核磁共振技術(shù)在頁巖游離氣計算中的應(yīng)用

程 偉　劉 洪　龐 進

(1. 中國石油化工股份華東分公司石油勘探開發(fā)研究院， 南京 210011；

2. 重慶科技學(xué)院， 重慶 401331)

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核磁共振技術(shù)在頁巖游離氣計算中的應(yīng)用

程 偉1劉 洪2龐 進2

(1. 中國石油化工股份華東分公司石油勘探開發(fā)研究院， 南京 210011；

2. 重慶科技學(xué)院， 重慶 401331)

摘要：相較于煤層氣，游離氣在頁巖氣中所占比例較大，以測定吸附氣含量為主的煤層氣含氣量測定方法不能完全適用于頁巖氣。通過分析頁巖核磁共振實驗結(jié)果，研究頁巖孔隙特征。結(jié)合樣品體積、密度等，利用頁巖孔隙度、流體豐度等數(shù)據(jù)計算樣品中儲氣空間的大小，而后根據(jù)氣體偏差因子、儲層壓力、儲層溫度計算標準狀態(tài)下頁巖游離氣含量，計算樣品中含水飽和度、含氣飽和度、含油飽和度等參數(shù)。在實驗過程中，對核磁共振實驗初始狀態(tài)及浸泡狀態(tài)實驗進行優(yōu)化，提高數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：核磁共振； 游離氣含量； 頁巖氣

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖層系中的天然氣[1]，以吸附在干酪根和黏土顆粒表面的吸附態(tài)和游離在天然裂縫及粒間孔隙中的游離態(tài)為主，其主要成分為甲烷[2-4]。頁巖氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，甚至砂巖地層中，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式[4-5]。暗色泥頁巖在中國分布廣泛，南方揚子地區(qū)、西北地區(qū)和華北地區(qū)中、古生界等都是頁巖氣藏發(fā)育的有利地區(qū)，頁巖氣資源豐富[6-7]。

頁巖含氣量是頁巖氣勘探開發(fā)、選區(qū)評價和儲層研究必不可少的內(nèi)容，準確計算頁巖含氣量尤為重要。頁巖氣含氣量受有機質(zhì)含量、地層壓力、溫度、濕度等多種因素影響[8]。根據(jù)煤層氣與頁巖氣賦存機理研究結(jié)果，在煤儲層中，吸附氣一般介于80%~90%，游離氣一般介于8%~12%，溶解氣一般小于1%；而頁巖儲層中，吸附氣一般介于20%~85%，游離氣介于25%~30%，溶解氣一般小于0.1%[9]，游離氣在頁巖含氣量中所占比例較大。目前確定頁巖含氣量以測定吸附氣的解吸、等溫吸附模擬以及測井等方法為主[10-11]。受游離氣影響，上述方法測定結(jié)果在煤層氣中誤差較小，但在頁巖氣中誤差較大，難以對頁巖氣中游離態(tài)氣體的逸散量進行測定或計算，具有明顯的不足。

選用核磁共振技術(shù)對樣品孔隙結(jié)構(gòu)進行測定，在優(yōu)化實驗方法的基礎(chǔ)上，可以準確計算頁巖游離氣含量，保證頁巖含氣量數(shù)據(jù)的準確性。

1核磁共振實驗

1.1核磁共振實驗原理

核磁共振是指處于靜磁場中的原子核在另一交變磁場作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。原子核自旋產(chǎn)生磁矩，當核磁矩處于靜止外磁場中時產(chǎn)生進動核和能級分裂。在交變磁場作用下，自旋核會吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級躍遷到較高能級[12-13]。利用原子核和磁場之間的相互作用，能夠獲取物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。一般通過測定核磁實驗中橫向弛豫時間T2確定樣品巖石物性、流體特征等物理性質(zhì)[14-16]。

頁巖氣勘探開發(fā)研究中最常用的原子核是油、水中富含的氫核1H。在實驗中，由于NaCl鹽水礦化度較小(小于50 gL)時，含氫指數(shù)近似為1，一般采用NaCl鹽水對樣品進行飽和測定；當溶液中Mn2+的濃度達到一定程度時，水的信號在測量開始之前就已完全衰減掉，而烴的弛豫時間不受影響，因此可以用來測定樣品中剩余油飽和度。

1.2核磁共振技術(shù)在泥頁巖孔徑測試中的優(yōu)勢

核磁共振實驗在泥頁巖孔徑測試、孔隙度計算等方面具有很大的優(yōu)勢。一是對實驗樣品要求較低，既可選用直徑為25 mm的標準巖芯，也可以選用無規(guī)則形狀的塊狀樣品或巖屑。二是數(shù)據(jù)簡單直接，結(jié)果準確可靠。氫核1H在不同孔徑中弛豫時間不同，根據(jù)弛豫時間及信號幅度可以直接判斷樣品中不同孔徑的數(shù)量并進一步計算孔隙度，在應(yīng)用中更便于理解。三是在飽和狀態(tài)測定時，樣品不會因泥漿污染，空氣濕度、溫度變化等因素對結(jié)果造成誤差，降低了樣品取芯、儲藏、運輸?shù)确矫娴碾y度。整個實驗過程除溶液浸泡外基本上不會對樣品造成其他傷害，屬于無損實驗，便于樣品的保存。

1.3核磁共振技術(shù)在游離氣測定中存在的問題

采用核磁共振實驗方法，測試分為初始狀態(tài)測試、飽和狀態(tài)測試和離心狀態(tài)測試等3部分。通過T2譜測定各狀態(tài)下的信號幅值，計算流體豐度、孔隙度、含油飽和度等數(shù)據(jù)，并計算樣品中的含氣飽和度及游離氣含量。除了在飽和狀態(tài)下準確測定頁巖孔徑分布及孔隙度外，直接利用3種實驗狀態(tài)測定頁巖游離氣還存在著一些問題：

(1)計算樣品游離氣需要測定其初始狀態(tài)流體豐度，以計算其含氣飽和度。在這個測定過程中，對樣品要求比較高，需要盡量保持包括含水性特征在內(nèi)的儲層條件不變，以確保測定結(jié)果中流體豐度的準確性。但是受取芯時泥漿污染、樣品運輸?shù)纫蛩赜绊?，增大了樣品維持初始狀態(tài)的難度。受現(xiàn)場條件影響，現(xiàn)場實驗成本較高，樣品進行前處理(鉆取頁巖樣品)時難度較大，并且在處理過程中受冷卻水影響，容易影響樣品內(nèi)部含水性特征。

(2)在開發(fā)頁巖氣的同時，需要對地層含油條件進行評估。在浸泡狀態(tài)實驗過程中，對已經(jīng)使用NaCl溶液飽和的樣品使用MnCl2溶液進行浸泡，消除樣品測定中的水信號，可以測定其含油飽和度。但是由于頁巖樣品致密，微孔發(fā)育，孔間喉道直徑小，并且樣品已經(jīng)通過溶液飽和，浸泡效果較差，無法完全消除水信號，測定出的含油飽和度數(shù)據(jù)不準。圖1為下?lián)P子地區(qū)侏羅系深黑色泥頁巖樣品核磁共振弛預(yù)時間譜，該樣品含油飽和度結(jié)果高達30%，失去了實際參考價值及指導(dǎo)意義。

2頁巖游離氣計算方法及優(yōu)化

2.1頁巖游離氣計算方法

(1)頁巖游離氣計算的一般方法。頁巖游離氣含量的計算是頁巖氣資源評價中的難題之一。目前，該參數(shù)的獲取方法通常有3種途徑：一是利用現(xiàn)場解吸實驗獲得頁巖的總含氣量，然后對其進行等溫吸附實驗，再用解吸氣量減去吸附氣量得出游離氣量；二是利用阿爾奇公式計算含水飽和度，再計算含氣飽和度，與孔隙體積相乘得出游離氣量；三是通過氣測含量確定游離氣量，或者利用已知含氣飽和度和儲集物性建立回歸關(guān)系，預(yù)測未知井的含氣飽和度，與孔隙體積相乘就得到游離氣量[17]。但是，各方法均有不足，第一種方法中現(xiàn)場解吸實驗測定結(jié)果一般以吸附氣為主，不能有效的測定游離氣，更不能準確地計算游離氣；而另2種方法均需要在原基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上建立數(shù)值模型、計算經(jīng)驗參數(shù)，以應(yīng)用于實驗井中，區(qū)域局限性較強，數(shù)據(jù)參數(shù)不準確。

圖1　某頁巖樣品核磁共振弛豫時間譜

(2)采用核磁共振實驗結(jié)果計算頁巖游離氣方法。在核磁共振實驗過程中，首先通過量筒或者千分尺測量計算樣品體積；隨后進行初始狀態(tài)測試，檢測樣品中氫核1H數(shù)量，計算流體豐度ξ(流體體積與樣品體積的比值)；然后將樣品抽真空并使用NaCl溶液飽和后進行測量，計算出孔隙度φ(飽和后流體體積與樣品體積的比值)[18]；最后將樣品浸泡入MnCl2溶液中，測定樣品含油飽和度C。

通過核磁共振實驗，可以直接得出樣品孔隙度φ、流體豐度ξ、含油飽和度C，樣品初始狀態(tài)氣體豐度ε為：

ε=φ-ξ

(1)

含氣飽和度A為：

(2)

通過樣品初始狀態(tài)氣體豐度ε，即可根據(jù)樣品視密度ρA、氣體壓縮因子Z、儲層壓力P、儲層溫度T，參考煤層氣游離氣計算方法[19]，結(jié)合氣體狀態(tài)方程計算頁巖游離氣含量G：

(3)

式中：G—— 頁巖游離氣含量，gmL；

V—— 頁巖樣品體積，mL；

Po—— 標準狀態(tài)壓力，MPa；

To—— 標準狀態(tài)溫度，K。

2.2頁巖游離氣計算方法優(yōu)化

針對核磁共振技術(shù)在頁巖游離氣測定中存在的問題，通過以下方法進行優(yōu)化。

(1)初始狀態(tài)測量主要是為了在盡量接近儲層狀態(tài)條件下測定其流體豐度，而后根據(jù)孔隙度計算頁巖樣品含氣飽和度。建議現(xiàn)場選取樣品時，在核磁共振實驗所選樣品Q同一層位使用地質(zhì)錘敲擊巖樣內(nèi)部未受鉆井液污染的大塊樣品Q0，稱量其質(zhì)量M1并記錄，將其留待實驗室進行水分散失對比。將樣品Q0與Q同時置于烘箱內(nèi)烘干，記錄對比樣品Q0質(zhì)量M2，測定核磁實驗樣品Q該狀態(tài)下流體豐度ξ1，則樣品Q實際初始狀態(tài)下流體豐度ξ為：

(4)

式中：ρw—— 水的密度，gmL；

ρA—— 頁巖視密度，gmL。

(2)浸泡狀態(tài)測量主要是為了得出樣品含油數(shù)據(jù)信息。將完成飽和實驗的頁巖樣品粉碎至巖屑狀態(tài)，然后測量巖屑體積V3，進行浸泡實驗，測定其含油飽和度C3。則樣品含油飽和度C為：

(5)

含水飽和度B為：

B=1-A-C

(6)

3實例分析

以下?lián)P子地區(qū)侏羅系深黑色泥頁巖樣品為例，該樣品儲層壓力約20 MPa，儲層溫度約338.15 K(65.15 ℃)。核磁實驗選用巖心Q體積V為12.27 mL，烘干后流體豐度ξ1為0.21%，同層頁巖真密度ρT為2.74 gmL，視密度ρA為2.69 gmL；初始狀態(tài)對比樣品Q1質(zhì)量M1為150.74 g，烘干后M2為149.89 g，飽和狀態(tài)孔隙度φ為1.81%，浸泡狀態(tài)測定過程中，巖屑體積V3為8.46 mL，在原飽和狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上測定含油飽和度C3為0.57%。參考天然氣性質(zhì)，頁巖氣氣體壓縮因子Z取0.94[20]。根據(jù)真視密度計算孔隙度為1.82%，與核磁共振測定結(jié)果相符。

根據(jù)式(4)，計算樣品流體豐度，ξ= 1.73%；根據(jù)式(1)，計算樣品初始狀態(tài)氣體豐度，ε=0.08%；根據(jù)式(2)，計算樣品含氣飽和度，A= 4.42%；根據(jù)式(3)，計算樣品游離氣含量G= 5.11 mLg；根據(jù)式(5)，計算樣品含油飽和度，C= 0.83%；根據(jù)式(6)，計算樣品含水飽和度，B= 94.75%。

即該泥頁巖樣品中孔隙度為1.81%，孔隙中含氣4.42%、含水94.75%、含油0.83%，所含游離氣在標準狀態(tài)下為5.11 mLg。

4結(jié)語

(1)頁巖初始狀態(tài)測量比較困難，可以通過對比觀測樣品中流體的變化特征，并結(jié)合實驗計算樣品流體豐度。

(2)頁巖浸泡狀態(tài)時樣品處理難度大，浸泡效果差。將完成飽和狀態(tài)測定的樣品破碎至巖屑狀態(tài)再進行浸泡，可以大幅度提高浸泡效果，增加樣品含油飽和度測定結(jié)果的準確性。

(3)頁巖游離氣檢測難度大，結(jié)合核磁共振技術(shù)，通過對各狀態(tài)的優(yōu)化完善，準確測定樣品的含水、含油、含氣飽和度后，可以較為準確地計算頁巖中的游離氣量。

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Application of NMR Techniques in Estimation Methods of Free Gas

CHENGWei1LIUHong2PANGJin2

(1. Petroleum Exploration and Development Research Institute of China Petroleum & Chemical Co., Ltd.,Nanjing 210011, China; 2. Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Abstract:Compared with coalbed gas, shale free gas content is higher in the proportion of gas content, so the widely used method for determination of absorption gas content in coal bed cannot properly meet the needs in shale gas. This paper aims to analyze the shale pore characteristics, combined with the NMR techniques and its results. The size of the sample gas storage space can be calculated by the sample volume, density, and then according to the gas compressibility factor, reservoir pressure, reservoir temperature can be derived shale content of free gas under standard conditions, to draw samples of water saturation, containing gas saturation, oil saturation and other parameters to provide the basic data for the exploration and development of shale gas. For improving data accuracy and reliability, NMR experiment optimized both states of the initial state and soaked state.

Key words:nuclear magnetic resonance; free gas calculate; shale gas

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)01-0021-04

中圖分類號：P618

作者簡介：程偉(1982 — )，男，江蘇揚州人，工程師，研究方向為頁巖氣氣體評價。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目“頁巖氣滲流機理及產(chǎn)能預(yù)測方法研究”(51174245)

收稿日期：2015-04-05