核磁测井在辽河油田火成岩储层解释评价中的应用
王忠东 朱世和 蒋中华
（辽河石油勘探局测井公司 辽宁盘锦 124011）
摘要: 辽河油田东部凹陷沙三段地层发育有较厚的火成岩地层，性以粗面岩类和玄武岩类及其过渡岩类为主，岩性较为复杂，已成为辽河油田勘探开发的重点区。但对双介质复杂岩性地层储层解释评价，单一的常规测井难度较大，效果不像砂岩孔隙型储层那样好。本文针对辽河油田东部凹陷火成岩储层的地质特点，以核磁共振测井理论研究为指导，以岩心核磁共振成象实验分析为基础，深入开展核磁共振测井技术在火成岩储层评价中的应用研究，以现有资料解释处理方法为基础，研究建立一套新的核磁测井解释处理新方法，达到准确计算火成岩储层孔渗饱参数为油田的勘探、开发提供更为可靠的地质数据。
关键词: 火成岩 储层评价 核磁测井 常规测井 岩心实验分析
前 言
辽河油田火成岩以粗面岩类和玄武岩类及其过渡岩类为主，岩性较为复杂、储层储集空间既有原生的孔、洞，也有次生的裂缝，具有孔隙——裂缝双重介质，是符合型储层，造成火成岩储层测井评价困难，除岩性划分困难、储层识别符合率不高外，常规测井资料储层参数解释精度低，达不到地质要求是辽河油田火成岩储层测井评价存在的主要困难。核磁测井因受岩性影响较小，能反映地层孔隙结构，因此在火成岩储层参数评价解释中具有良好的应用潜力，但核磁测井在火成岩复杂岩性储层评价中的应用还很少，国内外可供借鉴的资料很少。由于辽河油田火成岩储层物性普遍较差，低信噪比是核磁测井在火成岩复杂岩性储层评价中遇到的主要问题，利用引进的国外传统MAP-II反演方法计算的T2谱普遍为单峰，分辨率低，影响了核磁测井在辽河火成岩储层评价中的应用效果。因此，建立实用、具有较高分辨率且对信噪比要求不高的解释处理技术是核磁测井技术应用于火成岩复杂岩性储层评价中一个有待进一步研究的重要课题。
本文从核磁共振T2弛豫信号的数学描述出发，利用一种新的基于整体迭代修正的核磁测井弛豫信号多指数反演方法，对火成岩地层低信噪比核磁测井回波弛豫信号进行T2谱反演计算，并利用大量的火成岩岩心核磁实验分析建立火成岩核磁测井储层参数解释计算模型。核磁测井新技术在辽河油田火成岩储层测井解释评价中发挥了良好的效果。
1 核磁共振弛豫谱的反演计算
在岩心核磁共振实验分析与核磁共振测井应用中，对自由流体样品或岩石，主要是通过样品的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2测量来描述其所含氢核的核自旋信号的弛豫特征，进而获得岩石的物性参数及流体的特性参数。根据核磁共振理论，所测量样品的总磁化强度信号M(t)是由一系列满足单指数衰减规律的流体单元（或岩石孔隙单元）的磁化强度信号迭加构成的。
中石油集团公司应用基础研究项目(04A30301)《复杂岩性及流体的测井模拟与评价方法研究》 部分研究成果
2005年第二届CNPC测井新技术交流会
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我们可以将岩心核磁共振实验与核磁共振测井中的样品的核磁共振弛豫信号（纵向弛豫信号或横向弛豫信号）y(t)统一描述为如下的形式：
??y(t)??Pi?c1?c2?exp(?t)? T1,2i??i（1）
对于横向弛豫信号，（1）式中c1=0，c2=1；t1,2i为第i 个弛豫单元的横向弛豫时间T2i；Pi为第i 个弛豫单元对总的横向弛豫信号的贡献。
方程（1）可能是超定的、正定的或是欠定的，这取决于测量采集的弛豫信号个数n与弛豫谱布点数m的大小。在此我们采用一种整体迭代修正多指数反演算法。
首先给定谱的初始模型P′，求出预测弛豫信号Y′与实测弛豫信号Y的误差△Y，即
?Y?Y?Y? （2）
使△yi按方程系数aij的大小分配到每个pi中，利用△yi求出弛豫谱幅度的修正量△pi, 这是算法实现的主要思想，同时也保持了测量样品核磁共振弛豫谱分布的连续性，使反演的弛豫谱更符合实际物理意义。
计算的弛豫谱谱分量幅度残差对弛豫谱谱分量幅度近似值的修正公式为 P(q?1)?P(q)??P （3）
?p
(q?1)j1n??aij?yi(q)?IA(j)i?1 （4）
??上述公式（3）、（4）就是本文在多指数迭代反演计算核磁共振T2谱时所采用的基本的迭代计算公式。
与传统的SVD算法相比，SIRT多指数反演算法简单，软件程序设计实现容易，在数据处理过程中不需要用户干预，也不需要用户预先设置很多复杂的反演控制参数，从而减少了人为因素造成的反演结果偏差。这种算法迭代收敛快，具有全局最佳的优点，在全部测量弛豫信号都参与运算或弛豫谱布点数较多时，该算法的计算处理时间明显快于SVD算法。
图1给出了一块致密小龙湾火成岩岩心T2谱的反演对比实例。岩心核磁实验测量的回波信号的回波间隔为0.6ms、回波数为512、估算信噪比为6.7。该岩心核磁实验测量孔隙度
21.5DDat Dcalc无因次区间孔隙度 (%0.10.080.060.040.020WinDXPSIRTMAPII区间孔隙度 (%)10.50-0.5-10100200300400Time (ms)5006000.1110100100010000T2 (ms)
岩心实验测量回波串(DDat)及新方法拟和结果(DCalc)对比 岩心实验不同方法反演T2谱对比
图1 不同方法反演火成岩岩心T2谱对比
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Φ=1.495%（由WinDXP软件），利用SIRT方法反演计算的核磁孔隙度为1.394%，MAPII方法反演计算的核磁孔隙度为1.27%。
对比可以看出，对于低信噪比回波数据（SNR<20），10点2幂次方布点的MAPⅡ算法的T2谱与实验室岩心分析结果相差较大，不能反映岩石的真实孔径分布特征，计算的核磁孔隙度也偏低。而新算法的反演结果却与岩心实验室核磁共振测量分析结果非常接近。新的弛豫谱反演算法适合各种信噪比的岩石核磁共振弛豫信号的多指数反演计算，特别是在低信噪比下仍能给出可接受的反演结果，从而为SVD算法在低信噪比（SNR≤20）下反演T2谱偏离真实谱线较远，只适合于高信噪比（SNR≥80）的数据反演的问题提出了一种有效的解决手段。
我们利用所研究的核磁共振弛豫信号多指数反演新算法编制了相应的计算机软件，在岩心核磁共振实验T1、T2测量分析以及核磁测井资料的解释分析中得到了良好的应用，为岩石核磁共振弛豫响应的解释分析提供了一种新的手段。
图2给出了辽河小龙湾地区火成岩地层小24井探井的MRIL—C核磁共振测井资料解释分析中SIRT新算法反演T2谱与传统MAPII算法反演的T2谱对比的实例。图中第一道为常规伽玛、井径、钻头尺寸曲线，第二道为MAPII反演T2谱（采用11点2的幂次方布点，布点区间为2—2048ms），第三道为11点2的幂次方布点的SIRT反演T2谱，第四道为0.3—3000ms区间20点对数均匀布点的SIRT反演T2谱，第五道为深度道，第六道为三种反演方法计算的地层孔隙度对比。
对比可以看出，MAPII方法反演T2谱普遍为单峰显示，分辨率较低，即使是在孔渗均较好的层段也多呈单峰形态。SIRT反演的T2谱在孔渗较好的层段普遍为双峰或三峰显示，这与大量的火成岩岩心实验分析结果
图2 不同方法在实际核磁测井资料解释处理中的对比（X24井）
是一致的。此外MAPII方法反演计算的地层孔隙度在大多数地层普遍偏低。
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2 核磁共振实验分析及核磁测井解释模型的建立
岩心及流体的磁共振实验分析研究是核磁测井资料处理解释分析及应用的基础。我们从小龙湾火成岩地层取心井中选择三十多块粗面岩岩样，在引进的英国共振仪器公司生产的MARAN-2S2型磁共振岩心分析仪上进行实验室磁共振测试分析，为MRIL资料采集及后期解释处理提供依据。
2.1 岩石可动流体、束缚流体T2截止值与裂缝孔隙度截止值
岩心可动流体与束缚流体的划分目前普遍采用T2截止值法，T2截止值的确定采用国际通用的离心法，大量岩心分析实验表明，对于不同的岩性，区分地层束缚流体与可动流体的T2截止值是不同的，随着岩石的结构、组成、岩性等因素的改变而改变，T2截止值一般常位于T2谱中双峰的交会点附近，且一般较靠近前一个峰。
图3给出了小龙湾火成粗面岩饱和水及离心后的T2 谱分布对比。
实验表明，具有储集能力的小龙湾火成岩岩石T2谱多呈双
峰或多峰分布，地层束缚流体T2截止值的范围为1.85—33.09ms，平均值为15.52ms。岩心束缚水体积的T2截止值T2cut与T2谱几何均值T2g具有乘幂的拟合关系，相关系数达0.8487，即
T2cut?a?T2g R2=0.8487
利用这一关系我们可以实现测井中储层T2截止值的自动寻取。
大部分火成粗面岩储层岩石具有孔隙—裂缝双重孔隙结构特征，除孔隙外，还有不同程度的裂缝发育，如图3中的x23-1、x23-2、x25-4、x25-6、x25-11等岩样。
图4给出了三块全直径火成岩岩心的高分辨率CT扫描截面成像以及不同恢复等待时间下的T2弛豫谱分布。研究图3、图4中完全饱和水岩石的T2谱，发现裂缝(低密度缝)在核磁共振T2谱上具有明显的响应特征。裂缝发育的岩石，其T2谱多呈三峰或可动缝拖曳的双峰显示特征，裂缝内流体的T2弛豫时间比基岩孔隙内流体的T2弛豫时间要大很多，T2谱的右边谱峰幅度大，最右边峰对应于裂缝孔隙，谱峰弛豫时间较长，普遍在100ms以上。而裂缝不发育岩心T2谱的右边谱峰幅度小，分布范围窄，这类岩心可动流体饱和度低。
分析表明，小龙湾火成岩岩心核磁测量裂缝孔隙度T2截止值在80—215ms之间，平均135.86ms左右，核磁测井确定火成岩储层裂缝孔隙度0.3—3.85%之间，平均1.79%。
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b图3 小龙湾火成粗面岩饱和水及离心后的T2 谱分布对比
实验表明，裂缝发育岩心的可动流体饱和度高，裂缝不发育岩心的可动流体饱和度低。恢复时间对T2谱的右边可动谱峰有明显影响，对于裂缝发育的岩心而言，等待时间应取4s以上，但对于裂缝不发育的岩心而言，等待时间取2s以上即可，岩心在100%饱和水和饱和
X24-q1：岩心内裂缝发育，裂缝个数多，呈交错网状分布，但裂缝宽度窄，填充物多。 Φnmr=10.536%，Knmr=3.145mD. 束缚流体体积截止值T2cut=16.68ms. 裂缝孔隙度截止值T2cutf=215ms， 裂缝孔隙度 Φf=1.517%。
X24-q3：岩心内裂缝不发育，裂缝个数少，宽度窄，填充物多，填充物的次生溶蚀作用弱。 Φnmr=10.272%，Knmr=0.48mD. 束缚流体体积截止值T2cut=16.68ms. 裂缝孔隙度截止值T2cutf=215ms， 裂缝孔隙度 Φf=0%。
X24-q4：岩心内裂缝发育，裂缝宽度宽，但个数少，既有低密度缝也有高密度缝。 Φnmr=10.42%，Knmr=1.858mD. 束缚流体体积截止值T2cut=16.68ms. 裂缝孔隙度截止值T2cutf=215ms， 裂缝孔隙度 Φf=2.535%。
图4 全直径火成岩岩心 CT成像及不同恢复等待时间下的T2谱分布
油束缚水两种不同状态下，上述规律相似。
2.2 岩石束缚水饱和度解释模型
岩石核磁共振测量可以直接得到岩石的孔隙度，岩心核磁孔隙度测量结果与常规称重孔隙度的直观对比表明二者具有良好的一致性，所测岩心的平均称重孔隙度为9.765%，平均核磁孔隙度为9.30%。如果以岩心称重孔隙度为准，核磁测量的岩心孔隙度的平均绝对误差为0.465个孔隙度，平均相对误差为4.8%。
计算地层岩石束缚水饱和度是核磁测井应用的另一个重要方面，利用岩心实验分析数据，我们可以建立核磁测井地层束缚水饱和度解释模型，主要有T2截止值（T2cut）模型及T2谱几何均值谱系数模型等。
T2截止值模型是目前普遍采用的，而可变T2cut的T2截止值法其计算精度要大大好于固定T2cut的T2截止值法。
T2谱几何均值谱系数模型认为岩石中所有孔隙毛管（无论大小）都对岩石的束缚水体积
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