引用本文
刘达贵, 冯雪, 童川, 杨紫彦, 杨琳, 陈雷. 岩屑核磁共振录井的适用性探讨[J]. 录井工程, 2024,35(2): 22-27.
LIU Dagui, FENG Xue, TONG Chuan, YANG Ziyan, YANG Lin, CHEN Lei. Discussion on applicability of cuttings NMR logging[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(2): 22-27.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.02.004  
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岩屑核磁共振录井的适用性探讨
刘达贵, 冯雪, 童川, 杨紫彦, 杨琳, 陈雷
中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院

作者简介：刘达贵 高级工程师,1970年生,1991年毕业于重庆石油学校石油地质勘探专业,现在中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院从事油气地质勘探和录井解释评价工作。通信地址：610051 四川省成都市建设北路一段83号。电话：13550100638。E-mail：liudg-sc@cnpc.com.cn

收稿日期: 2023-12-19
基金: 中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院2022年科研计划项目“川渝地区油基钻井液条件下录井流体性质快速判别方法研究”（编号：CQ2022B-F-5-1）
摘要

为了使核磁共振录井技术在油气田勘探开发中发挥更大的作用,以四川盆地致密砂岩为研究对象,探讨岩屑核磁共振录井的适用性。分析了相同层段、不同颗粒直径的岩屑核磁共振孔隙度和渗透率,建立了岩屑核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度、岩屑核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率的数学模型。研究结果表明：同一柱塞岩心样品,核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度、核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率相关系数 r值分别为0.99、0.86;相同层段、不同颗粒直径的岩屑,核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度、核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率对比,随着岩屑颗粒直径变小,相关系数 r值均减小,相关性变差;岩屑颗粒直径不小于3 mm时,核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度相关系数 r值均不小于0.90,核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率相关系数 r值均不小于0.73。这表明录井现场PDC钻头岩屑颗粒直径也能够满足核磁共振录井技术的应用。

关键词: 岩屑核磁共振录井; 岩心实验数据; 孔隙度; 渗透率; 相关性
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Discussion on applicability of cuttings NMR logging
LIU Dagui, FENG Xue, TONG Chuan, YANG Ziyan, YANG Lin, CHEN Lei
Geological Exploration & Development Research Institute, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited,Chengdu, Sichuan 610051, China
Abstract

In order to make NMR logging technology play a more important role in oil-gas field exploration and development, the applicability of the cuttings NMR logging was discussed by taking the tight sandstones of Sichuan Basin as the object of study. The NMR porosity and permeability of rock cuttings with the same interval and different particle diameters were analyzed. The mathematical models of cuttings NMR porosity and core lab determining porosity, cuttings NMR permeability and core lab determining permeability were established. The study shows that for the same plunger core sample, the correlation coefficients （ r values） of NMR porosity and core lab determining porosity, NMR permeability and core lab determining permeability are 0.99 and 0.86, respectively. For rock cuttings with the same interval and different particle diameters, NMR porosities and core lab determining porosities, NMR permeabilities and core lab determining permeabilities are compared. As the particle diameters of rock cuttings decrease, the correlation coefficients （ r values） decrease and the correlations become worse. For the particle diameters of rock cuttings are not less than 3 mm, the correlation coefficients （ r values） between NMR porosities and core lab determining porosities are not less than 0.90, the correlation coefficient （ r values ） between NMR permeabilities and core lab determining permeabilities are not less than 0.73. The results show that the particle diameters of PDC bit cuttings in mud logging site can also meet the application of NMR logging technology.

Keyword: cuttings NMR logging; core experimental data; porosity; permeability; correlativity
0 引言

核磁共振是磁矩不为零的原子核, 在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂, 共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。在油气勘探中核磁共振最早用于测井领域, 核磁测井最早可以追溯至20世纪50年代末[1]。

21世纪初, 随着录井新技术的发展, 油气录井引入核磁共振, 并得到迅速发展[2]。核磁共振录井可以测定岩石的孔隙度、渗透率、可动流体、含油饱和度、孔径分布、砂岩润湿性、原油粘度等多种参数[3], 目前基于核磁共振录井评价储层和判定流体的方法较多, 如谱图法[4, 5]、图板法[6, 7, 8, 9]、谱图法+图板法[10]、谱图法+荧光法[11]等, 但解释方法依据的资料均基于岩心核磁共振录井, 因此在油气勘探领域中应用面较窄。虽然前人对岩屑核磁共振分析进行了实验研究[12, 13, 14, 15], 也得出了一些有价值的认识, 但目前仍未得到推广应用。

本文拟从岩心实验室测定孔隙度、渗透率与不同颗粒直径岩屑核磁共振孔隙度、渗透率对比分析, 探讨岩屑核磁共振录井的可行性, 以便录井现场推广应用。

1 孔隙度和渗透率测定、分析结果
1.1 样品准备

在单块岩心中心部位水平方向上钻取1个柱塞样品, 用于实验室和岩心柱塞样核磁共振测定孔隙度、渗透率。

单块岩心在其中心部位取大小约为25 mm× 25 mm× 30 mm样品作岩心核磁共振分析。完成实验室测定所用柱塞样品和岩心核磁共振分析样品后破碎岩心, 用不同孔径岩屑筛筛选出岩屑颗粒直径不等的岩屑。本次实验用18目（1 mm）、10目（2 mm）、8目（3 mm）、6目（4 mm）、4目（6 mm）、3目（8 mm）、2目（12.5 mm）共7个岩屑筛, 筛选出岩屑颗粒直径不等的岩屑共7种, 岩屑颗粒直径从大到小依次为d≥ 12.5 mm、8≤ d< 12.5 mm、6≤ d< 8 mm、4≤ d< 6 mm、3≤ d< 4 mm、2≤ d< 3 mm和1≤ d< 2 mm。

1.2 实验室测定孔隙度、渗透率

实验室利用氮气作为测定介质, 对所取的6个岩心柱塞样品进行岩石密度、孔隙度和渗透率测定, 其结果为：岩石密度最大2.53 g/cm3, 最小2.49 g/cm3; 孔隙度最高6.55%, 最低5.03%; 渗透率最高0.873 mD, 最低0.301 mD（表1）。

表1 岩心柱塞样品实验室测定结果
1.3 核磁共振分析孔隙度

本次核磁共振孔隙度、渗透率分析过程为了更好地模拟录井现场, 快速评价岩屑孔隙度、渗透率, 浸泡液选用纯净水, 浸泡时间2 h。

柱塞样岩心及7种不同岩屑颗粒直径的核磁共振孔隙度分析结果如下：柱塞样品（实验室测定后的同一样品）孔隙度最高6.93%, 最低4.33%; 岩心样品孔隙度最高8.46%, 最低5.21%; 岩屑颗粒直径d≥ 12.5 mm, 岩屑样品孔隙度最高9.30%, 最低5.95%; 岩屑颗粒直径8≤ d< 12.5 mm, 岩屑样品孔隙度最高9.01%, 最低5.91%; 岩屑颗粒直径6≤ d< 8 mm, 岩屑样品孔隙度最高9.56%, 最低5.92%; 岩屑颗粒直径4≤ d< 6 mm, 岩屑样品孔隙度最高9.70%, 最低6.31%; 岩屑颗粒直径3≤ d< 4 mm, 岩屑样品孔隙度最高10.36%, 最低7.11%; 岩屑颗粒直径2≤ d< 3 mm, 岩屑样品孔隙度最高12.06%, 最低7.37%; 岩屑颗粒直径1≤ d< 2 mm, 岩屑样品孔隙度最高10.40%, 最低6.61%。随着岩屑颗粒直径减小, 核磁共振孔隙度分析数据变大（表2）。

表2 不同样品类型核磁共振孔隙度分析结果 /%
1.4 核磁共振分析渗透率

柱塞样、岩心及7种不同岩屑颗粒直径的核磁共振渗透率分析结果如下：柱塞样品（实验室测定后的同一样品）渗透率最高0.48 mD, 最低0.04 mD; 岩心样品渗透率最高1.87 mD, 最低0.18 mD; 岩屑颗粒直径d≥ 12.5 mm, 岩屑样品渗透率最高1.73 mD, 最低0.39 mD; 岩屑颗粒直径8≤ d< 12.5 mm, 岩屑样品渗透率最高2.51 mD, 最低0.47 mD; 岩屑颗粒直径6≤ d< 8 mm, 岩屑样品渗透率最高3.08 mD, 最低0.47 mD; 岩屑颗粒直径4≤ d< 6 mm, 岩屑样品渗透率最高3.28 mD, 最低0.75 mD; 岩屑颗粒直径3≤ d< 4 mm, 岩屑样品渗透率最高9.49 mD, 最低1.45 mD; 岩屑颗粒直径2≤ d< 3 mm, 岩屑样品渗透率最高5.37 mD, 最低1.45 mD; 岩屑颗粒直径1≤ d< 2 mm, 岩屑样品渗透率最高9.10 mD, 最低1.35 mD。随着岩屑颗粒直径减小, 核磁共振渗透率分析数据变大（表3）。

表3 不同样品类型核磁共振渗透率分析结果 /mD
2 相关性分析

依据岩心实验室测定数据和岩屑核磁共振分析数据, 分别对岩心实验室测定孔隙度与核磁共振孔隙度、岩心实验室测定渗透率与核磁共振渗透率进行相关性分析。

2.1 孔隙度相关性

分别建立柱塞样、岩心及7种不同岩屑颗粒直径的核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度交会图（图1）, 分析其相关性, 结果如下：同一柱塞样核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度、岩心核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度相关系数r值均为0.99; 当岩屑颗粒直径≥ 2.0 mm时, 核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度相关系数r值均不小于0.90; 当岩屑颗粒直径1≤ d< 2 mm时, 核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度相关系数r值为0.33。

图1 核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度关系

2.2 渗透率相关性

分别建立柱塞样、岩心及7种不同岩屑颗粒直径的核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率交会图（图2）, 分析其相关性, 结果如下：同一柱塞样核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率、岩心核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率相关系数r值均不小于0.85; 当岩屑颗粒直径d≥ 3.0 mm时, 核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率相关系数r值均不小于0.73; 当岩屑颗粒直径d< 3.0 mm时, 核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率相关系数r值均不大于0.67。

图2 核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率关系

2.3 综合分析

孔隙度相关性分析结果表明, 当岩屑颗粒直径d≥ 2 mm时, 岩屑核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度相关性较好, r值大于0.90。当岩屑颗粒d< 2 mm时, 岩屑核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度相关性较差, r值仅为0.33。

渗透率相关性分析结果表明, 当岩屑颗粒直径d≥ 3 mm时, 岩屑核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率相关性较好, r值大于0.73。当岩屑颗粒直径d< 3 mm时, 岩屑核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率相关性较差, r值不大于0.67。

3 岩屑核磁共振录井的可行性
3.1 岩屑颗粒直径

PDC钻头因其高效、耐用、经济等特点在油气井钻探中得以广泛应用, 又因其钻屑细小, 增大了录井现场岩性识别、储层判断的难度。

在油气井目的层钻进中, 大多数采用直径为215.9 mm的PDC钻头, 本次未对PDC钻头破碎岩屑颗粒大小进行研究, 据文献调研, 钻头直径为215.9 mm的不同型号PDC钻头破碎岩屑后, 颗粒直径大于3 mm的岩屑占全部岩屑的30%~50%[16]。不同钻井参数条件下PDC钻头破碎岩屑, 颗粒直径2~4 mm的岩屑代表性较好[17]。说明即使目前常用的PDC钻头破碎岩屑细小, 但只要筛选出颗粒直径大于3 mm的岩屑, 核磁共振分析的孔隙度、渗透率也能满足录井现场快速评价储层物性的要求。

3.2 岩屑核磁共振物性

核磁共振录井测定的参数较多, 本次仅讨论储层物性（孔隙度、渗透率）。根据核磁共振测定结果可知, 随着岩屑颗粒直径减小, 核磁共振测定的孔隙度和渗透率数据均存在不同程度的增大。虽然本次核磁共振孔隙度较岩心实验室测定孔隙度平均增大近1.28倍, 核磁共振渗透率较岩心实验室测定渗透率平均增大近4.14倍, 但其相关性较好, 当岩屑颗粒直径大于3 mm时, 孔隙度相关系数r值不小于0.90, 渗透率相关系数r值不小于0.73。因此可建立不同区域、不同层段核磁共振物性与岩心实验室测定物性的数学模型, 根据数学模型校正核磁共振孔隙度和渗透率, 依据校正后的孔隙度和渗透率评价储层物性。

3.3 实验方法

本次核磁共振测定的岩屑是利用钻井取心获得的岩心, 人为敲打、击碎后, 用不同孔径的岩屑筛筛选出相应颗粒直径的岩屑, 这与PDC钻头切削地层形成的岩屑可能存在差异, 下步实验将直接选取PDC岩屑作核磁共振物性分析。

本次核磁共振测定数据点较少, 下步会增加实验数据, 建立更准确的数学模型, 便于校正核磁共振物性数据。

综上所述, 录井现场筛选出颗粒直径大于3 mm岩屑进行核磁共振孔隙度、渗透率分析, 再根据建立的数学模型校正其数据, 校正后的数据可以较准确地表征储层物性的好与差, 能够满足快速评价储层的要求, 这在油气田勘探开发中具有重要意义。

4 结论与认识

（1）同一柱塞样核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度、岩心核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度相关系数r值均为0.99; 同一柱塞样核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率、岩心核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率相关系数r值均不小于0.85。

（2）相同段层、不同颗粒直径的岩屑, 核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度对比, 随着岩屑颗粒直径变小, 相关系数r值减小, 当岩屑颗粒直径小于2 mm, 相关系数r值为0.33, 相关性变差; 核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率对比, 随着岩屑颗粒直径变小, 相关系数r值减小, 当岩屑颗粒直径小于3 mm时, 相关系数r值不大于0.67, 相关性变差。

（3）岩屑颗粒直径不小于3 mm时, 核磁共振孔隙度与岩心实验室测定孔隙度相关系数r值均不小于0.90, 核磁共振渗透率与岩心实验室测定渗透率相关系数r值均不小于0.73, 表明通过筛选, 录井现场PDC钻头所钻岩屑颗粒直径也能够满足核磁共振录井技术的应用。

编辑 陈娟

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