CN106383365A - 一种利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法。本发明所述方法首先对大量数值模拟计算得到各种不同流体组分的核磁共振孔隙度校正图版，通过核磁共振孔隙度校正图版可以查出相应的相对误差，在已知岩石中流体性质、磁化率以及回波间隔的前提下，就可以通过阅读对应的核磁共振孔隙度相对误差校正图版准确、快捷的获得相应的相对误差，然后对核磁共振孔隙度测量结果进行校正，从而可以获得准确的核磁共振孔隙度。该方法解决了核磁共振孔隙度数值偏小的问题，校正精度准确，适用范围较广，为地层的核磁共振测井解释提供了重要依据。

Description

一种利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法

技术领域

本发明涉及核磁共振测井技术领域，是关于火成岩核磁共振孔隙度的校正方法，提供了一种利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法。

背景技术

核磁共振测井是一项重要的石油测井新技术，它通过测量岩石中的氢得到岩石的孔隙度。在沉积岩中，该技术能够提供与岩性无关的孔隙度，并且利用T2分布可以研究孔隙结构，相比于其他孔隙度测井方法具有明显的优势。

但是在火成岩等岩石中，由于顺磁离子的存在，从核磁共振测井得到的孔隙度与岩心常规孔隙度相比严重偏小。为了分析影响因素，国内外学者开展了一系列岩心岩石物理实验研究，发现高磁化率岩石会使岩石孔隙内部产生不可忽略的强梯度磁场，强梯度磁场会引起横向弛豫时间变短(即T2变小)，其T2分布前移并使短弛豫组分丢失，从而引起所测量的孔隙度严重偏小，T2分布形态无法反映孔隙结构。

针对这一问题，目前的孔隙度校正技术主要是通过岩心分析建立孔隙度误差与铁磁性矿物中铁、锰等顺磁离子的质量分数的关系，通过回归得出经验公式，从而达到核磁共振孔隙度校正的目的。但是该方法有三个缺点：(1)经验校正关系的拟合度不一定高，核磁共振孔隙度的校正精度难以保证；(2)该技术方案依赖于岩心矿物和元素分析，经验公式具有地区局限性；(3)岩心矿物和元素实验无法进行和难以实现，无法构建经验公式。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法。本发明基于核磁共振的机理，利用数值模拟方法，绘制了核磁共振孔隙度校正图版。在已知岩石磁化率和回波间隔条件下，利用该图版可以读取核磁共振孔隙度相对误差，根据相对误差对核磁共振测量结果进行孔隙度校正，从而解决了核磁共振孔隙度数值偏小的问题，为地层的核磁共振测井解释提供了重要依据。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法，包括如下步骤：

步骤1，确定一个孔隙度已知的火成岩岩石模型，所述火成岩岩石模型的总孔隙度为φ；

步骤2，火成岩核磁共振总孔隙度计算方法：

在火成岩中，核磁共振的横向弛豫时间表示为，

$\frac{1}{T_2^{\′}}=\frac{1}{T_{2S}^{\′}}+\frac{1}{T_{2B}^{\′}}+\frac{1}{T_{2D}^{\′}}---\left(1\right)$

$\frac{1}{T_{2S}^{\′}}={\mathrm{\ρ}}_2^{\′}\frac{S}{V}---\left(2\right)$

$\frac{1}{T_{2D}^{\′}}=\frac{D{\[(G_{\mathrm{ex}ternal}+B_0\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\χ}}{r}){\mathrm{\γT}}_E\]}^2}{12}---\left(3\right)$

其中，T′₂为火成岩横向弛豫时间，T′_2S为火成岩表面弛豫时间，T′_2B为火成岩流体体弛豫时间，T′_2D为火成岩扩散弛豫时间,ρ'₂为火成岩横向表面弛豫率，S/V为孔隙比表面，D为扩散系数，γ为旋磁比，T_E为回波间隔，G_external为外部磁场梯度，B₀为外加磁场强度，r为磁场变化的距离，Δχ为岩石磁化率；

在核磁共振测量中，测量得到的核磁共振回波串为所有不同大小孔隙的火成岩的回波的叠加，核磁共振回波的幅度的计算公式为：

$\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_j^{\′}{e}^{-\frac{{\mathrm{iT}}_E}{T_{2j}}}=b\left(i\right)---\left(4\right)$

其中：j为不同大小孔隙组分，m为火成岩中不同大小孔隙组分的种类的数目，P′_j为弛豫时间为T_2j时对应的组分孔隙度大小，T_2j为火成岩中不同大小孔隙的横向弛豫时间，b(i)为核磁共振回波串中第i个回波的幅度；

将式(4)写成矩阵形式：

Ap＝b (5)

对式(5)进行反演，得到核磁共振孔隙度P′_j；

根据核磁共振孔隙度P′_j计算得到核磁共振总孔隙度φ_NMR；

${\mathrm{\φ}}_{NMR}=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_j^{\′}---\left(6\right);$

步骤3，结合火成岩岩石模型的总孔隙度φ，根据磁化率Δχ和回波间隔T_E按照步骤2得到的核磁共振总孔隙度φ_NMR，计算得到相对误差δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_{NMR}}{\mathrm{\φ}}---\left(7\right);$

步骤4，根据不同磁化率Δχ、回波间隔T_E和相对误差δ，制作核磁共振孔隙度校正图版；

步骤5，根据核磁共振孔隙度校正图版，依据实际测定的磁化率Δχ和测量所用的回波间隔T_E，在核磁共振孔隙度校正图版中查找出相应的相对误差，根据相应的相对误差，得到校正的核磁共振孔隙度

${\mathrm{\φ}}_{NMR}^C=\frac{{\mathrm{\φ}}_{NMR}}{1-\mathrm{\δ}}---\left(8\right).$

在上述方案的基础上，步骤1中所述的火成岩包括饱含油、饱含水和饱含气火成岩。

在上述方案的基础上，步骤1中，当火成岩孔隙内填充的流体为油、水、气时，T_2B取值分别为800ms、300ms、50ms。

在上述方案的基础上，步骤2中所述的反演方法为SVD方法或BRD方法。

在上述方案的基础上，步骤1中，通过毛细管压力法获得不同大小孔隙的火成岩岩石模型的孔隙度P_j1，根据孔隙度P_j1得到火成岩岩石模型的总孔隙度φ：

$\mathrm{\φ}=\underset{j1=1}{\overset{m1}{\Σ}}{p}_{j1}---\left(9\right)$

其中，j1为火成岩岩石模型的不同大小孔隙组分，m1为火成岩岩石模型中不同大小孔隙组分的种类数目。

在上述方案的基础上，所述的毛细管压力法为压汞毛细管压力法。

在上述方案的基础上，步骤4中所述核磁共振孔隙度校正图版中，以磁化率作为平面直角坐标系中的横坐标，以相对误差δ作为平面直角坐标系的纵坐标。

本发明所述的一种利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法的有益效果：

本发明所述方法首先对大量数值模拟计算得到各种饱含不同流体组分的火成岩岩石核磁共振孔隙度校正图版，通过核磁共振孔隙度校正图版可以查出相应的相对误差，在已知岩石中流体性质、磁化率以及回波间隔的前提下，就可以通过查找出对应的核磁共振孔隙度校正图版准确、快捷地获得相应的相对误差，然后对核磁共振孔隙度测量结果进行校正，从而可以获得准确的核磁共振孔隙度。该方法从理论上解决了核磁共振孔隙度数值偏小的问题，校正精度准确，并且不受地区限制，具有广泛的适用性和显著的优越性，为地层的核磁共振测井解释提供了重要依据。

附图说明

本发明有如下附图：

图1火成岩岩石模型的孔隙度示意图；

图2含水火成岩的核磁共振孔隙度校正图版；

图3含油火成岩的核磁共振孔隙度校正图版；

图4含气火成岩的核磁共振孔隙度校正图版。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的一种利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法，包括如下步骤：

1.核磁共振影响因素

在核磁共振测井中，核磁共振弛豫由三部分组成，即表面弛豫、流体体弛豫和扩散弛豫。

$\frac{1}{T_2}=\frac{1}{T_{2S}}+\frac{1}{T_{2B}}+\frac{1}{T_{2D}}---\left(10\right)$

$\frac{1}{T_{2S}}={\mathrm{\ρ}}_2\frac{S}{V}---\left(11\right)$

$\frac{1}{T_{2D}}=\frac{D{\left({\mathrm{G\γT}}_E\right)}^2}{12}=\frac{D{\[(G_{external}+B_0\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\χ}}{r_j}){\mathrm{\γT}}_E\]}^2}{12}---\left(12\right)$

式中，T₂为横向弛豫时间，T_2S为表面弛豫时间，T_2B为流体体弛豫时间，T_2D为扩散弛豫时间,ρ₂为横向表面弛豫率，S/V为孔隙比表面，D为扩散系数，G为磁场梯度，γ为旋磁比，T_E为回波间隔，G_external为外部磁场梯度，B₀为外加磁场强度，r_j为磁场变化的距离，Δχ为岩石磁化率。T_2B为常数，该常数大小由流体性质决定,一般情况下，当填充流体为油、水、气时，T_2B取值分别为800ms、300ms、50ms。

在沉积岩中，由于流体体弛豫和磁化率较小，因此流体体弛豫和扩散弛豫均可忽略不计，因此核磁共振总弛豫可以近似的等于表面弛豫T_2S，即：

$\frac{1}{T_2}=\frac{1}{T_{2S}}={\mathrm{\ρ}}_2\frac{S}{V}---\left(13\right)$

对于存在多种不同大小的多孔隙岩石来说，不同大小孔隙的岩石的T₂弛豫时间表示为：

$\frac{1}{T_{2j2}}=\frac{1}{T_{Sj2}}={\mathrm{\ρ}}_2\frac{S_{j2}}{V_{j2}}---\left(14\right)$

式中，j2为不同大小孔隙组分。

然而，在火成岩核磁共振测量中，由于火成岩中含有大量强顺磁离子，孔隙流体中顺磁离子锰、铁、镍的浓度很高，孔隙流体的体弛豫不能忽略。而且，火成岩具有较高的磁化率，会使得火成岩孔隙内部产生强梯度磁场，该梯度磁场会使核磁共振测井的扩散弛豫显著增强。因此，核磁共振的横向弛豫并不只由表面弛豫决定，也应该考虑流体体弛豫和扩散弛豫的影响，即：

$\frac{1}{T_2^{\′}}=\frac{1}{T_{2S}^{\′}}+\frac{1}{T_{2B}^{\′}}+\frac{1}{T_{2D}^{\′}}---\left(1\right)$

$\frac{1}{T_{2S}^{\′}}={\mathrm{\ρ}}_2^{\′}\frac{S}{V}---\left(2\right)$

$\frac{1}{T_{2D}^{\′}}=\frac{D{\[(G_{external}+B_0\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\χ}}{r}){\mathrm{\γT}}_E\]}^2}{12}---\left(3\right)$

式中，T′₂为火成岩横向弛豫时间；T′_2S为火成岩表面弛豫时间，T′_2D为火成岩扩散弛豫时间，T′_2B为火成岩流体体弛豫时间。

因此，从上面的分析可以看出，在火成岩地层中影响核磁共振的因素有三个：一是磁化率，二是回波间隔，三是表面弛豫率。火成岩的高磁化率会导致岩石内部的梯度磁场变大，使得扩散弛豫组分所占比例增大，T2横向弛豫时间变短，T2分布前移，最终导致所测核磁共振孔隙度严重偏小。由于沉积岩和火成岩的表面弛豫率相差不多，因此，火成岩核磁共振的影响因素主要是磁化率和回波间隔。

2.数值模拟与核磁共振孔隙度校正图版制作

为了克服经验公式的地区局限性，利用数值模拟方法研究了不同磁化率和回波间隔T_E时的核磁共振孔隙度，研究上述参数对核磁共振孔隙度的影响。为此，针对某一个给定的火成岩岩石模型(孔隙度已知)，基于核磁共振弛豫机理和数值模拟方法，计算了不同磁化率和不同回波间隔的回波串。在核磁共振测量中，测量得到的核磁共振回波串为所有不同大小孔隙的火成岩的回波的叠加，因此可得核磁共振回波的幅度的计算公式：

$\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_j^{\′}{e}^{-\frac{{\mathrm{iT}}_E}{T_{2j}}}=b\left(i\right)---\left(4\right)$

式中：j为不同大小孔隙组分，m为火成岩中不同大小孔隙组分的种类的数目，P′_j为弛豫时间为T_2j时对应的组分孔隙度大小，T_2j为火成岩中不同大小孔隙的横向弛豫时间，b(i)为核磁共振回波串中第i个回波的幅度。

将式(4)写成矩阵形式：

Ap＝b (5)

利用SVD或BRD反演算法(行业内熟知的算法)计算得到核磁共振孔隙度，对式(5)进行反演，可以得到反映不同孔隙T_2j的核磁共振孔隙度P′_j，这些核磁共振孔隙度相加可求得核磁共振总孔隙度，即：

${\mathrm{\φ}}_{NMR}=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_j^{\′}---\left(6\right)$

根据核磁共振总孔隙度φ_NMR和总孔隙度φ计算得到相对误差δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_{NMR}}{\mathrm{\φ}}---\left(7\right)$

式中,φ为已知火成岩岩石模型的总孔隙度，φ_NMR为核磁共振总孔隙度。

为此，以磁化率为横轴，相对误差为纵轴，绘制出核磁共振孔隙度校正图版。具体做法如下：

(1)孔隙模型

选取的不同大小孔隙的火成岩岩石模型的孔隙度P_j1由压汞毛细管压力(MICP)实验获得，即不同孔径大小孔隙的组分孔隙度，根据孔隙度P_j1得到火成岩岩石模型的总孔隙度φ：

$\mathrm{\φ}=\underset{j1=1}{\overset{m1}{\Σ}}{p}_{j1}---\left(9\right)$

其中，j1为火成岩岩石模型的不同大小孔隙组分，m1为火成岩岩石模型中不同大小孔隙组分的种类数目。

选取的火成岩岩石模型的总孔隙度约为20％，如图1所示。

(2)孔隙度相对误差图版

利用数值模拟法构建核磁共振孔隙度校正图版。模拟中，选取磁化率Δχ为0.1～100(10^-6SI)，回波间隔T_E为0.6～3.6ms，表面弛豫率ρ'₂为50μm/s。利用公式(1)～(6)所示的方法开展数值模拟，计算不同磁化率和不同回波间隔对含水、含油、含气火成岩的核磁共振孔隙度，利用公式(7)计算得到相对误差，构建核磁共振孔隙度相对误差与磁化率、回波间隔校正图版。图2～图4所示分别是饱含水、饱含油、饱含气火成岩的核磁共振孔隙度相对误差校正图版。

在核磁共振孔隙度相对误差校正图版中，当回波间隔给定时，核磁共振孔隙度的相对误差随磁化率的增加而增大，当磁化率达到一定值时，核磁共振孔隙度的相对误差急剧增大，此时的磁化率数值称为磁化率阈值Δχ_cutoff。

例如，图2为含水火成岩的核磁共振孔隙度相对误差校正图版，当T_E＝1.2ms，Δχ_cutoff＝2.0e^-5SI，当T_E＝3.6ms，Δχ_cutoff＝3.0e^-6SI，可以看出，随着回波间隔的增加，Δχ_cutoff减小。也就是说，当回波间隔增大时，较小的磁化率也会造成较大的相对误差。图3和图4分别为含油、含气火成岩的核磁共振孔隙度相对误差校正图版，相比之下，当T_E相同时，含气火成岩的Δχ_cutoff均比含水、含油火成岩的Δχ_cutoff要小(含油火成岩的Δχ_cutoff比含水火成岩Δχ_cutoff略小)，这表明在含气火成岩中，较小的磁化率也会导致较大的相对误差。从图2～图4所示的图版看出，在回波间隔、磁化率一定的情况下，含气火成岩的核磁共振相对误差比含油、含水火成岩要大。

因此，根据测量所用的回波间隔T_E和已知的磁化率Δχ，在核磁共振孔隙度校正图版中查出相应的相对误差，利用式(8)可求出校正后的核磁共振孔隙度：

${\mathrm{\φ}}_{NMR}^C=\frac{{\mathrm{\φ}}_{NMR}}{1-\mathrm{\δ}}---\left(8\right)$

本发明所述的利用图版校正核磁共振孔隙度的方法是针对火成岩而提出的，其复杂的矿物组分容易引起较高的磁化率以及回波间隔，使得核磁共振孔隙度测量不准确。而本方法通过在核磁共振孔隙度校正图版中查出相应的相对误差，可得到更加准确的核磁共振孔隙度，相对于现有方法具有广泛的适用性和显著的优越性。

实际上，本发明的思路和方法对于含有干酪根、黄铁矿等复杂的矿物成分的有机页岩的核磁共振孔隙度的校正也是值得借鉴的，具有深远的物理意义。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，确定一个孔隙度已知的火成岩岩石模型，所述火成岩岩石模型的总孔隙度为φ；

步骤2，火成岩核磁共振总孔隙度计算方法：

在火成岩中，核磁共振的横向弛豫时间表示为，

$\frac{1}{T_2^{\′}}=\frac{1}{T_{2S}^{\′}}+\frac{1}{T_{2B}^{\′}}+\frac{1}{T_{2D}^{\′}}---\left(1\right)$

$\frac{1}{T_{2S}^{\′}}={\mathrm{\ρ}}_2^{\′}\frac{S}{V}---\left(2\right)$

$\frac{1}{T_{2D}^{\′}}=\frac{D{\[\left(G_{external}+B_0\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\χ}}{r}\right){\mathrm{\γT}}_E\]}^2}{12}---\left(3\right)$

其中，T′₂为火成岩横向弛豫时间，T′_2S为火成岩表面弛豫时间，T′_2B为火成岩流体体弛豫时间，T′_2D为火成岩扩散弛豫时间,ρ'₂为火成岩横向表面弛豫率，S/V为孔隙比表面，D为扩散系数，γ为旋磁比，T_E为回波间隔，G_external为外部磁场梯度，B₀为外加磁场强度，r为磁场变化的距离，△χ为岩石磁化率；

在核磁共振测量中，测量得到的核磁共振回波串为所有不同大小孔隙的火成岩的回波的叠加，核磁共振回波的幅度的计算公式为：

$\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_j^{\′}{e}^{-\frac{{\mathrm{iT}}_E}{T_{2j}}}=b\left(i\right)---\left(4\right)$

其中：j为不同大小孔隙组分，m为火成岩中不同大小孔隙组分的种类的数目，P′_j为弛豫时间为T_2j时对应的组分孔隙度大小，T_2j为火成岩中不同大小孔隙的横向弛豫时间，b(i)为核磁共振回波串中第i个回波的幅度；

将式(4)写成矩阵形式：

Ap＝b (5)

对式(5)进行反演，得到核磁共振孔隙度P′_j；

根据核磁共振孔隙度P′_j计算得到核磁共振总孔隙度φ_NMR：

${\mathrm{\φ}}_{NMR}=\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_j^{\′}---\left(6\right);$

步骤3，结合火成岩岩石模型的总孔隙度φ，根据磁化率△χ和回波间隔T_E按照步骤2得到的核磁共振总孔隙度φ_NMR，计算得到相对误差δ：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_{NMR}}{\mathrm{\φ}}---\left(7\right);$

步骤4，根据磁化率△χ、回波间隔T_E和相对误差δ，制作核磁共振孔隙度校正图版；

步骤5，根据核磁共振孔隙度校正图版，依据实际测定的磁化率△χ和测量所用的回波间隔T_E，在核磁共振孔隙度校正图版中查找出相应的相对误差，根据相应的相对误差，得到校正的核磁共振孔隙度

${\mathrm{\φ}}_{NMR}^C=\frac{{\mathrm{\φ}}_{NMR}}{1-\mathrm{\δ}}---\left(8\right).$

2.根据权利要求1所述的利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法，其特征在于：步骤1中所述的火成岩包括饱含油、饱含水和饱含气火成岩。

3.根据权利要求1所述的利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法，其特征在于：步骤1中，当火成岩孔隙内填充的流体为油、水、气时，T_2B取值分别为800ms、300ms、50ms。

4.根据权利要求1所述的利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法，其特征在于：步骤2中所述的反演方法为SVD方法或BRD方法。

5.根据权利要求1所述的利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法，其特征在于：步骤1中，通过毛细管压力法获得不同大小孔隙的火成岩岩石模型的孔隙度P_j1，根据孔隙度P_j1得到火成岩岩石模型的总孔隙度φ：

$\mathrm{\φ}=\underset{j1=1}{\overset{m1}{\Σ}}{p}_{j1}---\left(9\right)$

其中，j1为火成岩岩石模型的不同大小孔隙组分，m1为火成岩岩石模型中不同大小孔隙组分的种类数目。

6.根据权利要求5所述的利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法，其特征在于：所述的毛细管压力法为压汞毛细管压力法。

7.根据权利要求1所述的利用图版校正火成岩核磁共振孔隙度的方法，其特征在于：步骤4中所述核磁共振孔隙度校正图版中，以磁化率作为平面直角坐标系中的横坐标，以相对误差δ作为平面直角坐标系的纵坐标。