川南龍馬溪組頁巖核磁滲透率新模型研究

周尚文，薛華慶，郭 　偉，李曉波

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；2.中國石油非常規(guī)油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊065007；3.國家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，河北廊坊065007）

川南龍馬溪組頁巖核磁滲透率新模型研究

周尚文1，2，3，薛華慶1，2，3，郭 偉1，2，3，李曉波1，2，3

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；2.中國石油非常規(guī)油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊065007；3.國家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，河北廊坊065007）

為了更加快速有效地進(jìn)行頁巖滲透率的測試，以四川盆地南部下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為研究對象，進(jìn)行頁巖低場核磁共振和高速離心實(shí)驗(yàn)。以脈沖滲透率為標(biāo)準(zhǔn)，對比分析目前常用的4種巖石核磁滲透率模型的相對誤差，這4種模型中只有擴(kuò)展后的SDR模型相對誤差較小，其他3種模型誤差很大，不適用于頁巖核磁滲透率的計(jì)算。為了進(jìn)一步減小頁巖核磁滲透率的計(jì)算誤差，在SDR模型的基礎(chǔ)上建立一種新的頁巖核磁滲透率的單參數(shù)模型。結(jié)果表明，新模型相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.967，與脈沖滲透率的相對誤差平均為18.31%，證明新模型能更準(zhǔn)確地計(jì)算頁巖的核磁滲透率，為頁巖滲透率的測試提供了一種新的快速、無損、有效的實(shí)驗(yàn)方法。

頁巖氣；核磁共振；核磁滲透率；Coates模型；SDR模型

頁巖氣主要以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于頁巖儲層中。近年來，隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的深入，頁巖由于儲集豐富的油氣而突破了僅將其作為烴源巖和蓋層的傳統(tǒng)認(rèn)識［1-3］?；谥旅苡蜌忾_發(fā)技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步，美國在頁巖油氣資源開發(fā)上已經(jīng)取得了成功，而隨著重慶涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)取得重大突破，中國也開始進(jìn)入頁巖氣的商業(yè)開發(fā)階段。與常規(guī)砂巖儲層相比，頁巖氣儲層巖性極為致密，主要發(fā)育納米級孔隙，孔隙度一般小于6%，滲透率一般小于0.001×10-3μm2［4-5］。滲透率是頁巖氣儲層評價(jià)、產(chǎn)能計(jì)算及開發(fā)方案編制所需的關(guān)鍵參數(shù)之一，準(zhǔn)確獲取該參數(shù)對于頁巖氣的勘探開發(fā)至關(guān)重要［6-7］。巖石滲透率測試常用的方法有穩(wěn)態(tài)法（氣泡法）、非穩(wěn)態(tài)法（壓力降落法、脈沖衰減法）、核磁共振等。氣泡法和壓力降落法較適用于滲透率大于0.01×10-3μm2的巖樣測試，不適用于頁巖滲透率的測試。目前主要采用脈沖衰減法測試頁巖的滲透率，但是該方法需要制備圓柱型樣品并且測試時(shí)間較長，導(dǎo)致其測試難度依然較大［7］。與基于介質(zhì)滲流的穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法相比，核磁共振方法可以對巖石滲透率進(jìn)行快速無損的檢測［8-12］。國內(nèi)外學(xué)者建立了多種巖石核磁滲透率計(jì)算模型［13-21］，目前主要采用的是Coates模型［14-15，21］、SDR模型［16-17］及其相應(yīng)的擴(kuò)展模型［21-22］，但是這些模型主要適用于砂巖和碳酸鹽巖的核磁滲透率計(jì)算，對于其是否適用于頁巖核磁滲透率的計(jì)算研究較少［18-22］。筆者以四川盆地南部下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層為研究對象，利用低場核磁共振技術(shù)對頁巖滲透率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。以脈沖衰減法測試的頁巖滲透率為標(biāo)準(zhǔn)，分析目前常用的4種核磁滲透率模型與脈沖滲透率的誤差，并提出新的頁巖核磁滲透率測試模型。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選取了四川盆地南部龍馬溪組的一口頁巖氣井的22塊巖樣，其物性資料如表1所示，孔隙度分布為2.67%～7.11%，平均為4.99%；滲透率分布為（0.0000615～0.573）×10-3μm2。主要的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）鉆取直徑2.5 cm的柱塞巖樣，烘干，稱干重，測量長度和直徑。

（2）測試巖樣的氦孔隙度，采用脈沖衰減法測試巖樣的滲透率。

（3）巖樣抽真空后，加壓飽和模擬地層水，飽和水后稱重并進(jìn)行核磁共振T2譜測試。主要測試參數(shù)為：回波間隔時(shí)間100 μs，等待時(shí)間3 000 ms，回波個(gè)數(shù)1024，掃描次數(shù)32，增益50。

（4）為了測試樣品的可動(dòng)流體飽和度，分別采用1.38、2.06、2.76 MPa離心力進(jìn)行高速離心實(shí)驗(yàn)，每次離心后稱重并進(jìn)行核磁共振T2譜測試，測量參數(shù)與步驟（3）中的參數(shù)相同。

表1 巖樣物性Table 1 Petrophysical property of shale samples

頁巖核磁T2譜測試過程中，有機(jī)質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生一定的核磁共振信號，但由于頁巖有機(jī)質(zhì)含量較低，其核磁信號一般可以忽略。此外，頁巖中也含有一定量的黃鐵礦等順磁性物質(zhì)，順磁性物質(zhì)的存在會(huì)加快水相流體的弛豫過程，進(jìn)而減小頁巖的核磁信號量。頁巖中這類鐵磁性物質(zhì)含量很低，其對核磁信號總量的影響一般也可以忽略。

2 核磁滲透率常用模型對比

2.1 4種常用模型

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的利用低場核磁共振技術(shù)計(jì)算巖心滲透率的研究，但是這些研究主要是以滲透率較高的砂巖和碳酸鹽巖為研究對象，并建立了相應(yīng)的模型，目前應(yīng)用在核磁共振巖心分析及測井領(lǐng)域的模型主要有Coates模型、SDR模型及擴(kuò)展模型。

式中，kNMR為核磁滲透率，10-3μm2；φNMR為核磁孔隙度；Swm為可動(dòng)流體飽和度；Swi為束縛水飽和度；T2g為T2幾何平均值，ms；C1、C2、C3、m1、m2、n1、n2均為模型常數(shù)。

2.2 可動(dòng)流體飽和度確定

Coates模型以可動(dòng)流體/不可動(dòng)流體為基礎(chǔ)，可動(dòng)流體飽和度的測定方法對滲透率的計(jì)算結(jié)果影響很大。為了保證模型1、2計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文中采用高速離心的方法來確定頁巖樣品的可動(dòng)流體飽和度和束縛水飽和度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)22塊巖樣不同離心力離心后的核磁T2譜，可以得到頁巖在不同狀態(tài)的含水飽和度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，當(dāng)離心力從2.06 MPa增加到2.76 MPa時(shí)，樣品的含水飽和度變化量小于5%，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)精度要求，認(rèn)為采用2.76 MPa離心力離心后可以較好地建立頁巖的束縛水狀態(tài)。根據(jù)束縛水狀態(tài)和飽和水狀態(tài)的核磁T2譜即可計(jì)算出可動(dòng)流體飽和度和束縛水飽和度（表1），從而應(yīng)用到Coates模型的核磁滲透率計(jì)算中。

圖1 15號樣品不同離心力離心后核磁T2譜Fig.1 NMR T2spectrum of S1-15 after centrifugation at different state

表2 巖心含水飽和度變化量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of water saturation change of shale samples

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

對于模型1，根據(jù)頁巖巖樣核磁孔隙度及所確定的可動(dòng)流體飽和度和束縛水飽和度，計(jì)算得到的核磁滲透率與脈沖滲透率的對比如圖2（a）所示，兩者間的平均相對誤差達(dá)到294.68%，部分樣品的核磁滲透率與脈沖滲透率不在一個(gè)數(shù)量級，所以不能采用模型1計(jì)算頁巖的核磁滲透率。

在模型1的基礎(chǔ)上，把定常數(shù)改為變常數(shù)后得到模型2。以脈沖滲透率為基準(zhǔn)進(jìn)行模型2的多元回歸分析，擬合的結(jié)果為C1=5.688，m1=1.857，n1=3.897，根據(jù)模型2計(jì)算得到的核磁滲透率與脈沖滲透率的對比如圖2（b）所示，兩者相關(guān)性達(dá)到0.837，相對誤差為63.07%，說明改進(jìn)后的模型2相比模型1能更準(zhǔn)確地計(jì)算頁巖的核磁滲透率，但其誤差依然較大，并不適合頁巖核磁滲透率的精確計(jì)算。

對于模型3，利用相同的方法進(jìn)行擬合后得到系數(shù)C2為0.000 045，從而計(jì)算得到模型3的核磁滲透率與脈沖滲透率的對比如圖2（c）所示，兩者的相關(guān)性僅為0.251，誤差很大，大部分樣品的核磁滲透率與脈沖滲透率都不在一個(gè)數(shù)量級。

對于擴(kuò)展后得到的模型4，進(jìn)行回歸分析后得到，C3=0.000 049，m2=1.065，n2=10.625，計(jì)算得到其核磁滲透率與脈沖滲透率的對比如圖2（d）所示，兩者相關(guān)性達(dá)到 0.916，相對誤差減小到31.36%。說明改進(jìn)后的模型4比模型3能更準(zhǔn)確地計(jì)算頁巖的核磁滲透率。綜上所述，在4種常用的核磁滲透率計(jì)算模型中，只有模型4能較準(zhǔn)確地計(jì)算頁巖的核磁滲透率，但誤差依然較大。

圖2 各模型頁巖核磁滲透率與脈沖滲透率對比Fig.2 Comparison between NMR permeability based on different models and pulse decay permeability

3 頁巖核磁滲透率新模型

為了進(jìn)一步減小頁巖核磁滲透率測試誤差，在模型4的基礎(chǔ)上，采用單參數(shù)“T2g”建立新的核磁滲透率計(jì)算模型，如圖3所示。從圖中可以看出，頁巖的滲透率與T2幾何平均值呈很好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.967，該新模型可以表示為

與上述幾種模型相比，該新模型雖然只有一個(gè)參數(shù)，但是其相關(guān)性更好、誤差更小。主要有4個(gè)方面的原因：①在上述的4種常用模型中，都包含有孔隙度參數(shù)。與砂巖等常規(guī)油氣儲層相比，頁巖氣儲層中主要發(fā)育大量納米級的有機(jī)質(zhì)孔隙，其孔隙結(jié)構(gòu)與滲流規(guī)律更為復(fù)雜，導(dǎo)致頁巖核磁共振測試過程中很難準(zhǔn)確測試其孔隙度值，核磁孔隙度的不準(zhǔn)確直接導(dǎo)致上述4種常用模型不能適用于頁巖核磁滲透率計(jì)算。②大量的實(shí)驗(yàn)研究證明，致密巖石的孔隙度和滲透率不一定成正比，孔隙度大的巖心由于孔喉連通性的限制，其滲透率不一定大。特別是對于頁巖，其滲透率與孔隙度之間的相關(guān)性更差，一定程度上導(dǎo)致了上述4種常用模型不能夠準(zhǔn)確地計(jì)算頁巖的核磁滲透率。③頁巖可動(dòng)流體和不可動(dòng)流體含量的測試不夠準(zhǔn)確。頁巖流體可動(dòng)性差，離心實(shí)驗(yàn)時(shí)驅(qū)替出來的水量很小，實(shí)驗(yàn)過程中樣品表面水的擦拭以及與空氣的接觸都會(huì)影響可動(dòng)流體的測試結(jié)果，導(dǎo)致其誤差增大。④在核磁共振意義上，T2g代表頁巖核磁T2譜的形態(tài)；在油層物理意義上，T2g代表頁巖孔隙中水的分布狀態(tài)。頁巖飽和水的過程就是水滲透進(jìn)入孔隙的過程，所以頁巖孔隙中水的分布狀態(tài)代表著其滲透性能的好壞，從而使得滲透率與T2g之間有很好的相關(guān)關(guān)系。

由于頁巖滲透率基本都在（10-5～10-6）×10-3μm2的數(shù)量級，當(dāng)核磁滲透率計(jì)算結(jié)果與脈沖滲透率在同一數(shù)量級并且相對誤差小于20%時(shí)，筆者認(rèn)為其計(jì)算結(jié)果即為可信的。該新模型的相對誤差平均為18.31%，說明利用該新模型能更準(zhǔn)確地計(jì)算頁巖的核磁滲透率。

圖3 頁巖核磁滲透率新模型建立及與脈沖滲透率對比Fig.3 New NMR permeability model and its comparison with pulse decay permeability

4 結(jié) 論

（1）以頁巖的脈沖滲透率為標(biāo)準(zhǔn)，對比分析了目前常用的4種巖石核磁滲透率模型的相對誤差，這4種模型中只有擴(kuò)展后的SDR模型相對誤差較小，其他3種模型誤差太大，不適用于頁巖核磁滲透率的計(jì)算。

（2）在SDR模型的基礎(chǔ)上，建立了頁巖核磁滲透率的單參數(shù)“T2g”模型，該模型相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.967，與脈沖滲透率的相對誤差平均為18.31%，說明利用該新模型能更準(zhǔn)確地計(jì)算頁巖的核磁滲透率。

（3）利用該模型，結(jié)合核磁共振技術(shù)可以對頁巖滲透率進(jìn)行準(zhǔn)確測試，為頁巖滲透率的測試提供了一種新的快速、無損、有效的實(shí)驗(yàn)方法，該方法可以應(yīng)用到核磁共振測井和錄井領(lǐng)域中。

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（編輯 修榮榮）

A new nuclear magnetic resonance permeability model of shale of Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin

ZHOU Shangwen1，2，3，XUE Huaqing1，2，3，GUO Wei1，2，3，LI Xiaobo1，2，3
（1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Langfang，Langfang 065007，China；2.Key Laboratory of Unconventional Oil&Gas，CNPC，Langfang 065007，China；3.National Energy Shale Gas R&D（Experiment）Center，Langfang 065007，China）

In order to measure the shale permeability more effectively and quickly，22 shale samples from Lower Silurian Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin were collected and used in the low field nuclear magnetic resonance（NMR）and high-speed centrifugal experiments.The results show that the relative error of the four rocks NMR permeability model currently used are very large，and is small only in the extended SDR model.Therefore the four conventional NMR models are not suitable for the NMR permeability calculation of shale.In order to reduce the calculation error，a single parameter model of shale NMR permeability is set up based on the SDR model.The correlation coefficient of this new model reaches 0.967，and the average relative error of pulse decay permeability is about 18.31%.It is concluded that the new model can calculate the permeability of gas shale more accurately，which provides a fast，nondestructive and effective experimental methodology for shale permeability test.

shale gas；nuclear magnetic resonance（NMR）；nuclear magnetic resonance（NMR）permeability；Coates model；SDR model

TE 311

A

1673-5005（2016）01-0056-06 doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2016.01.008

2015-01-07

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2013CB2281）；國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05018）

周尚文（1987-），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)楹舜殴舱窦夹g(shù)在油氣藏中的應(yīng)用。E-mail：zhousw10@petrochina.com.cn。

引用格式：周尚文，薛華慶，郭偉，等.川南龍馬溪組頁巖核磁滲透率新模型研究［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，40（1）：56-61.

ZHOU Shangwen，XUE Huaqing，GUO Wei，et al.A new nuclear magnetic resonance permeability model of shale of Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2016，40（1）：56-61.