潘玉嬌

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司，黑龍江大慶163000）

了解儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中的巖石—流體相互作用情況是石油和天然氣工業(yè)應(yīng)用和學(xué)術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)重要領(lǐng)域[1-2]。準(zhǔn)確地確定巖石和流體特性可以更好地表征和了解儲(chǔ)層。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，這些參數(shù)中的大部分都可以通過錄井和測(cè)井儀器獲知。然而，現(xiàn)場(chǎng)使用的錄井和測(cè)井技術(shù)無法準(zhǔn)確測(cè)量重要的巖石物理特性，例如滲透率和毛細(xì)管壓力曲線。因此，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)量對(duì)于評(píng)估油氣藏規(guī)模、確定儲(chǔ)量和潛在采收率方面具有重要意義。因此，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)之間進(jìn)行整合和對(duì)比。核磁共振技術(shù)為準(zhǔn)確測(cè)量提供了兩種選擇：測(cè)井工具對(duì)地層內(nèi)的流體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，而實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式儀器可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行交叉驗(yàn)證，進(jìn)行深入研究。核磁隨鉆測(cè)井(LWD)工具由永磁體、磁場(chǎng)梯度和射頻天線組成，可激發(fā)井筒附近的地層流體，測(cè)量縱向弛豫時(shí)間（T1）、橫向弛豫時(shí)間（T2）、流體擴(kuò)散系數(shù)（D），二維核磁共振測(cè)量深度可達(dá)幾十厘米，測(cè)量目標(biāo)以鉆井泥漿濾液為主。斯倫貝謝、貝克休斯和哈里伯頓等服務(wù)公司已經(jīng)開發(fā)了幾種NMR 測(cè)井工具。其中，斯倫貝謝開發(fā)了業(yè)界最高工作頻率的CMR-Plus（2MHz，最小回波時(shí)間為0.2ms）。哈里伯頓發(fā)明的NMR 測(cè)井工具最大深度可達(dá)102cm，工作頻率在0.544～1.187MHz之間，最小回波時(shí)間為0.2ms，命名為XMR。此外，哈里伯頓開發(fā)的MRIL-WD 井下工具，具有較低的工作頻率（0.5MHz，最小回波時(shí)間為0.5ms）。Baker Hughes 開發(fā)的測(cè)井儀(MR eXplorer)和LWD(MagTrak)，其工作頻率分別在0.45～0.88MHz 和0.35～0.50MHz 之間。多種類別的NMR 測(cè)井工具已成為當(dāng)前使用最廣泛的工具之一。實(shí)驗(yàn)室使用的臺(tái)式NMR的主要原理是：靜磁場(chǎng)將樣品誘導(dǎo)極化，線圈以拉莫爾頻率施加射頻輻射，線圈檢測(cè)發(fā)射的振蕩NMR信號(hào)。核磁共振波譜儀根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度分為以下幾類：高場(chǎng)(Bo,＞3T)、中場(chǎng)(1T＜Bo ＜3T)和低場(chǎng)(Bo,＜1T)。高場(chǎng)核磁共振通常用于化學(xué)領(lǐng)域（闡明分子和固體結(jié)構(gòu)），其中低溫冷卻的超導(dǎo)成分可以產(chǎn)生高靈敏度的強(qiáng)磁場(chǎng)。這種磁鐵體積很大，成本超過1百萬美元，需要進(jìn)行頻繁和精密的維護(hù)。中場(chǎng)NMR通常用于臨床診斷，因?yàn)樗饕糜诖殴舱癯上?MRI)。一些學(xué)者表明，中場(chǎng)NMR也可用于巖芯分析測(cè)量。低場(chǎng)核磁共振磁體是不需要冷凍劑的永磁體；因此，它具有較弱的磁場(chǎng)。它在工程系統(tǒng)和多孔介質(zhì)研究（巖芯的松弛和擴(kuò)散）中更為常見。此外，一些低場(chǎng)磁鐵便于攜帶且體積小。大多數(shù)NMR 在石油工程中的應(yīng)用都集中在巖石物理和提高石油采收率(EOR)。NMR是用于常規(guī)巖芯分析(RCA)的非侵入性、強(qiáng)大且可靠的工具，因?yàn)樗梢詼?zhǔn)確測(cè)定孔隙度、孔徑分布、流體飽和度和滲透率。此外，特殊巖芯分析(SCA)實(shí)驗(yàn)，例如潤濕性、毛細(xì)管壓力和粘土礦物分析，也可以使用NMR確定。許多提高石油采收率的方法，包括酸化和壓裂增產(chǎn)、去除凝析油的熱化學(xué)流體、混相氣體注入、CO2注入也可以使用NMR進(jìn)行評(píng)估[3-4]。本文旨在綜述NMR 技術(shù)在巖屑分析及相關(guān)地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并討論了核磁共振在巖石物理學(xué)中的應(yīng)用和對(duì)提高采收率的幫助[5-7]。

1 地層巖石的物理特性

弛豫時(shí)間是地層巖石孔隙中流體和多孔介質(zhì)特性的函數(shù)。多孔介質(zhì)孔隙中流體的磁化強(qiáng)度和氫核弛豫可以通過脈沖NMR 進(jìn)行測(cè)量。氫核的數(shù)量與傳感器磁性區(qū)域的磁化強(qiáng)度成正比，從而提供介質(zhì)的NMR孔隙率。低場(chǎng)NMR 可以獲得流體填充孔隙的尺寸分布情況進(jìn)而提供巖石樣品的基本信息；NMR 弛豫時(shí)間可以確定巖石物理性質(zhì)，包括有效孔隙度、自由流體飽和度、束縛水飽和度和巖石的其他物理性質(zhì)。通過對(duì)核磁共振獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋能夠推導(dǎo)出地層巖石的毛細(xì)管壓力曲線以及儲(chǔ)層形成的潤濕狀態(tài)。因此，NMR可作為測(cè)量儲(chǔ)層流體和儲(chǔ)層巖石樣品巖石物理表征的重要手段。值得一提的是，核磁共振測(cè)井工具還可以提供有關(guān)近井筒周圍孔隙度、滲透率、儲(chǔ)層流體類型和飽和度的信息。

1.1 巖石孔隙度

孔隙度是巖石的主要儲(chǔ)存特性。碳酸鹽巖儲(chǔ)層通常含有各種尺寸的孔隙，包括微米或亞微米的小孔隙，以及厘米甚至更大的孔洞。在孔隙度測(cè)量過程中，核磁共振設(shè)備可以檢測(cè)到巖石孔隙飽和流體中所含的氫核。因此，當(dāng)巖石被單一流體（例如水）飽和時(shí)，檢測(cè)到的NMR 信號(hào)與巖石的孔隙體積成正比。當(dāng)這些孔隙在空間上接近時(shí)，孔隙之間會(huì)發(fā)生孔間流體分子交換，從而獲得單峰弛豫時(shí)間分布。占據(jù)巖石孔隙空間的流體量用于獲得孔隙度；當(dāng)單一流體占據(jù)孔隙空間時(shí)，通常會(huì)計(jì)算NMR孔隙度。當(dāng)多種流體占據(jù)孔隙空間時(shí)，每個(gè)流體相的飽和度可以根據(jù)孔隙中所含流體的量來確定。影響巖石樣品核磁共振總孔隙度測(cè)量精度的幾個(gè)因素包括回波間距、磁場(chǎng)強(qiáng)度、巖石孔隙中流體的氫指數(shù)、重復(fù)時(shí)間和巖石溫度。

1.2 孔徑分布

NMR弛豫時(shí)間與孔徑成正比，即小孔的T2值較小，大孔的T2值大。這意味著NMR 弛豫時(shí)間分布的變化對(duì)應(yīng)孔隙系統(tǒng)內(nèi)的不同孔徑。因此，將從壓汞實(shí)驗(yàn)確定的孔隙空間幾何尺寸特征直接聯(lián)系起來成為可能。不同的弛豫時(shí)間峰代表巖石內(nèi)孔徑的分布，每個(gè)T2范圍對(duì)應(yīng)不同的孔徑。

1.3 滲透性

滲透性是流體流過多孔介質(zhì)的難易程度，是多孔介質(zhì)的基本性質(zhì)之一。核磁共振弛豫時(shí)間與孔隙幾何形狀之間存在的關(guān)系。它被認(rèn)為是估計(jì)滲透率的重要工具。由于核磁共振弛豫時(shí)間與孔隙大小和幾何形狀有關(guān)，因此核磁共振已被用于估計(jì)巖石滲透率。NMR測(cè)量可以在井下測(cè)井工具中實(shí)施，這為確定原始地層滲透率提供了技術(shù)支持，通過結(jié)合滲透率和核磁共振弛豫時(shí)間的Kozeny 方程，給出了多孔介質(zhì)中流體滲透率的相關(guān)性。

1.4 流體飽和度

NMRT2譜通常在完全飽和時(shí)顯示出最高振幅，而且較大的孔隙與較長的弛豫時(shí)間相關(guān)。在汽水置換的情況下，隨著孔隙被排空，初始充滿水的孔隙被空氣取代，振幅減小。這是因?yàn)镹MR弛豫時(shí)間譜中較長分量的消失直接對(duì)應(yīng)于由于去飽和導(dǎo)致的含氫流體從孔隙中損失。NMR弛豫時(shí)間對(duì)巖石孔隙中的流體飽和度很敏感。巖石孔隙中氫核弛豫時(shí)間（T1和T2）的分布是孔隙大小、孔隙中存在的流體以及孔隙壁中的巖石礦物的函數(shù)。采用T1-T2圖可以確定巖石中的流體分布。巖石孔隙中流體的流體分布和質(zhì)子遷移率可以通過使用NMR弛豫時(shí)間的二維圖結(jié)合T1/T2比率來評(píng)估。

1.5 毛細(xì)壓力

巖石孔隙為毛細(xì)管大小，被兩種或多種不混溶流體飽和時(shí)，存在毛細(xì)管壓力Pc。毛細(xì)壓力是兩種不混溶流體在壓力平衡時(shí)跨過彎曲界面的壓力差。毛細(xì)壓力曲線可以使用NMR實(shí)驗(yàn)來估計(jì)，從NMR的T2分布中得到。2008年Chen和Balcom提出了一種使用NMR與離心相結(jié)合來獲取毛細(xì)管壓力曲線的新方法。該方法將巖芯在完全飽和時(shí)使用NMR 測(cè)量飽和剖面。將巖芯離心一次，然后使用NMR 設(shè)備再次測(cè)量飽和度分布。與傳統(tǒng)的毛細(xì)管壓力技術(shù)相比，該方法更為快速和準(zhǔn)確。使用NMR 獲得的流體飽和度分布可以估計(jì)相對(duì)滲透率和毛細(xì)管壓力。2018 年Faurissoux 等人提出了一種使用組合離心、核磁共振成像、電阻率剖面共同測(cè)量飽和指數(shù)和毛細(xì)管壓力的方法。該方法速度快，可用于均質(zhì)和異質(zhì)巖石樣品。最近，Isah 等人提出了一種使用NMR 獲得雙峰巖石樣品中毛管壓力曲線的新方法，并繪制了基于NMR的毛細(xì)管壓力曲線。需要注意的是，當(dāng)比較毛細(xì)管壓力和核磁共振弛豫測(cè)量值時(shí)，核磁共振給出了孔隙的表面體積比，而毛細(xì)管壓力與孔喉尺寸有關(guān)。只有假設(shè)孔隙系統(tǒng)接近一束管的孔隙系統(tǒng)，這兩個(gè)測(cè)量值才能精確比較，當(dāng)孔體半徑等于孔喉半徑時(shí)，大部分砂巖都適用于該方法。

2 NMR技術(shù)對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層的表征

頁巖是細(xì)粒沉積巖，總有機(jī)物含量至少超過2%，具有孔隙度和滲透率低的特點(diǎn)。它們由有機(jī)孔和無機(jī)孔組成。無機(jī)孔通常由二氧化硅、粘土、碳酸鹽和黃鐵礦組成。其中還富含一定的有機(jī)物，如干酪根（多孔不溶性有機(jī)物）、瀝青（可溶性高粘度有機(jī)物）、低粘度油和天然氣。這些有機(jī)成分的準(zhǔn)確量化對(duì)于確定頁巖儲(chǔ)層的質(zhì)量和成熟度至關(guān)重要。對(duì)頁巖的核磁共振研究是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。為了使NMR 可以更為可靠的表征頁巖，需要對(duì)弛豫條件進(jìn)行深入探討。傳統(tǒng)的表面弛豫在無機(jī)孔結(jié)構(gòu)表征中占主導(dǎo)地位，因?yàn)榭紫侗砻娴纳倭宽槾判越饘傥镔|(zhì)可以與吸附層流體相互作用。有機(jī)孔結(jié)構(gòu)中可能存在的NMR 弛豫動(dòng)力學(xué)是復(fù)雜的，并且在文獻(xiàn)報(bào)道中仍然存在分歧。通常，頁巖中有機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)的弛豫受以下因素影響：①干酪根成熟度；固體密度將對(duì)吸附的表面弛豫產(chǎn)生潛在影響；②干酪根孔徑，納米尺寸的孔導(dǎo)致來自分子限制效應(yīng)的額外松弛；③有機(jī)和無機(jī)孔結(jié)構(gòu)之間的擴(kuò)散耦合；在氣體從無機(jī)孔擴(kuò)散到有機(jī)孔的情況下，松弛被平均化，而不是顯示出兩種不同的孔徑；④有機(jī)和無機(jī)孔結(jié)構(gòu)的潤濕特性，通常期望無機(jī)孔結(jié)構(gòu)具有表面親水性（水濕），而有機(jī)孔結(jié)構(gòu)是疏水性（油濕）。

在常規(guī)儲(chǔ)層中，可以準(zhǔn)確估計(jì)孔隙度、滲透率、孔徑分布、潤濕性和流體飽和度等基本巖石物理特性。然而，在非常規(guī)儲(chǔ)層中，NMR數(shù)據(jù)的解釋比在常規(guī)地層中困難。了解非常規(guī)儲(chǔ)層中固體基質(zhì)和流體的特征對(duì)于資源評(píng)估和生產(chǎn)至關(guān)重要。例如，有機(jī)物含量包括氫，因此出現(xiàn)在某些NMR 測(cè)量中，導(dǎo)致來自頁巖的所得信號(hào)不依賴于巖性。

2016 年Kausik 等人利用較低的NMR 場(chǎng)(2MHz)研究不含瀝青的過成熟頁巖。在束縛水飽和度下，在T1/T2=2 時(shí)觀察到兩個(gè)弛豫種群。較短的T1,2時(shí)間表明小孔結(jié)構(gòu)分配給粘土束縛水，而較長的T1,2時(shí)間對(duì)應(yīng)于無機(jī)/有機(jī)孔隙中的束縛水。這兩個(gè)種群的建立可以確定T2截?cái)嘀担摻財(cái)嘀祵⒖紫犊臻g中的可生產(chǎn)流體和結(jié)合流體分開。在5000psi 下用甲烷再飽和同一樣品再次顯示出兩個(gè)弛豫群體；T1/T2=2.6 被解釋為頁巖孔隙中的氣體，而在長T1和T2處的大量弛豫為樣品外的無體積甲烷。來自Eagle Ford 地層的另一種含有殘余流體的原生頁巖的研究表明。T1/T2顯示出具有短T2的流體（可能是粘土結(jié)合水、瀝青或混合物）與具有較大T2的流體（例如有機(jī)和無機(jī)孔隙中的油）之間的明顯分離。然而，T1/T2有機(jī)孔中油的比例大于無機(jī)孔中的油。一個(gè)合理的解釋是有機(jī)孔是油濕的，導(dǎo)致更大的T1/T2比率。與無機(jī)孔中的微小變化相比，再飽和后觀察到來自有機(jī)孔中油的信號(hào)發(fā)生了巨大變化。這表明該頁巖內(nèi)的有機(jī)孔隙占大部分孔隙空間。在天然氣和油頁巖中，在2MHz 處未檢測(cè)到干酪根信號(hào)，表明使用當(dāng)前的核磁共振測(cè)井技術(shù)無法滿足干酪根信號(hào)的要求。然而，建立T2和截止值對(duì)于提高測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋的有效性非常有用。

最近的一項(xiàng)研究考察了干酪根結(jié)構(gòu)中芳香族與脂肪族比例，這是干酪根成熟度的指標(biāo)，隨著干酪根的成熟，它具有脂肪鏈變?yōu)榉枷阕宄煞值内厔?shì)。研究人員使用了不同的固態(tài)NMR 光譜方法（13CMAS 光譜、1HMAS光譜和高場(chǎng)T2分布）。表明13CNMR位移是鏡質(zhì)體反射率Ro的函數(shù)，反射率Ro隨著頁巖成熟度的增加而增加。此外，隨著成熟度的增加，特征峰從脂肪族為主轉(zhuǎn)變?yōu)榉枷阕鍨橹鳌?HNMR中的化學(xué)位移分辨率比13CNMR 中的要窄得多，但仍然可以看出存在向更高化學(xué)位移方向的轉(zhuǎn)變，說明系統(tǒng)從脂肪族狀態(tài)發(fā)展為芳香族狀態(tài)。

3 結(jié)論及建議

（1）NMR為了解多孔介質(zhì)中的巖石、流體和巖石—流體相互作用行為提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。因此，它被認(rèn)為是石油和天然氣行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一。1D和2D NMR測(cè)量可以在室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

（2）在實(shí)驗(yàn)室?guī)r芯分析以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井工具中，NMR是一種強(qiáng)有力的儲(chǔ)層流體和巖石物理表征手段；NMR可以用于了解和探索石油儲(chǔ)層形成的性質(zhì)和流體含量。

（3）未來，核磁共振技術(shù)將在在巖石物理和測(cè)井方面發(fā)揮更大的作用。其中數(shù)值模擬技術(shù)將成為研究的重點(diǎn)方向。