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岩样核磁共振分析方法及其在油田勘探中的应用

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
资源描述:
文 章 编 号 :1001 - 6112 (2009) 01 - 0097 - 04岩 样 核 磁 共 振 分 析 方 法及 其 在 油 田 勘 探 中 的 应 用肖 秋 生 1 ,朱 巨 义 2(1. 中 国 石 油 化 工 股 份 有 限 公 司 江 苏 油 田 分 公 司 勘 探 处 ,江 苏 扬 州   225009 ; 石 油 化 工 股 份 有 限 公 司 江 苏 油 田 分 公 司 地 质 测 井 处 ,江 苏 扬 州   225003)摘 要 :岩 样 核 磁 共 振 分 析 是 利 用 氢 原 子 核 在 外 加 磁 场 的 作 用 下 形 成 核 磁 共 振 现 象 的 这 一 特 性 ,重 复 测 量 同 一 样 品 在 不 同 处 理 阶段 的 核 磁 共 振 信 号 以 及 该 样 品 的 横 向 弛 豫 时 间 ( 止 值 ,从 而 求 取 储 层 的 孔 隙 度 、 渗 透 率 、 可 动 流 体 饱 和 度 等 地 质 参 数 的 一 项新 的 录 井 技 术 。 其 测 量 结 果 仅 与 样 品 的 孔 隙 结 构 、 孔 隙 流 体 性 质 及 其 赋 存 状 态 有 关 ,与 岩 石 骨 架 的 矿 物 成 分 无 关 ,据 此 可 以 很 好地 判 断 油 田 勘 探 工 作 中 面 临 的 低 孔 、 低 渗 、 低 阻 、 特 殊 岩 性 储 层 的 孔 隙 结 构 和 流 体 性 质 。 该 项 技 术 的 应 用 ,实 现 了 储 层 物 性 分 析从 室 内 到 钻 井 现 场 的 迁 移 ,分 析 对 象 从 岩 心 拓 展 到 岩 屑 ,具 有 用 量 少 、 速 度 快 、 成 本 低 、 获 取 参 数 多 、 准 确 性 高 等 优 点 。 将 其 分 析结 果 与 其 它 测 、 录 井 资 料 相 结 合 ,可 以 更 及 时 有 效 地 对 储 集 层 进 行 评 价 。关 键 词 :核 磁 共 振 ;氢 原 子 核 ;孔 隙 度 ;渗 透 率 ;可 动 流 体 饱 和 度 ;油 气 藏中 图 分 类 号 : 13                     文 献 标 识 码 :F N 1. x J il f d B S I N O P J 25009 , . y & L og J il f d B S I N O P J 25003 , of is a is on p MR an MR 2 at p as of be is to of of f is ul of in in to of sf to it as in ot of 油 田 勘 探 开 发 工 作 的 不 断 深 入 ,许 多 老 油田 的 勘 探 开 发 目 标 逐 渐 向 小 断 块 、 小 砂 体 、 薄 互 层 、低 阻 、 火 成 岩 等 复 杂 油 气 藏 转 移 ,这 类 油 气 藏 的 录井 评 价 工 作 逐 渐 成 为 录 井 分 析 家 们 评 价 研 究 的 新重 点 。 随 着 地 化 、 热 解 色 谱 、 定 量 荧 光 等 录 井 新 技术 的 运 用 ,录 井 行 业 在 油 气 藏 评 价 方 面 取 得 了 较 大的 进 步 ,对 提 高 油 气 水 层 的 解 释 符 合 率 起 到 了 一 定作 用 ,但 面 对 低 孔 、 低 渗 、 低 阻 等 复 杂 储 集 层 时 ,这 些收 稿 日 期 :2008 - 03 - 03 ;修 订 日 期 :2008 - 12 - 01。作 者 简 介 :肖 秋 生 (1963 — ) ,男 ,高 级 工 程 师 ,主 要 从 事 油 气 勘 探 研 究 与 管 理 工 作 。 金 项 目 :中 国 石 化 科 技 攻 关 项 目 (J 。第 31 卷 第 1 期2009 年 2 月                     石   油   实   验   地   质                                 31 ,1,2009录 井 方 法 都 在 一 定 程 度 上 显 示 其 局 限 性 。 近 几 年的 实 践 表 明 ,岩 样 核 磁 共 振 录 井 技 术 作 为 一 项 新 兴的 录 井 分 析 技 术 ,在 复 杂 油 气 藏 的 评 价 过 程 中 具 有经 济 、 适 用 、 便 捷 、 评 价 准 确 等 特 点 ,显 示 出 了 一 定的 优 势 [1 ,2 ] 。1   岩 样 核 磁 共 振 分 析 的 基 本 原 理1945 年 斯 坦 福 大 学 的 授 和 哈 佛 大 学的 授 领 导 的 2 个 研 究 小 组 相 继 发 现 了 核磁 共 振 ( 现 象 , 从 此 开 创 了 一 门 新 的 科学 — — — 核 磁 共 振 波 谱 学 。 经 过 了 50 多 年 的 探 索 和发 展 ,核 磁 共 振 已 广 泛 应 用 于 化 学 、 石 油 、 地 学 、 食品 和 医 学 等 工 业 领 域 [1~ 3 ] 。与 氢 核 的 磁 性 参 数 相 比 ,油 田 在 钻 井 过 程 中 获取 的 岩 心 、 岩 屑 或 井 壁 取 心 样 品 孔 隙 中 常 见 的 其 它几 种 主 要 元 素 的 磁 性 相 对 灵 敏 度 可 以 忽 略 不 计 (表1) ,而 岩 石 的 固 体 部 分 一 般 不 含 氢 原 子 ,所 以 岩 样核 磁 共 振 检 测 的 对 象 是 岩 样 孔 隙 流 体 的 氢 原 子 核(1 H) [1 ] 。所 谓 核 磁 共 振 ,就 是 指 在 特 定 的 条 件 下 ,氢 原子 核 在 外 加 磁 场 的 作 用 下 发 生 强 烈 的 相 互 作 用 ,即共 振 现 象 。 利 用 此 特 性 ,可 以 检 测 到 流 体 的 核 磁 共振 信 号 强 弱 及 豫 时 间 的 长 短 。 流 体 的 核 磁共 振 信 号 强 弱 及 豫 时 间 的 长 短 包 含 着 丰 富的 油 层 物 理 信 息 。 具 体 体 现 在 :单 位 样 品 中 核 磁 共振 信 号 的 强 弱 对 应 于 样 品 孔 隙 中 流 体 的 总 量 ,也 就是 样 品 的 总 孔 隙 度 ;而 豫 时 间 的 长 短 主 要 取决 于 岩 石 表 面 对 孔 隙 流 体 作 用 力 的 强 弱 ,小 孔 隙 内的 流 体 受 岩 石 表 面 的 作 用 力 强 ,常 呈 束 缚 状 态 , 时 间 短 ;大 孔 隙 内 的 流 体 受 岩 石 表 面 的 作 用 力弱 ,呈 可 动 状 态 , 豫 时 间 长 。 因 此 可 以 通 过 求取 止 值 来 分 别 求 取 可 动 流 体 和 非 可 动 流 体的 孔 隙 度 。 此 外 ,将 岩 样 浸 泡 在 浓 度 为 0. 5 %的 溶 液 中 一 定 时 间 后 , 充 分 扩 散 到 岩 样内 的 水 相 中 ,消 除 了 水 相 的 核 磁 信 号 ,此 时 测 量 得 到表 1   孔 隙 流 体 中 常 见 原 子 核 的 磁 性 参 数   of in 丰 度 , % 自 旋 量 子 数 核 磁 矩 /μ N 相 对 灵 敏 度1 H 99. 990 1/ 2 2. 792 68 1. 0013 C 1. 010 1/ 2 0. 702 20 1. 59 × 10 - 223 00. 000 3/ 2 2. 216 10 9. 25 × 10 - 335 5. 400 3/ 2 0. 820 91 4. 70 × 10 - 343 . 145 7/ 2 1. 315 30 6. 40 × 10 - 3的 仅 是 油 相 的 核 磁 信 号 ,比 较 两 次 测 量 结 果 就 可 以定 量 计 算 含 油 饱 和 度 和 含 水 饱 和 度 。 最 后 利 用 测 得的 岩 样 孔 隙 度 和 束 缚 水 饱 和 度 参 数 ,借 助 于 经 验 公式 可 定 量 求 取 岩 样 的 渗 透 率 [1 ,4 ] 。需 要 指 出 的 是 ,在 进 行 岩 样 核 磁 共 振 分 析 时 ,样品 在 从 井 底 到 地 面 再 被 送 到 核 磁 分 析 的 过 程 中 ,孔隙 流 体 可 能 会 有 少 部 分 被 挥 发 掉 ,原 油 组 分 越 轻 ,挥发 量 就 越 多 。 因 此 求 取 的 含 油 饱 和 度 为 实 际 饱 和 度的 下 限 值 ,而 求 取 的 含 水 饱 和 度 为 实 际 饱 和 度 的 上限 值 。2   岩 样 核 磁 共 振 分 析 的 方 法2. 1   岩 心 样 品 的 取 样 与 分 析2. 1. 1   取 样 要 求对 于 需 要 分 析 的 岩 心 样 品 (含 井 壁 取 心 样 品 ,下同 ) ,为 了 减 少 样 品 中 流 体 的 挥 发 量 ,要 求 岩 心 出 筒后 2 h 内 对 岩 心 的 新 鲜 部 位 进 行 取 样 ,岩 样 体 积 在(1~ 3) (1~ 3) (1~ 3) 体 积 大 于 20 ,所 取 岩 心 样 品 不 能 被 二 次 污 染 。 岩 心 样 品 挑 选好 后 ,立 即 密 封 保 存 在 低 于 25 ℃ 的 容 器 中 。2. 1. 2   第 一 次 核 磁 共 振 测 量样 品 在 未 进 行 任 何 处 理 之 前 测 量 ,测 得 初 始 状态 油 + 水 的 总 核 磁 共 振 信 号 。2. 1. 3   第 二 次 核 磁 共 振 测 量用 抽 真 空 的 方 法 抽 出 样 品 内 的 空 气 ,使 岩 屑 样品 的 孔 隙 空 间 内 充 满 液 体 (油 或 水 ) 。 测 得 的 信 号为 样 品 孔 隙 中 油 + 水 的 总 核 磁 共 振 信 号 。 与 原 始状 态 测 得 的 信 号 相 比 ,差 值 反 映 的 是 样 品 中 油 气 的逃 逸 程 度 。2. 1. 4   第 三 次 核 磁 共 振 测 量用 溶 液 浸 泡 岩 样 ,锰 离 子 扩 散 进 入岩 样 内 的 水 相 中 后 ,消 除 了 水 相 的 核 磁 共 振 信 号 ,此 时 只 测 得 油 相 的 核 磁 共 振 信 号 ,油 + 水 的 总 核 磁共 振 信 号 减 去 油 相 的 核 磁 共 振 信 号 即 为 水 相 的 核磁 共 振 信 号 。2. 1. 5   止 值 的 求 取 止 值 是 进 行 储 层 参 数 计 算 的 关 键 参 数 ,在 利 用 计 算 储 层 有 效 孔 隙 度 、 束 缚 水 孔 隙 度和 可 动 流 体 孔 隙 度 时 ,准 确 的 止 值 是 正 确 计算 这 些 参 数 的 前 提 。 一 般 情 况 下 ,砂 泥 岩 地 层 的 止 值 的 经 验 值 为 33 碳 酸 盐 岩 地 层 为 98但 由 于 样 品 所 处 沉 积 环 境 的 不 同 ,地 层 矿 物含 量 的 差 异 ,不 同 地 区 具 有 不 同 的 止 值 [5~ 7 ] 。实 际 工 作 中 ,通 常 是 对 一 个 地 区 选 取 有 代 表 性 的 一定 数 目 的 岩 样 进 行 室 内 分 析 ,求 得 每 块 岩 样 的 可 动·89·             石   油   实   验   地   质                           第 31 卷    流 体 布 截 止 值 ,然 后 取 其 平 均 值 作 为 该 地 区的 可 动 流 体 止 值 标 准 。 测 量 方 法 是 :首 先 对饱 和 流 体 的 岩 心 进 行 核 磁 豫 时 间 谱 测 试 ,然后 将 岩 样 置 于 离 心 机 中 ,按 一 定 要 求 进 行 高 速 离心 ,对 渗 透 率 大 于 10 × 10 - 3μ 高 、 中 渗 样 品 离心 力 控 制 在 689. 5 对 渗 透 率 小 于 10 × 10 - 3μ 低 渗 样 品 离 心 力 控 制 在 1 034 离 心 完成 后 再 对 岩 样 进 行 核 磁 共 振 试 。 通 过 比 较离 心 前 后 的 变 化 即 可 确 定 出 所 分 析 岩 样 的可 动 流 体 止 值 。确 定 止 值 的 另 一 种 方 法 是 经 验 法 [4 ] ,当所 测 样 品 出 现 双 峰 或 多 峰 时 ,一 般 认 为 值 大 约 在 第 一 个 峰 和 第 二 个 峰 交 会 的谷 点 附 近 ,将 左 峰 (小 于 止 值 ) 称 为 不 可 动峰 ,右 峰 (大 于 止 值 ) 称 为 可 动 峰 ,可 动 峰 与不 可 动 峰 的 下 包 面 积 之 比 即 为 可 动 与 不 可 动 流 体体 积 之 比 [8 ,9 ] (图 1) 。2. 1. 6   参 数 计 算利 用 3 次 核 磁 共 振 测 量 分 别 得 到 的 油 + 水 的核 磁 共 振 和 油 相 的 核 磁 共 振 ,可 定 量计 算 所 测 岩 样 的 孔 隙 度 、 渗 透 率 、 含 油 饱 和 度 、 含 水饱 和 度 、 可 动 水 饱 和 度 、 束 缚 水 饱 和 度 、 可 动 油 饱 和度 及 残 余 油 饱 和 度 等 参 数 。 通 过 上 述 各 项 参 数 ,不仅 能 够 对 储 层 的 好 差 作 出 分 类 评 价 ,而 且 能 够 识 别油 水 层 。 求 取 孔 隙 度 和 渗 透 率 的 计 算 公 式 如 下 :Φ ∑im 100 Φ V :Φ 品 核 磁 孔 隙 度 , % ; 磁 渗 透率 ,10 - 3μ M 为 标 准 样 品 的 总 幅 度 ; 品 第 i 个 量 的 核 磁 共 振 幅 度 ;V 为图 1   苏 北 盆 地 高 邮 凹 陷 花 心 样 品 可 动 流 体 和不 可 动 流 体 及 止 值 分 布 示 意1   2 of in ag of 样 品 总 含 水 量 , v 为 样 品 的 体 积 , S、 为 标 准 样 品 核 磁 共 振 数 据 采 集 时 的 累 积 次数 和 接 受 增 益 ;s、 g 分 别 为 样 品 核 磁 共 振 数 据 采 集时 的 累 积 次 数 和 接 受 增 益 ; B V M 为 可 动 水 饱 和度 , % ; B V I 为 束 缚 水 饱 和 度 , % ; 待 定 系 数 ,无量 纲 ,一 般 采 用 地 区 经 验 值 。2. 2   岩 屑 样 品 的 取 样 与 分 析录 井 现 场 岩 屑 取 出 洗 净 后 ,挑 取 未 经 烘 干 处 理的 岩 屑 样 品 ,单 颗 岩 屑 粒 径 需 大 于 2 样 品 总重 量 大 于 2 g ,样 品 不 能 被 二 次 污 染 。 挑 选 好 样 品后 ,即 浸 入 浓 度 各 为 0. 5 %的 合 溶液 中 ,作 好 标 记 。 分 析 步 骤 除 不 进 行 岩 心 分 析 的 第一 次 测 量 项 目 外 ,其 它 均 与 岩 心 分 析 一 致 。3   应 用 实 例3. 1   仪 器 的 选 择本 次 分 析 使 用 的 仪 器 为 中 科 院 廊 坊 渗 流 力 学研 究 所 依 据 核 磁 共 振 原 理 研 制 的 2500型 便 携 式 核 磁 共 振 岩 样 分 析 仪 ,该 仪 器 具 有 轻 便 、快 速 、 灵 敏 度 高 等 特 点 。 它 不 仅 可 以 分 析 岩 心 、 井壁 取 心 样 品 ,也 可 以 检 测 粒 径 在 2 上 的 岩 屑样 品 ,为 现 场 快 速 检 测 储 层 物 性 和 判 断 孔 隙 流 体 性质 奠 定 了 基 础 。3. 2   分 析 结 果本 次 岩 样 核 磁 共 振 分 析 的 对 象 是 苏 北 盆 地 海安 凹 陷 李 堡 地 区 泰 州 组 的 含 油 岩 心 和 岩 屑样 品 。 先 后 共 取 2 482. 54~ 2 491. 42 m 井 段 岩 心样 品 22 块 ,2 471~ 2 541 m 井 段 岩 屑 样 品 24 包 ,通 过 挑 样 进 行 核 磁 共 振 分 析 ,获 得 了 每 块 样 品 的 孔隙 度 、 渗 透 率 、 可 动 油 饱 和 度 、 残 余 油 饱 和 度 、 可 动水 及 束 缚 水 饱 和 度 等 储 层 参 数 (图 2) 。 最 后 ,利 用上 述 参 数 对 目 的 层 进 行 了 解 释 ,得 出 岩 样 核 磁 共 振分 析 油 水 层 解 释 成 果 (表 2) 。图 2   苏 北 盆 地 海 安 凹 陷 堡 512 样 品 分 布2   2 at 512 m ag of 9·  第 1 期                   肖 秋 生 等 . 岩 样 核 磁 共 振 分 析 方 法 及 其 在 油 田 勘 探 中 的 应 用        表 2   苏 北 盆 地 海 安 凹 陷 堡 磁 共 振 分 析 结 果   of MR in ag of 井 段 / m 孔 隙 度 , % 渗 透 率 / 10 - 3μ 油 饱 和 度 , % 束 缚 水 饱 和 度 , % 可 动 水 饱 和 度 , % 油 水 层 评 价1 2 471~ 2 472 18. 6 10. 7 29. 3 50. 1 20. 6 油 水 同 层2 2 477~ 2 478 15. 6 14. 8 48. 6 40. 0 11. 4 油 层3 2 481~ 2 487 18. 3 17. 9 34. 0 50. 5 15. 5 油 层4 2 508~ 2 511 16. 5 136. 0 55. 6 21. 2 23. 2 油 层5 2 512~ 2 518 18. 0 86. 9 45. 5 28. 7 25. 8 油 水 同 层6 2 537~ 2 541 17. 9 42. 3 0 48. 8 51. 2 水 层完 井 后 对 该 井 进 行 了 试 油 工 作 ,射 开 2 537~2 541 ,折 算 日 产 水 88 随 后 射 开 2 508~2 511 ,折 算 日 产 油 21. 8 不 含 水 。 试 油结 果 验 证 了 核 磁 共 振 分 析 成 果 的 准 确 性 [ 11 ] 。4   结 论岩 样 核 磁 共 振 分 析 技 术 的 应 用 ,实 现 了 储 层 物性 分 析 从 室 内 到 钻 井 现 场 的 迁 移 ,分 析 对 象 从 岩 心拓 展 到 岩 屑 和 井 壁 取 心 ;具 有 用 量 少 、 速 度 快 、 成 本低 、 岩 样 无 损 、 获 取 参 数 多 、 准 确 性 高 、 可 随 钻 分 析等 优 点 。 通 过 岩 样 核 磁 共 振 分 析 技 术 可 获 取 储 层的 孔 隙 度 、 渗 透 率 、 饱 和 度 以 及 储 层 的 孔 径 大 小 及 分布 特 征 等 地 质 参 数 。 将 其 分 析 结 果 与 其 它 测 、 录 井资 料 相 结 合 ,可 以 更 及 时 有 效 地 对 储 集 层 进 行 精 确评 价 ,为 油 田 的 勘 探 开 发 提 供 可 靠 的 第 一 手 资 料 。参 考 文 献 :1   肖 立 志 , 柴 细 元 , 孙 保 喜 等 . 核 磁 共 振 测 井 资 料 解 释 与 应 用 导论 [ M ] . 北 京 :石 油 工 业 出 版 社 ,20012   曾 文 冲 . 油 气 藏 储 集 层 测 井 评 价 技 术 [ M ] . 北 京 :石 油 工 业 出 版社 ,19913   陆 大 卫 ,李   宁 ,匡 立 春 等 . 石 油 测 井 新 技 术 适 用 性 典 型 图集 [ M ] . 北 京 :石 油 工 业 出 版 社 ,20014   王 悦 田 ,宋 明 会 ,曹 信 儒 . 核 磁 共 振 录 井 技 术 在 油 田 勘 探 中 的 应用 [J ] . 中 国 石 油 勘 探 ,2005 ,39 (4) :66~ 705   毛 凤 鸣 ,戴   靖 . 复 杂 小 断 块 石 油 勘 探 开 发 技 术 [ M ] . 北 京 :中国 石 化 出 版 社 ,2005. 194~ 3806   丁 贵 明 ,张 一 伟 ,吕 鸣 岗 等 . 油 气 勘 探 工 程 [ M ] . 北 京 :石 油 工业 出 版 社 ,1997. 174~ 1777   段 传 丽 ,陈 践 发 ,郭 建 军 等 . 实 验 室 条 件 下 厌 氧 降 解 原 油 及 次 生气 体 地 球 化 学 特 征 [J ] . 石 油 实 验 地 质 ,2008 ,30 (3) :297~ 3028   李 明 诚 . 油 气 运 移 基 础 理 论 与 油 气 勘 探 [J ] . 地 球 科 学 — — — 中国 地 质 大 学 学 报 ,2004 ,29 (4) :379~ 3839   蔡 希 源 . 中 国 石 化 油 气 勘 探 回 顾 与 展 望 [J ] . 石 油 与 天 然 气 地质 ,2006 ,27 (6) :715~ 72110   刘 玉 瑞 ,刘 启 东 ,杨 小 兰 . 苏 北 盆 地 走 滑 断 层 特 征 与 油 气 的 聚集 关 系 [J ] . 石 油 与 天 然 气 地 质 ,2004 ,25 (3) :279~ 293(编 辑   李 凤 丽 )(上 接 第 96 页 )7   周 雷 风 ,王 荣 福 . 三 元 抽 提 物 的 地 球 化 学 特 征 [J ] . 石 油 实 验 地质 ,1990 ,12 (4) :395~ 4068   许   敏 ,郭 绍 辉 ,李 术 元 等 . 烃 源 岩 的 溶 剂 抽 提 研 究 [J ] . 石 油大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) ,2001 ,25 (3) :49~ 549   of to st of J ] 1998 ,77 (3) :211~ 21310   李 春 兰 . 超 临 界 流 体 抽 提 技 术 与 应 用 [J ] . 油 气 地 质 与 采 收率 ,2002 ,9 (4) :31~ 3211   宋 一 涛 ,廖 永 胜 ,张 守 春 . 半 咸 — 咸 水 湖 相 烃 源 岩 中 两 种 赋 存状 态 可 溶 有 机 质 的 测 定 及 其 意 义 [ J ] . 科 学 通 报 , 2005 ,50 (14) :1531~ 153412   郭 绍 辉 ,李 术 元 ,陈 志 伟 等 . 低 熟 烃 源 岩 的 超 强 混 合 溶 剂 抽 提及 其 地 球 化 学 意 义 [J ] . 石 油 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) ,2000 ,24 (3) :50~ 5313   , L . of s s[J ] . J 2006 ,38 :167~ 18014   K , K , . s J ] . 1989 ,406 :468~ 47615   , , M , et of s ] , 1991 ,37 :950~ 99416   , J , , et a h of to J ] . J 2002 ,24 :123~ 135(编 辑   徐 文 明 )·001·             石   油   实   验   地   质                           第 31 卷    
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