核磁测井资料在低阻油气层评价中应用研究 精品.docx
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核磁测井资料在低阻油气层评价中应用研究精品
本科毕业设计（论文）
题目
核磁测井资料在低阻油气层评
价中应用研究
学生姓名
刘高源
学 号
1002030153
教学院系
地球科学与技术学院
专业年级
勘查技术与工程2010级
指导教师
孙嘉戌
职 称
副教授
单 位
西南石油大学
完成日期
2014年6月
SouthwestPetroleumUniversity
GraduationThesis
Grade:
2010
Name:
LiuGaoyuan
Speciality:
ProspectingTechniquesandEngineering
Instructor:
SunJiaxv
Schoolofresourceandenvironment
2014.6
摘要
四川油气田合川构造的碎屑岩储层类型为含高束缚水饱和度的低阻油气藏气藏。
因而用常规测井资料难以准确识别储层流体性质,特别是储层是否产水的难题较难解决。
但利用核磁共振资料,不仅可以很好的评价储层物性,还可以计算地层可动水饱和度和束缚水饱和度,准确评价储层是否含可动水,从而攻克低阻油气藏储层流体性质的判别难题。
本文通过收集各种资料，系统地总结低阻油气藏成因、归类、评价方式，并着重阐述核磁测井在低阻油气藏中的应用。
同时，揭示了核磁测井在评价低阻油气藏在储层参数与储层流体性质识别方面的优势与作用，以理论基础结合合川构造实例与阿尔齐公式，推导自由水含水饱和度公式。
关键词：
合川构造；低阻油气藏；核磁测井；束缚水饱和度
Abstract
ClasticreservoirsofoilandgasfieldsinSichuanHechuantypestructurewithhighirreduciblewatersaturationoflowresistivityreservoirgasreservoir.Thususingconventionalloggingdataisdifficulttoaccuratelyidentifythereservoirfluidproperties,particularlyifthereservoirwaterproductionproblemsmoredifficulttosolve.Buttheuseofnuclearmagneticresonancedata,notonlycanbeagoodevaluationofreservoirproperties,canalsocalculatetheformationmovablewatersaturationandirreduciblewatersaturation,accurateevaluationofwhetherornotcontainingmovablewaterreservoir,thusovercomethelowresistivityreservoirfluidreservoirdeterminingthenatureoftheproblem.
Inthispaper,bycollectingavarietyofdata,thesystemsummarizesthecausesoflowresistivityreservoir,classification,evaluationmethods,andfocusonnarrativeNMRlogginginthelow-resistivityreservoir.Atthesametime,revealingthefreewaterwatersaturationequationNMRloggingevaluationinlowresistivityreservoirsandreservoirfluidpropertiesofreservoirparameterstoidentifythestrengthsandrolesinordertocombinethetheoreticalbasisAikawaconstructexamplesandAlQiformulaisderived.
Keywords:
Hechuanstructure;Lowresistivityreservoir;NMRlogging;Irreduciblewatersaturation
目录
1绪论1
1.1研究目的与意义1
1.2国内外研究现况1
1.3主要研究内容4
1.4研究方法及思路4
2低阻油气藏概述6
2.1低阻油气藏概念6
2.2低阻油气藏概成因机理6
2.2常规低阻油气藏评价方法7
3核磁测井方法及其与常规测井方法在低阻油气层应用对比12
3.1核磁测井成像技术12
3.2应用核磁估算地层束缚水含量13
3.3核磁测井与常规测井在低阻油气田应用对比15
4地层自由水电阻率推算17
4.1核磁测井测量束缚水饱和度17
4.2阿尔奇公式17
4.3地层自由水电阻率18
5核磁共振测井在合川构造低阻油气藏的应用实例19
5.1合川构造低阻油气藏概况19
5.2利用核磁共振资料判别地层可动水含量19
5.3应用实例20
6结论与认识23
致谢24
参考文献25
1绪论
1.1研究目的与意义
伴随着社会的发展，石油工业技术也是大力发展，日异月新。
虽然目前，以电阻率-孔隙度系列为主的常规测井仍然是测井解释和评价的主要手段，在常规油气层的识别和评价中发挥重要作用。
但随着以低阻为主要特征的隐蔽油气藏勘探开发，常规测井技术的“盲区”日益显现。
自意识到低阻油气层的重要意义以来，我们就努力对低阻油气层的特征、识别进行研究，随着认识不断加深，我们也得到了一系列有效的方法及技术。
但是由于低阻油气层成因复杂和成藏条件特殊，在实际生产中我们仍还不能有效的揭示这类油气层，造成了极大的资源浪费。
为了更好的开发低阻油气层，各种专门测井技术也就应运而生诸如：
常规测井信息技术分析、电阻率和中子伽马时间推移测井技术、自然电位测井识别低阻油气层技术、核磁共振测井评价低阻油气层技术、MDT低阻储层流体识别测井技术、阵列感应成像分析技术、储层定量评价方法、双饱和度评价方法……而在这些测井方法之中，他们针对不同成因的低阻油气层，其特点又不尽一样，可谓纷繁复杂。
而在本次设计中试图探讨核磁测井技术在低阻油层评价中的应用，其具构想是利用物质核磁共振特性在钻孔中研究岩石特性,主要利用脉冲法研究岩石的弛豫特性。
由于氢原子核具有最大的磁旋比和最高的共振频率,是在钻孔条件下最容易研究的元素。
氢是孔隙液体中的主要成分,因此核磁测井是研究孔隙流体含量和存在状态的有效方法,并可以提供不同尺寸孔隙分布,进而得出束缚水饱和度等重要参数。
再结合阿尔奇公式中提供的地层电阻率参数，以推算出地层自由水电阻率。
本设想是在低阻油气层中，对于自由水电阻率又一算法。
观测其曲线幅度变化，可识别低阻油气层中油、气、水层。
希望本构想能在复杂的低阻油气层测井技术与评价方法中起到对于常规自由水电阻率算法佐证作用。
1.2国内外研究现况
长期以来，人们习惯于用深侧向或深感应电阻率测井来区分油层和水层，并基于地层电阻率、孔隙度和孔隙结构参数来定量解释地层的含水饱和度，因而，人们花很大的精力和时间在地层真电阻率的获取上。
当油层电阻率与水层电阻率的比值大于3时，这种方法可以得到另人满意的含水饱和度值。
但是，当油层与水层的电阻率值相同或者低于水层电阻率时，仅仅凭借深侧向或深感应电阻率测井来判断油层和水层，并以地层电阻率为基础计算含水饱和度已无法得到令人满意的结果。
由于大量电阻率油层的存在，研究其成因和类型，寻找有效的识别和定量解释方法十分必要。
目前，国内对于低电阻率油层的研究仍处于一半定性一半定量阶段，即根据实验室的化验分析数据寻找低电阻率油层与正常电阻率油层在组成成分、孔隙结构等微观方面的不同，进而归纳总结出本地区油层低电阻率的成因，然后根据油层低电阻率的成因机理选择现有的含水饱和度解释模型，例如Waxman-Smits方程等，计算低电阻率油层的含水饱和度。
由于低电阻率油层的成因十分复杂，有时是几种因素同时作用造成的，因而现有的含水饱和度模型往往不能满足需要，使准确地定量解释低电阻率油层的含水饱和度十分困难，因此低电阻率油层的含水饱和度还处于半定量解释阶段。
随着实验仪器和方法的不断完善，为了更加清楚地认识低电阻率油层，并准确地评价其含油性和产油性，低电阻率油层的研究势必要以实验为基础从岩石的微观结构入手，完善低电阻率油层的成因机理理论，并在此基础上结合沉积环境，如地层水，岩石孔隙结构等特性建立新的适应于低电阻率油层的含水饱和度解释模型。
有关低阻油气层的定义，目前人们对其描述并不统一，国内外不同学者根据特定条件下的低阻油层发育特征给出了内涵完全不同的定义，在检索文献中出现了多种定义和描述:
欧阳健[5]等结渤海湾地区第三系低电阻攻关各油田取得的共识，油气层与水层的测井电阻率比值小于2，甚至与水层电阻率相同的油层定义为低电阻率油层。
曾文冲，欧阳健[4]等低阻油气层的实质是以束缚水为主要成分的高含水饱和度油气层，普遍具有低含油饱和度特点。
一般采用相对的概念进行定义。
所谓低电阻率油气层系指含油饱和度接近或低于50，电阻率指数I-3的油气层。
其电阻率与水层较接近，在高矿化度地区，绝对值十分低，接近或低于周围泥岩电阻率。
刘志慧[11]等将低阻油层描述为感应电阻率比本地区正常油气层的电阻率低，甚至和水层电阻率相近的油气层。
周海民[20]等将低阻油层定义为与临近水层电阻率差异小、电阻增大率小于2的油气层。
曾文冲[4]等曾根据实际资料分析，对低阻油气层的定义和特点进行了详细的阐述，并将低阻油气层定义为油气层电阻率与相邻水层之比（即电阻增大率D介于1-3的纯油气层定义为低阻油气层。
鉴于低阻油气藏在石油勘探开发中的重要地位，无数学者已对核磁测井定量评价低阻油气藏进行了大量研究工作，且取得了一系列显著的成果，为低阻油气藏定量评价工作奠定了坚实基础。
（1）储层孔隙度
核磁测井评价油气藏优势诸多，其中孔隙度测量方便精确尤为显著。
因核磁测井技术可不受地层岩石骨架、泥质、围岩等因素直接测量地层孔隙度。
避开其他常规测井求取孔隙度时不可避免的参数影响，提供精确孔隙度数值。
此外当地层有且仅有单项流体时，核磁测井还能提供地层孔隙度孔径尺寸。
赵永刚（2007）、吴丰[14]（2007）通过对比核磁共振成像测井解释的孔隙度与岩心化验分析的孔隙度，发现除了少数几个点孔隙度数值差异较大外，其他数值相当吻合（如图1-1），该例说明核磁成像测井技术对于地层孔隙度测量有极高的精确度。
图1.1某井岩心孔隙度与测井孔隙度对比图
（2）流体识别
通过对氢核核磁共振信号的观测，如T1加权法识别地层孔隙中轻烃性质及其含量。
楚泽涵[9]（2008）、黄隆基[9]（2008）等知名学者通过大量的实例、生产经验归纳总结出地层不同流体中含氢指数：
①水：
定义常温常压条件下地表水含氢指数为1，即HI=1。
由于井底条件下水密度五明显变化，所以HI=1。
②纯烃：
纯烃的含氢指数可用体积密度d、摩尔质量Wm、化学分子式中烃原子数Nh确定。
公式：
HI=d×Nh/0.11Wm。
③原油：
由于原油是含烃量不同的有机分子组成的碳烃混合物，其含氢指数与其粘度有关，可用如扩散分析法或扩散增强法来识别高粘度油。
其中API＞25°原油含氢指数接近1；API＜17°原油含氢指数明显减小。
④天然气天然气通常由甲烷为主，另含有其他少量烷烃和惰性气体，所以其含氢量较低，核磁测井不易观测。
（3）渗透率
当地层孔隙有且仅有单相流体时，横向弛豫时间T2分布经过标定能够直接与孔隙尺寸相对应。
根据标定得到的孔隙孔径，可进一步算的泥质束缚水体积、有效孔隙度、毛细管束缚水体积、自由流体体积，从而确定储层渗透率。
1.3主要研究内容
（1）研究低阻油层的形成机理及其低阻油层的评价方法；
（2）常规测井方式在低阻油气藏中应用及与核磁测井对比；
（3）核磁测井技术在低阻油气藏中的应用：
①应用核磁测井技术估算地层孔隙度，
②应用核磁测井技术估算地层束缚水含量及其饱和度；
（4）结合阿尔奇公式推算出地层自由水电阻率；
（5）核磁共振测井在合川构造低阻油气藏的实例应用。
1.4研究方法及思路
（1）收集资料：
收集不同地区低阻油气藏油田案例，了解常规测井方法对于低阻油气藏的评价应用，了解核磁测井基本原理及其应用方法。
（2）分析基本的地质特征：
根据所收集的低阻油气藏资料，分析并归纳研究区的基本的地质特征。
（3）根据核磁测井相应信息特征，写出束缚水饱和度公式，结合阿尔齐公式，进行自由水饱和度公式推到。
（4）实例应用：
收集核磁测井在低阻油气藏的实例应用，通过侧面应证核磁测井含水饱和度测量方式。
如图1.2所示为论文研究流程图。
图1.2研究流程图
2低阻油气藏概述
2.1低阻油气藏概念
人们对油层的界限，往往是以相同储层物性条件下电阻率的高低做为油层、水层定性识别的依据的。
人们一般认为，储层含油，则电阻率增高，含水则电阻率降低。
但是，当成藏地质条件发生变化，或者储层结构、岩性和流体性质发生了变化，就有可能使储层电阻率发生变化，从而出现所谓的高阻水层和所谓的低阻油层。
判断低电阻率油藏，应该采用相对概念的方法，区分油气、水层的标准是随地层条件（如孔隙度等）的变化而变化的，应充分考虑不同地区、不同井深地质条件变化的影响，具体电阻率数值上没有一个固定的标准。
一般说来所谓的低电阻率油层，是指那些地层电阻率小于或接近于围岩电阻率，或者与水层电阻率差别不大甚至出现相互交叉变化的不易识别的油层。
实际工作中又从以下几个方面来作界定：
①从油层电阻率绝对值考虑：
国内大多数油田的油层电阻率范围在4-100Ω·m之间，小于这一电阻率“下限”的油层即可称之为低电阻率油层。
②与邻近水层比较：
这类低电阻率油层通常不以电阻率绝对值的大小来定义，而以电阻率指数小于3进行定义。
这就意味着，其电阻率与邻近水层十分接近，甚至出现相互交叉的现象。
③与相邻围岩层比较：
与上下泥岩电阻率比较，油层电阻率与周围泥岩电阻率相同、甚至明显低于它。
此时往往没有考虑油层电阻率绝对值大小或与邻近水层进行比较，如果在钻遇的目的层段没有水层时，解释难度就更大。
2.2低阻油气藏概成因机理
因为低阻油气层的成因复杂、类型多种多样，形成过程不尽一致，所以不同成因、类型、形成过程的低阻油气藏其构造特征也不相同。
低阻油气藏可形成与储层沉积、油气成藏、成岩作用和裸眼钻探等不同的过程中，而在这千差万别的成藏过程中受到的影响因素也随之变化、有时甚至差异很大。
以上诸般种种给我们的探测、归类、研究带来极大不便，现将其成因类型大致分类如下表2.1。
表2.1成因分类表
序号
低阻成因
形成过程
作用原理
1
高不动水饱和度作用
沉积
改善导电网络
2
粘土附加导电作用
沉积、成岩
改善导电网络
3
导电矿物作用
沉积
改善导电网络
4
油水分异作用
成藏
含有饱和度低
5
油水层矿化度差异作用
成藏、成藏后
地层水电阻率不同
6
钻井液侵入
裸眼钻探
油层、水层电阻率相对差异较小
2.2常规低阻油气藏评价方法
（1）低阻油气藏的电测识别
电测井是如今测量与评价油气层的主要方法之一。
其主要原理为：
由于储层孔隙尺径大小不同，导致孔隙内含流体性质不同。
其中较小孔径孔隙主要含水，称为共存水。
共存水的一般含有一定浓度的导电离子，一般表现为低阻；较大孔径的孔隙主要含油气，因为油气不导电表现为高阻。
综上所述，一般情况下油（油水）层电阻率远高于水层，其数值大约在1.5—3被左右。
但由于低阻油气藏的底层电阻率特殊性，常规电测识别法并不能很好的对低阻油气藏进行精确评价。
（2）储层定量综合评价方法
研究目标地区实际资料；认识油藏地质特征；分析油藏形成条件、油藏类型、油水分布；认识储层的岩性特征、粘土成分、胶结物含量类型、孔及结构等，最后运用测井信息以及路径资料进行综合定量评价低阻油气层。
（3）阵列感应评价方法
当储层被钻井液侵入形成低阻油气藏时，可用阵列感应测井与侧向测井相结合的方法对目标储层进行研究分析，判别储层流体性质。
由于双侧向测井是由仪器直接供给直流电径向探测储层，故储层侵入带与原状带地层电阻率成串联；而阵列感应测井是由交变磁场在地层中产生次生感应电流，并环绕井轴流动探测，故地层侵入带与原状带电阻率成并联。
正因为两者的不同探测原理，导致其测量的地层电阻率不同。
侧向测井：
Rlld=Ri+Rt（2.1）
感应测井：
1/Rlid=1/Ri+1/Rt（2.2）
式中：
Rlld：
深沉向电阻率；
Rlid：
感应向电阻率；
Ri：
入侵带电阻率；
Rt：
原状带电阻率。
当泥浆侵入水层时：
深侧向测井侵入带电阻率略大于原状带电阻率，感应测井侵入带电阻率略小于原状带电阻率。
当泥浆侵入油气层时：
深侧向测井与感应测井变化相似，侵入带电阻率都稍低于原状带电阻率。
HC-X井须二段低阻气层实例图如图2.1。
图2.1HC-X井须二段低阻气层实例图
（4）自然电位测井评价方法
低电阻率油层和水层在自然电位测井上存在着明显的差异，低电阻率油层的自然电位异常幅度低于水层的。
在油田储量评价中依据油田的DST和MDT测试资料并结合自然电位测井制定如下的交会图可以帮助区分低电阻率油层和水层。
下图2.2为秦皇岛32-6油田含油性与地层电阻率交会图
图2.2秦皇岛32-6油田含油性与地层电阻率交会图
图中的横坐标是自然电位异常幅度相对值（记做Rsp），其算法如下：
Rsp=SP测量-SP泥岩/SP水层-SP泥岩（2.3）
式中：
Rsp——一个无量纲值，即在计算Rsp之前要对自然电位测井曲线进行基线偏移校正。
SP测量——校正后的SP曲线在目的层段的测井值，mV；
SP水层——校正后的SP曲线在典型水层的测井值，mV；
SP泥岩——校正后的SP曲线在泥岩段的测井值，mV。
从深侧向电阻率与自然电位相对比值交会图可以看出，低电阻率油层和水层在深侧向电阻率测井上十分接近，根本无法仅凭深侧向电阻率测井来准确区分它们。
但是它们的自然电位异常幅度相对比值有明显差异。
（5）利用微侧向电阻率测井识别低电阻率油层
在实际生产测井中某些低电阻率油层和水层在微侧向电阻率测井上有明显的差异，低电阻率油层具有较高的微侧向电阻率值，而水层具有较低的微侧向电阻率值，因此微侧向电阻率测井是识别低电阻率油层的又一测井方法。
下图2.3为渤海地区新近系低电阻率油层范例。
图2.3渤海地区新近系低电阻率油层
微侧向电阻率测井不仅可以帮助我们判别低电阻率油层和水层，更主要的是微侧向电阻率测井具有较自然电位测井更高的纵向分辨率，对于储层底部的薄水层具有很好的识别能力，可以弥补自然电位测井受层厚影响大的不足。
（6）碳氧比（C/O）测井法
碳氧比（C/O）测井，是一种新型的脉冲中子测井方法。
该方法依据快中子非弹性散射理论，具有能穿透仪器外壳、井内流休、套管和水泥环等介质而直接探测地层的优点。
C/O测井分别选取碳元素和氧元素作为地层中油和水的指示元素，选取硅和钙为岩性指示元素，这样选取指示元素的原因可归结为：
油中含有大量碳元素，几乎不含氧元素；水中有大量氧元素，几乎不含碳元素。
当低电阻率储层在利用微侧向电阻率和自然电位测井不能确定储层是否含油时，C/O测井是判别低电阻率油层的又一有效方法。
3核磁测井方法及其与常规测井方法在低阻油气层应用对比
近几十年来，储层孔隙度测量评价多用中子、密度、声波曲线等方式测绘，但大多数传统测井方法只能提供简单的孔隙度值，而且在实际生产作业中传统孔隙度测量方法更是容易受到诸多因素干扰：
泥质、井眼、钻井液等。
对于流体含量、性质判别来讲，传统的电法、综合判别发、陈列感应法等传统测井方法本身局限颇多，或是适用测量情况单一。
综上，传统测井方法在条件特殊、种类繁多的低阻油气藏中无疑处处掣肘，测量结果每每也不尽如人意。
自90年代至今，原中国石油天然气集团公司油气勘探部引进了核磁共振成像测井（MRIL：
MagneticResonanceImagingLogging）彰显了其独特的魅力：
核磁共振成像测井在自由流体孔隙度测量、毛细管孔隙度测量、粘土束缚水测量、流体性质判别等多方面具有优越性。
本章就此简单介绍核磁共振成像测井测井原理、应用核磁估算底层束缚水含量以及其与常规测井方法在低阻油气藏应用对比。
3.1核磁测井成像技术
（1）核磁共振成像测井测井基本原理
核磁共振测井的理论基础为利用原子核磁性以及其在外加磁场作用下的进动特性，又由于氢原子核具有最大的磁旋比和最高的共振频率，是在钻孔条件下最容易研究的元素，故以下以氢原子为例说明。
带电氢原子核本身会不停自旋产生磁场，大量原子核在无外加磁场时保持自旋，对外表现为无磁性。
当质子在外部磁场的作用下，会做定向排列（极化），仪器高强度磁场会极化质子使其磁场方向与仪器磁场方向一致。
极化前后对比图，见下图3.1。
图3.1极化前后对比图
对于被磁化后的氢核自旋系统，设定系统磁场为B0，在此磁场的垂直方向上再加上一个交变磁场B1，使两者动频率相等。
那么处于低能状的磁场矩将吸收交变磁场的能量，跃迁到高能态即核磁共振。
在外加交变磁场施加前，氢核自旋系统处于平衡状态，宏观磁化矢量M与静磁场B0方向相同；在外加交变磁场施加时，磁化矢量偏离原方向；当在外加交变磁停止后，氢核自旋从高能级的非平衡状态回复到原平衡状态，此回复过程即弛豫。
又因为宏观磁化方向可分为横向、纵向两分量，两者弛豫恢复时间分别用T1、T2表示。
由于岩石、流体之间物性不同，其弛豫方式、弛豫特征也不尽相同。
在实际生产测井中以此来获得岩石物理信息、辨别流体。
3.2应用核磁估算地层束缚水含量
由于不同流体的物性不同，其横向弛豫时间也不相同。
核磁测井技术通过测量地层中流体质子的横向弛豫时间识别流体性质。
因为自由流体横向弛豫并不因空间因素而做变化，只作自由弛豫，体现其本身性质。
束缚流体由于受到表面弛豫的影响，横向弛豫速度加快，横向弛豫时间大幅度变小。
束缚水与自由水两者之间差异明显。
如今，核磁测井技术测量毛管束缚水饱和度的常见方法的有:
小孔隙束缚水饱和度模型和薄膜束缚水饱和度模型以及渐变截至值计算束缚水饱和度模型。
（1）小孔隙束缚水模型
在核磁测井解释中，假定一个孔隙大小界限值，如果孔隙度小于该值则孔隙中所有流体均处于束缚状态，孔隙中被润湿相流体（一般为水）所充填；如果孔隙度大于该值，则孔隙中所有流体都是可动的（高敏2000），如图3.2所示。
图3.2小孔隙束缚水模型图
在T2分布谱上，与假定的孔隙度大小界限值相对应T2值称为T2截止值，记作：
T2ctoffo。
T2截止值将岩层中孔隙分布划分为束缚水孔隙部分和可动流体孔隙部分。
以上束缚水体积模型称为小孔隙束缚水模型，根据其原理又称为截止值模型，其确定束缚水体积和可动流体体积的方法称为T2截止值法。
应用该方法可以将束缚水饱和度表示为：
（3.1）
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