崔哲治，孙 卫.

(西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069)

储层的孔隙控制着储层储集流体的能力，喉道则控制着孔隙内流体的流动能力。孔隙与喉道的连通性控制着储层的生产能力[1-2]。本文以鄂尔多斯地区苏里格气田为研究对象。苏里格气田为典型的致密性气田，具有低孔、低渗且非均质性强等特征，但是气田面积大，整体储量大，开采价值大[3-4]。因此，为了更有效地研究气田的生产能力，对孔隙结构分析以及孔隙连通性的研究显得十分重要。

高压压汞(MICP)作为一种间接研究孔隙结构的方法，在国内外应用普遍且效果明显[5]。核磁共振(NMR)是一种可以反映岩石内部全部孔隙结构的分析方法，在评价储层时应用越来越广泛[6]。根据前人研究结果，结合高压压汞曲线，可将核磁共振T2谱转化为核磁孔喉曲线[6-11]。高压压汞毛细管曲线和核磁孔喉曲线都可以反映孔隙结构，但由于原理不同，因此两者所测试的内容有所不同。高压压汞实验结果只能反映连通孔隙结构，而核磁共振可以反映所有孔隙结构[12]。对于同一块岩石，两种方法得到的曲线形态走势大致一样。对于物性较好的岩石，两根曲线之间的差距较小，从而也就反映岩石连通性较好；对于物性较差的岩石，两根曲线之间的差距较大，因此岩石连通性较差。根据上述原理，可利用两根曲线的差值来反映岩石连通性的情况。

本文在前人的研究经验基础之上，将核磁共振T2谱转化为核磁孔喉曲线，利用核磁孔喉曲线评价孔隙结构和确定可动流体喉道半径截止值，并且对比高压压汞毛细管曲线，分析样品孔隙结构，确定可动流体截止半径，结合X-衍射分析结果及镜下观察结果对储层进行评价，为苏里格气田的评价与开发提供一种新思路。

1 区域地质背景与样品

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，其中含有丰富的天然气、石油等资源。整个盆地可分为6个构造单元——伊盟隆起、渭北隆起、西缘前陆冲断带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带[13]。本次研究区位于伊陕斜坡西北部，西邻天环坳陷(图1)。鄂尔多斯盆地上古生界地层自下而上发育有上石炭统本溪组、下二叠统太原组和山西组、中二叠统下石盒子组和上石盒子组以及上二叠统石千峰组。本次研究的层位是山西组上部的山1段、下石盒子组底部的盒8段。其中山西组山1段岩性主要是灰色泥岩、泥质砂岩、细—中砂岩不等厚互层，下部夹煤层、黑色炭质泥岩；下石盒子组底部的盒8段岩性主要是一套浅绿色、灰绿色含砾粗砂岩、灰绿色中粗砂岩夹杂色泥岩[14]。本次研究从山1段和盒8段共选取5块样品，详细样品数据见表1。

图1 研究区区域构造(据长庆勘探研究院)Fig.1 Regional structural of the study area (according to Changqing Exploration Institute)

表1 样品物性表Table 1 Samples physical properties

2 理论推导与计算步骤

岩石中的孔隙类型可以分为连通孔隙和非连通孔隙。为了保持地层压力稳定，非连通孔隙中一定充满流体。在实验条件下，通过抽真空可将连通孔隙被模拟地层水饱和。被单相流体所饱和的岩石测得的核磁共振T2谱所反映的是岩石中所有孔隙的结构数据。将核磁共振T2谱经高压压汞曲线转换，得到的数据就可以反映岩石中所有孔径的分布特征[10-11]。其推导公式如下：

核磁共振的总弛豫速率为几种机制的叠加，公式为：

(1)

式中T2——弛豫时间，ms；

T2B——横向体积弛豫时间，ms；

ρ——横向表面弛豫强度，μm/ms；

S——孔隙表面积，cm2；

V——孔隙体积，cm3；

D——扩散系数，μm2/ms；

G——磁场梯度，T/cm(高斯/cm)；

TE——回波间隔，ms；

γ——磁旋比。

岩石被单一相饱和后，可将上式简化得：

(2)

式中T2——横向弛豫时间，ms；

S/V——单个孔隙的比表面，μm2/μm3。

上式中，T2与S/V成反比。将孔隙和喉道的体积分别假象为球形与柱形，则得到下式：

(3)

式中FS——孔隙形状因子(球状FS=3，柱状FS=2)；

rc——孔隙半径，μm。

经过大量实际实验之后发现，地层孔隙结构复杂，T2与孔隙半径的幂指数(n)成正比关系。因此，对上式进行修正便有：

(4)

因为孔隙半径等于喉道半径与孔喉比的乘积，所以将上式变形为下式：

(5)

式中c1——平均孔喉比；

rt——喉道半径，μm。

(6)

根据上式可知，求得C和n值便可进行T2到rt的转换。

3 致密砂岩孔隙结构

3.1 核磁孔喉曲线的转换

高压压汞技术因研究手段与方法的限制不能反映非连通孔隙的体积，而核磁共振则可以反映岩石所有孔隙的体积。因此，在计算时为了保证精准度，于核磁共振T2累计分布曲线与高压压汞孔喉累计分布曲线相对应处取值[15]。以L1样品为例，得到样品T2弛豫时间与压汞喉道半径的累计分布频率曲线，如图2所示。根据压汞喉道半径累计分布频率的分布范围，取得任意喉道半径rt，确定其累计分布频率，并利用该累计分布频率对其相对应的T2弛豫时间进行插值，最后将两者进行拟合，结果如图3所示。

图2 核磁T2弛豫时间与压汞孔喉半径累计分布曲线Fig.2 Cumulative distribution curves of nuclear magnetic T2 relaxation time and throat radius of mercury intrusion hole

图3 核磁T2弛豫时间与压汞孔喉半径拟合曲线Fig.3 Fit curve of nuclear magnetic T2 relaxation time and throat radius of mercury intrusion hole

根据图3的拟合结果，得到L1样品所对应的C和n值。重复上述步骤，求得所有样品对应的C和n值。具体数据见表2。

表2 不同样品的C和n值Table 2 C and n values for different samples

如图4所示为5块样品核磁孔隙与压汞孔隙分布图。从图中可看出，两条曲线的分布趋势大致相同。其中处于相同的孔隙半径下，核磁孔隙的分布总是高于压汞孔隙分布，这一现象是因高压压汞只能反映连通孔隙而核磁可以反映所有孔隙所造成的。理论分析与实验相符，进而也验证了转换的合理性。图中两条曲线之间的差值表示不连通孔隙的分布频率，随着渗透率的变小，岩石的连通性比变差，因而两条曲线之间的差距也随之加大。

图4 5块样品核磁孔隙与压汞孔隙分布Fig.4 Distribution of nuclear magnetic pores and mercury intrusion pores in five samples

3.2 孔隙结构分析

图5为5块样品核磁共振T2谱转化为孔隙半径的分布频率图，图中反映岩石孔隙结构的信息点明显增多，孔隙分布范围增大，相比于高压压汞，显示出核磁共振在反映孔隙结构时的优势。图中曲线都呈双峰分布，其中左峰明显高于右峰，表明样品中孔隙的结构主要以小孔隙为主，5块样品中孔喉半径大都处于0.01～1 μm之间。

图5 5块样品核磁孔喉分布频率Fig.5 Five samples nuclear pore throat distribution frequency

根据镜下观察及X-衍射分析结果， L2与L3样品中伊利石含量最多(图6a、6b、6c，表3)，它们在孔隙中多呈毛发状、搭桥状、网络状分布，影响岩石物性；但L3样品的渗透率最大，是因为L3样品中存在微裂缝(图6d)，反映在曲线上便是右峰的分布频率明显高于其他4块样品。如图5所示，L4和L5曲线走势大致相同，两者渗透率都较小，这是因为L4和L5样品中黏土矿物含量相对较高(图6e、6f)，大量密集填充在孔隙中，影响岩石物性。

表3 5块样品X-衍射分析结果Table 3 Table of five samples X-ray diffraction analysis results

图6 样品镜下观察图(200×)Fig.6 Samples microscope observationa,b,c.样品中伊利石的分布，3 610.44 m；d.样品中微裂缝发育，3 610.44 m；e,f.样品中高岭石的分布，3 836.13 m。

3.3 确定最小可动流体喉道半径

核磁共振T2谱中存在一个特殊的点，称之为T2截止值[16-17]；位于该值以下的孔隙中的流体因毛管力的存在而处于束缚状态，称之为束缚流体。位于该值以上的孔隙中的流体则是可以流动的流体，此种孔隙对油气田的开发意义重大，因此，可以通过T2截止值来确定最小可动流体孔喉半径。按照文献[18]，根据T2谱的形态确定T2截止值。将式(6)进行改变得：

(7)

式中rtcutoff——可动流体喉道截止半径，μm；

T2cutoff——可动流体T2截止值，ms。

由表4、表5可知，L1样品的可动流体孔喉截止半径最大，为0.523 5 μm，证明当孔隙半径低于该值时流体大都处于束缚状态，可动流体饱和度较低。在图5中可看出小于截止半径的孔隙占据岩石总孔隙的大半，而核磁共振实验结果表明，L1样品的可动流体饱和度为44.53%。L2样品的可动流体截止值最小，为0.025 9 μm，在图5中可知，小于该值所占的孔隙并不多。但是L2样品的可动流体饱和度仅为15.60%，这是因为样品整体孔喉较小，并含有大量的黏土矿物，物性较差，流体大量以束缚水状态存在。L3样品中的小于可动流体孔喉截止半径的孔喉占据较少，可动流体饱和度为23.69%。与L2样品一样，L3样品中也含有大量的黏土矿物，导致岩心物性较差，大量流体呈束缚状留在岩心中。L4样品小于可动流体孔喉截止半径的孔喉占据较少，相比其他样品，绿泥石含量明显增加，可动流体饱和度仅为7.73%。L5样品小于可动流体孔喉截止半径的占据较多，导致大部分流体都处于束缚状态，可动流体饱和度为17.18%。根据核磁共振可动流体饱和度划分标准(表6)，可知L1样品所在层位为中等储层，而L2、L3、L5样品所在层位为较差储层，L4所处层位为很差储层。

表4 5块样品的T2截止值与可动流体喉道截止半径Table 4 T2 cut-off values of five samples and movable fluid cut-off radius

表5 核磁共振测试结果分析统计Table 5 Statistical analysis of nuclear magnetic resonance test results

表6 核磁共振可动流体饱和度划分依据Table 6 Standards for the classification of mobility fluid saturation

4 结论

(1)根据数学推导，将核磁共振T2谱转化为核磁孔喉半径分布曲线，得到的核磁共振孔喉半径曲线与高压压汞孔喉曲线分布趋势一样，证明了转化的合理性；相同的孔喉半径，核磁孔喉曲线分布频率总是高于高压压汞孔喉分布频率，证明核磁共振在反映岩石孔喉结构时优于高压压汞。

(2)5块样品中，核磁孔喉曲线呈双峰分布，且左峰明显高于右峰，证明小孔喉占比较大，孔喉半径大都处于0.01～1 μm之间。

(3)通过核磁共振T2截止值确定岩石可动流体喉道半径截止值，处于该值以下的孔喉中的流体均处于束缚水状态，得L1样品的可动流体孔喉半径最大为0.523 5 μm，L2样品最小为0.025 9 μm。

(4)通过可动流体饱和度，并结合样品黏土矿物的含量与种类进行分析，最后将样品所处层位进行划分，L1样品所在层位为物性中等储层，L2、L3、L5样品所在层位为物性较差储层，L4所在层位为物性很差储层。