东营凹陷南斜坡是济阳坳陷最为典型、规模最大的洼陷缓坡构造带，Es₄时期由滨浅湖滩坝沉积的滩坝砂体为南斜坡中一类重要的油气储集体(田景春等，2004).受复杂沉积环境、成藏机制与构造、成岩作用等的影响(刘俊海等，2003)，Es₄段岩心孔隙度分布在1.9%~19.6%，渗透率分布在0.02~69.40 mD，是典型复杂孔隙结构的低渗透砂岩储层，其有效储层往往难以识别.利用核磁共振测井T₂谱中的孔喉分布信息可有效识别有效储层(司兆伟等，2013)，而其实现关键在于准确地建立不同孔隙结构核磁T₂谱与岩石孔喉分布的转换关系.目前，国内外学者对核磁T₂谱转换伪毛管压力曲线等方面进行了广泛研究，Volokitin(2001)提出横向驰豫时间和毛管压力之间的转换关系，并将核磁共振(NMR)转换的毛管力曲线与注汞实测的毛管力曲线进行了对比(Volokitin et al.，2001；Hofman et al.，2001; 运华云等，2002).刘堂宴等(2003)采用最大相似性原理来确定伪毛管压力曲线，分大、小孔隙运用幂函数构建伪毛管压力曲线(何雨丹等，2005a)，或者将岩石孔隙归结为球形孔和毛管孔，通过确定球孔隙半径和毛管孔隙半径的比例系数，进而解谱得到反映孔喉结构的T₂分布(刘堂晏等，2004).此外，Nakashima提出采用核磁测井来评价裂缝孔隙(Nakashima and Kikuchi，2007)，Lu(2015)进一步通过建立一维模型来构建能反映裂缝孔隙的核磁T₂谱，可评价多孔介质岩心的孔隙空间分布特征(Lu and Heidari，2015).然而，以上方法均在一定程度上忽略了薄膜束缚水对小孔径范围孔隙核磁信号的影响.何雨丹用自由流体谱来消除薄膜束缚水的影响(何雨丹等，2005b)，Gao(2015)通过核磁共振资料来确定可动流体参数(可动流体百分数，可动流体孔隙度)，并利用可动流体参数对低渗、致密砂岩孔隙结构特征进行分析及评价(Gao and Li，2015)，但其方法是针对岩心岩样分析，还没有用于实际核磁共振测井沿地层剖面连续计算的研究.笔者考虑薄膜束缚水的影响，将不同孔隙结构的自由流体谱与其对应的压汞孔喉分布曲线之间进行对比，建立分孔隙结构、分孔隙尺度的弛豫时间与压汞孔喉分布之间的转换方法，进而可在井筒地层剖面上，通过识别孔隙结构类型，利用核磁共振测井(NML)定量反演孔径分布，省去了构建伪毛管曲线环节，为低渗透砂岩储层有效性评价提供了直接依据，对利用测井信息用于定量反演储层微观孔隙结构进行了有益的探索.

由于地层岩石含有大小不同的多种孔隙，不同孔隙中的流体具有不同的核磁共振弛豫速率，因此核磁共振测井观测到的自旋回波串服从多指数衰减规律：

利用式(1)，对实验测得的回波数据做多指数拟合，可以得到各T_2i对应的M_i(0)，即构成了T₂分布.

岩石孔隙中的流体与自由流体的核磁共振弛豫特性有很大差别，岩石孔隙流体除了自由弛豫和扩散弛豫以外，还受到固-液界面引起的表面弛豫的作用，使弛豫速率增加，弛豫时间变短.由NMR弛豫机理可知(肖立志，1998)，横向弛豫时间T₂为

而在实际运用中，由于T_2B比T₂大得多，G(磁场均匀时)、T_E足够小，因此可省略第一项和第三项，于是T₂为

通常岩石孔隙表面为亲水性，含有一层束缚水，压汞法是在真空下对洗净烘干的岩样逐步加压使得非润湿相汞进入孔喉系统(沈平平等，1995)，毛管压力曲线反映的是去掉薄膜束缚水部分的孔隙，也就是自由水部分对应的孔隙.而NMR的T₂谱分布则能反映出其自由流体孔隙、束缚流体孔隙，何雨丹认为与毛管压力曲线具有较好对应关系的是自由流体T₂谱(即反映岩心自由流体孔喉空间的核磁T₂谱)，其具体获得方法为将离心T₂谱信号从饱和T₂谱信号中减去，剩下自由流体部分信号即为自由流体T₂谱(何雨丹等，2005b).

针对E_S4层段岩心样品低孔、低渗的特点，核磁共振仪器采用AniMR-150全直径岩心核磁共振成像系统，进行核磁共振实验测量时设置累加次数为32次，回波间隔0.1 ms，等待时间6 s，分别进行岩样饱和水、离心核磁共振测试，利用多指数拟合法的反演方法(肖立志，1998)得到了饱和T₂谱、离心T₂谱，并根据自由流体T₂谱获取方法得到了每个样品对应的自由流体T₂谱.例如樊A井3号样品(3115.45 m)，CPor(岩心孔隙度)为11.46%，CPerm(岩心渗透率)为0.3627 mD，S_BVI(束缚水饱和度)为58.2%，核磁自由流体T₂谱与压汞孔喉分布曲线可见有较好的对应关系(图 1)，说明与毛管压力曲线对应较好的是核磁自由流体T₂谱，而非饱和谱，认为在饱和谱、离心谱中大孔的薄膜束缚水在小孔T₂谱的叠加方式相同，从而通过求取自由流体谱可消除薄膜束缚水的影响(图 2).因此可以利用核磁自由流体T₂谱来评价岩石孔隙大小及其孔喉分布.

图 1

Fig. 1

图 1 自由流体谱与压汞孔喉分布对应图 Fig. 1 Free fluid spectrum and pore throat distribution of mercury injection

图 2

Fig. 2

图 2 低渗透砂岩饱和、离心T2谱 Fig. 2 The saturated, centrifugal T2 spectrum of low permeable sandstone

核磁共振T₂谱响应同时包含孔隙大小及不同尺寸孔隙在总孔隙度中的体积分数两种信息(杨宁等，2013).前人在研究T₂谱与毛管压力曲线时，发现一块岩样大、小孔径部分的纵向转换系数不同(何雨丹等，2005b).笔者采用直接将自由流体T₂谱与毛管压力曲线对应的方法，同样发现这一现象(图 3).可以理解为，核磁T₂谱受到薄膜束缚水的影响，且束缚水对不同尺度孔径信号的影响程度不同，故而不同尺度孔径的T₂谱与孔喉分布的关系不同，且与小孔径部分不为线性关系，而是多尺度幂函数关系.有学者将孔径尺度划分为大孔(≥50 μm)、小孔(＜50 μm)两个范围(肖立志，1998)，或者为大孔(≥10 μm)，小孔(＜10 μm)(何雨丹，2005b).对于低渗透砂岩，这一尺度划分方法就不再适用了，因为低渗透砂岩整体孔径值小，一般分布在3 μm以下.根据实际资料分析，将孔径尺度划分为：≥1 μm、0.1~1 μm、＜0.1 μm三个尺度范围，建立核磁自由流体T₂谱与毛管孔喉分布对应关系见图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 自由流体T2谱与毛管孔喉rc分布对应关系 Fig. 3 The relation between free fluid T2 spectrum and pore throat distribution of mercury injection

孔隙结构特征在微观上反映了储集层的储集及渗流能力，是储集层评价和储集层分类的重要依据.东营凹陷南斜坡Es₄段压汞曲线整体上非常凌乱，其原因在于各个样品的孔隙结构差异比较大.SHg_max(最大进汞饱和度)、P_d(排驱压力)比较分散，其他所涉及到的几个反映孔隙结构的基本表征量如渗透率、孔隙度和孔喉半径均值都较低，分布范围也较宽，清楚地说明了该区块滩坝砂岩孔隙结构的复杂性和低渗性.鉴于其孔隙结构类型的复杂多样性，且为了便于分类研究，进一步对研究层段的毛管压力曲线形态及各特征参数进行统计分析，结合常规物性、核磁共振等资料，详细对比各种孔隙结构参数间的对应关系，将低渗透砂岩孔隙结构细分成了3大类型、5种小类(表 1)，不同孔隙结构类型与压汞、核磁间的对应关系详细描述见图 4.

表 1(Table 1)

表 1 东营南斜坡滩坝低渗透砂岩ES4段孔隙结构分类参数表 Table 1 The pore structure classification parameters of low permeability sandstone in the south slope beach dam of Dongying sag 孔隙结构分类 岩性 储集类型 物性分布 压汞特征 核磁特征 孔隙类型 Ⅰ Ⅰ1 粉砂岩细砂岩 有效储层 Por≥15%Perm≥10 mD Pd＜0.2SHgmax≥80 T2cut≥14 msSBVI在50%左右 中孔低渗 Ⅰ2 Por≥15%1≤Perm＜10 mD 0.2≤Pd＜0.470≤SHgmax＜80 中孔特低渗 Ⅱ Ⅱ1 粉砂岩灰质粉砂岩 10≤Por＜15%0.3≤Perm＜1 mD 0.4≤Pd＜0.760≤SHgmax＜70 10≤T2cut＜14 ms50≤SBVI＜75% 低孔超低渗 Ⅱ2 泥质粉砂岩灰质粉砂岩 差储层 7≤Por＜10%0.1≤Perm＜0.3 mD 0.7≤Pd＜1.650≤SHgmax＜60 T2cut＜10 ms75≤SBVI＜85% 特低孔超低渗 Ⅲ Ⅲ 泥岩泥质粉砂岩 非储层 Por＜7%Perm＜0.1 mD Pd≥1.6SHgmax＜50 T2cut＜10 ms一般SBVI≥85% 超低孔非渗 注：Por为孔隙度，%；Perm为渗透率，mD；Pd为排驱压力，MPa；SHgmax为最大进汞饱和度，%；T2cut为T2截止值，ms；SBVI为束缚水饱和度，%.

表 1 东营南斜坡滩坝低渗透砂岩ES4段孔隙结构分类参数表 Table 1 The pore structure classification parameters of low permeability sandstone in the south slope beach dam of Dongying sag

图 4

Fig. 4

图 4 (A)，(B)，(C)，(D)，(E)分别对应Ⅰ1， Ⅰ2 ，Ⅱ1， Ⅱ2,Ⅲ型孔隙结构 (a1)，(b1)，(c1)，(d1)，(e1)压汞曲线；(a2)，(b2)，(c2)，(d2)，(e2)核磁T2谱；(a3)，(b3)，(c3)，(d3)，(e3)压汞孔喉分布. Fig. 4 Characteristic of Ⅰ1(A), Ⅰ2(B), Ⅱ1(C), Ⅱ2(D), Ⅲ(E) pore structure (a1), (b1), (c1), (d1), (e1) is for the mercury injection; (a2), (b2), (c2), (d2), (e2) is NML T2 spectrum; (a3), (b3), (c3), (d3), (e3) is for the pore-throat distributions from the mercury injection.

Ⅰ₁型孔隙结构特征(图 4A，Ⅰ₁型)连通性良好，排驱压力值(P_d)低，一般＜0.2 MPa.核磁自由流体T₂谱主要集中在10~300 ms之间；对应的孔喉分布集中在0.73~1.495 μm范围内；物性级别属于中孔低渗，具有该类孔隙结构的储层物性较好，储集空间以原始粒间孔隙和溶蚀孔隙为主.

Ⅰ₂型孔隙结构样品(图 4B，Ⅰ₂型)连通性较好，P_d较低，核磁自由流体T₂谱主要集中在10~300 ms之间，但其孔隙含量低于Ⅰ₁型，对应的孔喉分布集中在0.1374~0.3721 μm范围；属于中孔特低渗型.

Ⅱ₁型孔隙结构样品(图 4C，Ⅱ₁型)连通性稍差，P_d变大，核磁自由流体T₂谱主要集中在5~300 ms之间，孔喉分布集中在0.1497~0.3801 μm范围，孔隙含量低于I₂型；属于低孔超低渗型.

Ⅱ₂型孔隙结构样品(图 4D，Ⅱ₂型)连通性差，P_d较大，达到1.517 MPa，核磁自由流体T₂谱分布广，孔喉分布集中在0.0936~0.1477 μm范围，孔隙含量低；属于特低孔超低渗型，渗透性差.

Ⅲ型孔隙结构样品(图 4E，Ⅲ型)连通性极差，P_d值高，往往大于1.6 MPa，T₂谱可见离心谱与饱和谱差异不大，饱和谱整体分布在0.3~20 ms之间，孔喉分布以微孔(＜0.0248 μm)分布为主，属于超低孔非渗型，渗透性极差，为典型非渗透层.

五种孔隙结构的毛管压力曲线特征差异明显，孔隙结构越好，毛管压力曲线平台越平缓，歪度越粗，排驱压力越小，最大进汞饱和度越大，核磁T₂自由流体谱面积也变大(图 4A—4D).核磁自由流体T₂谱与压汞孔喉半径分布具有良好的对应关系.随着孔隙结构参数(孔隙度、渗透率)的逐渐变小，核磁自由流体谱左移、自由孔隙含量变低，压汞孔喉分布也向微孔喉半径范围偏移.

核磁T₂谱测量的是氢原子从不平衡状态恢复到平衡状态这一弛豫过程所用的时间.孔隙结构不同，而其他条件(孔隙流体、岩石颗粒大小等)相同的情况下，T₂谱主要受孔隙结构的影响较大(邹德江和于兴河，2008).从图 4明显看出，孔隙结构越差的样品，T₂谱越靠左.核磁自由流体谱反应的是岩石的连通孔隙空间.压汞实验资料可识别孔喉≥0.0248 μm以上的有效孔隙空间，而不能精确识别＜0.0248 μm孔喉分量的孔喉半径大小及分布(连通孔隙和未连通孔隙).通过采用压汞孔喉分布(≥0.0248 μm)部分曲线与核磁自由流体谱对应的方法来消除未连通孔隙空间的差异.在划分孔隙结构类型的基础上，建立了5种孔隙结构的自由流体谱与压汞孔喉分布(≥0.0248 μm)的对应关系(表 2)，同时也建立核磁饱和流体谱与压汞孔喉分布的对应关系(表 3)，以便与表 2进行对比.

表 2(Table 2)

表 2 不同孔隙结构核磁自由流体谱与压汞孔喉分布的对应关系 Table 2 The formula between NMR free fluid spectrum and mercury pore-thoat distribution of different pore structure types 孔隙结构类型 rc＜0.1 μm 0.1 μm≤rc＜1 μm 1 μm≤rc＜3 μm Ⅰ Ⅰ1 rc=0.0356T2自由谱0.7214 rc=0.0299T2自由谱0.8371 rc=0.0061T2自由谱+0.4499 Ⅰ2 rc= 0.0112T2自由谱0.6457 rc=0.0036T2自由谱0.9382 rc=0.0451T2自由谱- 11.453 Ⅱ Ⅱ1 rc= 0.0095T2自由谱1.0043 rc=0.0166 T2自由谱0.7545 rc=0.0163T2自由谱- 1.8375 Ⅱ2 rc=0.0688T2自由谱0.4426 rc=0.0346T2自由谱0.9381 rc=0.0707T2自由谱- 1.0821 Ⅲ Ⅲ rc=0.0065T2自由谱0.0907 rc=0.0065T2自由谱1.0907 —

表 2 不同孔隙结构核磁自由流体谱与压汞孔喉分布的对应关系 Table 2 The formula between NMR free fluid spectrum and mercury pore-thoat distribution of different pore structure types

表 3(Table 3)

表 3 不同孔隙结构核磁饱和谱与压汞孔喉分布的对应关系 Table 3 The formula between NMR saturation spectrum and mercury pore-throat distribution of different pore structure types 孔隙结 构类型 rc＜0.1 μm 0.1 μm≤rc＜1 μm 1 μm≤rc＜3 μm Ⅰ Ⅰ1 rc=0.0584T0.43112饱和谱 rc=0.0462T0.85342饱和谱 rc=0.0056T2饱和谱+0.5649 Ⅰ2 rc=0.0213T2饱和谱0.4048 rc=0.0023T2饱和谱1.0233 rc=0.0408T2饱和谱-10.142 Ⅱ Ⅱ1 rc=0.0312T2饱和谱0.4183 rc=0.0083T2饱和谱0.8972 rc=0.017T2饱和谱 -1.9286 Ⅱ2 rc=0.0281T0.82042饱和谱 rc=0.0161T2饱和谱1.2006 rc=0.0655T2饱和谱-0.8417 Ⅲ Ⅲ rc=0.0002T2饱和谱1.7627 rc=0.0001T2饱和谱 1.8365 — 注：T2自由谱为岩心自由流体T2谱，ms；T2饱和谱为岩心核磁饱和谱，ms.

表 3 不同孔隙结构核磁饱和谱与压汞孔喉分布的对应关系 Table 3 The formula between NMR saturation spectrum and mercury pore-throat distribution of different pore structure types

然而，实际核磁共振测井不能直接得到核磁自由流体T₂谱，故而在分孔隙结构的基础上，利用岩心核磁实验数据建立核磁饱和谱与核磁自由流体谱的对应关系(如表 4).进而可利用核磁共振测井T₂谱在井筒剖面连续地计算地层自由流体孔喉分布.

表 4(Table 4)

表 4 不同孔隙结构核磁饱和谱与核磁自由流体谱的对应关系 Table 4 The formula between NMR saturation spectrum and NMR free fluid spectrum of different pore structure types 孔隙结构类型 T2分布 T2饱和谱<4.5 ms 4.5 ms≤T2饱和谱<40 ms T2饱和谱≥40 ms Ⅰ Ⅰ1 y=0.4208x2+0.0431x-0.0011 y=2.3696x2+0.0664x-0.1625 y=0.7848x+0.0017 Ⅰ2 y=1.4476x2-0.2892x+0.0167 y=-1.9502x2+2.4536x-0.2809 y=0.9965x+0.0157 Ⅱ Ⅱ1 y=0.3175x2-0.0258x+0.0003 y=16.234x2-4.2548x+0.2944 y=0.9762x-0.0051 孔隙结构类型 T2分布 T2饱和谱<0.7 ms 0.7 ms≤T2饱和谱<2.25 ms T2饱和谱≥2.25 ms Ⅱ Ⅱ2 y=0.2948x2- 0.1408x-0.0013 y=5.7017x2-2.6588x+0.313 y=0.0118ln(y)+0.0657 Ⅲ Ⅲ y=0.168x2+0.0333x+3×10-6 y=1.308x2-0.1461x+0.0071 y=0.0058ln(x)+0.0408 注：y为自由流体谱分量；x为饱和谱分量.

表 4 不同孔隙结构核磁饱和谱与核磁自由流体谱的对应关系 Table 4 The formula between NMR saturation spectrum and NMR free fluid spectrum of different pore structure types

根据表 2、表 3的转换公式，分别将不同孔隙结构类型样品核磁自由流体谱转换为核磁自由流体孔喉分布、核磁饱和谱转换为核磁孔喉分布(表 5).比较核磁孔喉分布与压汞孔喉分布，可以看出Ⅰ₁、Ⅰ₂、Ⅱ₁型孔隙结构核磁孔喉分布与压汞孔喉分布形态较为接近，而Ⅱ₂、III型孔喉分布在小尺度孔径处存在差异，核磁饱和谱反演的小尺度孔径的比例稍大一些.

表 5(Table 5)

表 5 不同孔隙结构类型的压汞孔喉分布与核磁孔喉分布、核磁自由流体孔喉分布对比 Table 5 Comparison among the pore-throat distributions from the mercury injection, the saturated and the free-fluid T2 spectrum in different pore structure types ① Ⅰ1型孔隙结构孔喉分布； ② Ⅰ2型孔隙结构孔喉分布； ③ Ⅱ1型孔隙结构孔喉分布； ④ Ⅱ2型孔隙结构孔喉分布； ⑤ Ⅲ型岩石孔喉分布.

表 5 不同孔隙结构类型的压汞孔喉分布与核磁孔喉分布、核磁自由流体孔喉分布对比 Table 5 Comparison among the pore-throat distributions from the mercury injection, the saturated and the free-fluid T2 spectrum in different pore structure types

同时比较核磁自由流体孔喉分布与压汞孔喉分布(表 5)，可以看出，核磁自由流体孔喉分布与压汞孔喉分布(≥0.0248 μm)具有良好的一致性，表明采用直接提取核磁自由流体谱与压汞孔喉分布对应关系来转换核磁自由流体孔喉分布的方法有效.

在孔隙结构分类的基础上，结合测井信息，统计每种孔隙结构对应的测井响应信息，从雷达图(图中声波时差(AC)、伽马(GR)、高分辨感应电阻率(HRID))(图 5)和气泡图(横坐标：AC，纵坐标：GR，气泡半径：HRID)(图 6)上看，发现孔隙结构类型不同其测井响应有差异，其中Ⅰ型孔隙结构对应的AC、HRID值较高，而GR值较低.以此为依据，可利用这三种测井响应较好地定性识别井筒地层剖面的储层孔隙结构类型.

图 5

Fig. 5

图 5 孔隙结构类型识别雷达图 Fig. 5 Radar of pore structure types identification

图 6

Fig. 6

图 6 孔隙结构类型识别气泡图 Fig. 6 Bubble of pore structure types identification

以FX井为例(图 7).将非储层段3238.125~3241.2 m、3244.8~3246.13 m、3248.7~3249.625 m排除后，采用AC-GR-DEN气泡图识别FX井井筒剖面上的孔隙结构类型.结果为3241.25~3243.2 m(87号)落在Ⅱ₁孔隙结构范围内，3243.2~3244.8 m(88号)落在Ⅱ₂孔隙结构范围内，3246.13~3248.7 m(89号)落在Ⅱ₁孔隙结构范围内，3249.63~3251.8 m(90号)落在Ⅰ₂孔隙结构范围内(图 7).

图 7

Fig. 7

图 7 FX井核磁T2谱转换为孔喉分布及有效储层识别图 Fig. 7 The converted pore throat distribution by NML T2 spectrum in well FX and effective reservoir identification

利用测井信息对FX井Es₄层段地层进行孔隙结构类型识别后，依据建立的不同孔隙结构类型核磁自由流体孔喉分布(表 2、表 4)、核磁孔喉分布(表 3)反演公式进行计算，得到井筒剖面连续的核磁孔喉分布、核磁自由流体孔喉分布谱(图 7)，发现3238.125~3241.2 m、3244.8~3246.13 m、3248.7~3249.625 m层段孔喉分布谱位于最左边，孔喉尺度小、孔隙结构差，为III型.3241.25~3243.2 m(87号)、3246.13~3248.7 m(89号)孔喉分布范围广，呈明显双峰特征，核磁自由流体孔喉分布特征明显，为Ⅱ₁型，解释结论为差油层，其中3241.25~3243.2 m层段日产油在1.7 t左右，3246.13~3248.7 m层段日产油在2.3 t左右.3243.2~3244.8 m层段(88号)的孔喉分布呈单峰分布，为Ⅱ₂型，解释结论为油干层.3249.63~3251.8 m层段(90号)的孔喉分布谱范围广，且主要分布在核磁自由流体孔喉分布高值范围，为Ⅰ₂型，解释结论为油层，日产油约7.8 t.其储层有效性解释结果与测试结果基本一致.说明基于孔隙结构分类后对井筒核磁共振测井T₂谱进行孔喉分布定量反演有助于提高低渗透砂岩有效储层识别的精度.

低渗透砂岩孔隙结构复杂，通过物性、压汞、核磁等资料，对东营凹陷南坡沙四段(Es₄)低渗透砂岩孔隙结构类型进行分析，结合碎屑岩油气储层物性划分级别标准(SY/T 6285-2011)，划分出了3类，核磁自由流体T₂谱能够较好地反映这3类孔隙结构类型.

利用核磁T₂谱重构伪毛管压力曲线所得到的孔隙半径与压汞孔喉半径有较大误差，而核磁自由流体T₂谱与压汞孔喉分布对应关系更好，以此建立了不同孔隙结构类型二者之间不同孔喉尺度对应的关系式(大尺度：线性；小尺度：分段幂函数).

依据测井响应特征可在井筒剖面上识别孔隙结构类型，进而选择已建立的不同孔隙结构类型孔喉分布计算公式，用核磁共振测井(NML)可定量反演地层自由流体孔喉分布，省去了构建伪毛管曲线环节，为低渗透砂岩储层有效性评价提供了直接依据.