核磁共振測井流體識別及擴散分析方法

張嘉偉 賽 芳 宋公仆

（中海油田服務股份有限公司油技研究院，中國 北京101149）

0 引言

核磁共振測井技術作為一項新興技術，目前已經廣泛應用于現場測井作業中。其可以直接測量地層流體的氫原子信息，獲取地層孔隙度、滲透率等重要信息。同時可利用核磁共振獲取地層流體的T2譜分布曲線，進行流體識別及擴散效應，便于快速判斷地層流體的相關特性。同時核磁共振能夠進行粘土束縛水、毛管束縛水、可動流體特性判斷[1]。

1 核磁共振測井技術

1.1 核磁共振物理參數計算

核磁共振測井儀器采集的原始數據是地層中的回波串信息?？紫抖?、滲透率、束縛水、可動水、流體類型等信息全部包含在回波串中。從回波串到巖石物理及流體特性的獲取，需要經過一個基本的處理，即由回波串的多指數擬合得到包含回波串的全部信息的T2分布，如下式（1）所示。

式（1）中，Ai：與第i個T2時間相對應的信號幅度，刻度后成孔隙度單位；T2：T2 組分（bin）或區間；n：劃分的 T2 組分個數。

不同的流體以及相同流體的不同賦存狀態會有不同的T2值。通常粘土束縛水的T2值很短，自由流體的T2值較長，而毛管束縛水的T2值介于粘土束縛水與自由流體之間。因此，根據粘土束縛水與毛管束縛水之間、毛管束縛水與可動流體之間的兩個截止值，可以把一個完整的T2分布分解成粘土束縛水、毛管束縛水與可動流體三部分[2]。巖石物理參數的計算如下：

核磁共振總孔隙度：全部T2分布的積分面積：

核磁共振有效孔隙度：大于4ms的T2分布的積分面積：粘土束縛水含量：小于4ms的T2分布的積分面積：

毛管束縛水含量：大于4ms小于T2截止值的T2分布的積分面積：

可動孔隙度為：FFI=MPHI-MBVI （6）

核磁共振滲透率有兩種計算方法：Coates模型和SDR模型：

Coates模型也稱自由流體模型，其滲透率（K）的最簡單形式由下式給出：

上式（7）中系數C是一個變量，一般默認取10，它取決于地層的沉積過程，對每種地層都是不同的。經驗表明，Coates模型比平均T2模型更靈活，通過恰當的巖心刻度，Coates模型已經成功地應用與不同的地層和儲層。只要MBVI不含任何烴的貢獻，就不受其他流體相，如油和油的濾液的影響。當分析含烴地層時這一點非常重要。

在未沖洗的含氣層，由于含氫指數低，Coates公式中的MPHI可能太低了。這樣MPHI就必須要校正，或者使用其他的孔隙度值。在較高的地層壓力條件下，含有較高殘余氣飽和度的地層，其SBVI和CBVI值較高，使滲透率太低。重油的T2值通常都很短，也被認為是BVI，使滲透率值變小。

SDR模型（平均T2）模型由下式給出：K=a*T2gm2MPHI4（8）

式（8）中T2gm是T2分布的幾何平均值，就像Coates模型中一樣，數值a只是一個與地層的類型有關的系數。經驗表明，SDR模型對只含水的地層應用效果好，當地層含油或油的濾液時，平均T2就向自由流體T2偏移，這樣估算的滲透率不準確。在原狀氣層，相對于沖洗過的氣層T2平均值太低，滲透率偏低。由于烴對T2gm的影響不可校正，因此SDR模型在含烴層不適用。

1.2 流體識別

核磁共振數據可以單獨分析也可以結合常規測井數據進行分析。當核磁共振資料單獨解釋時，可以提供孔隙度、滲透率以及侵入帶的流體類型和流體飽和度的全部信息。有兩種計算模型可以用于核磁數據的獨立分析：TDA模型和擴散分析模型（DIFAN）[3]。它可以在數據采集期間使用，為檢測稠油提供有價值的信息。

1.2.1時序分析方法（TDA）

TDA方法依賴于不同流體的極化率或T1弛豫時間的不同。氣和輕質油（粘度小于5mPa·s）的T1通常比水的T1要長得多。時域分析可提供：沖洗帶流體類型；含氣層校正后的核磁共振孔隙度（如果無這一校正，由于氣的長T1和低含氫指數，核磁共振數據將低估孔隙度）；含輕質油儲層的校正后核磁共振孔隙度；僅使用核磁共振數據對沖洗帶全部流體飽和度的分析[4]。下圖1是TDA方法的原理：

圖1 TDA時域分析

TDA的方法是利用將長短TW時間獲取的原始回波串首先進行相減處理，然后對相減的回波進行T2譜的反演運算，從而得出T2譜的差譜圖，來進行流體識別。

1.2.2 擴散分析

擴散分析取決于流體類型和油之間的擴散差異，油的粘度范圍在0.5-35mPa·s間，且溫度和壓力至少為200°F和2000 psi。擴散弛豫的產生是由于核磁儀器的梯度磁場引起。核磁儀器的T2譜有如下關系：

式(9)中Tint是流體本征固有弛豫時間；C反映的是擴散和磁旋動力的組合效應，磁旋動力與梯度磁場中直接回波和受激回波的混合有關。γ為氫原子的旋磁比系數，G為磁場梯度，TE為回波間隔，D為流體擴散系數。一個確定的作業中，除TE外上式中所有參數都是常數。利用式（9）特性可以進行移譜分析，但是樣品必須處于梯度磁場的情況下進行測試。在地層流體由水和中等粘度油組成的情況下，水的擴散系數是中等粘度油的10倍，當增加TE時，擴散過程使水的T2值減小，且比油的T2值減小數量要大。因此，選擇長、短T2值（TEL和TES），使得用TEL測得的水和油的T2值相對于TES測量值減小，就可以在T2分布上區分水和油。比較油TEL和TES確定的T2分布可以證實存在由擴散引起的水和油的T2值的相對偏移，這種方法是核磁共振中常用的移譜分析法。

1.2.3 定量擴散分析（DIFAN）

定量擴散分析的經驗模型，在許多油田已得到成功應用。該方法要解決以下問題：使用TDA時，沒有足夠的T1差異；使用簡單的雙TE的移譜時，擴散差異很小。它利用擴散現象引起的不同流體的不同T2數值偏移，定量提供含水和含烴孔隙度[5]。DIFAN利用雙TE測井采集的兩種回波串，反演得到相應的T2分布。計算這兩個T2分布中自由流體部分的T2幾何平均值，分別稱為T2L和T2S。這兩個均值又通過下面兩式與擴散參數發生聯系：

由于 T2S，T2L，TES，TEL，G，γ 和 C 是已知的，這兩個等式就可以同時求解得到T2int和Da。這兩個等式的解又用來構建一個T2int和Da/Dw的交會圖，如下圖2所示，從這個圖上可以確定Swa，從而計算Sw。

圖2 1/T2int和Da/Dw的交會圖

在確定點（Da/Dw，1/T2int）之前，要構建 Swa=100%和 Swa=0線。為了做到這一點，必須知道Dw、Do和T2Bulk,Oil。Swa=100%的線形成了含水飽和度和地層數據點的上邊界，這條線通過體積水點（Da/Dw=1）。經驗結果將這條線的1/T2int的截距置于0.04-1ms，或T2int=25ms。對于大多數含烴地層來說，由于飽和度的變化主要是Da/Dw的函數，因此，這一截距的準確位置不重要。為了確定Swa=0線，認為地層是在束縛水條件下，自由流體就是油，使得在儲層條件下T2int等于T2Bulk,Oil，Da 等于 D。 這樣，點（Do/Dw，1/T2Bulk,Oil）將在 Swa=0 線上，且此線應與Swa=100%線平行。為了畫出0和100%線之間的Swa，在0和100%線之間構建等間距的與0和100%Swa線平行的直線。因此，在某一深度計算了T2int和Da之后，點（Do/Dw，1/T2int）就可以畫出，Swa也就從交會圖上確定下來。Sw也就可以由下式(12)計算出來。將得出的實際Sw參數后，通過圖2利用圖版得出流體的定量擴散特性，從而有效進行相關流體識別[6]。

2 結束語

核磁共振測井技術推出到現場實際測井應用是在20世紀90年代開始，經過了二十多年的技術發展，已經逐漸成熟且被現場廣泛應用。核磁共振測井技術提出了另外一種測量地層孔隙度及滲透率的方法，明顯區別于常規中子、密度測井所獲取的孔隙度計算方法，且在測量過程中不帶放射性源，因此被現場廣泛使用。利用核磁共振測井技術進行地層流體識別及擴散效應分析的方法目前在現場實際測試中已經被廣泛采用。相信隨著技術的發展，利用核磁共振技術進行流體更加精細的識別前景將會越來越光明。

［1］George Coates,肖立志,Manfred Prammer,核磁共振測井原理與應用[M].孟繁瑩,譯.北京：石油工業出版社,2007.

［2］邵維志,莊升,丁娛嬌.一種新型核磁共振測井儀——MREx[J].石油儀器,2004.

［3］肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應用[M].北京：科學出版社,1998.

［4］肖立志.核磁成像測井[J].測井技術,1995,19(4)：284-293.

［5］肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應用[M].北京：科學出版社,1998.