模型用于計算火成巖儲層的孔隙度，實際應用表明，利用密度曲線計算的孔隙度與巖心分析孔隙度之間的誤差較小（表2）。

表2 準噶爾盆地某地區ECS測井、密度計算孔隙度與巖心分析孔隙度誤差分析表

1.5 ECS測井

地層元素測井（ECS）可以獲得主要造巖元素Si、Fe、Ti、Ca、AL、S、Cl、Cr、Gd等的質量百分含量，這些元素的含量與巖石的骨架密度直接相關，中國石油大慶油田有限責任公司、中國石油新疆油田公司（以下簡稱新疆油田公司）［6］等建立了利用ECS測井測得的元素含量直接計算巖石體積密度的模型，可以不考慮火成巖復雜巖性識別的問題。新疆油田公司應用準噶爾盆地18口井319組實驗數據來計算火成巖的骨架密度［6］：

式中WSi、WFe、WTi分別為ECS硅元素、鐵元素和鈦元素的質量百分含量；φD為密度孔隙度；ρma、ρb、ρf分別為骨架密度、測井密度、流體密度值。

利用式（4）可動態計算不同深度點的巖石骨架密度，然后將骨架密度值帶入式（5）逐深度點計算火成巖地層的孔隙度。從8口井的實際計算效果看，ECS測井方法確定的巖石骨架密度帶入孔隙度模型計算的孔隙度在個別井誤差大（表2），顯示該方法還不能完全適應火成巖地層，該方法在確定復雜火成巖巖石骨架方面有許多不完善的地方，這也是因火成巖礦物組分多、礦物組分復雜、巖性復雜引起的。

2 結束語

綜合研究成果表明：用于火成巖孔隙度計算的聲波、中子、密度、核磁和ECS曲線中，應首先優選密度測曲線來計算火成巖儲層的孔隙度。

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