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1、核磁共振自旋回波串确定渗透率方法探讨周灿灿(中科院长沙大地构造研究所)( 中国石油冀东油田勘探开发研究院)程相志 司兆伟 李淑 高卫国 (中国石油冀东油田勘探开发研究院)摘 要 周灿灿, 程相志, 司兆伟等. 核磁共振自旋回波串确定渗透率方法探讨. 测井技术, 2002, 26(2) : 123 126孔隙大小和孔隙结构不仅是决定储层渗透率的主要因素, 同时与核磁共振测井的自旋回波串和 T2分布有很好的对应性。根据我国东部某油田下第三系的岩心样品核磁共振实验, 研究了核磁弛豫信号( 自旋回波串)与岩石孔隙结构以及渗透率的对应关系, 并且首次提出利用自旋回波串下包面积 Ea结合孔隙度 和地层因素
2、 F 确定地层渗透率的新方法, 使深层低孔低渗油藏核磁测井的物性解释更加简单和有效。关键词: 核磁共振 回波串 T2分布 孔隙结构 渗透率ABSTRACTZhou Cancan, Cheng Xiangzhi,et al. .On Permeability Determination with NMR Echo Trains. WLT, 2002, 26(2): 123- 126Pore size and pore texture are the main factors that determine reservoir permeability, correlated to echo tra
3、insand T2distribution of NMR logging. This article studies correlation of NMR signals ( echo trains) with rock pore texture and permeability based on NMR laboratory core samples analysis in east of China, and develops a newmethod to estimate reservoir permeability using intrinsic area of echo trains
4、 ( Ea) , porosity ( ) and formation factor( F) . This makes NMR logging evaluation of formation with low porosity and low permeability more simple and ef -fective. Subjects: NMR echo train T2distribution pore texture permeability引言目前, 储层孔隙度的测量和评价有比较成熟的测井技术和解释方法, 但在确定渗透率方面, 由于决定渗透 率大小的主导因素是储层孔隙结构, 而孔
5、隙结构的复杂性及其严重的非均质性, 使得渗透率测井技术和解释方法一直没有很大进展。核磁测井技术的出现为研究储层的孔隙结构提供了技术可能, 该技术对孔隙结构和孔 隙流体流动性反映灵敏, 是迄今为止与渗流机理最为接近的测井方法, 可以使计算的孔隙度和渗透率参数更加准确。渗透率与孔隙结构渗透率是衡量储层渗流特性的主要宏观定量参数之一, 而孔隙结构则是影响储层渗流特性的微观因素。一般认为孔隙结构是多孔介质中孔隙和喉道的几何形状、 大小、 分布及其相互联接之间的综合关系, 主要通过孔喉半径均值和孔喉半径分布来描述。根据毛管渗流定律和达西定律, 渗透率可以表达为K = #r28S2(1)同时, 也可以通过
6、岩石的比表面来描述岩石的渗透率K =3 2S2( S/ V)2(2)式中 K ) ) 岩石渗透率, 10- 3L m2;r ) ) 孔喉半径, L m;#123# 第 26 卷#第 2 期 测 井 技 术 ) 岩石孔隙度, %;S) ) 弯曲因子, 无量纲;S/ V ) 岩石比表面, cm2/ cm3。因此, 岩石的渗透率不仅与岩石的孔隙度有关, 主 要还取决于岩石的孔隙结构。式(2)中比表面( S/ V)是反映孔隙结构复杂程度最直观最易理解的参数。岩石的比表面越大, 实质是岩石的孔隙半径越小, 则岩石的 渗透率也越低。T2分布与孔隙结构根据核磁共振测井理论, 在均匀磁场中, 单一孔隙组份的弛
7、豫时间 T2i可表示为T2i= Q2( Si/ Vi)(3)式中, Q2为岩石横向表面弛豫率, 是表征岩石性质的一 种参数; Si/ Vi为某一单一孔隙组份的比表面。也就是说, T2弛豫时间与孔隙的类型、 大小以及孔喉的分布有着直接的关系, 而这些因素也正是影响岩石渗透率的主要因素。因此, 理论上 T2弛豫时间与岩石 的宏观渗透率和微观孔隙结构应有很好的对应关系。图1 是2 块岩心样品的 T2分布谱和由压汞毛管压图 1 T2分布谱与压汞孔喉分布对比图力曲线得到的孔喉大小分布曲线的对比图。 为了对比方便, 对图中 2 块样品的压汞孔喉大小分布曲线进行了一定的处理即对孔喉大小乘以某一固定系数(与岩
8、石的比表面和横向弛豫率有关) 得到目前的对比图。从图 1知大孔喉对应较大的 T2值, 小孔喉对应小的 T2值; 同时孔喉分布曲线的峰值区间对应着核磁孔隙度的峰值区间。这说明了T2分布与岩石孔隙结构有很好的对应关系。因此, 理论和实验都证实了同样一个事实, 那就是T2分布谱与岩石孔隙结构有很好的对应关系, 为我们利用核磁资料研究储层物性奠定了基础。核磁渗透率传统确定方法存在的缺陷确定核磁渗透率的传统方法是以 T2分布谱为基 础, 通过 T2截止值的选取计算可动以及束缚流体的相 对体积, 再通过 Coates 模型、 SDR 模型、 Coates 扩展模型等经验公式计算核磁渗透率。这些经验公式的计
9、算结 果与实际资料相比往往存在着偏差, 其原因一是先选取的T2截止值有误差, 导致可动流体和束缚流体的不准 确性; 另一个是 T2分布谱本身存在拟合误差。 大量实验数据证明, 不同物性的地层其 T2截止值 有很大的差别, 随着地层岩性及其孔隙结构的变化而不同。对于真实T2截止值未知的地下储层, 在实际的核 磁测井处理过程中, T2截止值的选取是根据处理人员 的经验选取一个常数, 大部分情况下选取 33ms, 最多在岩性变化剧烈的大井段选取为数不多的几个 T2截止 值, 这些数值往往与真实的 T2截止值变化曲线存在着 差距, 并且有时差异很大, 从而导致非常大的计算渗透率误差。 核磁测井采集的是
10、自旋回波串, 而 T2分布谱则是 通过选择合适的数学拟合方法, 对回波串进行拟合而获得的。对于复杂成份岩石的自旋回波串, 可以用一个多 指数函数表示为E(t) =Emi= 15ie- t/T2i(4)式中 E( t) ) t 时刻的回波幅度;5i) ) 第 i 个组份的离散弛豫时间, i = 1, ,m;T2i) 第 i 个组份的横向弛豫时间, i= 1, , m。正常情况下, 岩石的 T2分布是一个连续分布的函 数。为了简化对式(4)的拟合过程, 不论是奇异值分解 方法, 还是最小二乘法, 均采用多指数模型, 即 T2分布由 m 种与孔隙组份相关的离散弛豫时间分布组成, 然 后再对拟合结果进
11、行插值、 平滑, 从而得到 T2分布谱。 这种拟合的实质是一种将连续函数离散化的过程, 是对真实T2分布谱的最佳逼近, 本身就存在着误差, 再加上 不确定的噪音以及人为因素的影响, 由此得到的 T2分 布谱必然也存在着误差。直接利用回波串确定核磁渗透率既然传统核磁渗透率存在着不足, 那么, 寻找简便#124#测 井 技 术 2002年 有效的核磁渗透率求取方法是核磁共振测井应用的研究方向。据核磁共振测井理论, 不同孔隙组份的弛豫响应T2i迭加构成了观测的自旋回波串; 前文阐述了渗透率和T2分布与岩石的孔隙度和孔隙结构(孔隙大小分布) 有着密切的联系, 这正是回波串所包含的地层物理特性信息。因此
12、,渗透率与回波串应有很好的对应关系。图2 表明, 不同渗透率的样品其回波串确实具有不同的形 态,且其下包面积 Ea与渗透率的数值有明显的正比关系。图 2 不同物性样品的核磁共振回波串对于低孔层段, 可能由于相对较低的信噪比, 造成核磁共振在低孔层段测量的孔隙度偏低。因此在设计计算渗透率公式形式时应该加入由其它方法得到的孔 隙度, 以保证在可能的渗透率数值范围内有较高的计算精度; 另外, Archie 公式中的地层因素 F( F= a/ m)能够在一定程度上反映孔隙连通性和弯曲度, 如果在渗透率计算公式中引入 F, 不仅可能会得到较好的渗透率估计, 而且可以将核磁共振与常规测井相联系, 以此便可
13、以与传统的渗透率公式相联系。因此, 建立的渗透率统 计关系应为K = C Eam1 m2(5)K = C Eam3 m4Fm5(6)式中, C、 m1、 m2、 m3、 m4、 m5为待定系数, 可由实验数据确定。 根据以上分析, 以回波串滤波拟合的回波曲线的下包面积 Ea为主, 结合地层孔隙度 和地层因素 F, 利用研究区块 50 块岩心的实验数据, 按照式(4)和式(5)的形式, 建立了研究区块的渗透率统计关系式。这样的统计关系只是反映了东部某油田下第三系的地区经验。统计结果见表1。 图3 是统计关系 1 和统计关系 2的渗透率计算值与实际值的对比图。图 2显示计算渗透率在高、 中渗透率段
14、, 尤其是在低渗透率段与空气渗透率的符合程度较好, 说明两统计关系式不仅适用于中高渗储层渗透率的计算, 而且应该在低孔低渗储层有较好的应用效果。 表1 由回波串计算渗透率的冀东深层拟合结果序号统 计 关 系相关系数1log K= - 7 1948+ 3 1884log + 11154log Ea0 19532log K= - 9 1577+ 1 1072log Ea+ 41675log + 0 1746log F0 1956说明: 由于本次核磁共振实验未进行标准水样实验, 因此也未能将回波串的幅度由 mV 数转换成常用的孔隙度, 故表 1 中的 Ea以 mV 为单位。而实际测井的回波串幅度是以
15、孔隙度为单位, 所以表 1的统计关系不能直接用于测井解释, 但其宏观规律与孔隙度单位是一致的。 单位为% 。图 3 统计关系计算渗透率与岩心渗透率的对比图上面讨论了统计关系与实验数据之间的联系, 下面 再讨论一下统计关系与传统核磁渗透率模型之间的对比关系。表 2列举了统计关系与 2 种传统核磁渗透率模型的各项对比数据, 由表 2各项数据的对比可发现, SDR 模型效果最差。虽然 Coates 模型与统计关系的各项数据比较接近, 但在 Coates 模型使用由岩心 T2截止值计算束缚和可动流体体积进而计算渗透率的情况下,其计算渗透率的平均相对误差仍大于统计关系式, 并且 计算渗透率的几何平均值与
16、岩心分析渗透率的几何平均值(3171823 10- 3L m2)相差较大。所以, 综合各种因素考虑统计关系的效果要好于传统模型。因此, 实际的测井处理过程中, 对于未知 T2截止值 的地下储层, 用统一的 T2截止值计算束缚和可动流体体积, 进而计算储层渗透率必然存在很大的误差。但统计关系则不存在这方面的问题, 由回波串计算渗透率省 去了复杂的数学拟合 T2谱的中间环节, 减少了误差传递, 在实际测井信噪比相对较低的时候, 可以提高渗透率计算的可信度。对于以上2 个统计关系的使用, 要视#125# 第26 卷#第 2期 周灿灿等: 核磁共振自旋回波串确定渗透率方法探讨表2 统计关系与传统渗透率模型计算渗透率各项参数对比经验关系渗透率几何平均值 10- 3Lm2平均相对误差%统计关系 1269193669191统计关系 2271192164142Goates模型216123075135SDR 模型63619
