核磁共振測(cè)井黏土束縛水計(jì)算新方法

陸云龍 崔云江 朱 猛 趙書(shū)錚

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

黏土束縛水是黏土礦物顆粒表面吸附的極性水分子在黏土表面形成的一層薄水膜，它被靜電引力吸附于黏土顆粒表面，通常情況下不易流動(dòng)。黏土表面的水膜雖然很薄，但因黏土顆粒極細(xì)，故具有較大的比表面積，能吸附大量的極性水分子，對(duì)巖石導(dǎo)電性[1]具有較大影響，導(dǎo)致電阻率、核磁共振、中子、密度等測(cè)井響應(yīng)特征產(chǎn)生較大差異。因此，黏土束縛水評(píng)價(jià)對(duì)于儲(chǔ)層巖性、電性[2]、物性及含油氣性[3]關(guān)系研究具有重要意義。

20世紀(jì)50年代Hill等[4]開(kāi)展了黏土礦物的電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量及電化學(xué)電位的早期測(cè)量。Grismer等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究了黏土表面吸附水的復(fù)雜物理—化學(xué)過(guò)程； Fukue等[6]進(jìn)一步研究總結(jié)出黏土束縛水主要受弱結(jié)合水控制的結(jié)論。袁建濱[7]針對(duì)黏土礦物表面結(jié)合水進(jìn)行了定量實(shí)驗(yàn)測(cè)量，分析了黏土表面結(jié)合水的類型，厘清了不同黏土礦物吸附結(jié)合水的差異。Waxman等[8]將黏土束縛水引起的附加導(dǎo)電引入泥質(zhì)砂巖導(dǎo)電模型，校正黏土附加導(dǎo)電影響，用于飽和度計(jì)算。Clavier等[9]針對(duì)黏土束縛水產(chǎn)生的陽(yáng)離子交換量不易計(jì)算的難題，提出雙水模型，通過(guò)擴(kuò)散雙電層理論厘定陽(yáng)離子交換量與黏土束縛水之間的關(guān)系； 賈景超等[10]進(jìn)一步開(kāi)展了不同黏土類型下這兩者之間相關(guān)性研究。崔云江等[11]通過(guò)常規(guī)測(cè)井計(jì)算黏土束縛水孔隙度(φcw)，進(jìn)而計(jì)算擴(kuò)散雙電層中低礦化度地層水條件下的陽(yáng)離子交換量。

針對(duì)常規(guī)測(cè)井黏土束縛水計(jì)算難題，因核磁共振測(cè)井能測(cè)量不同尺寸孔隙中的含水體積，在黏土束縛水評(píng)價(jià)中具有較大潛力。目前核磁共振測(cè)井主要應(yīng)用于孔隙度[12]、孔隙結(jié)構(gòu)[13]評(píng)價(jià)，近年來(lái)通過(guò)可變T2截止值[14]的研究進(jìn)一步提高測(cè)井評(píng)價(jià)精度，但對(duì)黏土束縛水的研究相對(duì)較少。張沖等[15]通過(guò)巖心實(shí)驗(yàn)研究了核磁共振黏土束縛水與陽(yáng)離子交換量之間的關(guān)系； 羅興平等[16]將該關(guān)系應(yīng)用于核磁共振測(cè)井，計(jì)算黏土束縛水。上述研究均采用固定3ms截止值，導(dǎo)致黏土束縛水計(jì)算精度有限。王偉等[17]通過(guò)不同黏土類型測(cè)定黏土束縛水弛豫時(shí)間，認(rèn)為黏土束縛水T2截止值為1.7ms，傳統(tǒng)3ms截止值的選取使得黏土束縛水的計(jì)算結(jié)果存在一定誤差。

本文通過(guò)陽(yáng)離子交換能力與核磁共振實(shí)驗(yàn)，確定黏土束縛水T2截止值與φcw之間的關(guān)系，建立了變黏土束縛水T2截止值計(jì)算模型； 通過(guò)核磁共振測(cè)井精細(xì)計(jì)算φcw，使其計(jì)算精度進(jìn)一步提高。

1 核磁共振測(cè)井φcw計(jì)算方法

1.1 理論公式推導(dǎo)

Clavier等[9]認(rèn)為泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層孔隙中除自由水以外，包含一定量黏土束縛水，分布在黏土顆粒表面，同時(shí)聚集了大量可交換的陽(yáng)離子Na+，具有陽(yáng)離子交換導(dǎo)電作用，且與黏土類型無(wú)關(guān)。陽(yáng)離子交換量[18]由下式計(jì)算

(1)

式中：Qv為泥質(zhì)砂巖的陽(yáng)離子交換量(mmol/cm3)；φcw為黏土束縛水孔隙度；φt為總孔隙度；α為Na+離子擴(kuò)散層的擴(kuò)散因子(無(wú)量綱)；VQ為Qv= 1mmol/cm3時(shí)黏土水占據(jù)的孔隙體積。

VQ、α的計(jì)算公式為

(2)

式中：T為地層溫度；Pw為地層水礦化度(mmol/cm3)；Pwo為Na+離子擴(kuò)散層厚度在赫爾庫(kù)茲厚度時(shí)的地層水礦化度，通常為0.35mmol/cm3。

由于實(shí)驗(yàn)室條件下Qv難以直接測(cè)量，通常測(cè)量陽(yáng)離子交換能力(CCEC)[18]表征巖石的陽(yáng)離子交換作用大小。CCEC代表每單位質(zhì)量干巖樣含有的可交換陽(yáng)離子量(mmol/100g)，該值與Qv關(guān)系為

(3)

式中ρg為巖石的平均顆粒密度。

根據(jù)式(1)～式(3)可得到實(shí)驗(yàn)室條件下的φcw計(jì)算公式

(4)

由式(4)可知，陽(yáng)離子交換能力與黏土束縛水孔隙度總體上呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即隨著陽(yáng)離子交換能力的不斷增強(qiáng)，φcw逐漸增大，黏土導(dǎo)電能力逐漸增強(qiáng)，因此產(chǎn)生的黏土附加導(dǎo)電作用降低了油層電阻率，即形成低阻油層。

1.2 變黏土束縛水T2截止值確定方法

核磁共振測(cè)井主要測(cè)量地層中的氫核數(shù)，相比常規(guī)中子、密度等孔隙度測(cè)井方法，核磁共振測(cè)井能有效區(qū)分儲(chǔ)層中不同孔隙尺寸條件下的氫核數(shù)，可將孔隙大致劃分為三部分，即黏土束縛水、毛管束縛水、可動(dòng)流體占據(jù)的孔隙體積(圖1)。因此，核磁共振測(cè)井在黏土束縛水評(píng)價(jià)中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

圖1 核磁共振孔隙結(jié)構(gòu)劃分示意圖

核磁共振T2譜計(jì)算φcw，需給定黏土束縛水弛豫時(shí)間截止值。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，核磁共振3ms弛豫時(shí)間為黏土束縛水截止值時(shí)間，該值被廣泛應(yīng)用于核磁共振測(cè)井φcw計(jì)算中，其公式為

(5)

式中：ti為弛豫時(shí)間；φti為ti弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)的孔隙度分量；Tmin為最小弛豫時(shí)間。

鄧克俊等[19]統(tǒng)計(jì)了實(shí)驗(yàn)條件下不同類型黏土T2弛豫時(shí)間分布，發(fā)現(xiàn)不同類型黏土T2弛豫時(shí)間分布范圍較廣(表1)。從表1可見(jiàn)，蒙脫石與伊利石弛豫時(shí)間較短，而高嶺石弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，傳統(tǒng)3ms弛豫時(shí)間截止值劃分φcw誤差較大。

采用式(4)對(duì)渤海QHD油田新近系館陶組巖心陽(yáng)離子交換能力測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到φcw。根據(jù)巖心核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)φcw值得到對(duì)應(yīng)核磁共振T2譜黏土束縛水T2截止值(T2cc)，如表2所示。可見(jiàn)不同巖心對(duì)應(yīng)的T2cc分布范圍是0.54～3.92ms，與3ms差異較大。由于該區(qū)館陶組黏土成分以蒙脫石、伊蒙混層為主，黏土束縛水T2弛豫時(shí)間相對(duì)較低，與表1相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也進(jìn)一步表明式(4)計(jì)算的φcw數(shù)據(jù)較可靠。

表2同時(shí)給出采用式(5)傳統(tǒng)3ms弛豫時(shí)間對(duì)核磁共振實(shí)驗(yàn)(即核磁法)計(jì)算得到的φcw結(jié)果。可見(jiàn)傳統(tǒng)核磁法計(jì)算結(jié)果與Qv法差異較大，其絕對(duì)誤差分布范圍是0.03%～11.10%。因此，采用傳統(tǒng)固定3ms截止值計(jì)算的黏土束縛水存在較大誤差。

表1 不同類型黏土T2弛豫時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)

表2 不同方法確定的φcw值及相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)表2可看出，傳統(tǒng)3ms核磁法確定的φcw與Qv法計(jì)算結(jié)果差異較大。選取表2中相對(duì)誤差較大的第1、第4號(hào)巖心和相對(duì)誤差較小的第13、第15號(hào)巖心核磁共振實(shí)驗(yàn)T2譜做對(duì)比(圖2)。核磁共振實(shí)驗(yàn)采用6s等待時(shí)間，回波間隔為0.6ms，回波個(gè)數(shù)選取18000，掃描次數(shù)為32。從圖2可看出，第1、第4號(hào)巖心小孔隙發(fā)育，束縛水含量高，而第13、第15號(hào)巖心大孔隙發(fā)育，束縛水含量低，因此隨著儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)變差，束縛水含量增高，傳統(tǒng)核磁法φcw計(jì)算誤差不斷增大。

圖2 不同孔隙結(jié)構(gòu)樣品T2譜分布

由相同巖心核磁共振與陽(yáng)離子交換實(shí)驗(yàn)可知，核磁共振T2譜對(duì)應(yīng)的T2cc已不再為定值，它受黏土類型及含量、孔隙結(jié)構(gòu)等影響較大。現(xiàn)今，核磁共振測(cè)井是確定φcw的首選測(cè)井項(xiàng)目，為此根據(jù)核磁共振測(cè)井資料確定合理的T2cc值，將成為φcw計(jì)算準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵。

由表2還可看出，φcw與T2cc并無(wú)較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，直接通過(guò)T2cc計(jì)算φcw較困難。通過(guò)表2進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，T2cc與φ3cw(3ms截止值對(duì)應(yīng)的黏土束縛水孔隙度)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：在通常情況下(φcw較小)，當(dāng)T2cc較低時(shí)，φ3cw較高； 當(dāng)T2cc較高時(shí)，φ3cw較低。由于核磁共振測(cè)井能較好地獲取不同弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)的孔隙度，因此通過(guò)建立T2cc與不同弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)的孔隙度關(guān)系，即可得到可變的黏土束縛水T2截止值。為了確定不同弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)的孔隙度與T2cc之間的相關(guān)性，分別統(tǒng)計(jì)弛豫時(shí)間為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0ms時(shí)，對(duì)應(yīng)的黏土束縛水體積與T2cc之間的相關(guān)性(圖3)，可見(jiàn)當(dāng)弛豫時(shí)間為3.0ms時(shí)兩者相關(guān)性最高，進(jìn)而選取φ3cw做回歸計(jì)算，建立φ3cw與T2cc的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜谟?jì)算T2cc，此時(shí)T2cc不再為定值，計(jì)算的φcw更為準(zhǔn)確。

由QHD油田館陶組陽(yáng)離子交換能力與核磁共振實(shí)驗(yàn)可知，φ3cw與T2cc相關(guān)性達(dá)到最高。圖4為φ3cw與T2cc交會(huì)圖，可看出該油田兩者存在較好的冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9579，由此建立可變的T2cc計(jì)算公式

(6)

圖3 T2cc與不同弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)的孔隙度相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

圖4 QHD油田館陶組變黏土束縛水T2截止值確定方法

1.3 核磁共振測(cè)井φcw值計(jì)算新方法

通過(guò)測(cè)定、分析渤海新近系地層陽(yáng)離子交換與核磁共振實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立一種可變黏土束縛水T2截止值的計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上通過(guò)核磁共振測(cè)井資料實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層φcw精細(xì)評(píng)價(jià)。具體方法如下：

(1)開(kāi)展巖心核磁共振與陽(yáng)離子交換聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)陽(yáng)離子交換能力計(jì)算φcw值；

(2)根據(jù)φcw計(jì)算核磁共振T2譜黏土束縛水弛豫時(shí)間截止值(T2cc)；

(3)建立T2cc與核磁共振不同弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)的φcw交會(huì)圖，回歸分析并選取相關(guān)性最好的弛豫時(shí)間(Tbest)對(duì)應(yīng)的φcw，進(jìn)而得到Tbest與T2cc計(jì)算公式；

(4)通過(guò)核磁共振T2譜計(jì)算Tbest截止值對(duì)應(yīng)的φcw，再依據(jù)步驟(3)確定的可變黏土束縛水截止值回歸公式求取T2cc，利用該值計(jì)算最終φcw，具體計(jì)算公式為

(7)

采用核磁共振測(cè)井資料根據(jù)上述步驟(1)～步驟(4)可準(zhǔn)確地計(jì)算地層φcw。在此基礎(chǔ)上根據(jù)式(1)可計(jì)算陽(yáng)離子交換量(Qv)，確定黏土附加導(dǎo)電影響，深入分析油層導(dǎo)電機(jī)理。

2 應(yīng)用效果分析

CFD油田位于渤海西部海域，主要含油層系為新近系館陶組，以辮狀河沉積為主，館陶組巖性以細(xì)砂巖為主，砂巖厚度較大，儲(chǔ)層以正韻律沉積特征為主，部分儲(chǔ)層黏土含量較高，地層水礦化度較低，黏土附加導(dǎo)電明顯，低阻油層廣泛分布。

圖5為CFD油田9井φcw及陽(yáng)離子交換量計(jì)算效果圖。該井實(shí)施了隨鉆伽馬、電阻率、核磁共振測(cè)井。通過(guò)自然伽馬(第1列黑線)、電阻率(第3列紅線)曲線特征，共解釋油、水層6小層并經(jīng)鉆采證實(shí)結(jié)論可靠。其中①、②、③、⑤小層為油層，④小層為差油層，⑥小層為水層。由電阻率曲線可看出： ①小層(1523～1527m)、②小層(1530～1540m)電阻率較低(約3Ω·m)，核磁T2譜顯示可動(dòng)孔隙度較小(第4道)，黏土束縛水較高，為典型低阻油層； ③小層(1547～1552m)電阻率較高(18Ω·m)，核磁T2譜顯示可動(dòng)孔隙度較大，為正常油層； ⑥小層(1565～1580m)電阻率較低，核磁可動(dòng)孔隙較高，為水層。

對(duì)該井巖心開(kāi)展了陽(yáng)離子交換能力實(shí)驗(yàn)測(cè)量，根據(jù)式(4)計(jì)算巖心φcw值，采用本文提供的實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)建立T2cc的相關(guān)函數(shù)計(jì)算可變?chǔ)誧w截止值，進(jìn)而通過(guò)該井核磁共振測(cè)井計(jì)算得到φcw值(第5列紅線)，可看出計(jì)算的φcw值與巖心計(jì)算結(jié)果較吻合，而通過(guò)傳統(tǒng)3ms黏土束縛水截止值計(jì)算得到的φcw(第5列藍(lán)線)與巖心計(jì)算結(jié)果差異較大，尤其在φcw值較大的儲(chǔ)層，兩者相差更明顯(表3)。

通過(guò)φcw與陽(yáng)離子交換量計(jì)算效果可看出，導(dǎo)致①、②小層低阻油層的主要原因?yàn)轲ね潦`水含量高，附加導(dǎo)電明顯，導(dǎo)致油層電阻率值降低明顯，而③、⑥小層φcw值較低，為正常油層和水層。

圖5 CFD油田9井測(cè)井解釋結(jié)果對(duì)比圖

表3 φcw計(jì)算精度對(duì)比表

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)以擴(kuò)散雙電層理論推導(dǎo)建立了陽(yáng)離子交換能力與φcw之間的理論公式，通過(guò)陽(yáng)離子交換實(shí)驗(yàn)可較為準(zhǔn)確地確定φcw。

(2)依據(jù)核磁共振—陽(yáng)離子交換能力聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)明確了傳統(tǒng)3ms固定黏土束縛水T2截止值計(jì)算φcw存在的弊端，且隨著孔隙結(jié)構(gòu)逐漸變差，φcw值計(jì)算誤差逐漸加大。根據(jù)聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)建立可變的黏土束縛水T2截止值計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)核磁共振測(cè)井資料可更準(zhǔn)確地獲取φcw數(shù)據(jù)。