核磁共振技術在勘探生產中的應用

肖歡

（中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東東營 257061）

核磁共振技術在勘探生產中的應用

肖歡

（中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東東營 257061）

1946年核磁共振（NMR）原理提出后，很快受到世人的重視，并使NMR技術發展成為一種研究和測試工具，隨之發展起來的還有核磁共振錄井、測井技術.其中，核磁共振測井可以提供與巖性無關的準確孔隙度，直接測量地層自由流體體積、毛管束縛流體體積、粘土束縛流體體積，提供連續的滲透率曲線，反映儲層孔隙結構，識別油水層：核磁共振錄井技術可以快速檢測巖石物性參數.針對核磁共振測井目的、響應特征和應用效果，我們總結了核磁測井解釋中的五種應用模式；根據核磁共振錄井項目技術特點和現場應用情況，結合試油試采結論，建立了初步的解釋標準和解釋方法.最后以高898井為例進行說明.

核磁共振測井；核磁共振錄井；儲層評價；應用模式

1 概況

1946年核磁共振（NMR）原理提出后，很快受到世人的重視，并使NMR技術發展成為一種研究和測試工具，已經成熟應用于物理學、化學、生物學和醫學等領域中；在石油工業中，包括石油有機地球化學，巖石巖屑分析，地球物理測井，油層物理與滲流及采收率機制研究等方面也得以應用.隨之發展起來的還有核磁共振錄井、測井技術.

核磁共振測井在1996年初開始在勝利油田投入使用.與常規測井技術相比，核磁共振測井可以提供與巖性無關的準確孔隙度，是唯一能直接測量地層自由流體體積、毛管束縛流體體積、粘土束縛流體體積的測井方法，并能提供連續的滲透率曲線；其T2分布可反映儲層巖石的孔隙結構，并計算孔隙大小和孔喉半徑分布；專門設計的采集觀測模式，可以幫助識別油水層［1，2］.

核磁共振錄井技術可以快速檢測巖石物性參數，具有樣品用量少、分析速度快、成本低、巖樣無損、一樣多參、準確性高、連續性強、可隨鉆分析等特點［3-5］.隨著勝利油田油氣勘探步伐的深入，儲層評價技術已向快速、定量、準確評價的方向發展.儲層評價作為油氣勘探開發工作中的重要課題，其主要評價內容包括儲層物性及儲集流體兩大部分.但從全國錄井行業看，核磁共振錄井技術仍處于應用的探索階段，如何將該項技術合理地運用于儲層物性和流體性質評價中從而為油氣勘探的隨鉆分析和現場決策更好地服務顯得尤為重要.

2 核磁測井技術

2.1 核磁共振測井儀器［6-9］

目前，國際測井服務市場處于主導地位的核磁共振儀器有斯倫貝謝的CMR系列（包括CMR、CMR-200、CMR-Plus）和NUMAR公司的MRIL系列（包括阿特拉斯公司的MRIL-C型、和哈里伯頓公司的MRIL-Prime型等）儀器［3-6］.MRIL-Prime型是1998年推出的新一代核磁共振測井儀，屬于居中測量型儀器.目前服務于勝利油田的核磁共振測井儀以該儀器為主.MRIL-Prime型核磁共振測井儀突出優點是測井速度高、數據精度高、耐溫高、多參數采集、能測量粘土束縛水體積含量.

通過技術指標分析及實踐經驗總結，認為MRIL-Prime、MRIL-C和CMR-Plus三種核磁共振測井儀的主要特點如下：

CMR的主要特點：（1）永久磁鐵產生均勻磁場；（2）貼井壁測量，分層能力強；（3）測量體積范圍較??；（4）探測深度淺，受井眼影響大.

MRIL-C的主要特點：（1）永久磁鐵產生梯度磁場；（2）居中測量；（3）使用兩頻或三頻操作，測量范圍較大；（4）雙TW和雙TE測量；（5）探測體積較大，受井眼影響??；（5）耐溫155℃.

MRIL-P的主要特點：（1）加長預極化磁體，提高測速和數據精度；（2）采用9頻5個頻帶測量；（3）4種測量方式，77測井模式，可一次完成雙TW和雙TE的測量；（4）耐溫高達177℃；（5）能夠測量粘土束縛水孔隙度和總孔隙度.

2.2核磁共振測井技術的應用情況

據統計，核磁共振測井在勝利油田應用10年來，截止到2006年11月份累計測井150口.在核磁共振測井服務中，CMR測井40口，MRIL-C測井62口，MRIL-P測井48口.歷年來核磁共振測井情況見下圖.

圖2-1 歷年來核磁共振測井情況統計表

按照儲層巖性和儀器型號分類匯總，可以看出核磁共振測井已廣泛應用于上第三系、中生界、古生界，乃至太古界各地質層位的儲層參數計算和流體識別.涉及到的儲層巖性有各類砂巖、礫巖、火成巖、灰巖、白云巖.其中既有古潛山油藏、低孔低滲油藏，又有薄層、裂縫、溶洞型油藏.

針對核磁共振測井目的、響應特征和應用效果，我們總結了核磁測井解釋中的幾種應用模式：

2.2.1 孔隙度、滲透率和飽和度計算

核磁共振測井測量的是地層孔隙中的氫核，提供了與巖性無關的地層總孔隙度和有效孔隙度.在T2截止值選取合理的情況下，核磁共振測井提供的束縛流體孔隙度和自由流體孔隙度可以直觀地顯示儲層和非儲層.在儲層發育段，標準T2分布以雙峰居多，大多分布在32～2048ms,而且束縛流體孔隙度MBVI小于有效孔隙度，自由流體孔隙度大于零；在非儲層，標準T2分布基本上以單峰居多，并且多數只在0.5～32ms范圍內，束縛流體孔隙度與核磁有效孔隙度基本相同，自由流體孔隙度基本為零.

這個模式主要是提供準確的核磁總孔隙度、有效孔隙度、可動流體孔隙度、粘土束縛流體孔隙度、毛管束縛流體孔隙度、滲透率、區間孔隙度等巖石物理參數，這些參數直觀地顯示了儲層的物性特征，尤其是在低孔低滲、復雜巖性儲層識別和評價中發揮了很大作用.此外，常規電阻率測井探測深度較深，是原狀地層的視電阻率，而核磁共振測井提供的各種孔隙度可以看作是原狀地層的準確信息，因此結合這兩項信息根據雙水模型或Waxman -Smits模型就可以計算出準確的含烴飽和度.

2.2.2 孔隙結構研究

當孔隙中飽含單相流體時，核磁共振T2分布與壓汞毛管壓力曲線Pc都能反映巖石的孔隙結構，二者之間存在著必然的相關性，而且可以相互轉化［10］.同時，根據實驗室的刻度，可以由T2幾何平均值計算平均孔喉半徑（見下圖）.核磁共振測井直接測量儲層巖石的孔隙結構，通過刻度可以得到連續的孔喉半徑分布，為揭示儲集層本質特征.為測井研究孔隙結構，開創了一個新的應用天地，它解決了儲層滲流能力與孔隙結構之間的關系問題.

圖2-3 核磁共振T2譜分布與壓汞計算平均孔喉半徑對比圖

2.2.3 輕質油模式

由于油、氣、水具有不同的弛豫響應特征，特別是輕質油，根據T2分布長弛豫組分的位置和差譜信號的幅度和位置以及TDA定量分析的結果，能夠識別輕質油氣藏.

在輕質油儲層，差譜的長弛豫組分的幅度較高，而水層幾乎沒有信號或信號較弱.同時，可以看到長短不同等待時間核磁共振T2分布的差異主要在可動流體部分.若將雙TW測井資料中兩可動流體體積相減，差值越大，則其含烴的可能性越大，含油飽和度越高.當儲層物性好，核磁共振典型響應特征明顯.

圖2-4 永920井物性較差含輕質油的核磁共振響應特征

在實際生產中，經常會發現油層、水層、氣層在長回波間隔下的T2譜與短回波間隔下的T2譜相比，都有移譜現象.這主要是由于地層流體不僅受擴散性質影響，還受孔隙結構和孔隙度的影響.對于水層，當孔隙結構發育均勻且以大孔徑孔隙為主時，移譜不明顯，當小孔徑的孔隙占主導地位時，不僅移譜明顯，形狀和峰值也發生變化.

當儲層物性較差時，儲集空間較小，所含流體少，核磁共振測井T2譜幅度變小，對儲層流體性質不如物性好的儲層反映敏感.但仍有差譜信號和拖曳現象，移譜不明顯.下圖為一口物性較差含輕質油的典型實例.

2.2.4 稠油解釋模式

原油是不同種類烴的混合物.隨著原油粘度的增加，長弛豫組分減小，短馳豫組分增加，T2譜有規律地變小.下圖列出了50℃溫度條件下，4種粘度原油油樣和礦化度為4000mg/L的鹽水在測量參數為TW=12s，TE=0.9ms，NE=4096實驗室測得的T2譜［5］.可以看出，不同粘度的原油在T2譜上的位置不同，輕質油位于水的可動流體部分，中等粘度的油與水的T2譜重疊，稠油和重稠油位于水的束縛流體部分.雖然原油的分布范圍有重疊的地方，但其峰值卻有明顯的差別，輕質油峰值在1000ms，中度粘度的油峰值在100ms左右，稠油峰值在30～50ms范圍內，重稠油峰值在10ms.在同時含有油和水的孔隙地層中，測得的T2譜是水和油兩個分布的疊加，僅靠T2譜的峰值的變化很難識油氣.稠油粘度大，在TW=1s短等待時間內已基本完全極化，在雙TW測井資料上無差譜信號.為此，針對油、氣、水擴散特征的差異，設計了雙TE測井觀測方式，通過調整回波間隔TE，油與水的信號將往T2減小的方向發生不同程度的位移.水的擴散性好，位移顯著，中等粘度的油擴散性差位移很小，這就是移譜分析.為了使水和中等粘度的油在長回波間隔T2譜上位置分離明顯，采用加強擴散移譜法（EDM）.這種方法與一般移譜測井所不同的是：將長回波間隔（TEL）刻意加長，使水峰向T2減小的方向移動更明顯以達到油、水峰在T2譜上位置的進一步分離從而建立相應的飽和度模型.

圖2-5 鹽水和不同粘度油的T2譜分布

實際生產應用中，在大孔徑高孔隙度的巖石中飽含水時，T1、T2都很長，在2s以內的等待時間,氫核不能完全恢復，故測得的T2譜幅度小.當等待時間從0.8s到10s時，大孔徑高孔隙度中的氫核逐漸恢復，則T2譜幅度增大.從而在水層同樣會產生差譜信號.

MRIL-P型核磁共振儀其最大等待時間為2s，往往在大孔徑高孔隙度水層中出現差譜信號.因此，出現大的差譜信號不一定都是油氣層.稠油的縱向馳豫時間較短，較短的等待時間就能恢復，在稠油層無明顯的差譜信號.在大孔徑高孔隙的地層中，由于稠油層無差譜信號，而水層則有，可以把水層和稠油層識別出來.

2.2.5 非碎屑巖儲層解釋模式

碳酸鹽巖、火成巖等復雜巖性油氣藏儲集空間復雜、非均質性強，用常規測井技術難以進行準確描述.核磁共振測井測量的對象是儲層空間中的流體，因而可以直接用來劃分儲集層，并提供幾乎不受巖性影響的孔隙度等參數；同時，由于其T2分布表征了巖石的孔隙結構，所以可以根據T2分布形態判斷有效裂縫和溶蝕孔洞［10］.

表2-1 核磁測井資料劃分儲集空間類型

由于碳酸鹽巖、火成巖等非碎屑巖結構復雜，儲集空間類型多樣，核磁共振弛豫特征復雜化，給識別儲層流體性質帶來了困難.在評價這些儲層的流體性質時，雖然有時能夠起到輔助作用，但具體應用時要與第一性資料結合，慎重對待.

但是，由于核磁共振測井探測深度淺、采集模式、資料處理解釋復雜等諸多因素的影響，在一些井中應用效果不甚理想，甚至出現與其它測井資料或試油結論不太相符的情況，找出原因和應用對策，指導以后的解釋工作，進一步提高其評價精度.

3 核磁共振錄井技術

核磁共振錄井項目自2005年6月開展以來，先后對儀器的性能（重復性、線性度等）、儀器參數的準確性等方面作了大量的基礎實驗和對比實驗，自2006年4月以來將該項技術大范圍地應用于現場，取得了較好的應用效果.結合該項技術特點和現場應用情況，勝利油田制定了《核磁共振錄井規范》企業標準；結合試油試采結論，建立了初步的解釋標準和解釋方法.

3.1 巖心樣品的物性對比分析

對天然巖心和人造巖心分別進行核磁測量和常規物性分析，分析結果表明其相關性較高.從圖中可以看出三者的趨勢一致，核磁－稱重孔隙度的相關性高于核磁－常規孔隙度的相關性，兩者的相關性均在0.9以上，但核磁與常規孔隙度仍有一定的偏差.

圖3-1 核磁孔隙度－稱重孔隙度－常規孔隙度相關圖

分析造成偏差的原因主要有：

（1）與飽和設備有關，由于流體沒有完全被飽和進入樣品致使核磁測量的流體信號減少，從而出現核磁孔隙度偏低的現象.

（2）與儀器測量下限有關，對于在及其微小孔隙中的流體受到檢測下限的約束致使該部分流體在T2譜中沒有響應.

從滲透率的測量結果看，高滲樣品的核磁分析結果與室內滲透率差別較大，尤其是人造巖心；低滲樣品的核磁分析結果與室內滲透率差別較??；去處5號、8號樣品的測量結果，整體的趨勢大體一致.造成部分樣品的滲透率測量結果差別較大的原因主要與人造巖心和天然巖心的差別以及經驗常數C的確定有關.

圖3-2 核磁滲透率－稱重滲透率－常規滲透率相關圖

3.2 在油氣層評價方面的應用

對已有試油資料或有中途測試的探井進行統計，建立了初步解釋標準.

表3-1 解釋標準表

4 應用實例

高898井低阻油氣層中應用

高898井位于濟陽坳陷東營凹陷樊家－金家鼻狀構造帶西翼，在沙四段2619.70～2627.40m處取心，巖性為棕黃色油浸細砂巖、灰色油斑細砂巖、灰色細砂巖、灰色灰質砂巖；氣測全烴平均7.12%，甲烷2.77%；測井解釋孔隙度18.067%，滲透率29.205%，含水飽和度86.147%，解釋為油水同層.

核磁錄井選取了巖性為棕黃色油浸細砂巖的樣品進行了測量，孔隙度22.01～24.19%，滲透率39.10～80.28mD，可動流體73.73～78.17%，與送給地質院井深相近樣品的常規物性分析結果相關性很好（下表），從分析結果可以看出該段屬于中孔中低滲儲集層，物性較好；核磁含油飽和度較低為9.24%，造成含油飽和度較低的原因主要由于樣品蠟封不嚴密，油氣逸散嚴重，但從譜圖中可以看出儲集層中的液相流體以油水兩相共存、地層水偏多為特征，但地層水以束縛水居多，可動水較少，儲集層應以產油為主，符合油層特征.但測井該層電阻率僅為1.2～1.8歐姆，解釋為油水同層，通過對核磁錄井的物性分析結果和對T2譜分析，認為造成該層低阻的原因可能是由于地層水較多，但地層水以束縛狀態賦存為主，因此該儲集層應不產水或產水少.經過對該段試油后日產油17.6t，不產水，結論為油層，從而證實了核磁錄井所分析的解釋結論.

表4-1 高898井部分樣品孔隙度、滲透率對比表

高898部分樣品的T2譜

5 結論及建議

（1）影響核磁共振測井的因素是多方面的，影響主次也各不相同.在分析核磁資料時，要全面分析流體性質，了解地層的溫度和壓力，儲層的孔隙度和孔徑大小等影響因素.

（2）核磁共振錄井能夠快速求取孔隙度、滲透率、可動流體指數等參數，及時準確劃分儲集層、非儲集層.能準確判斷低滲透儲層是否為有效儲集層.

（3）核磁共振錄井技術具有快速、簡捷、價格低廉等優點，在測取含油飽和度方面有其獨特的優勢.

（4）僅從標準T2譜識別油氣，難度大，具有多解性，但在了解目的層的溫度、壓力和油的粘度、原油組分等帶地區性的參數之后，T2譜對識別油氣還是有很大幫助的.

（5）將壓汞資料分析得到的孔徑分布模式與相應的巖石T2分布譜進行對比,可以確定巖石T2與孔徑大小的轉換關系,從而實現利用馳豫時間定量研究孔隙結構,為進一步利用核磁共振資料定性、定量評價儲層奠定基礎.

通過對比巖心分析、試油結論，將核磁錄井與核磁測井相互驗證，綜合解釋，逐步完善解釋模版，尋找解釋規律，核磁共振技術必將在油田勘探中發揮更加重要的作用.

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1673-260X（2015）05-0177-05