順磁性物質含量對火山巖核磁孔隙度的影響及校正
——以準噶爾盆地中拐凸起石炭系火山巖為例

高衍武，趙延靜，吳偉，張文靜，藺敬旗，安銀銀

1.中國石油集團測井有限公司地質研究院，陜西 西安 710000 2.中國石油集團測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710000 3.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西 西安 710000 4.中國石油測井有限公司新疆分公司，新疆 克拉瑪依 834000

中國的松遼、準噶爾、四川等盆地廣泛發育火山巖儲層，是近年來非常規油氣勘探的熱點[1,2]?；鹕綆r儲層多具低孔低滲特征，核磁共振測井在該類型儲層儲集空間尤其是物性評價中發揮著重要作用[3-6]。一般認為，核磁共振測井不受巖性、泥餅的影響，由核磁共振測井獲得的核磁孔隙度被較多地應用到火山巖儲層測井解釋評價中[7]。但相較于碎屑巖儲層，火山巖儲層巖石中普遍含有更多的特殊礦物，如順磁性物質(Fe、Cr、Ni等)，會導致測量信號的衰減時間變得相當短，短到低于核磁共振測井儀測量下限值，使得測量的核磁孔隙度迅速減小[8,9]。因此，當巖石中含有一定量的順磁性物質時，核磁共振測井在火山巖中的應用受到限制，應考慮順磁性物質含量對核磁共振測井的影響，并對核磁孔隙度給予校正。

司馬立強等[10]分析認為，核磁共振測井會受到火成巖巖性的嚴重影響，在火成巖中的應用具有一定的局限性，尤其是在中基性火成巖地層中。史飛洲等[11]從鐵磁礦物含量、石英含量和泥質含量3方面對核磁共振的影響進行了分析，發現核磁共振測井在酸性火成巖中的應用效果優于中基性火成巖。楊正明等[12]研究發現，巖石中順磁性物質含量越高，巖石磁化率越高，核磁孔隙度與常規分析孔隙度的偏差越大。謝然紅等[13]對7塊不同Fe3O4含量的人造石英砂巖進行研究，發現核磁孔隙度與氣測孔隙度的誤差隨著巖樣中Fe3O4含量的增加而增大，當Fe3O4的含量達到6%時，測得的核磁孔隙度基本為零。屈樂等[14]試驗分析表明，不同巖性的火成巖，核磁孔隙度誤差不同，當順磁性物質質量分數超過6% 時，核磁孔隙度基本為零。已有研究表明，常規石英砂巖、火山巖巖石中，只要含有順磁性礦物，均會對核磁孔隙度產生影響，影響程度與特殊礦物含量有關；且認為當順磁性物質超過某一含量上限時，核磁孔隙度為零，但對引起孔隙度變化的順磁性物質含量下限缺少分析。李曉峰等[15]建立了順磁物質Fe含量與火山巖核磁孔隙度的關系，提高了松遼盆地深層中基性火山巖孔隙度的計算精度，但沒有對除Fe以外的其他特殊礦物含量的影響做討論。

筆者在前人研究的基礎上，以準噶爾盆地中拐凸起石炭系火山巖為研究對象，利用ECS(地層元素)測井資料和實驗室不同巖性的火山巖核磁孔隙度與常規孔隙度的測量結果，分析了Fe、Al、Ca、Ti等多種順磁性物質對核磁孔隙度的影響，建立了順磁性物質含量與核磁孔隙度的校正公式，確定了核磁孔隙度校正的Fe含量下限，提高了研究區核磁孔隙度的解釋精度。

1 火山巖核磁共振試驗分析

1.1 核磁試驗影響因素分析

準噶爾盆地中拐凸起石炭系火山巖儲層巖性主要為玄武安山巖、英安巖和火山角礫巖，其中玄武安山巖為中基性火山巖，英安巖和火山角礫巖為酸性火山巖。試驗選取了區塊內JL井區6口井38塊樣品開展混合巖性核磁信號隨機測量。為獲得每種巖性更多的核磁信號，首先開展每個核磁測量參數(包括變等待時間Tw,c、變回波數量Ne,c、變掃描數量Ns,c和變回波間隔時間Te,c)對其核磁信號的影響分析，如圖1所示。

圖1 核磁共振τ2譜分布圖Fig. 1 NMR τ2 spectrum distribution

核磁試驗測量巖樣孔隙度的基本原理是通過探測孔隙流體的弛豫時間來刻度孔隙度。由圖1所示核磁試驗結果可知，不同巖性測量樣品Tw,c、Ne,c和Ns,c的改變對核磁信號的影響較小，可以忽略不計。但是，考慮到巖心取樣位置均為孔洞、裂縫不發育段，而火山巖儲層通常次生孔隙較發育，對于含有較大氣孔、溶洞和裂縫的火山巖儲層，在較小的等待時間下(試驗中設置等待時間Tw=6s)，儲層孔隙中仍然會有少量流體氫核不能完全極化，可能導致所測得的核磁孔隙度偏小。為了獲得較大孔隙中的流體信號，對于孔洞較為發育的儲層，將回波數量Ne設置為4096個。另外，火山巖儲層由于巖性致密，且可能含有順磁性和Fe磁性物質，導致信噪比太低，為了克服信噪比較低的問題，試驗中將掃描數量設置為128次。

由圖1可知，變回波間隔時間Te,c對核磁信號的影響較大，隨著Te,c的增大，可動峰位置向短τ2方向移動且峰值幅度逐漸減小。分析其原因主要有以下2點：①較大的回波間隔時間(Te)會導致儀器無法檢測到巖心中橫向弛豫時間(τ2)很小的氫核信號。因為小孔隙中的水具有很短的τ2，如果Te設置過長，則會在儀器未完全反應之前，這些小孔隙中的流體信號已經弛豫結束，無法檢測到它們的弛豫信號，對巖性比較致密的低滲火山巖儲層影響較大。②火山巖中的順磁性物質所產生的誘導磁場會抵消一部分外磁場強度，使得τ2縮短，導致一些組分無法被探測到，表現為核磁孔隙度偏小。由于Te對核磁信號的影響較大，為了和MRIL-P型核磁共振測井儀回波間隔時間(0.6ms)一致，該次試驗中Te取0.6ms。

1.2 孔隙度誤差分析

首先對38塊樣品進行加壓飽和，因有2塊巖樣破碎，實測為36塊。為了接近地層水礦化度，飽和溶液采用12000mg/L的CaCl2溶液，然后對飽和樣品按照上述測量參數進行核磁共振測量，巖心分析孔隙度與核磁孔隙度測量結果交會圖如圖2所示。由圖2可以看出，英安巖與火山角礫巖的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度相當，玄武安山巖的核磁孔隙度明顯小于巖心分析孔隙度。圖2中16塊玄武安山巖巖心分析孔隙度在2%～9%之間，核磁孔隙度比巖心分析孔隙度偏小0.31%～6.56%，平均絕對誤差達51%，中基性火山巖的核磁孔隙度資料失去利用價值。

圖2 3種巖性巖心分析孔隙度與核磁孔隙度交會圖Fig. 2 Cross plot of core analysis porosity and NMR porosity of three lithologies

對38個取樣點處ECS測井得到的Fe含量進行統計(見圖3)，結果顯示，玄武安山巖的Fe含量在0.054%～0.073%之間，平均為0.064%；火山角礫巖的Fe含量在0.035%～0.063%之間，平均為0.053%；英安巖的Fe含量在0.024%～0.043%之間，平均為0.034%。

圖3 3種巖性的ECS測井Fe含量直方圖 Fig. 3 Histogram of Fe content in ECS logging of three lithologies

由圖3可見，火山巖儲層巖石中Fe含量數量級較小。相對而言，分析樣品中玄武安山巖Fe含量最高，火山角礫巖次之，英安巖最低。前文討論過，在盡可能消除核磁試驗參數對測量數據影響的前提下，巖石中Fe含量是造成核磁孔隙度誤差的主要原因。這是因為Fe為強順磁性物質，Fe的磁化率是其他弱磁性礦物的數百倍至數萬倍，因此核磁共振測井參數的主要影響因素是Fe含量，其他弱順磁性礦物起次要作用，對提高孔隙度校正精度有幫助。根據圖2的試驗數據和圖3的ECS測井統計數據，Fe含量平均為0.053%的火山角礫巖和0.034%的英安巖核磁孔隙度不需要校正，而Fe含量平均為0.064%的玄武安山巖核磁孔隙度卻誤差明顯，盡管3種巖性Fe含量差別不大，但存在一個引起核磁孔隙度誤差的Fe含量下限，研究區核磁孔隙度校正Fe含量的下限應在0.053%～0.064%之間。

2 火山巖核磁孔隙度校正方法

2.1 Fe含量下限確定

研究發現，玄武安山巖的巖心分析孔隙度與核磁孔隙度之間的差值與巖石中Fe含量之間有較好的線性關系，如圖4所示。由圖4可知，當巖石中Fe含量為0.057%時，巖心分析孔隙度與核磁孔隙度差值為零。說明當Fe含量小于0.057%時，巖心分析孔隙度與核磁孔隙度之間沒有差值，Fe含量沒有引起核磁孔隙度誤差，不需要對核磁孔隙度進行校正。因此確定研究區孔隙度校正的Fe含量下限為0.057%。

圖4 巖心分析孔隙度與核磁孔隙度差值-Fe含量交會圖 Fig. 4 Cross plot of difference between core analysis porosity and NMR porosity and Fe content

當Fe含量大于0.057%時，采用下列公式進行校正：

φ′=φt+402.4400×wFe

-22.9960

(1)

式中：φ′為Fe含量校正后的核磁孔隙度，%；φt為核磁孔隙度，%；wFe為ECS測井得到的巖石中Fe含量，%。

經Fe含量校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度的相關系數R2=0.8152，如圖5所示。

圖5 巖心分析孔隙度與Fe含量校正后核磁孔隙度交會圖 Fig. 5 Cross plot of core analysis porosity and NMR porosity after Fe content correction

2.2 多礦物核磁孔隙度校正公式建立

ECS測井獲得的巖石骨架中，除有強順磁性礦物Fe外，還有Si、Ca、Na、K、Al、Ti等順磁性礦物(磁化率為正值)，上述礦物的磁化率遠小于Fe，但只要有順磁性物質的存在，都會影響核磁共振測井。研究區火山巖儲層巖石中Al、Ca、 Ti含量相對較高，僅次于Fe，為分析多順磁性礦物微弱的磁化率對核磁共振測井的影響，利用多元回歸方法，建立了巖心分析孔隙度與核磁孔隙度孔隙度差值與Fe、Al、Ca、Ti含量的關系，得到多礦物核磁孔隙度校正公式：

φ″=φb+349.196×wFe-16.625

×wAl-15.323×wCa

+415.661×wTi-19.819

(2)

式中：φ″為多礦物校正后的核磁孔隙度，%；φb為巖心分析孔隙度與核磁孔隙度差值，%；wAl、wCa、wTi分別為ECS測井得到的巖石中Al、Ca、Ti含量，%。

通過式(2)多礦物核磁孔隙度校正，校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度的相關系數R2從0.8152提高到了0.9356(見圖6)，平均絕對誤差從0.77%降到了0.42%，核磁孔隙度的解釋精度明顯提高。

圖6 巖心分析孔隙度與多礦物校正后核磁孔隙度交會圖Fig. 6 Cross plot of core analysis porosity and NMR porosity after multi-mineral correction

3 應用效果

應用上述校正方法對中拐凸起JL103井開展效果檢驗，結果如圖7所示。該井目的層巖性為深灰色玄武安山巖，在3165.88～3171.40m處鉆井取心獲得9個巖心分析孔隙度數據，在3150～3190m處井壁取心獲得7個巖心分析孔隙度數據。由圖7可知，校正前核磁孔隙度數值偏小，經多礦物校正后，核磁孔隙度曲線與校正前曲線形態發生較大改變，校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度一致性較好，校正結果驗證了多礦物核磁孔隙度校正的必要性和可信度。

圖7 JL103井核磁孔隙度校正成果圖Fig.7 NMR porosity correction results of well JL103

巖心分析孔隙度與校正后核磁孔隙度的數據對比統計如表1所示。校正前核磁孔隙度分布在0.858%～3.601%之間，與巖心分析孔隙度絕對誤差為1.324%，校正后核磁孔隙度分布在0.875%～7.027%之間，與巖心分析孔隙度絕對誤差為0.233%。核磁孔隙度平均提高1.207%。校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度符合度較高，多礦物核磁孔隙度校正方法大幅提高了核磁孔隙度的解釋精度，應用效果較好。

表1 校正后的核磁孔隙度與巖心分析孔隙度對比表

4 結論

1)研究區英安巖和火山角礫巖不需要做核磁孔隙度校正，玄武安山巖核磁孔隙度低于巖心分析孔隙度，需要校正。

2)研究區玄武安山巖核磁孔隙度校正的Fe含量下限為0.057%，當ECS測井得到的Fe含量小于0.057%時，不需要做核磁孔隙度校正；當Fe含量大于0.057%時，則需要做核磁孔隙度校正。

3)針對研究區玄武安山巖，采用順磁性物質Fe、Al、Ca、Ti建立的多礦物核磁孔隙度校正公式，大幅提高了核磁孔隙度的解釋精度，應用效果較好。