DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.02.018
基于核磁共振的湖相致密储层储集空间类型特征及开发潜力评价：以柴达木盆地英西地区为例
张庆辉1，张磊2，吴克柳3，屈信忠4，陈晓冬1，高发润1，谭武林1
(1. 中国石油青海油田分公司勘探开发研究院，甘肃 敦煌，736200；
2. 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安，710065；
3. 油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京))，北京，102249；
4. 中国石油青海油田分公司，甘肃 敦煌，736200)
摘 要：
相致密储层岩心进行核磁共振实验；基于不同湖相致密储层储集空间半径和连续性差异，定义晶间孔、溶蚀孔和裂缝，进而结合核磁共振原理，建立核磁共振识别湖相致密储层储集空间类型的方法；根据识别结果，提出湖相致密储层开发效果评价和油井产能预测的方法。研究结果表明：湖相致密储层岩心弛豫时间T2谱呈现双峰或3峰，不存在单峰，第1峰峰值对应的弛豫时间T2平均为8.65 ms，第2峰峰值T2平均为657.29 ms，不同峰之间连续性差异大，储集空间分布特征复杂；柴达木盆地英西地区湖相致密储层具有不同储集空间半径分布特征，晶间孔半径峰值平均为0.05 μm，溶蚀孔半径峰值平均为7.52 μm，裂缝半径峰值大于40 μm；湖相致密储层渗流能力与“溶蚀孔+裂缝”的发育程度成正比，且盐间“溶蚀孔+裂缝”发育程度比盐下的好，证明了盐间渗流能力比盐下的强；当含油饱和度相近时，盐间开发效果比盐下的好，利用“溶蚀孔+裂缝”占比，并结合含油饱和度，实现对湖相致密储层开发效果的评价和油井产能的预测。
关键词：
中图分类号：TE122.1 文献标志码：A
文章编号：1672-7207（2021）02-0498-11
Reservoir space characteristics and development potential evaluation by NMR in lacustrine tight reservoirs: a case study of Yingxi area of Qaidam Basin
ZHANG Qinghui1, ZHANG Lei2, WU Keliu3, QU Xinzhong4, CHEN Xiaodong1, GAO Farun1, TAN Wulin1
(1. Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Petrochina Qinghai Oilfield Company,Dunhuang 736200, China;
2. Research Institute of Shanxi Yanchang Petroleum(Group) Co. Ltd, Xi'an 710065, China;
3. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China;
4. Petrochina Qinghai Oilfield Company, Dunhuang 736200, China)
Abstract: The core from lacustrine tight oil reservoir in Yingxi area was studied by nuclear magnetic resonance (NMR) experiment. Based on the differences in size and continuity of different lacustrine tight reservoir spaces, the intercrystalline pore, dissolution pore and fracture were newly defined. With the principle of NMR experiment, a method to identify different lacustrine tight reservoir spaces was established. Finally, according to the identification results, methods for evaluating development performance and predicting oil well productivity were proposed for lacustrine tight reservoirs. The results show that T2 spectrum has two peaks or three peaks but single peak, with average value of 8.65 ms and 657.29 ms for the corresponding relaxation time T2 of the first peak and the second one, respectively, and different peaks have the great varied continuity, indicating that the distribution characteristics of the reservoir space are complex. The radius distribution characteristics differently exist in different storage spaces in lacustrine tight reservoir of Yingxi area of Qaidam Basin, with the average peak radius of intercrystalline pore 0.05 μm, dissolution pore 7.52 μm, and fracture greater than 40 μm. The seepage capacity for lacustrine tight reservoir is proportional to the development degree of 'dissolution pore+fracture', and the development degree of 'dissolution pore + fracture' of intersalt reservoir is better than that of subsalt reservoir, which demonstrates that the seepage capacity of intersalt reservoir is better than that of subsalt reservoir. At the similar oil saturation, the development performance of intersalt reservoir is better than that of subsalt reservoir. By analyzing the share of 'dissolution pore + fracture' and combining the value of oil saturation, the reservoir development performance can be evaluated and the oil well productivity can also be predicted in lacustrine tight reservoir.
Key words: Qaidam Basin; Yingxi; NMR; reservoir space; development potential
作为中国七大内陆含油气盆地之一，柴达木盆地与其他含油气盆地相比，受青藏高原隆升及其所产生的晚期强烈构造变动的影响[1]，具有明显的高原环境、强烈改造和湖盆咸化3大特征，致使盆地自然环境极为恶劣，地质构造异常复杂，油气赋存条件十分特殊[2-3]。通过对柴达木盆地历经60余年的勘探，目前已探明常规石油地质储量达10.9×108 t，石油探明率为17.3%，其中致密油探明程度更低，估算致密油资源量为(8.86~10.86)×108 t，资源潜力巨大，准确评价湖相致密储层对此类油藏的勘探开发至关重要[3-4]。核磁共振技术(NMR)已被广泛用于致密储层储集空间特征的评价。ROHILLA[5]利用核磁共振技术对致密碳酸盐岩储层不同半径的储集空间接触特征进行了评价，MAO等[6-10]利用核磁共振实验对致密储层储集空间类型及渗流特征进行了评价。目前的研究多为宏观评价，通过核磁共振实验定量表征致密储层不同半径储集空间的研究未见报道[11-13]。本文作者从柴达木盆地英西地区湖相致密储层不同岩心核磁共振实验出发，对湖相致密储层不同储集空间进行分类，分析不同储集空间分布特征，研究不同储层渗流能力和开发潜力，这为定量评价柴达木盆地不同储集空间半径分布提供了方法，为核磁共振技术成功预测湖相致密储层开发效果提供了参考。
1 英西概况
英西位于柴达木盆地西部坳陷英雄岭构造带西北段，为晚喜山新构造运动形成的隆起区[14]，地面以风蚀山地为主，沟壑纵横，海拔3 000~3 900 m，自然条件恶劣。英西E32地层为典型的咸化湖相碳酸盐-蒸发盐沉积[15-16]，油藏整体为致密碳酸盐岩储层，纵向上分为盐间和盐下2套储层，整体上盐间地层的储层物性优于盐下，主要原因有以下3方面：1) 沉积环境不同，盐间储层为滨浅湖沉积，在干旱气候背景下的强蒸发环境导致湖盆震荡萎缩，陆源碎屑物质多，同时，古地貌构造隆起区受大气淡水淋滤作用，溶蚀孔较为发育；盐下储层为浅湖—半深湖沉积，溶蚀主要为生烃期有机酸溶蚀以及深埋期硫酸盐热还原反应(TSR)扩溶作用，溶蚀程度和规模有限；2) 地层埋深不同，盐间埋深2 500~4 000 m，盐下埋深4 000~5 500 m，故盐下的储层更致密；3) 纵向地层的岩石组合不同，盐间为盐层与灰云岩层互层分布，盐下整体为灰云岩混积地层，在构造挤压环境下，盐间的“软硬岩石互层”地层由于脆性差异形成的裂缝网络更复杂，且更发育。
英西多期次的构造运动与多变化的沉积环境共同造成多样化的储集空间配置[17-18]。岩心实验技术证实储层发育多种不同半径的储集空间类型，主要包括晶间孔、溶蚀孔和裂缝，如图1所示。数字岩心测试结果表明：晶间孔半径为纳米级，半径多小于100 nm；溶蚀孔从纳米级到毫米级均有发育，主要表现为微米级；裂缝从微米级到厘米级均有发育，主要表现为毫米级。不同类型的储集空间复合配置组成类型多样的储层，不同类型储层储集能力与渗流能力差异巨大。实践表明，英西储层具有整体含油但局部富集的特征，钻遇溶蚀孔与裂缝发育区的油井多为自喷生产，钻遇晶间孔为主的油井需压裂改造才能获得一定产量。经过近3年的勘探开发工作，英西地区已形成亿吨级的探明储量规模，已具有年产20万t原油生产能力，目前是柴达木盆地原油增储上产最重要的目标区之一。
图1 柴达木盆地英西地区储集空间类型
Fig. 1 Reservoir space type in Yingxi area of Qaidam Basin
英西地区单井产能差异极大，对于相同的储层深度、完井及射孔方式的油井，有的自然投产日产油超1 000 t，而有的自然投产无产能；对于压裂投产的油井同样的储层厚度、压裂规模、生产方式，有的压后日产油达50 t，而有的压后日产油不足10 t。如何精细定量表征湖相致密储层不同储集空间，准确预测不同储层油井产能，实现英西科学高效有序开发，是一项世界性难题。
2 核磁共振实验
本文实验在中国石油青海油田分公司勘探开发研究院实验室完成，主要实验仪器包括核磁共振测量仪RECCORE-3010和离心机PC-12B01，测试标准按照SY/T 6490—2014“岩样核磁共振参数实验室测量规范”[19]进行；实验配制的模拟地层水矿化度为260 000 mg/L。分别对英西地区湖相致密储层盐间和盐下4口典型井取心，在全尺寸岩心上钻取小岩心进行核磁共振实验，25块岩心基本参数如表1所示。
实验方法和步骤按相关标准进行[19]，对岩心进行洗油和洗盐处理，100%饱和模拟地层水后进行核磁共振T2谱测试[20]，得到核磁共振弛豫时间T2随信号强度分布图，并将其转换为信号强度占比分布图，如图2所示。
图2 核磁共振T2谱占比分布
Fig.2 T2 spectrum distribution for NMR experiments
由图2可以看出：25块岩心在饱和状态下的弛豫时间T2谱均不发育单峰，其中S24-1，S24-2，S32-3，"S41-2"-1和S43-2这5块岩心发育3峰，其余20块岩心均表现出双峰。表2所示为核磁共振曲线不同峰T2谱值分布范围统计结果。由表2可知：第1峰分布范围相对集中，第2峰分布范围跨度较大，而发育第3峰的岩心均未呈现出第3峰峰值(峰值对应的T2)，仅表现出T2最大值10 000 ms。出现这种现象的可能原因是受核磁测定仪和岩心尺寸的限制，弛豫时间大于10 000 ms对应的孔隙半径未能在实验中完整呈现。
表1 核磁共振实验岩心参数
Table 1 Parameters of core for NMR experiments
通过对实验岩心的核磁共振谱的分析发现，不同峰之间连续性差异较大，只发育双峰的岩心，第1峰和第2峰之间连续性通常很差；部分发育3峰的岩心，第1峰和第2峰之间连续性很好，且峰值之间差距很小，但第2峰和第3峰之间连续性通常很差。
表2 核磁共振曲线不同峰T2谱值分布范围统计
Table 2 Statistics on distribution range of T2 values of different peaks in NMR curve
图2中岩心饱和状态弛豫时间T2谱展现出来的特征表明英西地区储集空间分布特征复杂，然而，准确识别并定量表征不同储集空间对英西地区勘探开发意义重大。
3 核磁弛豫时间T2谱向半径谱转化
依据核磁共振原理，通常认为单峰态T2谱代表岩石孔隙连续分布，双峰态T2谱代表岩石可能发育微裂缝，三峰态T2谱代表岩石可能发育更大尺寸的裂缝[19]。大量研究表明[20-21]，忽略体弛豫和扩散弛豫后的T2弛豫时间可表达为
式中：r为孔隙半径，nm；ρ为表面弛豫率，nm/ms，通过最大特征值法[22]，计算得到英西地区湖相碳酸盐岩的表面弛豫率均值为2 mm/s；FS为形状因子，对于晶间孔取FS=3，对于溶蚀孔和裂缝取FS=2；T2为横向弛豫时间，ms。
利用式(1)，通过迭代计算，可将T2弛豫时间占比分布图转换为半径占比分布图。
根据英西地区储集空间研究成果，晶间孔半径主要为纳米级，溶蚀孔半径主要为微米级，裂缝半径比溶蚀孔的半径大。结合核磁共振能够表征完整储集空间这一基本原理，并考虑到晶间孔、溶蚀孔和裂缝相互之间的半径和连续性差异[13]，在计算得到的核磁共振半径分布占比图上，能划分英西地区湖相致密储层的晶间孔、溶蚀孔和裂缝，如图3所示。峰值为纳米级的第1峰对应的岩心储集空间划分为晶间孔；与第1峰连续性较差且峰值大于0.5 μm的第2峰，其对应的岩心储集空间划分为溶蚀孔；与溶蚀孔连续性较差的第3峰，其对应的岩心储集空间划分为裂缝。
图3 晶间孔、溶蚀孔和裂缝的划分
Fig.3 Division of intercrystalline pore, dissolution pore and fracture
当岩心核磁半径分布曲线存在n(n>3)峰时，对于第2峰到第n峰，只要连续性较差和峰值大于0.5 μm这2个条件不同时具备，均将峰值对应的岩心储集空间划分为晶间孔；对于第3峰到第n峰，当不满足与溶蚀孔连续性较差的条件时，均将峰值对应的岩心储集空间划分为溶蚀孔。
根据本划分方式，对于存在第2峰或者第n峰满足连续性较差和峰值大于0.5 μm这2个条件，但第2峰或者第n峰跨度很大，达到了几十微米甚至更大的情况，将峰值对应的岩心储集空间划分为溶蚀孔；从地质成因、半径和储集空间形态的角度，这类峰对应的岩心储集空间包含溶蚀孔和裂缝，由于核磁共振手段的局限性，无法对这类情况的溶蚀孔和裂缝进一步区分，因此，将这类情况统一划分为溶蚀孔。
4 储集空间分布特征
根据前面的公式和定义，确定岩心半径分布特征，并识别岩心储集空间分布，见图4和表3。由图4和表3可知：S24井和S43井部分岩心发育“晶间孔+溶蚀孔+裂缝”，其余油井岩心储集空间均为“晶间孔+溶蚀孔”。岩心薄片观察结果显示，仅有S43-2，S24-1和S24-2这3个样品发育少量微裂缝，表明分析计算结果与宏观认识结果一致。
图4 核磁半径分布
Fig.4 Distributions of radius derived by NMR experiments
表3 根据核磁T2谱转换半径谱公式计算得到不同岩心储集空间分布特征
Table 3 Distribution characteristics of radius distribution for different types of reservoir space based on NMR T2 values conversion formula of radius
表4所示为英西致密储层不同储集空间孔隙半径分布特征。由表4可知：晶间孔半径峰值分布相对集中，表明英西碳酸盐原生孔隙结构差异不大；溶蚀孔普遍发育，但半径峰值分布范围很广，表明溶蚀孔的发育差异大、非均质性强；受岩心尺寸的限制，核磁半径分布曲线上缺失半径大于40 μm的储集空间；S32-1，S32-3和"S41-2"-1这3块岩心发育的储集空间类型均为“晶间孔+溶蚀孔”，其代表溶蚀孔的峰值未呈现，但可推测这3块岩心的半径最大峰值大于40 μm；S24-1，S24-2和S43-2这3块岩心发育的储集空间类型均为“晶间孔+溶蚀孔+裂缝”，其代表裂缝的峰值未呈现，但可推测这3块岩心的半径最大峰值同样大于40 μm。
5 储层开发潜力探讨
对同一油井不同岩心的核磁分析半径结果取平均值，同时统计油井的含油饱和度和产量数据，见表5。由表5可知：盐间储层发育部分裂缝，“溶蚀孔+裂缝”占比8.62%~45.11%，平均值为20.81%；盐下储层不发育裂缝，“溶蚀孔+裂缝”占比2.93%~11.22%，平均值为7.56%。研究表明盐间储层“溶蚀孔+裂缝”的发育程度比盐下的好，储层渗流能力与“溶蚀孔+裂缝”的发育程度成正比，证明盐间渗流能力比盐下的强。
表4 英西致密储层不同储集空间孔隙半径分布特征
Table 4 Distribution characteristics of pore radius in different reservoir spaces in Yingxi tight reservoir
表5 核磁分析结果、含油性和产量统计
Table 5 Analyzing results for NMR, oil saturation and oil production
根据青海油田的开发经验，将产量高于50 t/d的油井称为Ⅰ类井，将产量在10~50 t/d之间的油井称为Ⅱ类井，将产量低于10 t/d的油井称为Ⅲ类井。分析“溶蚀孔+裂缝”占比、含油饱和度和试油产量之间的关系，S32斜井的“溶蚀孔+裂缝”占比2.93%，含油饱和度为59%，产量为0.89 t/d，为Ⅲ类井；S24井“溶蚀孔+裂缝”占比13.94%，含油饱和度为60%，产量为169.74 t/d，为Ⅰ类井；S32斜井和S24井均采用自然投产，工作制度都为自喷生产，经对比说明在含油饱和度相近的情况下，“溶蚀孔+裂缝”占比决定了油井的初期产能；结合盐间渗流能力比盐下的强这一研究结果，揭示在含油饱和度相近的情况下，盐间开发效果比盐下的开发效果好。
S40井的“溶蚀孔+裂缝”占比45.11%，含油饱和度为53%，钻完井至今一直被关未试油，S40井的含油饱和度与S25井的相近，但“溶蚀孔+裂缝”占比更高，在含油饱和度相近时，盐间开发效果比盐下的好，推测S40井为Ⅱ类井，建议对S40井盐间储层进行试油。从岩心核磁共振实验出发，基于研究得到的“溶蚀孔+裂缝”占比，结合测井、储层评价等手段确定的含油饱和度，可实现对湖相致密储层开发效果的评价，同时对未试油井进行产能预测。
6 结论
1) 证实了英西地区湖相致密储层储集空间结构复杂。英西地区湖相致密储层岩心T2谱表现出双峰或者3峰，不存在单峰态的T2谱，第1峰峰值对应的T2谱分布范围为1.55~16.68 ms，平均值为8.65 ms；第2峰峰值对应的T2谱分布范围为20.03~5 779.69 ms，平均值为657.29 ms；不同峰之间连续性差异较大。
2) 定义了英西地区湖相致密储层晶间孔、溶蚀孔和裂缝，并建立了核磁共振识别湖相致密储层储集空间类型的方法。利用核磁共振原理，将弛豫时间T2占比分布图转换成半径占比分布图，结合勘探开发认知，并应用建立的储集空间类型识别方法，实现了对储集空间半径的定量化描述。
3) 揭示了英西地区湖相致密储层储集空间具有多半径特征。岩心核磁半径分布特征显示英西地区储层晶间孔半径峰值rpeak分布范围为0.01~0.10 μm，平均值为0.05 μm，半径峰值集中；溶蚀孔半径峰值rpeak分布范围为0.50~40.00 μm，平均值为7.52 μm，半径峰值分布范围很广；裂缝半径峰值未知，实验岩心裂缝半径最大值rmax为40.00 μm，推测裂缝半径峰值大于40 μm。
4) 提出了基于核磁共振储层识别技术对湖相致密储层开发效果评价和油井产能预测的方法。核磁研究结果表明盐间储层“溶蚀孔+裂缝”的发育程度比盐下的好，储层渗流能力与“溶蚀孔+裂缝”的发育程度成正比，证明盐间渗流能力比盐下的强；当含油饱和度相近时，盐间开发效果比盐下的好；通过“溶蚀孔+裂缝”占比结合含油饱和度的方法，可实现对储层开发效果的评价和油井产能的预测。
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(编辑 刘锦伟)
收稿日期： 2020 -03 -21; 修回日期： 2020 -07 -05
基金项目(Foundation item)：国家科技重大专项(2017ZX05013-005)；北京市自然科学基金资助项目(2204093)；中国石油大学(北京)科研基金资助项目(2462018YJRC033) (Project(2017ZX05013-005) supported by the National Science and Technology Major Program; Project(2204093) supported by the Natural Science Foundation of Beijing; Project(2462018YJRC033) supported by the Science Foundation of China University of Petroleum(Beijing))
通信作者：吴克柳，博士，副教授，从事非常规油气开发及数值模拟研究；E-mail：wukeliu19850109@163.com
引用格式： 张庆辉, 张磊, 吴克柳， 等. 基于核磁共振的湖相致密储层储集空间类型特征及开发潜力评价： 以柴达木盆地英西地区为例[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2021, 52(2): 498-508.
Citation: ZHANG Qinghui, ZHANG Lei, WU Keliu, et al. Reservoir space characteristics and development potential evaluation by NMR in lacustrine tight reservoirs: a case study of Yingxi area of Qaidam Basin[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2021, 52(2): 498-508.
摘要：选取英西地区湖相致密储层岩心进行核磁共振实验；基于不同湖相致密储层储集空间半径和连续性差异，定义晶间孔、溶蚀孔和裂缝，进而结合核磁共振原理，建立核磁共振识别湖相致密储层储集空间类型的方法；根据识别结果，提出湖相致密储层开发效果评价和油井产能预测的方法。研究结果表明：湖相致密储层岩心弛豫时间T2谱呈现双峰或3峰，不存在单峰，第1峰峰值对应的弛豫时间T2平均为8.65 ms，第2峰峰值T2平均为657.29 ms，不同峰之间连续性差异大，储集空间分布特征复杂；柴达木盆地英西地区湖相致密储层具有不同储集空间半径分布特征，晶间孔半径峰值平均为0.05 μm，溶蚀孔半径峰值平均为7.52 μm，裂缝半径峰值大于40 μm；湖相致密储层渗流能力与“溶蚀孔+裂缝”的发育程度成正比，且盐间“溶蚀孔+裂缝”发育程度比盐下的好，证明了盐间渗流能力比盐下的强；当含油饱和度相近时，盐间开发效果比盐下的好，利用“溶蚀孔+裂缝”占比，并结合含油饱和度，实现对湖相致密储层开发效果的评价和油井产能的预测。
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