二維核磁共振測(cè)井在砂礫巖儲(chǔ)層流體識(shí)別中的應(yīng)用

寧從前 ，周明順，成 捷，蘇 芮，郝 鵬，王 敏，潘景麗

（1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘 062552；3.中國(guó)石油華北油田分公司勘探事業(yè)部，河北任丘 062552；4.中國(guó)石油華北油田分公司二連分公司，河北任丘 062552）

0 引言

二連盆地烏蘭花凹陷砂礫巖儲(chǔ)層巖石礦物成分多樣［1-3］，富含火山碎屑和火山灰。儲(chǔ)層孔隙相對(duì)發(fā)育，含有粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和晶間孔等多種儲(chǔ)層空間，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連通性較差。儲(chǔ)層孔隙度為6%～13%，平均為9%，滲透率通常小于1 mD，為低孔、特低滲儲(chǔ)層。由于烏蘭花凹陷地層水礦化度低，導(dǎo)致油層和水層的電性特征差異不明顯，所以利用測(cè)井資料識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)難度較大。

為解決這一難題，華北油田引入核磁共振測(cè)井，然而在實(shí)際應(yīng)用中，核磁共振一維流體識(shí)別方法如差譜法、增強(qiáng)擴(kuò)散譜法等受復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的影響，表現(xiàn)出較強(qiáng)的多解性，難以解決儲(chǔ)層流體識(shí)別的問(wèn)題。為此，將二維核磁共振流體識(shí)別方法用于復(fù)雜砂礫巖儲(chǔ)層的流體識(shí)別，以期解決一維核磁共振流體識(shí)別方法的多解性問(wèn)題。

1 砂礫巖儲(chǔ)層流體識(shí)別難點(diǎn)

二連盆地烏蘭花凹陷砂礫巖儲(chǔ)層巖石成分成熟度低［2］，巖石礦物成分復(fù)雜，巖石顆粒多為火山巖屑，并含有大量火山灰，儲(chǔ)層巖石電性特征受巖性影響較大，無(wú)法反映儲(chǔ)層所含流體性質(zhì)。砂礫巖儲(chǔ)層巖石結(jié)構(gòu)成熟度低，組成巖石的顆粒大小不均，因此存在多種尺度的粒間孔隙，加上粒內(nèi)溶孔和晶間孔，使得孔隙結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，從而影響了識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)的效果。具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面的流體識(shí)別難題。

（1）常規(guī)電性特征無(wú)法識(shí)別砂礫巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)

通常情況下，地層水礦化度較高，具有一定的導(dǎo)電性，所以水層電阻率較低，而油氣由于不導(dǎo)電，所以油氣層電阻率較高，因此利用儲(chǔ)層的電性特征可以識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。二連盆地砂礫巖儲(chǔ)層巖石礦物成分復(fù)雜，火山巖屑和火山灰的存在使儲(chǔ)層電阻率升高，導(dǎo)致水層與油氣層的電性特征差異不明顯，因而無(wú)法利用儲(chǔ)層電性特征識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。如烏x 井39 號(hào)層、41 號(hào)層電阻率較高（圖1 第3 道），具有含油特征，解釋為油水同層，但該段試油獲日產(chǎn)水29.1 m3，結(jié)論為水層。說(shuō)明該段電阻率升高是受巖性影響所致。

（2）一維核磁共振測(cè)井識(shí)別砂礫巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)存在多解性

一維核磁共振流體識(shí)別方法主要包括差譜法和增強(qiáng)擴(kuò)散譜法。差譜法是利用儲(chǔ)層流體的縱向弛豫特征差異來(lái)識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)［4-9］。水的縱向弛豫時(shí)間較短，在短時(shí)間內(nèi)即可恢復(fù)全部信號(hào)，而油的縱向弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)全部信號(hào)。利用這一特點(diǎn)，通過(guò)長(zhǎng)、短2 個(gè)等待時(shí)間的測(cè)量，可以區(qū)分水層和油層。但是，儲(chǔ)層流體的核磁共振弛豫特征受儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響較大，當(dāng)儲(chǔ)層存在較大孔隙時(shí)，水的縱向弛豫時(shí)間會(huì)增加，導(dǎo)致短等待時(shí)間測(cè)量時(shí)水層的信號(hào)尚不能完全恢復(fù)，從而不能與油層區(qū)分。如B1 井39 號(hào)層、41 號(hào)層核磁共振差譜存在較強(qiáng)的信號(hào)（圖1 第6 道），而該層段試油結(jié)論為水層，說(shuō)明該差譜信號(hào)是由異常孔隙結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的，并不屬于含油特征。

核磁共振增強(qiáng)擴(kuò)散譜法是利用儲(chǔ)層流體的擴(kuò)散特征差異來(lái)識(shí)別其流體性質(zhì)的方法［4-9］。在梯度磁場(chǎng)中，水的核磁共振擴(kuò)散特征比油快，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)、短2 個(gè)回波間隔測(cè)量得到的T2譜進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)回波間隔T2譜上，水層的信號(hào)向左移動(dòng)到水線（圖1 第7 道中的紅線）之前，而油層的信號(hào)則留在水線右側(cè)，據(jù)此可以識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。但是，水線位置受儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)影響較大，當(dāng)存在較大孔隙空間時(shí)，水線位置會(huì)向右移動(dòng)，因而易將水層錯(cuò)認(rèn)為油層。如B1 井39 號(hào)層、41 號(hào)層核磁共振增強(qiáng)擴(kuò)散譜在常規(guī)儲(chǔ)層水線右側(cè)存在較強(qiáng)的信號(hào)（圖1 第7 道），而該層段試油為水層，說(shuō)明該段儲(chǔ)層存在較大孔隙空間，水線位置應(yīng)向右移。

可見，由于砂礫巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用一維核磁共振測(cè)井識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)存在較強(qiáng)多解性。

2 二維核磁共振流體識(shí)別方法與采集模式選擇

（1）二維核磁共振流體識(shí)別方法

二維核磁共振流體識(shí)別方法主要包括擴(kuò)散-橫向弛豫時(shí)間法（D-T2）、擴(kuò)散-縱向弛豫時(shí)間法（D-T1）和縱-橫向弛豫時(shí)間法（T1-T2）［10-11］，這些方法都是通過(guò)結(jié)合特定的核磁共振測(cè)井儀器并選擇合適的采集模式和數(shù)據(jù)處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中D-T2方法比較適用于油層的識(shí)別。

D-T2方法是在梯度磁場(chǎng)中，采集多組相同等待時(shí)間而不同回波間隔的回波串，通過(guò)二維反演得到D-T2二維譜圖，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)層流體類型進(jìn)行定性和定量判別的方法。

圖2中，給定足夠長(zhǎng)的等待時(shí)間TW，當(dāng)核磁共振測(cè)井儀器外加磁場(chǎng)梯度為G時(shí)，改變回波間隔TE，測(cè)量k組不同回波間隔的回波串?dāng)?shù)據(jù)（CPMG）。回波幅度除受到橫向弛豫機(jī)制的影響外，還受到流體分子擴(kuò)散產(chǎn)生的擴(kuò)散弛豫機(jī)制的影響。因此，第k組回波串的第i（i=1，2，...，P）個(gè)回波幅度可表示為

式中：γ為磁旋比；t為衰減時(shí)間，ms；G為磁場(chǎng)梯度，g/cm；D為擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；fjl為D-T2二維分布譜幅度；εi為噪聲。

通過(guò)對(duì)這k組回波串聯(lián)合反演求解［10］，即可得到fjl，即D-T2二維分布譜。在D-T2二維譜圖上（圖3），油和水由于擴(kuò)散系數(shù)和橫向弛豫特征的不同而分布于不同的區(qū)域，避免了一維核磁共振信號(hào)的相互重疊，更易于區(qū)分油層與水層。

（2）采集模式的選擇與分析

目前國(guó)內(nèi)外能夠進(jìn)行二維核磁共振測(cè)井的儀器主要有斯倫貝謝公司的MR-Scanner、哈里伯頓公司的MRIL-Prime 和貝克休斯公司的MREx，其中MRIL-Prime 核磁共振測(cè)井儀在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。

MRIL-Prime 是一種基于一維核磁共振測(cè)井方法的儀器，具有多種不同等待時(shí)間和間隔時(shí)間的采集模式，但一次下井只能采用某一種采集模式進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，而且沒(méi)有能夠滿足二維核磁共振測(cè)井理論的采集模式。胡法龍等［12］提出利用MRIL-Prime儀器將D9TWE3 和DTE412 這2 種采集模式下的測(cè)井資料進(jìn)行組合，可實(shí)現(xiàn)二維核磁共振處理解釋并用于油層識(shí)別。羅利等［13］提出利用MRIL-Prime儀器將D9TE212，D9TE312 和D9TE412 這3 種采集模式下的測(cè)井資料進(jìn)行組合，也可以實(shí)現(xiàn)二維核磁共振處理解釋并用于氣層識(shí)別。上述將不同采集模式下的測(cè)井資料進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)二維核磁共振應(yīng)用的方法，需要多次下井作業(yè)，增加了測(cè)井采集作業(yè)和數(shù)據(jù)處理的難度，在實(shí)際應(yīng)用中受到較大制約。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，利用MRIL-Prime 核磁共振測(cè)井儀常用的D9TWE3 采集模式（表1），一次下井可獲得2 組相同等待時(shí)間、不同回波間隔的回波數(shù)據(jù)（AD，BE）和2 組不同等待時(shí)間、相同回波間隔的回波數(shù)據(jù)（AB，DE）。根據(jù)二維核磁共振測(cè)井原理，可以直接對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二維核磁共振處理解釋，得到D-T2二維譜圖并用于儲(chǔ)層流體識(shí)別。

（3）對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在華北油田烏y 井，利用MRIL-Prime 核磁共振測(cè)井儀，通過(guò)2 次下井分別采集到D9WE3 和DTWE4 這2 種采集模式（表1）下的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理得到2 種采集模式下的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)組合后（表2）的二維處理結(jié)果（圖4、圖5），以及單獨(dú)針對(duì)D9TWE3采集模式下的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的二維處理結(jié)果（圖6、圖7）。通過(guò)對(duì)比可看出，D9TWE3 采集模式下的二維核磁共振處理結(jié)果與2 次下井組合數(shù)據(jù)的二維核磁共振處理結(jié)果相比，其擴(kuò)散譜（圖6 第6 道）的噪音相對(duì)較高、信號(hào)相對(duì)較弱，但形態(tài)與分布區(qū)域基本一致；各個(gè)深度點(diǎn)的D-T2二維譜圖相比（圖7 與圖5），雖然存在一定噪音信號(hào)，但主要信號(hào)的分布區(qū)域與范圍基本一致，油、水信號(hào)響應(yīng)特征與分布也基本一致。可見，將MRIL-Prime 核磁共振測(cè)井儀D9TWE3 采集模式下的測(cè)井資料進(jìn)行二維核磁共振處理解釋，能夠得到較好的結(jié)果，可用于油氣層的識(shí)別并可降低二維核磁共振測(cè)井應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)采集作業(yè)和數(shù)據(jù)處理難度，為在更大范圍內(nèi)應(yīng)用二維核磁共振油氣層識(shí)別技術(shù)提供了可能。

表1 烏y 井D9TWE3 與DTWE4 采集模式的參數(shù)Table 1 Acquisition parameters of D9TWE3 and DTWE4 in well Wu y

表2 烏y 井D9TWE3 與DTWE4 采集模式組合數(shù)據(jù)二維核磁共振參數(shù)Table 2 Acquisition combination data of 2D NMR logging parameters of D9TWE3 and DTWE4 in well Wu y

3 應(yīng)用效果分析

二連盆地烏蘭花凹陷烏x，烏z 井利用MRILPrime 核磁共振測(cè)井儀采集到了D9TWE3 模式下的測(cè)井資料，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行二維核磁共振處理解釋，分別得到了2 口井的D-T2二維核磁共振處理解釋結(jié)果。通過(guò)對(duì)B1 井常規(guī)測(cè)井和一維核磁共振處理結(jié)果的分析，認(rèn)為39 號(hào)層、41 號(hào)層存在較多含油信息，綜合解釋為油水同層（參照?qǐng)D1），但該井的二維核磁共振處理結(jié)果顯示39 號(hào)層和41 號(hào)層以水為主，僅存在少量含油氣信息，根據(jù)二維核磁共振處理結(jié)果只能解釋為含油水層（圖8），這與試油結(jié)論基本一致，證實(shí)了二維核磁共振解釋結(jié)論正確，說(shuō)明二維核磁共振能有效避免巖性變化造成的影響。

根據(jù)對(duì)烏z 井常規(guī)測(cè)井和一維核磁共振處理結(jié)果進(jìn)行分析，認(rèn)為41—43 號(hào)層存在較多含油氣信息，41，42 號(hào)層物性較差，43 號(hào)層物性較好，因此將41，42 號(hào)層綜合解釋為差油層，43 號(hào)層為油水同層（圖9）。該井二維核磁共振處理結(jié)果顯示41—43號(hào)層存在較強(qiáng)的含油信息，考慮到核磁共振測(cè)井探測(cè)深度較淺，將43 號(hào)層綜合解釋為油層（圖10），41，42 號(hào)層由于物性較差仍解釋為差油層。通過(guò)對(duì)41—43 號(hào)層段試油，獲日產(chǎn)油8.52 m3，結(jié)論為油層。試油結(jié)論證實(shí)二維核磁共振解釋結(jié)論正確。

通過(guò)對(duì)MRIL-Prime 核磁共振測(cè)井儀D9TWE3采集模式下的測(cè)井資料進(jìn)行二維核磁共振處理，可得到較好的二維核磁共振處理結(jié)果并用于復(fù)雜儲(chǔ)層的流體識(shí)別。基于D-T2的二維核磁共振流體識(shí)別方法并同時(shí)考慮儲(chǔ)層流體的擴(kuò)散和橫向弛豫特征，降低了測(cè)井解釋的多解性，為準(zhǔn)確識(shí)別復(fù)雜砂礫巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)提供了有效手段。

4 結(jié)論

（1）基于D-T2的二維核磁共振流體識(shí)別方法，同時(shí)考慮了儲(chǔ)層流體的擴(kuò)散和橫向弛豫特征，減少了數(shù)據(jù)處理解釋的多解性，為準(zhǔn)確識(shí)別復(fù)雜砂礫巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)提供了有效手段。

（2）通過(guò)對(duì)MRIL-Prime 核磁共振測(cè)井儀D9 TWE3采集模式下的測(cè)井資料進(jìn)行二維核磁共振處理，可得到與不同采集模式下測(cè)井資料組合后基本一致的二維核磁共振處理結(jié)果，可以用于油層的識(shí)別，從而降低了二維核磁共振測(cè)井應(yīng)用的采集作業(yè)與數(shù)據(jù)處理難度，為在更大范圍內(nèi)應(yīng)用二維核磁共振油氣層識(shí)別技術(shù)提供了可能。

（3）核磁共振測(cè)井探測(cè)深度較淺，僅能反映沖冼帶地層流體的特征，因而在應(yīng)用中需結(jié)合深探測(cè)儀器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合解釋，才能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。