核磁共振录井技术在鄂尔多斯盆地上古生界岩性气藏解释评价中的应用

0 引 言

鄂尔多斯盆地作为中国第二大沉积盆地,第一大自主气源产地,天然气探明储量居全国第一。其中作为主力产气层系的上古生界气藏是一套以平均孔隙度小于8%、平均渗透率小于0.5 mD的致密石英砂岩为储集层的岩性气藏,具有低孔隙度、低渗透率、低丰度的特点,在沉积-成藏演化上,为“先致密后成藏”,属于非浮力成藏,其聚集成藏的主要机理为烃类气体分子在分子膨胀力的作用下不断向周围拓展成藏^[1],烃类气体未经大规模长距离运移。由于此类气藏具有气水分布关系复杂甚至不存在明显气水分异的特点,给适用于构造气藏解释评价且效果较好的传统气测解释带来了较大的困难和挑战。此外,此类气藏通常具有压力系数较低、易水锁、产能与储集层物性关系密切的特点,这些性状决定着对此类气藏的解释评价必须既能够精准识别储集层流体性质,同时也有必要对储集层物性进行评价,从而为后期试气“甜点段”选择提供依据,而核磁共振录井技术恰好能够同时满足此两方面需要。

中国石油渤海钻探第一录井公司联合长庆油田盆地东部天然气勘探项目组,利用核磁共振录井技术在评价储集层物性、流体性质方面的独特优势,定义新参数(有效含气系数),将该系数与反映储集层有效性的孔隙度交会建立图板,划定不同流体性质区间,实现了对储集层流体性质的精确评价。

1 区域概况

鄂尔多斯盆地位于华北地块西部,是一个稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的多旋回克拉通盆地,现构造格局形成于燕山运动,定型于喜山运动,为一南北翘起、东翼缓而长、西翼短而陡的不对称向斜构造^[2]。盆地可划分为伊盟隆起、伊陕斜坡、渭北隆起、西缘逆冲带、天环坳陷、晋西挠褶带6个一级构造单元(图1),其中伊陕斜坡是面积最大的构造单元,占盆地主体面积的一半以上,现为一西倾的缓倾斜坡,地层倾角小于1°,是盆地天然气富集的主要构造单元^[3]。

伊陕斜坡上古生界自下而上发育石炭系本溪组,二叠系太原组、山西组、石盒子组和石千峰组地层(表1),其中发育形成于河流、三角洲背景下的太原组、山西组、石盒子组砂岩是当前勘探开发的主要含气层系,本次核磁共振录井解释评价技术研究主要针对上述地层展开。

2 核磁共振录井技术原理

核磁共振录井技术是指利用氢原子核的自旋特征,将含有氢核(油、水)的岩心样品置于磁场中进行磁化,并用一定频率的电磁波,以脉冲的形式激发磁化后的氢核,满足共振条件时,氢核吸收能量,跃迁到高能态。撤掉脉冲后,氢核摆脱了射频场的影响,所有氢核力图恢复到原来的热平衡状态,这一过程称之为弛豫。在弛豫过程中,氢核释放能量,在磁场中产生自由感应衰减信号。由于纵向弛豫时间T₁的测量过程非常慢,现场只测量横向弛豫时间T₂。当固体表面性质和流体性质相同或相似时,T₂谱的差异主要反映岩样内孔隙大小的差异。孔隙越大,氢核越多,核磁共振信号衰减越慢,对应弛豫时间T₂也越长。此即为核磁共振录井技术测量岩样孔隙度的基本原理。

核磁共振录井仪实际测量的是T₂衰减曲线,这个衰减信号是由许多不同孔隙中流体衰减信号叠加而成的,采用数学反演技术可计算出岩石中不同的弛豫组分所占的比例,即T₂弛豫时间谱。因为可动流体受岩石孔隙固体表面的作用力弱,弛豫时间长,而束缚流体受岩石孔隙固体表面的作用力强,弛豫时间短,所以在T₂弛豫谱上存在一个界限,当孔隙流体的弛豫时间大于该界限值时,流体为可动的,反之为束缚的,这个弛豫时间界限称为T₂截止值。T₂截止值右边部分为可动流体信号,左边部分为束缚流体信号,此即为核磁共振录井技术测量孔隙可动流体饱和度和束缚流体饱和度的基本原理^[4]。通过核磁共振录井技术分析,可以得到岩样的孔隙度、渗透率、可动流体饱和度和束缚流体饱和度等参数。

3 主要评价参数及评价标准的确立

砂岩气藏的核磁共振录井评价参数主要包括储集层孔隙度、含气饱和度、含水饱和度、可动水饱和度、束缚水饱和度和可动流体饱和度等参数,其中储集层孔隙度、含气饱和度、可动水饱和度对于评价储集层流体性质至关重要。

3.1 孔隙度、饱和度参数的测量计算

对于含气砂岩而言,核磁共振录井技术对岩样直接进行一次测量并不能够得到岩样全部的孔隙信号,因为伴随天然气的逸散,原来由气体占据的孔隙空间内近乎没有任何氢核存在,所以一次测量所得仅为孔隙内原始水样信号,要想得到样品真实的孔隙度、含气饱和度、含水饱和度等参数必须对样品进行处理以进行二次测量。其基本方法如下。

首先,利用核磁共振录井仪直接测量取心所得干样(原始样)砂岩样品,测得岩样的含水孔隙度ϕ_w,再利用T₂截止值进一步将含水孔隙度划分为可动水孔隙度ϕ_wm和束缚水孔隙度ϕ_wi(ϕ_wi=ϕ_w-ϕ_wm),是为一次测量。

其次,测量抽真空、浸泡了饱和盐水(K/Na)的湿样样品孔隙度,此孔隙度即为岩心样品的总孔隙度ϕ,是为二次测量,见图2。

由于本文所阐述的方法默认砂岩样品内的天然气在取心出筒时已全部逸散,且所挑选样品未受钻井液(水)污染,通过计算就可以得出岩样的含气孔隙度ϕ_g:

ϕ_g=ϕ-ϕ_w(1)

式中:ϕ_g为含气孔隙度,%;ϕ为总孔隙度,%;ϕ_w 为含水孔隙度,%。

同时,可计算得出岩样的含气饱和度S_g、可动水饱和度S_wm、束缚水饱和度S_wi和可动流体饱和度S_m:

S_g=ϕ_g/ϕ×100%(2)

S_wm=ϕ_wm/ϕ×100%(3)

S_wi=ϕ_wi/ϕ×100%(4)

S_m=S_g +S_wm(5)

式中:S_g为含气饱和度,%;S_wm为可动水饱和度,%;S_wi为束缚水饱和度,%; ϕ_wm为可动水孔隙度,%;ϕ_wi为束缚水孔隙度,%;S_m为可动流体饱和度,%。

3.2 有效含气系数的定义与计算

由于致密砂岩气藏的储集层流体性质由储集层含气饱和度、可动水饱和度和反映储集层物性的储集层孔隙度共同决定,而进行此类多维度下的流体性质解释,无论是三维图板解释还是直接应用标准进行解释,过程展示起来要么比较复杂,要么不够直观,而最好的方法是化三维为二维,利用二维图板对储集层流体性质进行精准、直观解释,故本文引入有效含气系数参数I_g。该参数的定义为:烃类气体孔隙占可动流体孔隙的比例,以小数或百分数表示。该参数的意义在于有效融合了含气饱和度和可动流体饱和度两参数,充分体现了气水两相在岩样可动孔隙空间内的占比,在一定程度上能够反映储集层流体性质,即在非干层储集层同一孔隙度前提下,有效含气系数越高,则越倾向于气层,有效含气系数越低则越倾向于水层。有效含气系数I_g计算公式为:

I_g=ϕ_g /(ϕ-ϕ_wi)(6)

由于核磁共振录井仪并不直接输出ϕ_g 和ϕ_wi两参数,所以,将公式(6)转换为仪器可直接输出的饱和度参数表示,即为:

I_g=S_g/(S_g+S_wm)=S_g/S_m(7)

通过有效含气系数I_g与反映储集层有效性的总孔隙度参数ϕ交会形成图板,明确图板解释区间,即可用于精准解释上古生界致密砂岩气藏流体的性质。

3.3 解释评价标准的确立

根据近几年对苏里格上古生界达到工业气流致密砂岩储集层孔隙度的统计,并根据2014年发布的《致密砂岩气地质评价方法》行业标准,利用毛细管压力、岩心分析、气-水相渗及测井资料研究了苏里格气田致密气下限,采用孔喉半径下限法确定了苏里格气田有效产气(液)层的孔隙度下限为3%^[5]。考虑到苏里格气田属于鄂尔多斯盆地的一部分,且其产气层为伊陕斜坡上古生界二叠系太原组、山西组和石盒子组致密砂岩层,结合鄂尔多斯盆地伊陕斜坡构造演化的相对稳定性和统一性,同样以3%作为核磁共振录井技术评价上古生界砂岩是否为有效储集层的孔隙度下限,并以区域平均孔隙度的上限8%作为划分气层和差气层(低产气层)的物性评价分界,参照《录井资料质量考核及验收评级规范》规定的解释结论界定标准并结合气水两相储集层渗流敏感程度,确立鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层流体性质解释评价标准(表2),将解释标准形成交会图板即图3。依据此图板即可对鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储集层进行流体性质的录井解释评价。

4 应用效果

中国石油渤海钻探第一录井公司和长庆油田盆地东部天然气勘探项目组技术人员以取心气探井为依托,对核磁共振录井解释评价标准进行了验证性应用,并对应用效果进行了跟踪统计。共有8口井应用核磁共振录井技术,核磁共振录井解释评价储集层129.8 m/55层,其中在上古生界砂岩进行试气的有3口井24.8 m/5层,符合4层,不统计1层,解释符合率达到100%,新建标准得到验证(表3)。

4.1 SH 131井

SH 131井在太原组2 143.602 144.32 m取心0.82 m,岩性为浅灰色含气含砾粗砂岩。该段核磁共振录井分析样品7个,样品孔隙度数值分布区间为4.87%~6.00%,平均5.37%;有效含气系数数值分布区间为0.64~0.72,平均0.68(表4)。

将分析样品的孔隙度和有效含气系数交会投影到解释图板上,落点集中分布于气水同层区(图3),故解释该层为气水同层,核磁共振录井解释成果图为图4。

最终,该井在太原组2 142.002 145.00 m压裂试气,产气3 036 m³/d,产水1.8 m³/d,试气结论为气水同层,核磁共振录井解释评价结果与试气结论一致。

4.2 L 30井

L 30井在石盒子组3 764.033 767.42 m取心3.39 m,岩性为灰白色含气粗砂岩。该段核磁共振录井分析样品22个,样品孔隙度数值分布区间为1.76%~5.17%,平均3.20%;有效含气系数数值分布区间为0.15~0.95,平均0.88。

将分析样品的孔隙度和有效含气系数交会投影到解释图板上,落点集中分布于干层区和差气层区,但以差气层区为主(图3),故解释该层为差气层。生成解释成果图为图5。

最终,该井在石盒子组3 765.003 768.00 m压裂试气,产气1 166 m³/d,产水0 m³/d,试气结论为差气层,核磁共振录井解释评价结果与试气结论一致。

5 结束语

鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气藏非浮力成藏的成藏机理,决定了储集层内气水分布关系的复杂性;此外,由于钻井取心对气测异常幅度的影响,更加大了传统气测解释评价的难度.但是,通过应用核磁共振录井技术,不仅实现了对储集层物性这一决定致密砂岩气藏是否具备产出能力的评价,而且实现了对储集层流体性质的精确评价,克服了致密砂岩气藏气水关系复杂和钻井取心对气测解释评价带来的困难和挑战,有效提高了鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气藏录井解释评价符合率,为长庆油田天然气增储上产发挥了录井的突出作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

---

参考文献

文献选项

• 原文顺序
• 文献年度倒序
• 文中引用次数倒序
• 被引期刊影响因子

[1]	吴小红,王清斌,刘晓健,等. 渤海海域深层低孔渗油气藏成因机制分析:以渤中1&2 区块为例 [J]. 地质与勘探,2016,52(4):768-773. [本文引用: 1]      WU Xiaohong,WANG Qingbin,LIU Xiaojian,et al. Genetic mechanism analysis of deep low-porosity and low-permeability reservoirs in the Bohai sea area:an example from Bozhong 1&2 block [J]. Geology and Exploration,2016,52(4):768-773. [本文引用: 1]
[2]	郑杨,杨清宇,王建,等. 苏南地区天然气储集层含水性核磁共振录井解释评价方法 [J]. 录井工程,2014,25(2):51-54. [本文引用: 1]      ZHENG Yang,YANG Qingyu,WANG Jian,et al. Aquosity interpretation and evaluation method of NMR logging for natural gas reservoirs in southern Sulige Gasfield [J]. Mud Logging Engineering,2014,25(2):51-54. [本文引用: 1]
[3]	付金华,魏新善,任军峰. 伊陕斜坡上古生界大面积岩性气藏分布与成因 [J]. 石油勘探与开发,2008, 35(6):664-667. [本文引用: 1]      FU Jinhua,WEI Xinshan,REN Junfeng. Distribution and genesis of large-scale Upper Palaeozoic lithologic gas reservoirs on Yi-Shaan Slope [J]. Petroleum Exploration and Development,2008,35(6):664-667. [本文引用: 1]
[4]	李静叶, 王祝文, 刘菁华,等. 核磁测井资料在复杂储层评价中的应用效果 [J]. 物探与化探, 2012, 36(1):84-88. [本文引用: 1]      LI Jingye,WANG Zhuwen,LIU Jinghua,et al. The application of NMR logging in complex formation evaluation [J]. Geophysical and Geochemical Exploration,2012,36(1):84-88. [本文引用: 1]
[5]	杨小明,石玉江,张海涛,等. 苏里格气田致密气下限重新认识 [J]. 测井技术,2014,38(3):325-329. [本文引用: 1]      YANG Xiaoming,SHI Yujiang,ZHANG Haitao,et al. Re-recognize lower-bound of Sulige Gasfield tight gas [J]. Well Logging Technology,2014,38(3):325-329. [本文引用: 1]