王志戰(zhàn)，韓玉嬌，金蕓蕓，王 勇，羅 曦，嚴(yán)永新

（1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與高效開(kāi)發(fā)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；3.中國(guó)石化河南油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南南陽(yáng) 473132；4.中國(guó)石化河南油田分公司，河南南陽(yáng) 473132）

全球頁(yè)巖油資源豐富，頁(yè)巖油革命對(duì)全球能源格局產(chǎn)生了極大影響[1-3]。我國(guó)頁(yè)巖油資源豐富，是原油增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要接替領(lǐng)域[4-5]，但主要發(fā)育陸相頁(yè)巖油，其中中低成熟度頁(yè)巖油可采資源量占陸相頁(yè)巖油探明儲(chǔ)量的80%～90%，這類頁(yè)巖油氣油比低、滯留液態(tài)烴、多類瀝青物和未轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)共存，大量有機(jī)物處于固相-半固相狀態(tài)，多相態(tài)耦合，加之孔隙度很低，導(dǎo)致常規(guī)儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)技術(shù)方法無(wú)法適用。由于二維核磁共振技術(shù)具有孔隙探測(cè)分辨率高、可直接探測(cè)孔隙流體信息、流體檢測(cè)精度高和對(duì)巖心無(wú)損害等優(yōu)勢(shì)，在非常規(guī)巖心分析領(lǐng)域，尤其是頁(yè)巖油儲(chǔ)層的含油性、可動(dòng)性評(píng)價(jià)方面獲得了廣泛的認(rèn)可，根據(jù)高頻核磁儀器的測(cè)量結(jié)果，可以分析不同流體類型、計(jì)算含油（水）飽和度、分析孔隙中油、水的相互作用[6-8]。K.E.Washburn 等人[9-13]基于高分辨率低場(chǎng)核磁共振儀，確定了頁(yè)巖各含氫組分的核磁共振T1-T2譜劃分方案。張鵬飛等人[14]研究了頁(yè)巖油儲(chǔ)集、賦存和可流動(dòng)性，王志戰(zhàn)等人[15]探討了頁(yè)巖油儲(chǔ)層T1-T2二維核磁共振測(cè)量方法與解釋模型。王敏等人[16]基于二維T1-T2譜圖，計(jì)算了博興洼陷頁(yè)巖可動(dòng)油飽和度。

盡管諸多學(xué)者給出了頁(yè)巖油儲(chǔ)層的T1-T2解釋圖版，但由于測(cè)量結(jié)果既受數(shù)量、流體含量、含氫物質(zhì)成分等樣品因素的影響，又受磁場(chǎng)強(qiáng)度、回波間隔、探頭口徑、參數(shù)設(shè)置等儀器因素的影響，文獻(xiàn)報(bào)道中的二維譜信噪比及不同組分的信號(hào)分離度不高，各組分與常規(guī)分析結(jié)果的相關(guān)性不強(qiáng)，且研究對(duì)象主要為中高成熟度頁(yè)巖油。因此，筆者開(kāi)展了不同磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)、探頭口徑、回波間隔、測(cè)量參數(shù)的多次試驗(yàn)，明確了適用于短弛豫組分發(fā)育的中低成熟度頁(yè)巖油高精度采集參數(shù)，并在泌陽(yáng)凹陷YY1 井中低成熟度頁(yè)巖油儲(chǔ)層開(kāi)展了儲(chǔ)集性、含油性及干酪根含量的解釋評(píng)價(jià)應(yīng)用，以期深化核磁共振技術(shù)在中低成熟度頁(yè)巖油甜點(diǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

1 核磁共振技術(shù)及原理

弛豫為停止施加射頻場(chǎng)后，高能態(tài)的核以非輻射方式回到低能態(tài)的恢復(fù)過(guò)程，分為縱向弛豫和橫向弛豫?？v向弛豫也稱自旋-晶格弛豫，描述縱向磁化矢量分量恢復(fù)的快慢，反映自旋系統(tǒng)與外界晶格間的相互作用；橫向弛豫又稱自旋-自旋弛豫，描述橫向上磁化矢量散相的快慢，反映2 個(gè)自旋系統(tǒng)間的相互作用[17]。1H

由于 只有1 個(gè)自旋質(zhì)子，結(jié)構(gòu)最單純，能提供最強(qiáng)的核磁共振信號(hào)，地層和孔隙流體中都含有氫，所以在石油領(lǐng)域多選取氫原子作為研究對(duì)象。對(duì)于實(shí)際巖心，當(dāng)孔隙中存在單相中低黏度流體時(shí)，可采用BT 理論模型進(jìn)行解釋，橫向弛豫時(shí)間和縱向弛豫時(shí)間為[18-19]：

當(dāng)巖心孔隙存在高黏度流體或黏性半固體時(shí)，質(zhì)子運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生非常小的橫向弛豫（T2＜0.1 ms 或者T2＜T2S），此時(shí)需應(yīng)用BPP 理論模型聯(lián)系縱向和橫向弛豫時(shí)間與偶極相互作用的相關(guān)時(shí)間τ[20-21]：

式中：ω為拉莫爾頻率，MHz；C是常數(shù)；τ為旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間，ms；μ為流體的黏度，Pa·s；a為分子的半徑，m；k為玻耳茲曼常數(shù)，J/K；T為絕對(duì)溫度，K。

結(jié)合式（3）—（5）可知，對(duì)于相對(duì)分子質(zhì)量較小的低黏度流體，由于原子核之間快速相互作用，ωτ遠(yuǎn)小于1，T1/T2≈1；當(dāng)分子幾乎不可動(dòng)時(shí)，相關(guān)時(shí)間會(huì)呈數(shù)量級(jí)的增大，ωτ遠(yuǎn)大于1，T1/T2正比于ω2τ2，其值遠(yuǎn)大于1，并與拉莫爾頻率有關(guān)，因此，可以區(qū)分具有不同相對(duì)分子質(zhì)量和黏度的孔隙介質(zhì)。

2 中低成熟度頁(yè)巖油測(cè)量參數(shù)優(yōu)選

2.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度

石油行業(yè)常用儀器場(chǎng)強(qiáng)在0.05～0.54 T，對(duì)應(yīng)頻率在2～23 MHz。由于縱、橫向弛豫時(shí)間受頻率變換影響不同，導(dǎo)致不同流體在不同頻率核磁共振觀測(cè)系統(tǒng)中的變化特征也不同[21]。同一塊頁(yè)巖巖樣在2，12 和19 MHz 的一維T2和二維T1-T2核磁共振結(jié)果如圖1 和圖2 所示（圖2 中，色柱表示信號(hào)強(qiáng)度，a.u.；下同），其中2 MHz 儀器的回波間隔TE選取0.10 ms，12 和19 MHz 儀器的回波間隔TE選取0.06 ms，綜合考慮場(chǎng)強(qiáng)對(duì)信號(hào)量影響及儀器采集分辨率，2 MHz 儀器掃描次數(shù)取128 次，12 MHz 儀器掃描次數(shù)取32 次，19 MHz 儀器掃描次數(shù)取16 次。由圖1 和圖2 可以看出，12 和19 MHz 儀器采集的一維T2譜和二維T1-T2譜形態(tài)相對(duì)較為一致，但19 MHz 儀器的采集結(jié)果信噪比更高，對(duì)微小孔隙有更好的探測(cè)能力；而2 MHz 儀器的采集結(jié)果與其相差較大，信噪比也較低，對(duì)中低成熟度頁(yè)巖油流體表征能力有所欠缺。這表明隨著場(chǎng)強(qiáng)增大，采集信號(hào)信噪比增加，微小孔隙探測(cè)能力逐漸加強(qiáng)，對(duì)于中低成熟度頁(yè)巖油，應(yīng)盡量采用高頻儀器進(jìn)行測(cè)量。

圖1 同一塊頁(yè)巖巖樣的不同磁場(chǎng)強(qiáng)度核磁共振T2 譜Fig.1 T2 NMR spectra of the same shale with different field strengths

圖2 同一塊頁(yè)巖巖樣的不同磁場(chǎng)強(qiáng)度核磁共振T1-T2 譜Fig.2 T1-T2 NMR spectra of the same shale with different field strengths

2.2 探頭口徑

使用19 MHz 儀器，分別用口徑40 和25 mm 的探頭測(cè)量4 塊巖樣，測(cè)量結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同口徑探頭條件下核磁共振T1-T2 譜Fig.3 T1-T2 NMR spectra under different probe apertures

使用口徑40 mm 探頭時(shí)，死時(shí)間明顯偏長(zhǎng)，丟失了大部分短弛豫組分信號(hào)，不適用于中低成熟度頁(yè)巖油評(píng)價(jià)。雖然探頭口徑越小，死時(shí)間越短，對(duì)短弛豫組分探測(cè)能力越強(qiáng)，但口徑過(guò)小，樣品量會(huì)過(guò)少，從而導(dǎo)致信噪比過(guò)低。綜合考慮實(shí)際柱塞樣品和巖屑樣品大小，選取口徑25 mm 的探頭。

2.3 回波間隔

在19 MHz 儀器不同回波間隔TE條件下，同一巖樣的一維T2譜和二維T1-T2譜采集結(jié)果如圖4 和圖5 所示。隨著TE增大，小孔信號(hào)右移變?nèi)?，?dāng)TE達(dá)到0.15 ms 時(shí)，小孔信號(hào)幾乎探測(cè)不到，大孔信號(hào)逐漸向左變寬、變?nèi)?。為提高中低成熟度?yè)巖微小孔隙分辨能力，在保證儀器穩(wěn)定情況下，要盡量采取較小回波間隔TE進(jìn)行測(cè)量。

圖4 同一巖樣不同回波間隔條件下核磁共振T2 譜Fig.4 T2 NMR spectra of the same core under different echo intervals

圖5 同一巖樣不同回波間隔條件下核磁共振T1-T2 譜Fig.5 T1-T2 NMR spectra of the same core under different echo intervals

2.4 波峰偏移

采用CPMG 脈沖序列進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)，不可避免存在死時(shí)間（見(jiàn)圖6 中90°脈沖后到第1 個(gè)回波之間的時(shí)間），所用19 MHz 儀器死時(shí)間為0.015 ms。由于中低成熟頁(yè)巖油干酪根、瀝青、類固態(tài)等短弛豫組分十分發(fā)育，為盡量采集這些組分信號(hào)，波峰偏移設(shè)置為0.045 ms，即從90°脈沖后0.015 ms 開(kāi)始采集信號(hào)。除波峰偏移不同，其他采集參數(shù)均相同，巖樣X(jué)1 和X2 的 二維T1-T2反演結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可以看出，通過(guò)波峰偏移將第一個(gè)采集點(diǎn)前移后，T2＞0.1 ms 部分信號(hào)與未進(jìn)行波峰偏移時(shí)信號(hào)基本重合，但在T2＜0.1 ms 且T1＞10.0 ms 部分信號(hào)明顯增大，譜峰明顯左移，采用波峰偏移采集信號(hào)能夠更好地表征短弛豫組分含量。

圖6 CPMG 脈沖序列示意Fig.6 CPMG pulse sequence

圖7 不同波峰偏移參數(shù)條件下的核磁共振T1-T2 譜Fig.7 T1-T2 NMR spectra under different peak shift parameters

2.5 采集參數(shù)確定

綜合上述分析結(jié)果和試驗(yàn)條件，選取頻率19 MHz的MesoMR23-040V 型核磁共振分析儀。一維T2譜測(cè)試采用CPMG 脈沖系列，主要參數(shù)：中心頻率19 MHz，漂移頻率456 053 Hz，90°脈寬5.6 μs，180°脈寬9.2 μs，采樣帶寬250 kHz，等待時(shí)間5 000 ms，模擬增益20 dB，數(shù)字增益3，掃描次數(shù)16 次，回波間隔0.06 ms，回波數(shù)量6 000 個(gè)，前置放大增益3，波峰偏移0.045 ms；由于頁(yè)巖油輕組分極易揮發(fā)，二維T1-T2譜測(cè)試采用測(cè)試時(shí)間更短的SR-CPMG 回波序列，主要參數(shù)：中心頻率19 MHz，漂移頻率454 003 Hz，90°脈寬5.6 μs，180°脈寬9.2 μs、采樣帶寬250 kHz，等待時(shí)間100 ms，射頻延時(shí)0.012 ms，模擬增益20 dB，數(shù)字增益3，前置放大增益3，掃描次數(shù)16 次，回波數(shù)量6 000 個(gè)，反轉(zhuǎn)時(shí)間數(shù)量31 個(gè)，波峰偏移0.045 ms。

3 中低成熟度頁(yè)巖油核磁共振評(píng)價(jià)

YY1 井為位于泌陽(yáng)凹陷東南深凹區(qū)的一口頁(yè)巖油風(fēng)險(xiǎn)探井，主探層位為A1 段中、下部頁(yè)巖層。巖心測(cè)試成熟度Ro為0.63～0.71，屬于中低成熟度頁(yè)巖油。對(duì)該井目的層段100 多個(gè)巖樣開(kāi)展一維T2譜和二維T1-T2譜核磁共振測(cè)量，分析其儲(chǔ)集性、含油性及干酪根含量等，綜合評(píng)價(jià)該井儲(chǔ)層甜點(diǎn)。

3.1 儲(chǔ)層特征核磁共振評(píng)價(jià)

3.1.1 儲(chǔ)集性評(píng)價(jià)

標(biāo)樣刻度一維T2核磁共振試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)二維T1-T2譜圖結(jié)果確定不同孔隙截止值，綜合大量巖樣結(jié)果最終選取0.1 和1.0 ms 作為有效孔隙度和可動(dòng)孔隙度的截止值（見(jiàn)圖8），實(shí)現(xiàn)了基于一維T2譜的三孔隙度計(jì)算。

圖8 不同類型孔隙度劃分示意Fig.8 Division of different types of porosity

結(jié)合同一巖樣氮?dú)馕?壓汞聯(lián)測(cè)飽和度測(cè)試結(jié)果與一維核磁共振T2譜，確定目的層頁(yè)巖表面弛豫率[22]，綜合大量巖心分析結(jié)果，YY1 井頁(yè)巖油巖樣表面弛豫率選取3.3 nm/ms 較為合理（見(jiàn)圖9），據(jù)此可將一維核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換為孔徑分布曲線。

圖9 核磁共振與氮?dú)馕?壓汞對(duì)比Fig.9 Comparison of NMR and nitrogen adsorption with mercury injection measurement results

3.1.2 含油性評(píng)價(jià)

基于二維T1-T2核磁共振圖譜評(píng)價(jià)含油性的核心是明確頁(yè)巖油中不同組分在譜圖上的分布范圍，即明確頁(yè)巖油T1-T2二維核磁共振多組分識(shí)別圖版。盡管目前關(guān)于該圖版并沒(méi)有統(tǒng)一共識(shí)，但總體來(lái)說(shuō)，不同學(xué)者對(duì)于可動(dòng)油和束縛油的譜圖位置認(rèn)識(shí)相對(duì)較為一致，可將其應(yīng)用到二維T1-T2核磁共振圖譜中（見(jiàn)圖10），實(shí)現(xiàn)目的層不同深度處總含油飽和度、束縛油飽和度和可動(dòng)油飽和度的定量評(píng)價(jià)。結(jié)合儲(chǔ)集性和含油性評(píng)價(jià)結(jié)果（見(jiàn)圖11），可以看出YY1 井含油性受控于受孔隙結(jié)構(gòu)，大孔喉越多，連通性越好，含油性及可動(dòng)性也越好。

圖10 頁(yè)巖多組分二維T1-T2 核磁共振識(shí)別圖版Fig.10 2D T1-T2 NMR identification plate for shale multicomponents

圖11 孔隙結(jié)構(gòu)與含油性的關(guān)系Fig.11 Relationship between pore structure and oil-bearing characteristic

3.1.3 干酪根含量表征

干酪根是地殼中有機(jī)碳最重要的存在形式，反映烴源巖生烴能力。Li Jinbu 等人[23]建立了頁(yè)巖油多組分T1-T2二維核磁識(shí)別圖版，認(rèn)為圖10 中區(qū)域P1 為干酪根，但其與巖樣450～600 ℃熱解裂解烴含量的相關(guān)系數(shù)僅為0.19。相關(guān)性較低可能與采集參數(shù)有關(guān)，由于干酪根為偏固態(tài)物質(zhì)，其弛豫時(shí)間極短，回波間隔TE取儀器的最小回波間隔0.06 ms也只能探測(cè)到少部分干酪根信號(hào)，成熟度越低越明顯，導(dǎo)致采集到的信號(hào)并不能代表巖樣的干酪根含量，因此與熱解裂解烴含量的相關(guān)性不強(qiáng)。對(duì)比是否采用波峰偏移采集到P1 區(qū)域信號(hào)與干酪根熱解烴的相關(guān)性（見(jiàn)圖12），不進(jìn)行波峰偏移的核磁圖譜P1 區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度與S2-2的相關(guān)系數(shù)僅有0.29；采用波峰偏移后，相關(guān)性明顯提高。由此可知，采用波峰偏移方式能夠采集到更多的干酪根信息，但核磁圖譜P1 區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度與S2-2的相關(guān)系數(shù)也僅為0.61，說(shuō)明可能還有部分干酪根信號(hào)未被采集到，但是采用波峰偏移的采集方式可獲得更具有代表性的組分圖譜，可提高基于二維核磁譜圖干酪根含量表征的精度。

圖12 核磁共振T1-T2 譜中P1 區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度與干酪根裂解烴含量S2-2 的相關(guān)性Fig.12 Correlation between P1 region signal quantity in T1-T2 NMR spectra and kerogen cracking hydrocarbon content S2-2

3.2 儲(chǔ)層甜點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)

經(jīng)上述分析，YY1 井儲(chǔ)層甜點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果圖如圖13 所示。圖13 中的第8、9 和10 道分別為實(shí)驗(yàn)室不規(guī)則法測(cè)得的孔隙度、核磁總孔隙度和核磁有效孔隙度，可以看出，核磁孔隙度總體大于實(shí)驗(yàn)室孔隙度，其原因是兩者測(cè)量原理存在差異，核磁共振技術(shù)對(duì)微小尺寸孔隙有更好的探測(cè)能力?；诤舜殴舱穹治鼋Y(jié)果參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可將孔隙進(jìn)一步劃分為微孔（孔徑＜2 nm）、介孔（孔徑2 nm～5 nm）和宏孔（孔徑＞50 nm）[24]，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)表征。結(jié)果表明，③號(hào)小層核磁有效孔隙度最高，大孔徑最為發(fā)育，儲(chǔ)集性優(yōu)于①、②號(hào)小層。核磁飽和度計(jì)算結(jié)果與多溫階熱解試驗(yàn)結(jié)果一致性較高，③小層地化分析S1/CTO、S1-1、S1-2及核磁可動(dòng)油飽和度Smo含量均最高，含油可動(dòng)性優(yōu)于①和②小層。干酪根裂解烴含量S2-2與CTO一致性較高，顯示②號(hào)小層烴源巖含量更為豐富。綜合儲(chǔ)集性及含油性評(píng)價(jià)結(jié)果，認(rèn)為③號(hào)小層是YY1 井目的層最佳的甜點(diǎn)層，是下一步勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

圖13 YY1 井儲(chǔ)層甜點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.13 Comprehensive evaluation of reservoir sweet spots in Well YY1

4 結(jié)論

1）中低成熟度頁(yè)巖油滯留液態(tài)烴、多類瀝青物和未轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)共存，短弛豫組分發(fā)育，對(duì)二維核磁共振技術(shù)短弛豫組分探測(cè)能力要求更高，波峰偏移采集方法和參數(shù)可實(shí)現(xiàn)中低成熟度頁(yè)巖油巖樣高分辨率核磁共振信號(hào)采集，獲得高質(zhì)量核磁共振圖譜，提高干酪根含量表征精度。

2）綜合運(yùn)用一維T2和二維T1-T2核磁共振技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)中低成熟度頁(yè)巖油儲(chǔ)層和烴源巖多種特性的高精度評(píng)價(jià)，為地質(zhì)甜點(diǎn)精細(xì)評(píng)價(jià)提供直觀、可靠的資料依據(jù)。

3）核磁共振技術(shù)在頁(yè)巖油評(píng)價(jià)方面雖已取得一定成果，但面對(duì)中低成熟度頁(yè)巖油帶來(lái)的挑戰(zhàn)，仍需在高精度數(shù)據(jù)采集和反演、孔隙固-液組分耦合機(jī)理、多組分識(shí)別圖版建立等方面持續(xù)攻關(guān)，助力中低成熟度頁(yè)巖油的高效勘探與開(kāi)發(fā)。