李愛芬，任曉霞，王桂娟，王永政，江凱亮

（中國石油大學石油工程學院，山東青島266580）

核磁共振研究致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的方法及應(yīng)用

李愛芬，任曉霞，王桂娟，王永政，江凱亮

（中國石油大學石油工程學院，山東青島266580）

基于核磁共振的原理，推導(dǎo)T2弛豫時間與孔隙半徑的關(guān)系，由孔喉比將孔隙半徑轉(zhuǎn)換為喉道半徑，結(jié)合壓汞喉道半徑分布，利用插值和最小二乘法，將巖心100%飽和水的核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換為孔喉半徑分布，并將核磁孔喉分布曲線應(yīng)用到油田開發(fā)評價中。以鄂爾多斯盆地延長組致密儲層為例，結(jié)合巖心驅(qū)替試驗，利用轉(zhuǎn)化的核磁孔喉分布對研究區(qū)塊儲層的孔隙結(jié)構(gòu)、可動流體和可動油分布以及可動流體喉道半徑下限進行研究。結(jié)果表明：研究區(qū)塊孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)育微米級和納米-亞微米級孔喉，孔喉半徑均值在0.095～1.263 μm，0.001～0.01 μm的孔喉內(nèi)束縛流體分布較多，可動流體主要分布在喉道半徑大于0.01 μm的孔隙內(nèi)，水驅(qū)主要動用喉道半徑大于0.1 μm的孔隙內(nèi)的油，研究區(qū)可動流體喉道半徑截止值平均為0.013 μm。

低滲油藏；核磁共振；高壓壓汞；孔隙結(jié)構(gòu)；可動流體

致密儲層中流體滲流特征不同于常規(guī)儲層，與儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系［1-2］，正確認識油藏孔隙結(jié)構(gòu)對于計算可采儲量、制定合理的開發(fā)方案非常重要［3-5］。低磁場核磁共振T2譜分布與孔隙結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，可以一定程度上反映樣品的孔隙分布［5］。Yakov［6］、運華云［7］、劉堂宴［8］等假設(shè)T2和孔徑分布之間呈線性關(guān)系，將核磁共振T2分布轉(zhuǎn)化得到核磁毛管力曲線。隨后，一些學者在此基礎(chǔ)上對構(gòu)造方法進行了改進。闞洪培［9］用迭代方法得到校正烴影響后的油藏實測T2分布與壓汞毛管力之間的換算關(guān)系；何雨丹［10］、李海波［11］分別建立了消除薄膜束縛水對T2分布的貢獻和考慮巖樣SHg＜100%時核磁毛管壓力曲線的構(gòu)造方法；王學武［12］、李艷［13］等采用冪函數(shù)對T2分布構(gòu)造毛管壓力曲線，提高了構(gòu)造精度。關(guān)于核磁孔喉分布曲線在油田開發(fā)評價中應(yīng)用尚未有系統(tǒng)介紹，并且構(gòu)造方法的基本思路都是將孔隙半徑直接等同于喉道半徑，忽略了二者之間的差異，而實際儲層中孔隙半徑和喉道半徑有明顯差別［4，6，14］。筆者以鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖樣品為例，考慮孔隙半徑與喉道半徑的區(qū)別，完成核磁共振T2曲線向孔喉半徑分布曲線的轉(zhuǎn)化，結(jié)合巖心驅(qū)替試驗，介紹核磁孔喉分布在評價孔隙結(jié)構(gòu)、可動流體和可動油分布及可動流體喉道半徑截止值等方面的應(yīng)用，對正確評價儲層開發(fā)潛力，制定相應(yīng)開發(fā)技術(shù)政策具有一定的理論參考價值。

1 理論分析和數(shù)學推導(dǎo)

根據(jù)核磁共振理論分析，巖石飽和單相流體的核磁共振T2譜可以反映其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，均勻磁場中飽和水的單個孔道內(nèi)的原子橫向弛豫時間可近似表示［12，15-16］為

式中，T2為橫向弛豫時間，ms；ρ2為橫向表面弛豫強度，取決于孔隙表面性質(zhì)和礦物組成的大小和飽和流體性質(zhì)，μm/ms；S/V為單個孔隙的比表面，μm2/ μm3。

式中，F(xiàn)s為孔隙形狀因子（對球形孔隙Fs=3；對柱狀孔隙Fs=2）；rc為孔隙半徑，μm。

實際地層中孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過對大量試驗結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，T2分布與孔隙半徑呈冪函數(shù)關(guān)系［12-13，17］：

式中，n為冪指數(shù)。

依靠目前的設(shè)備和研究手段較難測得ρ2和Fs，無法通過式（3）將核磁共振T2分布轉(zhuǎn)換為孔隙半徑分布曲線。

由壓汞法測毛管力曲線的原理可知，壓汞毛管力曲線可以得到儲層巖石孔隙喉道的大小及與其聯(lián)通的孔隙體積分布，而巖心100%飽和水的核磁共振T2譜可以評價孔隙大小和對應(yīng)的孔隙體積分布。對于砂巖儲層，砂粒粒徑?jīng)Q定了孔隙和喉道尺寸。兩種測量反映出的孔隙分布的幾何形態(tài)相同［4，6，9］，建立T2弛豫時間與喉道半徑的關(guān)系就可以將核磁共振T2分布曲線轉(zhuǎn)換為孔喉半徑分布曲線。

孔隙半徑等于喉道半徑與孔喉比的乘積，即：rc=c1rt，代入式（3），可得到T2弛豫時間與喉道半徑的關(guān)系為

式中，c1為平均孔喉比；rt為喉道半徑，μm。

求得C和n的值即可將巖心100%飽和水的T2分布轉(zhuǎn)換為孔喉半徑分布曲線。

2 試 驗

2.1 試驗樣品及條件

試驗樣品取自鄂爾多斯盆地中生界延長組儲層，19塊巖樣的孔隙度為3.143%～16.934%，平均為12.163%；滲透率為（0.015～3.307）×10-3μm2，平均為0.727×10-3μm2。驅(qū)替試驗用水為CaCl2型模擬地層水，礦化度為22.11 g/L，50℃下密度為1.003 g/cm3，黏度為0.845 mPa·s；試驗用油為去氫模擬油，50℃下密度為1.800 g/cm3，黏度為2.454 mPa·s。驅(qū)替和核磁共振分析試驗溫度分別為50和20℃。

2.2 試驗設(shè)備

巖心驅(qū)替試驗設(shè)備為油藏高溫高壓模擬驅(qū)替裝置，可模擬油藏條件下的恒壓、恒流驅(qū)替，流程如圖1所示。核磁共振與高壓壓汞試驗主要儀器為上海紐邁科技生產(chǎn)的MicroMR 23-025Ⅶ23 MHz核磁共振分析儀及AutoPoreⅣ9510全自動壓汞儀。

圖1 油藏高溫高壓模擬驅(qū)替裝置Fig.1 Simulation device of reservoir displacement under high temperature and high pressure

2.3 試驗過程

將核磁共振和巖心驅(qū)替試驗相結(jié)合，分別得到巖樣飽和水、飽和油（Swc）及殘余油狀態(tài)下的T2譜。由于驅(qū)替過程中油為不含氫核的模擬油，核磁共振檢測到的信號全部為水相信息。巖樣飽和水狀態(tài)下的T2分布與壓汞孔喉分布結(jié)合可得到T2弛豫時間與喉道半徑的對應(yīng)關(guān)系，對比不同驅(qū)替狀態(tài)下水相核磁信息的變化即可得到可動流體、可動油以及殘余油在孔隙中的分布。試驗過程如圖2所示，具體試驗步驟如下：

（1）巖心經(jīng)洗油烘干后稱干重，測量長度和直徑，用N2測試巖心的孔隙度、滲透率。

（2）將巖心放入超低滲巖心真空飽和儀中抽真空至1 mPa，并在25 MPa壓力下加壓飽和模擬地層水，至飽和罐壓力不再下降，取出巖心稱濕重，計算液測孔隙度。

（3）測試巖心飽和水狀態(tài)的T2譜，主要測試參數(shù)為回波間隔0.2 ms、等待時間6000 ms、回波個數(shù)8000。

（4）將巖心放入巖心夾持器，用去氫模擬油驅(qū)至巖心末端不出水，取出巖心測試束縛水狀態(tài)下巖心的T2譜線；將測試完的巖心放回巖心夾持器，用水驅(qū)至巖心末端不出油，取出巖心測試殘余油狀態(tài)下的T2譜線，測試參數(shù)同（2）。

（5）將完成以上試驗的巖心重新洗油、烘干，放入壓汞儀進行壓汞試驗，最高進汞壓力為241 MPa，可識別出的最小喉道直徑為0.003 μm。

圖2 試驗過程示意圖Fig.2 Sketch map of experimental process

3 核磁孔喉分布曲線的轉(zhuǎn)化

多孔介質(zhì)孔喉尺寸大小不一，高壓壓汞時汞優(yōu)先進入尺寸最大的孔道，隨著壓力增加逐漸進入較小的孔道。壓汞孔喉分布不能反映小于最大進汞壓力對應(yīng)的喉道所聯(lián)通的孔隙的信息［4］，而巖心飽和水時的T2譜可以反映巖心內(nèi)所有的孔喉分布［8］，若將兩條曲線直接對比，存在較大誤差。在進行計算時，只選取與壓汞孔喉半徑分布對應(yīng)的部分T2譜與壓汞孔喉半徑分布進行對比。如圖3所示，繪制核磁共振T2弛豫時間和高壓壓汞孔喉半徑的累積分布曲線，在紅線左端（累積分布頻率＜SHgmax，SHgmax為最大進汞飽和度）區(qū)域，任意喉道半徑為rt（i）時累積分布頻率為S（i），取S=S（i）對核磁共振T2累積分布曲線進行插值，得到累積分布頻率為S（i）時的弛豫時間T2（i）。

圖3 核磁共振T2與孔喉半徑轉(zhuǎn)換Fig.3 Transforming nuclear magnetic resonance T2to throat radius

對式（5）兩邊同時取對數(shù)得

圖4為滲透率不同的巖心核磁共振T2譜換算的孔喉分布與壓汞孔喉分布的對比圖，兩條曲線在形態(tài)、幅度上都具有較好一致性，證明了擬合計算方法的合理性。分析樣品的孔喉分布呈單峰狀，內(nèi)部孔喉分布均勻。在波峰處，相同的喉道半徑對應(yīng)的核磁孔喉分布頻率大于壓汞孔喉分布頻率，并且?guī)r心滲透率越低，這種差異越明顯。通過分析認為，壓汞試驗受進汞壓力的限制，無法分析出小于最大進汞壓力對應(yīng)的喉道所聯(lián)通的孔隙，飽和水的核磁共振T2譜換算的孔喉分布反映了巖樣中所有孔隙，因此出現(xiàn)上述差異，而喉道控制孔隙的滲透能力，巖心滲透率越低，喉道越細小，通過壓汞無法分析出的孔隙越多，這種差異越明顯。下的核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換的孔喉半徑分布。從孔喉尺寸來看，轉(zhuǎn)換的核磁孔隙分布可分析出的孔喉尺寸范圍增加，數(shù)據(jù)點明顯增多，顯示了T2譜在反映微小孔隙、復(fù)雜孔隙分布上獨特的優(yōu)點。對比5塊滲透率不同巖心的核磁孔喉分布發(fā)現(xiàn)，分析樣品的孔喉在0.01～1 μm區(qū)間內(nèi)較集中，曲線呈現(xiàn)出雙峰狀，隨著滲透率的降低，曲線右峰降低，左峰升高，即大孔喉所占比例減小，小孔喉所占比例增加。

表1 鄂爾多斯盆地不同滲透率巖心轉(zhuǎn)化系數(shù)Table 1 Conversion coefficients of Ordos Basin cores with different permeability

圖4 不同滲透率巖心核磁孔喉半徑分布與壓汞孔喉半徑分布對比Fig.4 Comparison of throat size distribution by NMR relaxation and mercury intrusion of different permeability cores

根據(jù)轉(zhuǎn)換的核磁孔喉分布曲線統(tǒng)計（圖6）可知，研究區(qū)塊儲層19塊巖心平均核磁孔喉半徑為0.095～1.263 μm，平均值為0.58 μm，隨巖石滲透率增加，平均核磁孔喉半徑變大。對于滲透率較大的巖心（kg＞0.5×10-3μm2），半徑大于0.01 μm的亞微米級孔喉分布較多，而滲透率較低的巖心（kg＜0.5×10-3μm2），微米級和納米-亞微米級孔喉發(fā)育。

4 核磁孔喉分布曲線的應(yīng)用

4.1 孔隙結(jié)構(gòu)分析

圖5為任意選取的不同滲透率巖心飽和水狀態(tài)

圖5 不同滲透率巖心核磁孔喉頻率分布Fig.5 Distribution of nuclear magnetic pore throat frequency of different permeability cores

圖6 不同滲透率巖心核磁孔喉分布頻率統(tǒng)計Fig.6 Statistics of nuclear magnetic pore throat frequency distribution in different size of throat

4.2 可動流體分布

油藏儲層中流體按其在多孔介質(zhì)中的賦存狀態(tài)分為束縛流體和可動流體。致密儲層巖石由于孔隙微細、孔隙比表面積大，束縛流體含量較高，對儲層流體滲流性能的影響不容忽視，評價束縛流體（或可動流體）分布對于致密油氣藏的開發(fā)具有重要意義［3，18］。

圖7為不同驅(qū)替狀態(tài)下水相在巖心孔隙中的分布。其中，束縛水狀態(tài)的曲線代表油驅(qū)后不可流動的水在孔隙中的分布，飽和水與束縛水狀態(tài)兩條曲線之間、殘余油與束縛水狀態(tài)兩條曲線之間以及飽和水與殘余油狀態(tài)兩條曲線之間分別為可動流體、可動油和殘余油在孔隙中的分布。

采用相同的方法對其他巖心進行了試驗，呈現(xiàn)與圖7中巖心一致的規(guī)律，對19塊巖心的驅(qū)替結(jié)果進行統(tǒng)計：半徑為0.001～0.01 μm的孔隙中束縛流體含量較高，這部分孔隙孔徑細小，流體受毛管力或黏滯力束縛而難以流動；半徑為0.1～10 μm的孔隙壁面處的流體因受巖石骨架較大的作用力也被束縛在孔隙內(nèi)?？蓜恿黧w主要分布在半徑大于0.01 μm的孔隙空間內(nèi)，這部分空間內(nèi)的流體受巖石骨架的作用力較小，在一定的外加驅(qū)動力作用下流動性較好。經(jīng)過一定壓差的水驅(qū)作用后，主要動用的是半徑大于0.1 μm的孔喉內(nèi)的油，即可動油主要分布在半徑大于0.1 μm的孔隙內(nèi)。

圖7 不同驅(qū)替狀態(tài)下流體在巖心中的分布Fig.7 Fluid distribution in cores under different displacement state

4.3 可動流體喉道半徑下限的確定

根據(jù)滲流力學理論可知，當儲層孔隙半徑小到一定程度時，孔隙中的流體將被毛管力或黏滯力所束縛而無法流動。在T2譜上存在一個分界點，將賦存在其中的流體劃分為兩部分，小于該值的所有孔隙中的流體均為束縛狀態(tài)，在現(xiàn)有的開發(fā)技術(shù)下難以流動；大于該值的孔隙中的流體可動，T2弛豫時間界限即被稱為儲層可動流體T2截止值，對應(yīng)的喉道為可動流體半徑截止值［19-20］，也即可動流體喉道半徑下限。根據(jù)累積線截止法可以確定不同滲透率巖心的可動流體T2截止值［21-22］，由巖心100%飽和水的T2分布與孔喉半徑的關(guān)系，計算可得對應(yīng)的可動流體喉道半徑截止值。

式中，rtcutoff為可動流體喉道半徑截止值，μm；T2cutoff為可動流體T2截止值，ms。

圖8為鄂爾多斯盆地延長組19塊不同滲透率巖心的可動流體喉道半徑截止值與滲透率的關(guān)系。

圖8 不同滲透率巖心的可動流體喉道半徑截止值Fig.8 Throat radius cutoff value of movable fluid of different permeability cores

由圖8可知，鄂爾多斯盆地延長組致密儲層不同滲透率巖心的可動流體喉道半徑截止值主要分布在0.003～0.02 μm，平均可動流體喉道半徑截止值為0.013 μm，儲層孔喉半徑低于該值時可動流體飽和度較低。

5 結(jié) 論

（1）研究區(qū)塊發(fā)育微米級和納米-亞微米級孔喉，孔喉半徑均值在0.095～1.263 μm，平均0.58 μm；核磁孔喉分布曲線呈雙峰狀，且隨著滲透率的降低，右峰降低，左峰升高。

（3）鄂爾多斯盆地延長組儲層束縛流體主要分布在0.001～0.01 μm的孔隙中；可動流體主要分布在半徑大于0.01 μm的孔隙空間內(nèi)，水驅(qū)主要動用的是半徑大于0.1 μm的孔喉內(nèi)的流體。

（4）鄂爾多斯盆地延長組可動流體喉道半徑截止值主要分布在0.003～0.02 μm，平均可動流體喉道半徑截止值為0.013 μm。

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（編輯 李志芬）

Characterization of pore structure of low permeability reservoirs using a nuclear magnetic resonance method

LI Aifen，REN Xiaoxia，WANG Guijuan，WANG Yongzheng，JIANG Kailiang
（School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

The flow conductivity of low permeability reservoirs is constrained by their pore structures.Nuclear magnetic resonance（NMR）T2spectra and mercury intrusion methods can be used to characterize the pore structures of different rocks.In this study，the correlations of NMR T2relaxation time with pore throat radius（in terms of pore-throat ratio）for fully waterbearing rocks were studied in combination with the mercury intrusion technique，in which the NMR T2distribution can be converted into a pore throat radius distribution using a method of interpolation and multiple regression.The pore structure，movable fluid distribution，movable oil distribution and the minimum movable fluid pore radius of a tight sand-rock from Ordos Basin were investigated using the inverted pore throat distribution curve.The results show that the complicated pore structure of the tight sand-rock studied is characterized by micro pores and nano-submicron pores with average pore throat radius in the range of 0.095-1.263 microns，and the fluid is mainly bounded in the pores of 0.001-0.01 microns.The movable fluid is mainly distributed in the pores with radius larger than 0.01 microns，and the movable oil that can be displaced by water is mostly in the pores larger than 0.1 microns.The average cutoff value of the pore radius for movable fluid is characterized as 0.013 microns.

low permeability reservoir；nuclear magnetic resonance（NMR）；high pressure Hg injection；pore structure；movable fluid

E 348

A

李愛芬，任曉霞，王桂娟，等.核磁共振研究致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的方法及應(yīng)用［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2015，39（6）：92-98.

LI Aifen，REN Xiaoxia，WANG Guijuan，et al.Characterization of pore structure of low permeability reservoirs using a nuclear magnetic resonance method［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（6）：92-98.

1673-5005（2015）06-0092-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.06.012

2014-12-20

國家科技重大專項（2011ZX05044）；高等學校學科創(chuàng)新引智計劃（B08028）；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃（IRT1294）；國家自然科學基金青年項目（51304232）

李愛芬（1962-），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為油氣滲流提高采收率機制。E-mail：aifenli123@163.com。