碳酸鹽巖核磁共振實驗研究現(xiàn)狀

王翼君，崔剛，唐洪明，沈建軍，高子涵，周士琳

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072751）

碳酸鹽巖核磁共振實驗研究現(xiàn)狀

王翼君1，崔剛2，唐洪明1，沈建軍1，高子涵3，周士琳1

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072751）

隨著海相碳酸鹽巖油氣田的大規(guī)模開發(fā)，對碳酸鹽巖儲層的評價日益受到重視。低磁場核磁共振（NMR）巖心分析技術(shù)是近20年來在我國新興起的快速測量巖石物性參數(shù)的一種新技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于儲層評價及流體識別。針對NMR當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀，文中就碳酸鹽巖中存在的大、小孔喉“擴散耦合”、T2截止值的準確求取以及溫度對NMR響應(yīng)特征的影響3個問題，總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究成果。“擴散耦合”在各類巖石中都可能存在，只不過是在碳酸鹽巖中較為突出罷了；碳酸鹽巖的T2截止值普遍比砂巖高且變化較大，這一方面說明碳酸鹽巖的非均質(zhì)性較強，另一方面也可能與碳酸鹽巖的“擴散耦合”相關(guān)；而溫度對碳酸鹽巖NMR響應(yīng)特征的影響，則因碳酸鹽巖的礦物成分、孔隙類型、流體性質(zhì)而異。

核磁共振；擴散耦合；T2截止值；溫度；表面弛豫強度

0 引言

近年來，我國的海相碳酸鹽巖油氣勘探取得了重大突破，先后發(fā)現(xiàn)了普光氣田、輪南-塔河油田等大型海相碳酸鹽巖油氣田，顯示出海相碳酸鹽巖的巨大勘探開發(fā)潛力，對我國石油工業(yè)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的改善意義重大［1-2］。在此背景下，對于碳酸鹽巖儲層的綜合評價也成了擺在地質(zhì)學(xué)家面前的一個重要課題。其中，低磁場核磁共振技術(shù)（NMR）作為一種評價手段也逐漸被應(yīng)用于碳酸鹽巖儲層的評價。

作為一種新興技術(shù)，NMR巖心分析技術(shù)，利用儲層流體（油/氣/水）中的氫原子核在磁場中具有共振并產(chǎn)生信號的特性，探測儲層孔隙度、滲透率、可動流體飽和度等巖石物性參數(shù)以及巖心中的流體在孔喉中的分布，是有效劃分和評價儲層，識別儲層流體的重要手段，具有測試方便、快捷、操作簡單、無污染等特點［3-5］。但是，由于種種原因，目前對于碳酸鹽巖儲層核磁共振特征的研究較之碎屑巖儲層滯后。本文總結(jié)了國內(nèi)外對碳酸鹽巖中存在的大小孔喉中流體的 “擴散耦合”、T2截止值的求取以及溫度對碳酸鹽巖的影響等3個方面的研究成果，并且在此基礎(chǔ)上提出筆者的一些認識，希望能為今后碳酸鹽巖的NMR特征研究以及用NMR準確評價碳酸鹽巖儲層提供一些參考。

1 NMR原理概述

NMR技術(shù)研究的是“淹沒”在恒定磁場中的某些帶自旋磁矩的原子核吸收特定頻率 （Larmor頻率）的電磁波，從而改變能量狀態(tài)的現(xiàn)象，其基礎(chǔ)是具有自旋性質(zhì)的原子核的磁性及其與外加磁場的相互作用。在對飽和含氫流體（水/油）的巖心進行核磁共振測試之前，地層中的氫質(zhì)子隨機取向和排列。將飽和含氫流體（水/油）的巖心放入恒定靜磁場B0中時，帶自旋的原子核在B0磁場的作用下，自旋軸沿B0方向排列，且具有2種取向和能級：與B0方向相同，處于高能級；與B0方向相反，處于低能級。

置于B0中的自旋原子核，由于處于高能級和低能級的數(shù)目不同，宏觀上會產(chǎn)生一個凈磁化矢量，稱為宏觀磁化矢量 （M），M的方向與外加磁場B0方向一致，原子核系統(tǒng)被“極化”。當(dāng)在垂直于B0的方向再施加一個頻率與Larmor頻率相等的交變磁場B1，“照射”被極化了的核自旋系統(tǒng)時，系統(tǒng)將吸收B1場的能量，使得M被“激發(fā)”，偏離B0方向。B1場結(jié)束后，自旋將逐步釋放或交換能量，核自旋系統(tǒng)恢復(fù)到施加B1前的平衡狀態(tài)［6-7］。這一過程，稱之為“弛豫”（包括縱向弛豫和橫向弛豫2個過程），這一過程需要的時間稱之為“弛豫時間”（包括縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2），目前，低場核磁共振的測試最常用的是T2。

儲層原油、天然氣和水中富含氫核，是NMR的主要研究對象，M與儲層巖心中油氣水的氫核含量成正比，這是核磁共振通過測量巖心中的流體信號得到孔隙度、滲透率等物性參數(shù)和可動流體飽和度等流體參數(shù)的理論基礎(chǔ)。

2 碳酸鹽巖NMR特征研究

通過NMR法評價儲層好壞，除了核磁孔隙度和滲透率外，主要還依據(jù)2點：1）儲層巖心的T2截止值及其平均值大小；2）儲層巖心的T2時間大小。此外，對于現(xiàn)場的核磁共振測井而言，溫度對于核磁共振T2分布的影響也至關(guān)重要。

2.1 碳酸鹽巖的T2時間和孔喉分布的關(guān)系

T2時間可以用來表征巖石的孔徑分布，其理論依據(jù)是：在NMR測量過程中，氫質(zhì)子碰撞顆粒表面造成能量衰減，這一過程稱為表面弛豫。其中：大孔隙的比表面（S/V，單位是μm-1）小，氫質(zhì)子和顆粒表面發(fā)生碰撞概率小，弛豫時間較長；而小孔喉的S/V大，因而氫質(zhì)子與顆粒表面發(fā)生碰撞概率大，弛豫時間短。

巖石顆粒表面的弛豫能力往往用表面弛豫強度（ρ2，又稱為表面弛豫率，μm/s）來定量表征。表面弛豫速率（1/T2，單位為s-1）是表面弛豫強度與巖石孔隙比表面的乘積：1/T2=ρ2（S/V）。由此，可以得出，巖石的T2時間和孔喉半徑成正比，T2時間的大小可以在一定程度上反映巖石的孔喉半徑大小。

在核磁共振中，將巖心的弛豫過程表示為

式中：M（t）和M0分別為在t時刻和0時刻的磁化矢量的幅度，a.u（任意單位）；t和Tj分別為采樣時間和弛豫時間，ms；fj為Tj時的孔隙體積，mL。

這一理論，在碎屑巖儲層中獲得了較好的應(yīng)用效果。但是，對于碳酸鹽巖儲層，該觀點遇到了挑戰(zhàn)。這是因為，用T2時間來表征孔喉半徑還有一個大前提，即自旋原子核擴散距離可以忽略不計，而每一個孔喉中流體的弛豫過程是相互獨立的，彼此之間互不干擾。但是，根據(jù)國外最近10多年來的研究表明，碳酸鹽巖中存在一個“擴散耦合”效應(yīng)，即不同半徑孔喉之間的流體通過擴散作用相互聯(lián)結(jié)，導(dǎo)致同一個碳酸鹽巖樣品中大、小孔喉的T2時間分布很難分清。有時甚至?xí)霈F(xiàn)不同孔喉的T2譜完全合并成一個尖峰，因而不能準確反映碳酸鹽巖的孔喉分布。

Roberts等［8］研究表明，砂巖的ρ2分布范圍主要在1～10 μm/s。Chang等［9］的研究認為，碳酸鹽巖的橫向ρ2比砂巖要低，一般為0～5 μm/s，而砂巖的ρ2一般為0～15 μm/s。Ramakrishnan［10］根據(jù)蒙特卡羅隨機游走模型模擬證明，弛豫時間能否反映孔徑分布，ρ2至關(guān)重要。如果表面弛豫微弱，大、小孔隙中的流體容易擴散，那么巖石中的“擴散耦合”效應(yīng)就很明顯。此時，弛豫時間就不能反映巖石的孔徑分布。Toumelin等［11］使用蒙特卡羅三維隨機步進法分析了在恒定磁場梯度下微晶灰?guī)r中不同類型孔隙中流體的擴散效應(yīng)特征，并認為“擴散耦合”對把測量的T2分布反演成孔隙大、小分布的影響超過確定T2截止值的影響。Vivek等［12］也認為，傳統(tǒng)的NMR測量的前提對于粒屑灰?guī)r和泥?；?guī)r是行不通的。他們通過模擬巖心中微孔隙和大孔隙間流體的弛豫及他們之間的流體“擴散耦合”現(xiàn)象，將影響T2分布的幾個參數(shù)（包括微孔隙的ρ2、流體的擴散系數(shù)、空隙的幾何形態(tài)等），合并成了一個耦合參數(shù)α，它是孔隙特征弛豫速率和微孔—大孔間擴散速率的比值，其數(shù)學(xué)表達式為:

式中：D為擴散系數(shù)；L1，L2分別為孔隙半長和孔隙半寬，μm；T2，C為特征孔隙的弛豫時間，ms；Vtotal為總孔隙體積，mL；Sactive為微孔隙表面積，cm2；η為孔隙縱橫比，；μ為Browns數(shù)值；β為微孔百分數(shù)，%。

圖1為μ對t=1.0等值線的影響示意。由圖1可以看出，當(dāng)μ＜1.0時，快速擴散在整個孔隙空間形成了幾乎均勻的磁場，隨著μ值的增大，縱向上的梯度越來越明顯［12］。梯度的出現(xiàn)說明了微孔隙中自旋的弛豫速率比大孔隙中的自旋大。

圖1 t=1.0時的磁場強度等值線

Vivek等選取了不同α和μ值的T2譜進行對比后發(fā)現(xiàn)，兩者值越小，巖心中不同大小孔隙中的流體“擴散耦合”程度越大，T2分布就越不能準確地表征巖石的孔喉分布，反之亦然（見圖2）。此外，為了定量表示巖心中孔隙流體的“擴散耦合”程度，Vivek等［12］將“擴散耦合”程度分為3個等級：1）α＜1.0,完全耦合。在微孔隙中，擴散比弛豫更快，微孔和大孔全部耦合，微孔和大孔的弛豫時間譜完全重合成一個尖峰，無法區(qū)分；2）1.0≤α≤50.0，中等耦合。擴散比弛豫快，微孔和大孔部分耦合。雖然大孔和微孔各自有它們的T2分布，但是他們的尖峰信號幅度（信號強度f，a.u)并不與孔隙百分數(shù)成正比；3）α＞50.0，不耦合。微孔和大孔的弛豫完全獨立，互不相干，它們的T2譜完全分離。

圖2 與圖1中備選參數(shù)相關(guān)的α函數(shù)的T2分布

在描述粒屑灰?guī)r的大、小孔隙耦合效應(yīng)時，為了檢驗Ramakrishnan等提出的粒屑灰?guī)r模型（詳見2.2）的有效性，研究孔隙耦合的控制參數(shù)，Vivek等分別用不同粒徑的白堊和硅膠對飽和水及束縛水狀態(tài)下的T2分布進行了對比，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出：對于粗粒徑的白堊，飽和水狀態(tài)下的T2分布基本呈雙峰，且離心后的T2分布和離心前的T2譜的左峰基本重合，說明基本上不存在“擴散耦合”現(xiàn)象；隨著白堊粒度變細，飽水狀態(tài)下的T2分布逐漸轉(zhuǎn)化為單峰，且離心后的束縛水T2譜和離心前的T2譜出現(xiàn)了明顯的不重合，或者較之離心前的左半峰信號幅度增高，或者幅度變低，但束縛水峰出現(xiàn)了明顯左移，硅膠的情況也與之類似。這說明，隨著巖石顆粒粒徑變小，巖石中大、小孔喉中的流體的“擴散耦合”程度增強。而一般情況下，隨著巖石顆粒粒徑的減小，巖石會變得致密化，物性也會變差。盡管這一結(jié)論是針對灰?guī)r提出的，但是能否據(jù)此推論：巖石越致密，物性越差，其中不同大小孔喉中的流體越容易發(fā)生“擴散耦合”？這還需要大量的實驗數(shù)據(jù)來證明。

肖立志等［13］在對不同表面弛豫強度下的NMR響應(yīng)特征進行研究后認為，在連通性較好的模型中，隨著表面弛豫強度降低，“擴散耦合”越來越明顯。在表面弛豫強度較低的模型中，T2譜已經(jīng)很難直接反映模型的孔隙結(jié)構(gòu)信息。LU Chi和Zoya［14-15］認為，Ramakrishnan提出的“擴散耦合”效應(yīng)理論也可延伸至孔隙-裂縫雙重介質(zhì)巖石（裂縫較為發(fā)育的巖石）中，裂縫和基質(zhì)孔隙之間也存在“擴散耦合”效應(yīng)。他們還認為，如果在對NMR的T2分布進行解釋時，不考慮裂縫-孔隙的“擴散耦合”效應(yīng)，則粒間孔或裂縫的T2時間會被低估29%，從而導(dǎo)致孔隙尺寸和裂縫寬度也被低估。

圖3 作為顆粒直徑函數(shù)的多微孔白堊和硅膠T2分布

盡管上述研究結(jié)果主要是針對碳酸鹽巖，但是筆者認為，對于傳統(tǒng)的核磁共振巖心測試分析理論基礎(chǔ)來說，無疑是一種顛覆。這就如同儲集層和蓋層組合，其本質(zhì)是由于后者物性較前者差，而與其巖性差異沒有必然聯(lián)系一樣［16-17］。從上述國外學(xué)者的研究來看，“擴散耦合”在本質(zhì)上是由于表面弛豫強度低導(dǎo)致大、小孔喉之間的流體通過擴散相互聯(lián)結(jié)，與巖性并無必然聯(lián)系。這就涉及到一個問題，即影響巖石表面弛豫速率的因素是什么？R Dastidar等［18］研究了碎屑巖的NMR響應(yīng)之后認為，碎屑巖中較高的石英質(zhì)量分數(shù)對應(yīng)著較低的表面弛豫速率（見圖4）。

圖4 石英質(zhì)量分數(shù)和表面弛豫速率相關(guān)性統(tǒng)計

K Kristina［19］研究了純石英砂樣品和有著不同質(zhì)量分數(shù)的鍍水鐵礦膜石英砂樣品的核磁響應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，隨著樣品中鍍水鐵礦膜石英砂的質(zhì)量分數(shù) （CM）的增大，樣品的體弛豫速率（T2B-1）和擴散弛豫速率（T2D-1）增加不明顯，而表面弛豫速率（T2S-1）顯著增大，且直接影響了樣品總的弛豫速率T2M-1（T2M-1=T2B-1+T2D-1+T2S-1）（見圖5，回波時間間隔TE=300 μs），即此時的樣品主要受表面弛豫的影響。此外，對這些樣品進行比表面測試后也發(fā)現(xiàn)，隨著CM增大，樣品的比表面也會增加（純石英砂為0.398 μm-1，而完全鍍了水鐵礦膜的石英砂樣品為3.93 μm-1），這應(yīng)該是順磁性物質(zhì)引起表面弛豫速率變化的重要原因。

圖5 T2M-1與CM的相關(guān)性

此外，K Kristina還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)樣品中的CM＜25%時，樣品總體的ρ2隨著CM的增加呈指數(shù)增加；當(dāng)CM＜2%時，鍍水鐵礦膜石英砂部分的表面弛豫強度ρ2m顯著增加；當(dāng)2%＜CM＜25%時，ρ2m卻呈現(xiàn)指數(shù)衰減。但是，當(dāng)CM＞25%時，樣品總體的ρ2與CM呈線性正相關(guān)且增長幅度較小，且ρ2m基本為一個常數(shù)（見圖6）。這說明鐵磁性物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)較小時，巖石的ρ2增長很快，但是到了一定程度之后，其增長反而會陷入停滯。

圖6 ρ和CM相關(guān)性統(tǒng)計

從上述研究可以看出，巖石表面ρ2受巖石內(nèi)部的順磁-鐵磁性物質(zhì)影響很大。而不同巖石所含的順磁性物質(zhì)的類型和數(shù)量是不一樣的，因而，不同種類（甚至同種類）巖石的T2S-1也一定千差萬別。

在三大類巖石中，火成巖和正變質(zhì)巖中含有大量的暗色鐵鎂礦物（如角閃石、輝石、黑云母等）以及磁鐵礦等，它們的磁化率較高，因而在磁法勘探中，火成巖和正變質(zhì)巖的磁異常較大。相比之下，沉積巖主要由石英、方解石、長石等弱磁乃至逆磁性礦物組成，順磁-鐵磁性物質(zhì)較少，因而在磁法勘探中，通常沉積巖的磁異常很低。但如果沉積巖中有較多來自火成巖或正變質(zhì)巖碎屑的磁性顆粒，則沉積巖也會有一定的磁性（碎屑剩磁）［20-21］。同樣，在核磁共振中，火成巖和正變質(zhì)巖中的這些順磁-鐵磁性物質(zhì)對火成巖的NMR信號的影響極大，T2譜往往向短弛豫方向移動，核磁信號幅度衰減程度也變大，小孔喉中的信號不能被檢測到，導(dǎo)致核磁孔隙度偏低［22-23］。對此，可以用上述國外學(xué)者的研究結(jié)果，即巖石中的順磁-鐵磁性物質(zhì)引起的T2S-1增大，來進行很好地解釋。

從沉積學(xué)的角度上來看，砂巖作為一種陸源碎屑巖，它也是由地球上的火成巖、變質(zhì)巖以及先形成的沉積巖經(jīng)過風(fēng)化剝蝕、搬運、沉積和成巖作用改造后形成的［24］，如果砂巖中含有大量的火成巖或正變質(zhì)巖巖屑而具有一定的碎屑剩磁的話，砂巖的T2S-1就會較大。反之，若砂巖的成分成熟度較高（即逆磁性的石英質(zhì)量分數(shù)很高）的話，則砂巖的T2S-1就會變低，則砂巖發(fā)生“擴散耦合”的可能性也會增加。對于碳酸鹽巖，由于碳酸鹽巖屬于原地成因，且它的形成環(huán)境主要為溫暖、清潔的淺水環(huán)境，不可能有太多的陸源物質(zhì)注入［25］。所以，在碳酸鹽巖中，火成巖和正變質(zhì)巖巖屑極少，因而碳酸鹽巖中的順磁-鐵磁性物質(zhì)相對于砂巖較少，碎屑剩磁較低，故它的T2S-1較低，因而更容易發(fā)生“擴散耦合”。因此，可以這樣說，無論是砂巖還是碳酸鹽巖（甚至更多巖類），只要它們中的順磁-鐵磁性礦物質(zhì)量分數(shù)較低，都會使它們的表面弛豫速率降低，從而導(dǎo)致大孔和微孔之間的流體都會或多或少的出現(xiàn)“擴散耦合”（只是在碳酸鹽巖中表現(xiàn)得更顯著罷了），使其T2譜不能準確反映巖石的孔喉分布。這一點，值得去深入探究，以便更加精確地使用核磁法來表征碳酸鹽巖儲層。

目前，國內(nèi)在這方面的研究相對滯后。很多學(xué)者在用核磁法求取巖石的孔喉分布 （尤其是碳酸鹽巖的孔喉分布）時仍然堅持傳統(tǒng)的NMR測量的基本假設(shè)，仍然認為不同的弛豫時間在任何條件下都能對應(yīng)著不同的孔喉半徑，未考慮巖石（尤其是碳酸鹽巖）中微孔和大孔的“擴散耦合”效應(yīng)。

2.2 碳酸鹽巖的T2截止值

在核磁共振法對儲層進行評價的過程中，可動流體飽和度的確定至關(guān)重要。目前，在低場核磁共振中，主要運用T2截止值法來測量可動流體飽和度。T2截止值法假定束縛流體主要占據(jù)小孔和微孔，可動流體占據(jù)大孔隙。假設(shè)有一個T2時間，當(dāng)孔隙中流體的弛豫時間小于該值時，孔隙流體為束縛流體，反之，為可動流體；因此，確定T2截止值對計算可動流體飽和度至關(guān)重要。在實驗室，一般采用離心法標(biāo)定T2截止值。

關(guān)于確定碳酸鹽巖的T2截止值，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作。劉衛(wèi)等［26］選取了135塊低滲砂巖巖樣和8塊有代表性的碳酸鹽巖巖樣，通過離心法確定T2截止值的分布（低滲砂巖的離心力選取1.38 MPa，碳酸鹽巖的離心力選取為2.76 MPa）時，低滲砂巖求取的T2截止值平均為15.82 ms，碳酸鹽巖巖樣求取的平均值為86.78 ms，明顯高于砂巖。

肖前華等［27］通過選取中東某碳酸鹽巖油田具有代表性的70塊巖樣進行可動流體飽和度研究，用2.76 MPa的離心力標(biāo)定碳酸鹽巖的T2截止值后發(fā)現(xiàn)，中東地區(qū)碳酸鹽巖的T2截止值分布范圍很寬，在20～180 ms。這說明，中東碳酸鹽巖儲層的非均質(zhì)性較強和縫洞較為發(fā)育，同時也說明，部分石油公司推薦碳酸鹽巖儲層的可動流體T2截止值采用90 ms并不是普遍適用的。趙輝等［28］選取磨溪氣田嘉二亞段的216塊碳酸鹽巖樣品，分別在飽水和離心2種狀態(tài)、TE為0.35 ms的情況下進行核磁實驗，并對他們進行T2截止值標(biāo)定。結(jié)果表明：碳酸鹽巖的孔隙度對于其T2截止值的影響無明顯規(guī)律；碳酸鹽巖的T2截止值不是個定值，它與泥質(zhì)質(zhì)量分數(shù)成反比。

Chang Dahai等［29］研究認為，對于溶蝕孔洞發(fā)育的碳酸鹽巖，T2截止值選取92 ms較為適宜。此外，還有國外學(xué)者［30-33］認為，砂巖的T2截止值采用33 ms較合理，而碳酸鹽巖的T2截止值采用100 ms較合理。

鄧克俊等［34］研究表明，砂巖的T2截止值變化范圍為20～50 ms，碳酸鹽巖為90～150 ms，并認為碳酸鹽巖的ρ2很低是其T2截止值遠大于砂巖的原因。Toumelin等［11］也認為，當(dāng)溫度和“擴散耦合”效應(yīng)影響很大時，需要對核磁共振測井過程中得出的T2截止值進行校正。Vivek等在研究上述灰?guī)r中的“擴散耦合”效應(yīng)問題時也認為，對于微孔和大孔之間存在“擴散耦合”的地層，由于其T2時間和孔徑分布的相關(guān)性已經(jīng)不復(fù)存在，因而T2截止值的應(yīng)用可能會導(dǎo)致不正確的評價。Mai等［35］在研究在研究Alberta盆地中的碳酸鹽巖的NMR響應(yīng)特征后發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖中的T2截止值變化很大，從小于80 ms到大于200 ms不等，并且認為T2截止值隨巖石類型、孔隙系統(tǒng)等因素的變化而變化。

由此可見，相對于碎屑巖來說，碳酸鹽巖的T2截止值普遍較高，且變化較大，做出的T2截止值的經(jīng)驗值不具有普遍適用性。影響碳酸鹽巖T2截止值的因素較多，因而通過T2截止值法精確地獲得碳酸鹽巖的可動流體飽和度還存在許多問題。這一方面反映了碳酸鹽巖的非均質(zhì)性更強，溶蝕孔洞發(fā)育但分布不均；另一方面也可能與上述提到的碳酸鹽巖中存在的大孔和微孔中流體的“擴散耦合”有一定關(guān)系。對此，值得去進一步研究。

2.3 溫度對碳酸鹽巖NMR特征的影響

T S Ramakrishnan等［36］提出了一個用于研究碳酸鹽巖視表面弛豫強度的物理模型：

式中：ρa為視表面弛豫強度，μm/s；D0為孔隙流體的擴散系數(shù)，m2/s；φμ為晶間孔孔隙度，%；Fμ為球狀微孔的地層因子；T2μ為微孔T2弛豫時間。

由于該式中第1項很小，可以忽略不計，因此，碳酸鹽巖的ρa約等于第2項。從該物理模型可以得到一種認識——碳酸鹽巖的ρa受流體的擴散系數(shù)的影響，而擴散系數(shù)受溫度的影響很大，因而也可以進一步推測，碳酸鹽巖的表面弛豫也受溫度的影響。當(dāng)碳酸鹽巖同時存在大孔和微孔時，該模型可以用于解釋碳酸鹽巖的T2分布受溫度影響的特征。

Godefroy等［37］分別對飽和水砂巖和碳酸鹽巖進行NMR變溫實驗后發(fā)現(xiàn)：在飽和水情況下，砂巖的弛豫時間隨著溫度的增長而減小，但在飽和油的情況下則相反；而對于碳酸鹽巖，無論是飽和油還是飽和水，其弛豫時間都隨溫度的增長而增加。Toumelin等［11］在研究溫度對存在“擴散耦合”的碳酸鹽巖NMR特征的影響時發(fā)現(xiàn)，溫度對溶洞型大孔隙的耦合響應(yīng)沒有影響，但對小孔隙類型的耦合影響顯著，即隨著溫度增加，表面弛豫減小，即溫度對表面弛豫可能有相反的影響，但是，當(dāng)不存在“擴散耦合”效應(yīng)時，則完全相反，所以，其對溫度的響應(yīng)還需作進一步研究。Vivek等研究了溫度對于硅膠顆粒和Thamama組儲層中的飽水和束縛水狀態(tài)下的碳酸鹽巖樣品的NMR特征的影響，伴隨著溫度的升高，樣品的ρ值有所下降，即相同條件下弛豫時間變長、譜峰發(fā)生右移（見圖7），同時樣品中大孔和微孔中流體的“擴散耦合”程度會大幅增加，甚至?xí)?dǎo)致大孔和微孔的T2譜合二為一（見圖8）。

謝然紅等［38-39］通過對不同的人造和天然巖心（含碳酸鹽巖儲層巖心）進行NMR變溫測試后發(fā)現(xiàn)，飽水的人造碳酸鈣和碳酸鹽巖的橫向ρ和1/T2隨溫度升高而減小（或T2時間隨溫度升高而增大），與貝瑞砂巖儲層及人造碳化硅的結(jié)果剛好相反。這和碳酸鹽巖中與分子擴散相關(guān)的活化能Em大于與巖石顆粒表面相互作用的活化能 （即碳酸鹽巖的橫向ρ比碎屑巖小一個數(shù)量級）有關(guān)。而對于飽和油的樣品，無論是貝瑞砂巖或碳酸鹽巖儲層，其T2時間都隨溫度的升高而增大。

由此可見，溫度對于碳酸鹽巖的NMR響應(yīng)特征的影響，因碳酸鹽巖的礦物成分、孔隙類型以及流體性質(zhì)的變化而變化，情況較為復(fù)雜，不同學(xué)者得出的結(jié)論也大相徑庭。目前，國內(nèi)在溫度對碳酸鹽巖的NMR特征的影響方面的研究還很不夠，有待進一步深化。

圖7 束縛水狀態(tài)下中—粗粒硅膠顆粒的T2分布

圖8 Thamama組碳酸鹽巖不同條件下的T2分布

3 結(jié)論

1）巖石中大孔和微孔間的流體存在“擴散耦合”，本質(zhì)上是由于巖石中順磁-鐵磁性礦物質(zhì)量分數(shù)較少，使得巖石的表面弛豫速率降低所致，與巖性并沒有必然聯(lián)系。

2）國內(nèi)外學(xué)者研究表明，和砂巖相比，碳酸鹽巖的T2截止值普遍較高，且變化較大，所選取的經(jīng)驗值不具有普遍適用性，其影響因素較多。因而用T2截止值來計算碳酸鹽巖的可動流體飽和度還存在很大的問題。

3）從不同學(xué)者的研究結(jié)果來看，溫度對碳酸鹽巖的NMR響應(yīng)特征的影響，因碳酸鹽巖的礦物成分、孔隙類型以及流體性質(zhì)而異，且仍存在較大爭議，目前國內(nèi)在這方面的研究較為薄弱，有待進一步深化。

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（編輯 高學(xué)民）

Research status of nuclear magnetic resonance experiment in carbonate rock

WANG Yijun1,CUI Gang2,TANG Hongming1,SHEN Jianjun1,GAO Zihan3,ZHOU Shilin1
(1.School of Geoscience and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin 300452,China;3.Bureau of Geophysical Prospecting Inc.,CNPC,Zhuozhou 072751,China)

Along with the large-scale development of marine carbonate oil and gas fields,the evaluation of carbonate reservoir is becoming increasingly important.Low field nuclear magnetic resonance(NMR)core analysis,a technology introduced into China just 20 years ago,has been used ever since for rapidly measuring petrophysical parameters.It has been widely applied to reservoir fluid identification and reservoir evaluation.However,the application of NMR in carbonate reservoir still has some problems at present. This paper reviews academic research results in China and abroad concerning the following three issues:big and small pores′"diffusional coupling"in carbonate rocks,the accurate calculation of T2cutoff value of carbonate rocks,and the influence of temperature on the carbonate NMR response characteristics.On this basis,it presents three findings:first,"diffusional coupling" exists in all kinds of rocks though it is more apparent in carbonate rocks than in other kinds of rocks;second,as the T2cutoff value of carbonate rocks is generally higher than that of sandstone and also fluctuates within a broader range,it follows that carbonate rocks are highly heterogeneous,and that the T2cutoff value may be associated with the"diffusional coupling"in the carbonate rocks;third,the influence of temperature on the carbonate NMR response characteristics varies with different mineral compositions,pore types and fluid properties.

nuclear magnetic resonance(NMR);diffusional coupling;T2cutoff value;temperature;surface relaxivity

國家自然科學(xué)基金項目“致密氣藏儲層干化、提高氣體滲流能力的基礎(chǔ)研究”（51534006）

TE344

A

10.6056/dkyqt201606028

2016-04-28；改回日期：2016-08-07。

王翼君，男，1989年生，在讀碩士研究生，從事儲層地質(zhì)、儲層保護相關(guān)研究。E-mail：898789370@qq.com。

王翼君，崔剛，唐洪明，等.碳酸鹽巖核磁共振實驗研究現(xiàn)狀［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：818-824.

WANG Yijun，CUI Gang，TANG Hongming，et al.Research status of nuclear magnetic resonance experiment in carbonate rock［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：818-824.