基于三维非合规网络模型的核磁

基于三维非合规网络模型的核磁

目前，国内外对岩心磁共振特性及其储层评价的应用研究主要采用实验和理论方法，对考虑微观机理的磁共振值模拟研究较少。实验研究难以考察不同因素对核磁共振特性的影响,理论研究只能采用相对简单的模型,难以深入探究储层岩石复杂孔隙结构特征、润湿性等对核磁共振特性的影响及规律。笔者利用逾渗网络模型,通过数值模拟研究了饱含水岩样T2谱与孔隙尺寸分布之间的关系,并讨论了储层孔隙结构、润湿性等对T2谱的影响规律以及含水饱和度逐渐变化时不同储层T2谱的变化特征。1数值模型1.1孔隙空间的描述研究中采用三维非规整网络模型来描述储层岩石复杂的孔隙结构。整个模型由孔隙体以及孔隙喉道组成,其中孔隙体代表相对较大的孔隙空间,喉道代表相对狭长的孔隙空间。模型中孔隙体常采用球体、喉道常采用圆柱体,也可采用一些横截面复杂的几何形状,如Delaunay三角形、正方形、三角形等。为了考虑孔隙周围粗糙角隅对结果的影响,模拟中采用了圆形和非圆形孔隙截面形状,并用形状因数G定量描述孔隙空间的不规则性。孔隙体和喉道的半径由分布函数确定。与一个孔隙体相连接的喉道数称为配位数Z,网络中所有孔隙体配位数的平均值称为网络的平均配位数,其大小反映了孔隙空间的连通状况。关于模型的建立参见文献。1.2孔隙单元的影响在初始时刻,模型完全饱含地层水,然后逐渐增大注入端的油相压力,使油逐渐进入孔隙,驱替地层水。根据Lenormand和Touboul等的实验研究结果,模拟中采用侵入逾渗模型来描述油驱水的过程、孔隙空间油水的微观分布。图1给出了驱替过程中3个不同时刻模型中油、水的微观分布状况,其中红色代表油,蓝色代表水。为了显示方便,孔隙体、喉道分别用简化的球体和圆柱体表示。为了反映粗糙角隅的影响,模拟中采用了具有圆形、非圆形横截面的两种孔隙单元。根据渗流物理可知,在驱替过程中或者驱替结束后,模型中流体的分布有以下2种情况:①半径很小的孔隙体(或者喉道),驱替毛细管阻力很大,始终饱含润湿相流体;②具有非圆形横截面的大孔隙单元,中间被非润湿相占据,角隅中仍被润湿相占据。为了考查润湿性的影响,模拟中考虑了强水湿、中等水湿和油湿3种情况。在强水湿模型中,当孔隙中间被油占据之后,孔隙内壁仍有一层水膜,这层水膜主要受分子间作用力控制,不可自由流动,因此,孔隙中的油与孔隙壁并不直接接触。在中等水湿模型中,当大孔隙中心被油占据之后,一些亲油的活性物质吸附在孔隙表面,改变了孔隙的水湿特性,使得水膜破裂,油与孔隙表面直接接触,但大孔隙的粗糙角隅中仍然被水占据,维持水湿特性不变。在油湿储层中,油优先占据小孔隙以及大孔隙周围的角隅,水位于孔隙中间,孔隙表面存在润湿油膜,水不与孔隙直接接触。2横向弛豫时间根据核磁共振理论及实验研究结果可知,孔隙中饱含流体时,横向弛豫时间T2为自由弛豫、表面弛豫和扩散弛豫三者之和1T2=1T2B+ρSV+D(GTeγ)212(1)1Τ2=1Τ2B+ρSV+D(GΤeγ)212(1)式中:T2B为流体的自由(体积)弛豫时间,ms;ρ为岩石横向表面弛豫强度,μm/ms;D为扩散系数,μm2/ms;G为磁场梯度,10-6T/m;Te为回波间隔,ms;S为孔隙表面积,μm2;V为孔隙体积,μm3。通常流体自由弛豫的速度比表面弛豫速度慢得多(T2B通常为2～3s),因此式(1)中第1项可以忽略。当磁场均匀或者GTe的数值很小时,扩散弛豫对结果的影响很小,式(1)中第3项也可以忽略,从而有1T2≈ρSV(2)1Τ2≈ρSV(2)若某孔隙体或喉道饱含单相流体,则该孔隙的横向弛豫时间T2i为1T2i≈ρAiGi√(3)1Τ2i≈ρAiGi(3)式中:Ai为孔隙i的横截面积,μm2;Gi为孔隙i的形状因数,无因次。若某孔隙体或喉道饱含多相流体,根据流体分布的不同,横向弛豫时间具有不同的表达式:对强水湿岩样,孔隙中间被油占据,但油并不与岩石直接接触,其横向弛豫时间为孔隙中角隅水的表面弛豫时间;对中等水湿岩样,大孔隙中间被油占据后水膜破裂,油与部分孔隙表面直接接触,大孔隙的角隅中仍残留水,保持水湿特性不变,其横向弛豫由孔隙中角隅水的表面弛豫、孔隙中间油的表面弛豫两部分组成;对油湿岩样,油占据大孔隙的粗糙角隅,大孔隙中间被水占据,其横向弛豫时间为角隅中油的表面弛豫时间。若不考虑扩散弛豫,弛豫时间为T2的总弛豫信号强度E(T2)为E(T2)=Ep(T2)+Et(T2)(4)E(Τ2)=Ep(Τ2)+Et(Τ2)(4)式中:Ep(T2)为弛豫时间为T2的孔隙体弛豫信号强度;Et(T2)为弛豫时间为T2的喉道弛豫信号强度。孔隙体(或喉道)i中某相j横向弛豫的相对强度Eij为Eij=Aij⋅Lij(∑k=1NAk⋅Lk)−1(5)Eij=Aij⋅Lij(∑k=1ΝAk⋅Lk)-1(5)式中:Aij为孔隙i中j相的横截面积,μm2;Lij为孔隙i中j相的长度,μm;Ak为孔隙k的总横截面积,μm2;Lk为孔隙k的长度,μm;N为孔隙体和喉道总数。将模拟计算得到的各横向弛豫时间与其所对应的相对信号强度分别作为横坐标、纵坐标绘制曲线,可得该岩样的T2谱分布。3表面弛豫率模拟中主要的储层特性、流体物性参数分别为:孔隙度为12.0%,配位数为4.0,水的表面弛豫率取值为20.0μm/s,油的表面弛豫率为10.0μm/s。3.1孔隙结构分析模拟中分别计算了饱和水岩样的孔隙体T2谱、喉道T2谱及总T2谱,结果如图2(a)所示。模拟结果表明:孔隙体的半径相对较大,体积与表面积之比较大,横向弛豫时间较长,T2谱分布在右端;喉道半径较小,横向弛豫时间较短,T2谱分布在左端。实际储层岩石的孔隙体尺寸和喉道尺寸在空间分布上具有重叠部分,因此喉道T2谱和孔隙体T2谱在相邻区域也有重叠。饱和水岩心T2谱反映了所有孔隙体和喉道的横向弛豫特性,而横向弛豫与孔隙结构有关,因此饱和岩心T2谱是分析储层孔隙结构的重要信息。对比图2(a)和图2(b)可看出,不仅总T2谱和总孔喉半径分布频率具有很好的相似性,而且孔隙体、喉道T2谱与孔隙体半径、喉道半径的分布频率也具有很好的一致性。因此,若能进一步从总核磁T2谱中区分出孔隙体、喉道的响应,这对复杂储层的精确评价具有重要意义。在利用T2谱评价储层孔隙结构方面,国内外研究较多的是T2谱和毛细管压力曲线之间的转换方法,这些研究体现了T2谱和毛细管压力曲线均受孔隙结构影响的共性,但忽略了二者之间的差异。目前普遍使用的毛细管压力曲线主要反映的是喉道半径以及某喉道与其所控制的孔隙体体积之和所占的相对大小,对孔隙体半径反映不足,而核磁T2谱反映的是所有孔隙体、喉道的尺寸信息。刘堂宴、肖立志、周灿灿等研究了球管模型在核磁孔隙结构评价中的应用,这些方法在信号反演中考虑了喉道、孔隙体及匹配关系对结果的影响,对核磁测井资料的解释具有重要意义。3.2层的特性对b2谱的影响3.2.1孔喉比对模拟的目的曲线的影响喉道半径、孔喉比是描述孔隙尺寸的两个重要参数,孔喉比定义为孔隙体半径与喉道半径之比。喉道半径、孔喉比对T2谱的影响分别如图3(a)和图3(b)所示。模拟结果表明:随着喉道半径的增大,整个T2谱的分布向右移动,峰值处的信号强度增大,与喉道对应的弛豫信号强度逐渐减弱;随着孔喉比的增大,T2谱的宽度增大,T2谱峰值向右移动,峰值处的弛豫信号强度增大。此外,当孔喉比较小时,孔隙体T2谱和喉道T2谱交叉区域较多,二者较难区分,总T2谱比较光滑。随着孔喉比的增大,孔隙体T2谱和喉道T2谱逐渐分开,在总T2谱左端出现另一较低的T2峰。在实际岩心实验中,左端较低的T2峰还与微孔隙有关。3.2.2豫时间、信号强度润湿性通常与饱和多相流体有关,研究中考查了含水饱和度为53%时,强水湿、中等水湿和油湿3种不同储层岩石的T2谱特征(图4)。模拟结果表明,强水湿与中等水湿岩样T2谱左边部分基本重合,在右边部分,中等水湿岩样的弛豫时间、信号强度均大于强水湿岩样;油湿岩样的驰豫时间在整个区间均比水湿岩样大,但信号强度比水湿岩样略小。强水湿和中等水湿岩样T2谱左边部分基本重合,这是由于在含水饱和度为53%时,强水湿和中等水湿岩样的小孔隙和粗糙角隅中均被水占据,横向弛豫以水的表面弛豫为主。在大孔隙中,强水湿、中等水湿岩样的弛豫分别以水的表面弛豫、油的表面弛豫为主,因此中等水湿岩样的弛豫时间大于强水湿岩样。油湿岩样中,油存在于小孔隙和粗糙角隅中,大孔隙中间被水占据但不与孔隙直接接触,横向弛豫以油的表面弛豫为主,由此油湿岩样的弛豫时间在整个区间均比水湿岩样大。另外,油湿时的含油饱和度(47%)小于水湿时的含水饱和度(53%),因此油湿岩样信号强度比水湿岩样略小。3.3等水湿地岩样的t1水强度特征实际储层多为水湿或中等水湿,强油湿的情况较少,因此模拟中考查了水湿、中等水湿两种不同储层中,含水饱和度逐渐变化时T2谱的变化规律,结果如图5和图6所示。从模拟结果可以看出,在强水湿岩样中,随着含水饱和度的降低,T2谱的峰值信号强度逐渐减弱,同时在短弛豫时间处(饱和水T2谱的左端)出现一个逐渐增强的T2峰,但这个峰的强度比较低(图5)。这是由于随着含水饱和度的降低,大孔隙中的水逐渐被油驱替,水的体积减小,大孔隙中水的表面弛豫强度降低。在大孔隙的粗糙角隅中仍然被水占据,由于这部分水的体积与表面积之比很小,其表面弛豫与小孔隙中的表面弛豫行为相似,使得在短弛豫时间处出现一个T2峰。相对于整个孔隙而言,粗糙角隅中水所占的比例比较小,因此短弛豫时间的T2峰强度比饱和水T2峰强度低得多。从图6可以看出,在中等水湿岩样中,含水饱和度的变化对T2谱的影响规律与强水湿情况呈现显著的差异:随着含水饱和度降低,饱和水T2谱峰值处的强度减弱,而在该峰值右端一个弛豫时间较长的T2峰逐渐增强。这是由于在中等水湿岩样中,当大孔隙中间被油占据后,水膜破裂,油与孔隙表面直接接触,横向弛豫以油的表面弛豫为主,弛豫时间增长。另外,在饱和水T2谱的左边也出现了一个幅度较小的T2峰,这与强水湿岩样类似,不同的是该峰对应的弛豫时间比强水湿岩样大。这是由于在中等水湿岩样中,有部分孔隙表面失去了水膜,水与孔隙表面的接触面积减小,束缚水的横向弛豫时间增大。上述模拟结果同实验结果具有很好的一致性。4孔隙体弛豫时间(1)微观数值模拟是储层岩石核磁共振特性研究的一种重要方法,通过模拟研究能够深入认识岩心核磁共振的微观机理、影响因素及规律。(2)饱和水岩心核磁共振T2谱与岩心孔喉半径分布具有很好的相似性。喉道的弛豫时间较短,分布在谱的左边,孔隙体弛豫时间较长,分布在谱的右边。随着喉道半径、孔喉比的增大,T2谱峰值均向右移动,且峰值处的弛豫信号强度增大,差别在于孔喉比增大时