頁(yè)巖氣巖心核磁共振T2與孔徑尺寸定量關(guān)系

李軍, 金武軍, 王亮, 武清釗, 路菁

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083;2.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 3.西南石油大學(xué), 四川 成都 610500)

0 引 言

對(duì)于砂巖,通過(guò)飽和鹽水巖心的核磁共振(NMR)橫向弛豫時(shí)間(T2)譜與壓汞實(shí)驗(yàn)(MICP)確定的孔徑分布對(duì)比,確定兩者定量關(guān)系,并用于孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià),這種技術(shù)比較成熟,得到普遍推廣和應(yīng)用[1-3]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型多,孔隙尺寸分布跨度大,從納米級(jí)到微米級(jí)[4-6]。從成因上,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙分為有機(jī)孔和無(wú)機(jī)孔[7],它們具有不同潤(rùn)濕性,有機(jī)孔具有油潤(rùn)濕性,無(wú)機(jī)孔具有水潤(rùn)濕性。利用核磁共振技術(shù)評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層目前尚在不斷探索中,大多還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。受有機(jī)孔、無(wú)機(jī)孔及微裂縫多重孔隙類型影響,T2譜呈現(xiàn)多峰態(tài)分布特點(diǎn),有機(jī)孔、無(wú)機(jī)孔具有各自的譜帶范圍和主峰位置[8-9]。在前期成果基礎(chǔ)上[9],作者設(shè)計(jì)系統(tǒng)配套實(shí)驗(yàn),建立頁(yè)巖氣儲(chǔ)層T2譜與孔徑分布定量關(guān)系,為利用核磁共振技術(shù)定量評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

頁(yè)巖中由于微觀孔隙組分潤(rùn)濕性差異,水或油單獨(dú)難以充分飽和巖石中所有類型孔隙,其核磁共振T2譜不能反映巖石中所有孔隙分布全貌,導(dǎo)致T2與孔徑定量關(guān)系錯(cuò)誤。采用水、油交替方式對(duì)頁(yè)巖巖心孔隙進(jìn)行流體飽和,并測(cè)量核磁共振T2譜,能夠反映巖心中孔隙分布全貌,與高壓壓汞(MICP)確定的孔徑分布對(duì)比,確定二者定量關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法

樣品來(lái)自四川盆地涪陵地區(qū)志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣巖心。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各種處理手段(如洗油、干燥等)對(duì)頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)造成傷害,導(dǎo)致采用重復(fù)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不一致,實(shí)驗(yàn)中盡量采用平行樣品,即對(duì)同一深度的大塊巖樣,分成若干個(gè)子樣,對(duì)各個(gè)子樣進(jìn)行相應(yīng)的配套實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)把同一深度點(diǎn)的全直徑巖樣分成5個(gè)子樣,確保每1個(gè)子樣具有相同的物性和孔隙結(jié)構(gòu),分別進(jìn)行物理性質(zhì)、NMR、有機(jī)碳含量及X衍射測(cè)試等。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案及流程見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)方法及流程

圖2 頁(yè)巖氣巖心自吸及加壓飽和水與自吸及加壓飽和油核磁共振T2分布*非法定計(jì)量單位,1 psi=6 894.757 Pa,下同

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 飽和水、飽和油核磁共振T2譜對(duì)比分析

圖2展示頁(yè)巖氣巖心自吸及加壓飽和水與自吸及加壓飽和油核磁共振T2譜。樣品為2個(gè)深度點(diǎn)的2對(duì)平行樣品,H8-1和H8-2對(duì)應(yīng)于一個(gè)深度點(diǎn),H10-1和H10-2對(duì)應(yīng)于另一個(gè)深度點(diǎn)。H8-1和H10-1進(jìn)行原始狀態(tài)、自吸及加壓飽和水核磁共振T2譜觀測(cè),H8-2和H10-2進(jìn)行原始狀態(tài)、自吸及加壓飽和油T2譜觀測(cè)。水為鹽水,礦化度為40 000 mg/L,油為十二烷,實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃。

可以看出,頁(yè)巖飽和水與飽和油的T2譜差異顯著。自吸及加壓飽和油的T2譜分布較窄,主要分布在0.01～1 ms,主峰位置為0.2 ms左右,且隨著飽和壓力增大峰值幅度變化不大,表明孔隙具有強(qiáng)烈親油性質(zhì),在自吸狀態(tài)下很快達(dá)到飽和。這一譜峰稱為親油峰,對(duì)應(yīng)有機(jī)質(zhì)孔隙。在自吸及加壓飽和水T2譜圖上,T2譜分布較寬,主峰位置在1 ms左右,隨著飽和壓力加大,峰值變大,譜帶變寬,表明孔隙具有親水性質(zhì)。這一譜峰稱為親水峰,對(duì)應(yīng)無(wú)機(jī)孔隙。

研究表明,頁(yè)巖氣巖心中存在有機(jī)孔隙和無(wú)機(jī)孔隙2類孔隙。有機(jī)孔隙具有強(qiáng)烈油潤(rùn)濕性,而無(wú)機(jī)孔隙具有強(qiáng)烈水潤(rùn)濕性,由此導(dǎo)致飽和水和飽和油后T2譜分布顯著差異。

2.2 干燥抽真空處理后加壓飽和水與飽和油核磁共振響應(yīng)

為消除樣品中束縛水對(duì)核磁共振響應(yīng)影響,對(duì)樣品進(jìn)行干燥和抽真空處理,然后加壓飽和水或飽和油,再進(jìn)行T2譜觀測(cè)。結(jié)果表明,干燥抽真空-加壓飽和水的T2譜形態(tài)與原始狀態(tài)加壓飽和水的T2譜幾乎一致,譜峰位置在1 ms左右,兩者幅度幾乎不變(見圖2)。其原因是微細(xì)無(wú)機(jī)孔隙具有強(qiáng)烈的水潤(rùn)濕性,通過(guò)干燥抽真空去除微細(xì)無(wú)機(jī)孔隙中的束縛水后,再加壓飽和水,水分子仍然可以充分飽和微細(xì)無(wú)機(jī)孔隙,因此核磁共振T2分布不變。

干燥抽真空-加壓飽和油與原始狀態(tài)加壓飽和油的T2主峰位置相同,仍在在0.2 ms左右,但譜幅度發(fā)生漲跌變化,在0.1～1 ms之間,譜幅度減小,在1～10 ms之間譜幅度變大(見圖2)。其原因是通過(guò)干燥抽真空去除微細(xì)無(wú)機(jī)孔隙中的束縛水后,再加壓飽和油,油分子很難進(jìn)入具有水潤(rùn)濕性的微小無(wú)機(jī)孔隙中,但能進(jìn)入較大無(wú)機(jī)孔隙中,因此小孔隙部分核磁共振響應(yīng)幅度減小,而較大孔隙部分核磁共振響應(yīng)幅度變大。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有機(jī)孔和無(wú)機(jī)孔潤(rùn)濕性不同,在自吸條件下油優(yōu)先飽和有機(jī)孔隙,水優(yōu)先飽和無(wú)機(jī)孔隙,即使采用干燥加壓飽和,油或水很難單獨(dú)飽和整個(gè)巖心孔隙空間,造成T2譜不同。圖3中無(wú)論是主峰位置還是幅度都有很大差異。油峰位置在0.2 ms,水峰位置在1 ms左右。

圖3 干燥抽真空-加壓飽和油與干燥抽真空-加壓飽和水T2譜對(duì)比

2.3 交替飽和水、油后核磁共振響應(yīng)

圖4 鹽水、油交替飽和與單獨(dú)飽和水或油的T2譜對(duì)比

基于頁(yè)巖中有機(jī)孔和無(wú)機(jī)孔潤(rùn)濕性差異,首先利用鹽水飽和巖心,水可以進(jìn)入無(wú)機(jī)孔隙中,然后再對(duì)巖心進(jìn)行油飽和,油可以進(jìn)入有機(jī)孔隙中,因此交替使用鹽水、油飽和巖心的T2譜更能反映巖石整個(gè)孔隙特征全貌。圖4顯示交替飽和鹽水和油的核磁共振T2譜與單獨(dú)飽和鹽水或油的核磁共振T2譜對(duì)比?？梢钥闯?鹽水和油交替飽和后的巖石T2譜與單獨(dú)采用自吸油和自吸水飽和的T2譜包絡(luò)線形態(tài)一致,表明交替鹽水、油飽和的巖石T2譜反映了孔隙全貌分布特征?？梢岳眠@種T2譜確定頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中孔隙大小與分布。

3 T2與孔徑大小定量關(guān)系

研究表明,在地層孔隙條件下,忽略流體擴(kuò)散弛豫的影響,核磁共振T2與孔徑大小呈正比例關(guān)系[9-10]:T2隨孔徑增大而增大、隨孔徑減小而減小。比例系數(shù)確定后便可以借助T2譜確定巖石孔徑分布。該研究采用超高壓(壓力達(dá)到413.4 MPa)汞注入實(shí)驗(yàn)確定孔徑分布,并與核磁共振T2譜對(duì)比,確定兩者轉(zhuǎn)換關(guān)系。

測(cè)定巖心孔徑分布的方法包括汞注入(MICP)、液氮吸附、二氧化碳吸附和聚焦離子-電鏡掃描(FIB-SEM)等。各種實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法適用不同的孔徑范圍。CO2吸附適用于孔徑小于2 nm的微孔孔徑分布測(cè)定;液氮吸附適于孔徑2～50 nm的介孔(中孔)的孔徑分布測(cè)定,MICP測(cè)量的孔徑范圍較寬[11]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙以nm級(jí)孔隙為主,普通汞注入實(shí)驗(yàn)的注入壓力較小,使汞難以進(jìn)入頁(yè)巖中小孔隙部分,普通汞注入實(shí)驗(yàn)不適于頁(yè)巖孔徑分布測(cè)定。現(xiàn)代汞注入實(shí)驗(yàn)技術(shù)的注入壓力可達(dá)到413.4 MPa,測(cè)量孔徑下限可達(dá)到3.6 nm,研究采用超高壓汞注入實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定頁(yè)巖孔徑分布。圖5展示了H8及H10樣品由不同測(cè)量方法得到的孔徑分布。二氧化碳吸附確定2 nm以下的孔徑分布,峰值為0.6 nm;液氮吸附反映的孔徑范圍為2～20 nm,峰值在3.8 nm;超高壓汞注入實(shí)驗(yàn)反映孔徑大于3.8 nm的孔徑分布,峰值位置為10 nm?？梢钥闯?超高壓汞注入實(shí)驗(yàn)測(cè)定的孔徑分布范圍寬,能夠整體描述頁(yè)巖巖心孔徑分布特征。

圖5 頁(yè)巖巖心高壓汞注入、CO2吸附和液氮吸附孔徑分布

圖6顯示水、油交替飽和后的T2譜與MICP孔徑分布對(duì)比,兩者分布形態(tài)具有一致性。通過(guò)對(duì)比,確定T2時(shí)間與孔徑大小關(guān)系為

rd=47T2

(1)

式中,rd為孔隙直徑,nm;T2為核磁共振橫向弛豫時(shí)間,ms。

同時(shí),利用FIB-SEM技術(shù)確定頁(yè)巖氣儲(chǔ)層各種孔隙大小及其分布(見圖7)。FIB-SEM確定的孔徑分布與核磁共振確定的孔徑分布具有一致性,進(jìn)一步表明利用交替飽和水和油核磁共振T2分布確定孔徑大小分布是可信的。

圖6 頁(yè)巖交替飽和水和油T2譜與MICP孔徑分布對(duì)比(H8)

圖7 核磁共振孔徑分布與FIB-SEM孔徑分布對(duì)比(H8)

4 結(jié) 論

(1) 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中孔隙分為有機(jī)孔和無(wú)機(jī)孔,有機(jī)孔具有強(qiáng)烈的油潤(rùn)濕性,無(wú)機(jī)孔具有強(qiáng)烈水潤(rùn)濕性。由于微觀孔隙潤(rùn)濕性差異,導(dǎo)致巖心飽和水和油后具有不同核磁共振T2譜。

(2) 頁(yè)巖中有機(jī)孔T2譜分布較窄,主峰位置在0.2 ms左右,而無(wú)機(jī)孔T2譜分布較寬,主峰位置為1 ms左右。

(3) 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水、油交替飽和巖心的T2譜更能反映孔隙全貌,與高壓汞注入實(shí)驗(yàn)測(cè)量的孔徑分布具有很好的對(duì)比性,借此確定兩者定量關(guān)系。

(4) 核磁共振技術(shù)能夠進(jìn)行全直徑觀測(cè),從宏觀層面反映巖石孔隙特征,是一種很有前景的技術(shù)。

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