核磁共振技術(shù)在致密砂巖氣中的應(yīng)用

齊恒玄

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069)

Bloch等于1946年發(fā)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)中的磁核會(huì)吸收一定波長或頻率的電磁波而實(shí)現(xiàn)能級(jí)躍遷，開辟了核磁共振分析的歷史。近年來，核磁共振技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)新興的高新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于油氣勘探、地下水找水等地下流體檢測(cè)的各個(gè)方面，其中巖樣核磁共振分析、核磁共振成像及核磁共振測(cè)井技術(shù)等已在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域中快速發(fā)展［1-4］。

致密砂巖氣已在我國天然氣儲(chǔ)量中占舉足輕重的地位，是我國天然氣快速發(fā)展的重要保障之一，截至2010年，致密砂巖氣儲(chǔ)量和年產(chǎn)量分別占全國天然氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量的39.2%和24.6%［5］。致密砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)特征十分復(fù)雜、非均質(zhì)性較強(qiáng)、孔喉細(xì)小、孔隙喉道類型多樣、孔喉配位數(shù)不均一、孔喉連通程度差異較大;儲(chǔ)層驅(qū)替特征與中、高滲透儲(chǔ)層不同，有著啟動(dòng)壓力大、氣井見效慢、見水后含水上升快、產(chǎn)氣指數(shù)下降快、賈敏效應(yīng)突出等特點(diǎn)，從而造成單井產(chǎn)量低，勘探難度較大等問題［6］。傳統(tǒng)的鑄體薄片、圖象孔隙分析、圖象粒度分析、高壓壓汞、氣水相滲等實(shí)驗(yàn)已不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的要求，由于核磁共振技術(shù)不受巖石骨架的影響，對(duì)低孔地層效果好［7］，利用核磁共振技術(shù)可定量表征巖樣孔隙內(nèi)流體的賦存狀態(tài)，分析可動(dòng)流體飽和度與其他參數(shù)的相關(guān)性，同時(shí)結(jié)合微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，分析可動(dòng)流體飽和度的影響因素。

1 核磁共振技術(shù)

一些原子核(如1H，13C，9F等)在強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生能量分裂，形成能級(jí)。當(dāng)用一定頻率的電磁波對(duì)樣品進(jìn)行輻照時(shí)，特定結(jié)構(gòu)環(huán)境中的原子核會(huì)吸收相應(yīng)頻率的電磁波而實(shí)現(xiàn)共振躍遷。當(dāng)含流體(油、氣、水)的巖樣處于靜磁場(chǎng)中時(shí)，流體中所含的氫核會(huì)被磁場(chǎng)極化，此時(shí)對(duì)樣品施加一定頻率的射頻場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生核磁共振。根據(jù)玻爾茲曼定律，受激態(tài)磁核與低能級(jí)磁核保持一定比例的平衡，受激態(tài)高能級(jí)磁核，失去能量回到低能級(jí)磁核的非輻射過程，稱為弛豫;在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，撤掉射頻場(chǎng)后，可接收到一個(gè)幅度隨時(shí)間以指數(shù)函數(shù)衰減的信號(hào)，這個(gè)衰減的過程稱為弛豫。流體分子在巖樣孔隙空間內(nèi)不停地進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使氫核多次與巖石顆粒表面接觸、碰撞，發(fā)生兩種弛豫過程:一是受激態(tài)高能級(jí)磁核將能量傳遞給同種低能級(jí)磁核，自身回到低能級(jí)磁核的過程，即質(zhì)子不可逆的失相，產(chǎn)生縱向弛豫T1;二是受激態(tài)高能級(jí)磁核將能量傳遞給周圍的介質(zhì)粒子，自身回復(fù)到低能磁核的過程，即質(zhì)子將能量傳給巖石顆粒表面，產(chǎn)生橫向弛豫T2［5］。

因此橫向弛豫時(shí)間T2可用來描述信號(hào)衰減的快慢，與碰撞的頻率有關(guān)，與孔隙直徑相對(duì)應(yīng)，小孔對(duì)應(yīng)短T2，大孔對(duì)應(yīng)長T2［7］，同時(shí)也反映了巖石孔隙比表面(S/V)的大小，在大孔隙中，其S/V小，碰撞次數(shù)少，因此弛豫時(shí)間長;在小孔隙中，其S/V大，弛豫時(shí)間短［8］。對(duì)于單個(gè)孔隙，巖石表面 T2弛豫與表面體積比的關(guān)系為

式中:T2為單個(gè)孔隙內(nèi)流體的核磁共振橫向弛豫時(shí)間，ms;ρ為巖石顆粒表面橫向弛豫強(qiáng)度常數(shù)，m/ms;S/V為單個(gè)孔隙的比表面，m-1。

對(duì)于巖石孔隙，當(dāng)其半徑小到一定程度后，其中的流體將被毛細(xì)管力或粘質(zhì)阻力所束縛而無法流動(dòng)，因此在T2譜上存在一個(gè)截止值，當(dāng)T2弛豫時(shí)間大于T2截止值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的孔隙流體為可動(dòng)流體，小于該值時(shí)所對(duì)應(yīng)的孔隙流體則為不可動(dòng)流體。

2 核磁共振實(shí)驗(yàn)

2.1 分析測(cè)試

本次核磁共振可動(dòng)流體實(shí)驗(yàn)研究分析了蘇里格氣田8塊樣品的信息，核磁共振T2測(cè)量使用的是Magnet2000型儀器。具體實(shí)驗(yàn)步驟和方法如下:(l)從每塊全直徑巖心上鉆取1～2塊直徑為2.5 cm規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)巖心;(2)氣測(cè)滲透率;(3)巖心抽真空后飽和模擬地層水(總礦化度25 000 mg/L);(4)利用巖心濕重與干重之差計(jì)算巖心孔隙度;(5)對(duì)飽和模擬地層水狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)巖心進(jìn)行核磁共振T2測(cè)量。

2.2 確定T2截止值

實(shí)驗(yàn)中巖心可動(dòng)流體、束縛流體T2截止值的確定采用國際通用的方法，即采用離心法確定各個(gè)巖樣的可動(dòng)與不可動(dòng)流體的比值后，對(duì)照巖樣飽和流體的T2譜即可確定各塊巖樣的T2截止值。實(shí)驗(yàn)表明T2截止值基本上在T2譜兩峰的交會(huì)點(diǎn)附近［9］，本次實(shí)驗(yàn)最終確定的 T2截止值為13.895 ms。T2譜上T2弛豫時(shí)間大于13.895 ms各點(diǎn)的幅度和占T2譜所有點(diǎn)幅度和的百分比即為可動(dòng)流體飽和度，反之T2譜上T2弛豫時(shí)間小于13.895 ms各點(diǎn)的幅度和占T2譜所有點(diǎn)幅度和的百分比即為束縛流體飽和度。該百分比越大表示該巖心內(nèi)可動(dòng)流體飽和度越高，反之百分比越小表示該巖心內(nèi)的可動(dòng)流體飽和度越低。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次研究對(duì)蘇里格地區(qū)盒8段氣藏儲(chǔ)層的8塊樣品進(jìn)行了核磁共振實(shí)驗(yàn)，根據(jù)物性參數(shù)和可動(dòng)流體飽和度參數(shù)，可以將研究區(qū)的儲(chǔ)層類型分為Ⅰ類和ⅠⅠ類兩類，表1為Ⅰ類和ⅠⅠ類儲(chǔ)層具有代表性的兩個(gè)巖樣的巖心核磁共振檢測(cè)分析結(jié)果。圖1為Ⅰ類和ⅠⅠ類儲(chǔ)層具有代表性的兩個(gè)巖樣的核磁共振T2譜的頻率分布和累積分布曲線，其橫坐標(biāo)為弛豫時(shí)間T2，縱坐標(biāo)為不同弛豫時(shí)間T2信號(hào)的強(qiáng)度或組分含量。由T2譜可以直接得到弛豫譜幅度大小和弛豫時(shí)間分布這兩個(gè)參數(shù)，前者由巖石孔隙中的流體量決定，后者由巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和所包含的流體類型決定。

表1 核磁共振實(shí)驗(yàn)巖心參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 核磁共振T2譜的頻率分布和累積分布曲線

已有的研究表明，可動(dòng)流體飽和度與物性，特別是滲透率有正相關(guān)關(guān)系［10］，結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可動(dòng)流體飽和度并非只與孔隙度、滲透率有關(guān)，如樣品b物性很好，孔隙度為13.82% ，滲透率 1.416 ×10-3μm2，可動(dòng)流體參數(shù)卻較低，僅為23.69%，可動(dòng)流體孔隙度為3.27%;而樣品 a物性一般，孔隙度為7.40%，滲透率為 5.86 ×10-4μm2，但可動(dòng)流體飽和度為83.62%，可動(dòng)流體孔隙度為6.19%。分析這種現(xiàn)象的原因認(rèn)為，Ⅰ類樣品儲(chǔ)層雖然物性一般，但孔喉半徑大，粘土礦物含量低，微裂縫發(fā)育，孔隙連通性好，流體在其中容易滲流，導(dǎo)致可動(dòng)流體飽和度高，平均為51.05%，沉積微相為心灘、邊灘;ⅠⅠ類樣品物性好，孔隙類型主要有巖屑溶孔、晶間孔和收縮孔，孔喉半徑較大，微裂縫少見，伊利石、高嶺石等粘土礦物相對(duì)含量較高，多見毛發(fā)狀、卷曲片狀的伊利石生長在孔壁上，使粒間孔變?yōu)榫чg孔或粘土微孔，并且纖維狀伊利石具有很大的比表面，在這些微孔中的流體多為束縛流體，滲流中不參與流動(dòng)，導(dǎo)致儲(chǔ)層可動(dòng)流體飽和度小，束縛水飽和度很大，可動(dòng)流體飽和度低，平均為39.03%，沉積微相為分流河道。

圖2 孔隙、喉道半徑平均值與可動(dòng)流體飽和度相關(guān)關(guān)系圖

研究中發(fā)現(xiàn)整體上物性較好的樣品，可動(dòng)流體飽和度偏高，但相關(guān)性并不十分明顯，這是由于可動(dòng)流體飽和度的大小受多種因素綜合作用的結(jié)果，孔隙度和滲透率反映巖石的宏觀物理性質(zhì)，孔隙結(jié)構(gòu)反映巖石的微觀物理性質(zhì)［11］.可動(dòng)流體飽和度與孔隙半徑加權(quán)平均值和喉道半徑加權(quán)平均值有較好的正相關(guān)性(圖2)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.769 4和0.452，說明可動(dòng)流體飽和度主要受微觀孔隙結(jié)構(gòu)的控制，孔喉半徑是影響可動(dòng)流體飽和度的關(guān)鍵參數(shù)。

4 結(jié)論

(1)巖心核磁共振技術(shù)是致密砂巖氣儲(chǔ)層流體研究的有利手段，應(yīng)該大力推廣;

(2)致密砂巖氣儲(chǔ)層巖石可動(dòng)流體飽和度除了受儲(chǔ)層物性影響外，還受控于微觀孔隙結(jié)構(gòu)、粘土礦物含量及類型、沉積微相以及微裂縫發(fā)育程度等因素，其中微觀孔隙結(jié)構(gòu)是主要影響因素;

(3)孔隙半徑加權(quán)平均值和喉道半徑加權(quán)平均值兩個(gè)參數(shù)是影響致密砂巖氣儲(chǔ)層可動(dòng)流體飽和度的關(guān)鍵參數(shù)。

［1］肖立志，柴細(xì)元，孫保喜，等.核磁共振測(cè)井資料解釋與應(yīng)用導(dǎo)論［M］.北京:石油工業(yè)出版社.2001.

［2］曾文沖.油氣藏儲(chǔ)集層測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社.1991.

［3］陸大衛(wèi)，李寧，匡立春，等.石油測(cè)井新技術(shù)適用性典型圖集［M］.北京:石油工業(yè)出版社.2001.

［4］張榮，胡祥云，楊迪琨，等.地面核磁共振技術(shù)發(fā)展述評(píng)［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展.2006，21(1):284-289.

［5］戴金星，倪云燕，吳小奇.中國致密砂巖氣及在勘探開發(fā)上的重要意義［J］.石油勘探與開發(fā).2012，39(3):257-264.

［6］楊華，劉新社，孟培龍.蘇里格地區(qū)天然氣勘探新進(jìn)展［J］.天然氣工業(yè).2011，31(2):1-8.

［7］趙永剛，吳非.核磁共振測(cè)井技術(shù)在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè).2007，27(7):42-44.

［8］賈文玉，田素月，孫耀庭，等.成像測(cè)井技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:石油工業(yè)出版社.2000.

［9］王忠東，汪浩，李根農(nóng)，等.核磁共振巖心基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)分析［J］.測(cè)井技術(shù).2001，25(3):170-174.

［10］解偉.西峰慶陽區(qū)長8儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)及滲流特征研究［D］.西安:西北大學(xué).2005:78-85.

［11］裘亦楠，薛叔浩.油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社.1997.