齊恒玄

(西北大學 地質(zhì)學系大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安710069)

Bloch等于1946年發(fā)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)中的磁核會吸收一定波長或頻率的電磁波而實現(xiàn)能級躍遷，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)成為一項新興的高新技術(shù)，廣泛應用于油氣勘探、地下水找水等地下流體檢測的各個方面，其中巖樣核磁共振分析、核磁共振成像及核磁共振測井技術(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，致密砂巖氣儲量和年產(chǎn)量分別占全國天然氣儲量和產(chǎn)量的39.2%和24.6%［5］。致密砂巖儲層孔喉結(jié)構(gòu)特征十分復雜、非均質(zhì)性較強、孔喉細小、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;儲層驅(qū)替特征與中、高滲透儲層不同，有著啟動壓力大、氣井見效慢、見水后含水上升快、產(chǎn)氣指數(shù)下降快、賈敏效應突出等特點，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、氣水相滲等實驗已不能滿足生產(chǎn)實際的要求，由于核磁共振技術(shù)不受巖石骨架的影響，對低孔地層效果好［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)，分析可動流體飽和度與其他參數(shù)的相關(guān)性，同時結(jié)合微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，分析可動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)在強磁場中會產(chǎn)生能量分裂，形成能級。當用一定頻率的電磁波對樣品進行輻照時，特定結(jié)構(gòu)環(huán)境中的原子核會吸收相應頻率的電磁波而實現(xiàn)共振躍遷。當含流體(油、氣、水)的巖樣處于靜磁場中時，流體中所含的氫核會被磁場極化，此時對樣品施加一定頻率的射頻場就會產(chǎn)生核磁共振。根據(jù)玻爾茲曼定律，受激態(tài)磁核與低能級磁核保持一定比例的平衡，受激態(tài)高能級磁核，失去能量回到低能級磁核的非輻射過程，稱為弛豫;在實際實驗中，撤掉射頻場后，可接收到一個幅度隨時間以指數(shù)函數(shù)衰減的信號，這個衰減的過程稱為弛豫。流體分子在巖樣孔隙空間內(nèi)不停地進行擴散運動，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)高能級磁核將能量傳遞給同種低能級磁核，自身回到低能級磁核的過程，即質(zhì)子不可逆的失相，產(chǎn)生縱向弛豫T1;二是受激態(tài)高能級磁核將能量傳遞給周圍的介質(zhì)粒子，自身回復到低能磁核的過程，即質(zhì)子將能量傳給巖石顆粒表面，產(chǎn)生橫向弛豫T2［5］。

因此橫向弛豫時間T2可用來描述信號衰減的快慢，與碰撞的頻率有關(guān)，與孔隙直徑相對應，小孔對應短T2，大孔對應長T2［7］，同時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，因此弛豫時間長;在小孔隙中，其S/V大，弛豫時間短［8］。對于單個孔隙，巖石表面 T2弛豫與表面體積比的關(guān)系為

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

對于巖石孔隙，當其半徑小到一定程度后，其中的流體將被毛細管力或粘質(zhì)阻力所束縛而無法流動，因此在T2譜上存在一個截止值，當T2弛豫時間大于T2截止值時，所對應的孔隙流體為可動流體，小于該值時所對應的孔隙流體則為不可動流體。

2 核磁共振實驗

2.1 分析測試

本次核磁共振可動流體實驗研究分析了蘇里格氣田8塊樣品的信息，核磁共振T2測量使用的是Magnet2000型儀器。具體實驗步驟和方法如下:(l)從每塊全直徑巖心上鉆取1～2塊直徑為2.5 cm規(guī)格的標準巖心;(2)氣測滲透率;(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算巖心孔隙度;(5)對飽和模擬地層水狀態(tài)下的標準巖心進行核磁共振T2測量。

2.2 確定T2截止值

實驗中巖心可動流體、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巖樣的可動與不可動流體的比值后，對照巖樣飽和流體的T2譜即可確定各塊巖樣的T2截止值。實驗表明T2截止值基本上在T2譜兩峰的交會點附近［9］，本次實驗最終確定的 T2截止值為13.895 ms。T2譜上T2弛豫時間大于13.895 ms各點的幅度和占T2譜所有點幅度和的百分比即為可動流體飽和度，反之T2譜上T2弛豫時間小于13.895 ms各點的幅度和占T2譜所有點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)可動流體飽和度越高，反之百分比越小表示該巖心內(nèi)的可動流體飽和度越低。

3 實驗結(jié)果分析

本次研究對蘇里格地區(qū)盒8段氣藏儲層的8塊樣品進行了核磁共振實驗，根據(jù)物性參數(shù)和可動流體飽和度參數(shù)，可以將研究區(qū)的儲層類型分為Ⅰ類和ⅠⅠ類兩類，表1為Ⅰ類和ⅠⅠ類儲層具有代表性的兩個巖樣的巖心核磁共振檢測分析結(jié)果。圖1為Ⅰ類和ⅠⅠ類儲層具有代表性的兩個巖樣的核磁共振T2譜的頻率分布和累積分布曲線，其橫坐標為弛豫時間T2，縱坐標為不同弛豫時間T2信號的強度或組分含量。由T2譜可以直接得到弛豫譜幅度大小和弛豫時間分布這兩個參數(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 核磁共振實驗巖心參數(shù)統(tǒng)計表

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)合本次實驗結(jié)果，可動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，可動流體參數(shù)卻較低，僅為23.69%，可動流體孔隙度為3.27%;而樣品 a物性一般，孔隙度為7.40%，滲透率為 5.86 ×10-4μm2，但可動流體飽和度為83.62%，可動流體孔隙度為6.19%。分析這種現(xiàn)象的原因認為，Ⅰ類樣品儲層雖然物性一般，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，導致可動流體飽和度高，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，導致儲層可動流體飽和度小，束縛水飽和度很大，可動流體飽和度低，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，可動流體飽和度偏高，但相關(guān)性并不十分明顯，這是由于可動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)是致密砂巖氣儲層流體研究的有利手段，應該大力推廣;

(2)致密砂巖氣儲層巖石可動流體飽和度除了受儲層物性影響外，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)平均值兩個參數(shù)是影響致密砂巖氣儲層可動流體飽和度的關(guān)鍵參數(shù)。

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