利用NMRI技術(shù)研究致密儲(chǔ)層靜態(tài)滲吸機(jī)理

濮 御王秀宇楊勝來

(中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京102249)

利用NMRI技術(shù)研究致密儲(chǔ)層靜態(tài)滲吸機(jī)理

濮 御,王秀宇,楊勝來

(中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京102249)

全球能源緊缺迫使人們將注意力轉(zhuǎn)移到潛力巨大的致密油上。但是其低孔、低滲的特點(diǎn)使其在開發(fā)過程中面臨諸多挑戰(zhàn),以毛管力為基礎(chǔ)的靜態(tài)滲吸作用成為開采這類儲(chǔ)層的有效方式。為了更清楚地了解流體在致密巖心孔喉中的靜態(tài)滲吸過程,將核磁共振可視化技術(shù)與靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,闡述了核磁共振成像和T2譜圖測試致密巖心靜態(tài)滲吸排驅(qū)效果的原理。核磁共振成像技術(shù)能夠給出巖心孔隙中流體的二維空間分布,有助于直觀了解不同時(shí)刻下各孔喉中的靜態(tài)滲吸排驅(qū)效果。T2譜圖能量化體現(xiàn)出致密巖心的靜態(tài)滲吸排驅(qū)效果與機(jī)理。T2譜圖所預(yù)測的采收率與質(zhì)量法滲吸實(shí)驗(yàn)所測的采收率一致,從而驗(yàn)證了核磁共振成像技術(shù)評價(jià)致密儲(chǔ)層靜態(tài)滲吸采收率的可行性。該研究旨在為致密儲(chǔ)層的開發(fā)和評價(jià)奠定重要的理論基礎(chǔ)。

致密儲(chǔ)層; 核磁共振成像; 靜態(tài)滲吸; 機(jī)理; 采收率

前人主要應(yīng)用靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)來研究低滲透、裂縫性油藏,但是針對致密儲(chǔ)層以及在儲(chǔ)層中的靜態(tài)滲吸過程尚未開展深入研究。核磁共振技術(shù)因具有無損檢測、可視化、監(jiān)測速度快等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)逐漸成為巖心物理試驗(yàn)的主要分析手段[1-3]。為了研究致密儲(chǔ)層中的靜態(tài)滲吸過程,采用低場核磁共振技術(shù)監(jiān)測致密油在靜態(tài)滲吸過程中的分布特征。傳統(tǒng)的質(zhì)量法和體積法無法反映流體在巖心內(nèi)部的靜態(tài)滲吸過程,而核磁共振可視化方法可以很好的實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此外T2加權(quán)像也能真實(shí)體現(xiàn)巖心孔隙中的流體分布狀態(tài),可進(jìn)一步分析巖心中的靜態(tài)滲吸現(xiàn)象與機(jī)理。

1 核磁共振原理及靜態(tài)滲吸排驅(qū)機(jī)理簡介

1.1 核磁共振原理

當(dāng)致密巖心樣品置于均勻的靜磁場中時(shí),巖心中流體富含的氫原子核將與磁場產(chǎn)生相互作用,產(chǎn)生磁化矢量[4]。此時(shí)在垂直于磁場方向上,對致密巖心施加拉莫爾頻率的射頻場后,就會(huì)在接收線圈上收到幅度隨時(shí)間以指數(shù)函數(shù)衰減的信號。橫向弛豫時(shí)間T2可描述信號衰減快慢。巖心核磁共振成像技術(shù)所檢測的是巖心孔隙內(nèi)的流體性質(zhì)、流體量以及流體與巖心壁面的相互作用[4],所以核磁共振成像反應(yīng)的是巖心中流體的分布情況以及與巖心壁面的界面效應(yīng)等。該方法可在不破壞巖心形態(tài)的情況下,直接觀察致密巖心孔隙內(nèi)部的流體分布。

核磁共振成像實(shí)驗(yàn)主要監(jiān)測巖心孔隙內(nèi)部流體中的氫原子核,利用氫原子核與磁場之間的強(qiáng)烈共振特性,確定孔隙中流體的核磁共振信號強(qiáng)弱及T2弛豫時(shí)間的長短。大孔隙內(nèi)的流體受巖心壁面的作用力小,因此弛豫速度慢,T2弛豫時(shí)間長。小孔隙內(nèi)的流體受巖心壁面的作用力相對較大,弛豫速度略快,T2弛豫時(shí)間短。核磁共振成像可以得到任意切片方向的二維圖像。圖像中灰度信號即亮度表示流體在巖心中的分布情況?；叶仍搅?則巖心中的流體飽和度越高;反之,灰度越暗,表明巖心中的流體飽和度越小。因此,巖心中的流體總量直接影響核磁共振信號的強(qiáng)弱。

1.2 靜態(tài)滲吸排驅(qū)機(jī)理及方式

滲吸是一種常見的油氣田開發(fā)方式。滲吸指的是多孔介質(zhì)中的潤濕相流體依靠毛細(xì)管力進(jìn)入到巖石孔隙中,并置換出其中的非潤濕相流體[5-8]。靜態(tài)滲吸指潤濕相流體在靜態(tài)條件下依靠毛細(xì)管力驅(qū)替油藏中的非潤濕相流體的過程[9]。根據(jù)油水交換方向的不同而將靜態(tài)滲吸分為以下兩種[10-12]:反(逆)向滲吸和同(順)向滲吸。當(dāng)吸入的潤濕相流體(水)和被排出的非潤濕相流體(油)的流動(dòng)方向相反時(shí),為反(逆)向滲吸,此時(shí)毛細(xì)管力為驅(qū)油的主要?jiǎng)恿?水相從與孔隙相連通的小孔道吸入,置換出的原油將從較大的孔道中排出。如果界面張力足夠低,重力的作用就會(huì)越來越突出,進(jìn)而成為滲吸的主要?jiǎng)恿?此時(shí)滲吸將發(fā)生在較大的孔喉中,吸入的潤濕相流體(水)與被排出的非潤濕相流體(油)的流動(dòng)方向一致,稱為同(順)向滲吸。同(順)向滲吸時(shí),水在重力的作用下從巖心底部吸入,而油則從巖心的頂部排出。通常來說,反向滲吸效果更好,油水交換效率更高。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用巖心為新疆油田的天然致密水濕砂巖巖心,巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。實(shí)驗(yàn)用油為煤油,室溫下煤油黏度為2.0 mPa·s,密度為0.765 g/cm3。實(shí)驗(yàn)用水為質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的氯化錳水溶液,錳離子為順磁性離子,可以加快水溶液的弛豫衰減,從而達(dá)到分離油水信號的目的。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表Table 1 Basic parameters of core experiment

2.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

為了研究致密油的靜態(tài)滲吸過程,本文采用低場核磁共振技術(shù)監(jiān)測致密油在靜態(tài)滲吸過程中的分布特征。傳統(tǒng)的質(zhì)量法和體積法無法反應(yīng)流體在巖心內(nèi)部的靜態(tài)滲吸過程,而核磁共振可視化方法可以很好地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),有助于分析巖心中的靜態(tài)滲吸現(xiàn)象與機(jī)理。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)采用紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)的Meso MR23-060H-I中尺寸核磁共振成像分析儀。儀器主要包括工控機(jī)(含譜儀系統(tǒng))、射頻單元、梯度單元、磁體柜及供電單元(含恒溫系統(tǒng))五大部分組成。其磁場強(qiáng)度為0.55 T,共振頻率處于23.406 MHz,核磁線圈直徑為25 mm,磁體溫度為32℃。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)合了靜態(tài)滲吸質(zhì)量法與核磁共振成像技術(shù),一方面采用傳統(tǒng)的質(zhì)量法測試滲吸過程中的質(zhì)量變化量,進(jìn)而計(jì)算不同時(shí)刻的滲吸采收率。另一方面,采用核磁共振成像系統(tǒng)監(jiān)測靜態(tài)滲吸過程,采用CPMG序列采集滲吸過程中飽和煤油樣品的油信號數(shù)據(jù),通過SIRT反演算法得到巖心的T2譜圖。使用MSE多層自旋回波序列對靜態(tài)滲吸過程進(jìn)行核磁共振成像測試,經(jīng)過灰度統(tǒng)一處理后呈現(xiàn)出原始圖像,為了更加直觀、清楚地體現(xiàn)出靜態(tài)滲吸過程中的含油分布,通過成像數(shù)據(jù)處理軟件將灰度圖轉(zhuǎn)化成偽彩圖,便于分析滲吸排驅(qū)的特征。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟 靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)中對核磁共振信號的測量參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6490—2007《巖樣核磁共振參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測量規(guī)范》,具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)將巖心清洗干凈、烘干至恒重,并測量其幾何尺寸、干重、孔隙度和氣測滲透率等參數(shù)。

(2)將巖心抽真空100%飽和煤油,老化24 h,之后將其浸沒于煤油中待用。

(3)配置氯化錳水溶液,抽真空2～3 h,以除去水中的溶解氣。

(4)將飽和油的巖心取出,除去表面的浮油,記錄巖心質(zhì)量;調(diào)整核磁共振巖心成像參數(shù)和弛豫譜采集參數(shù),獲取飽和油巖心的核磁共振圖像和巖心T2弛豫譜(第1次核磁共振測量)。

(5)取出巖心放入燒杯中,加入處理后的氯化錳水溶液,直至浸沒巖心。將溶液接觸巖心底部的時(shí)間作為滲吸時(shí)間的起點(diǎn)。

(6)靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)開始1天后,從燒杯中取出巖心,除去表面的浮油及水溶液,記錄巖心的質(zhì)量,采集巖心圖像和T2弛豫譜(第2次核磁共振測量)。

(7)在第5、9、12、15天時(shí)重復(fù)第(6)步操作,直至信號不發(fā)生明顯改變時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

(8)參數(shù)計(jì)算。利用上述檢測結(jié)果分析計(jì)算獲得靜態(tài)滲吸采出油相對量及采出程度等參數(shù)。

注意:從氯化錳水溶液中取出巖心時(shí),要及時(shí)、有效地進(jìn)行密封保濕處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 靜態(tài)滲吸核磁共振成像結(jié)果分析

靜態(tài)滲吸時(shí),由于致密巖心的毛細(xì)管力作用顯著,所以巖心孔隙內(nèi)的油被水置換出來。在一定范圍內(nèi),巖心孔喉越細(xì)小,產(chǎn)生的毛管力越大,水相越容易進(jìn)入,進(jìn)而置換出更多的油,最終減弱了核磁共振信號。

利用對致密巖心采集的圖像進(jìn)行采收率分析和計(jì)算。用圖1中統(tǒng)一灰度的巖心核磁共振信號進(jìn)行采收率計(jì)算,以0天時(shí)飽和煤油的核磁共振信號為100%飽和,以此計(jì)算滲吸排驅(qū)過程中的采收率的變化。由于靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)的周期較長,在此只選擇某些時(shí)刻進(jìn)行成像,如圖1所示。

圖1 致密巖心在不同滲吸階段的二維核磁共振圖像Fig.1 2D NMR images of the tight cores at different imbibition stages

隨著滲吸的進(jìn)行,巖心邊緣處的含油量首先下降,當(dāng)達(dá)到15天時(shí),巖心中部的含油量也相繼下降,滲吸排驅(qū)效果明顯。整體來看,滲吸前緣液面推進(jìn)比較均勻,未形成明顯的滲吸優(yōu)勢通道。靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)過程中采集到不同時(shí)刻的二維油相分布狀況圖像,便于了解滲吸過程中各孔喉的采油情況及連通情況。

3.2 靜態(tài)滲吸核磁共振T2弛豫譜圖結(jié)果分析

滲吸過程中所采集到的T2弛豫譜可以反應(yīng)巖心孔隙中油相含量的變化。峰的面積越大,代表孔隙中含油量越多。圖2、3是兩塊致密巖心的T2弛豫譜圖。

圖2 致密巖心25在不同滲吸階段的T2譜圖Fig.2T2spectrum of the tight core No.25 at different imbibition stages

圖3 致密巖心33在不同滲吸階段的T2譜圖Fig.3T2spectrum of the tight core No.33 at different imbibition stages

由圖2、3可知,T2譜呈三峰分布,左峰和右峰小、中峰較大,表明小孔喉較多,大孔喉較少。致密巖心經(jīng)過抽真空高壓飽和裝置已經(jīng)100%飽和煤油。隨著靜態(tài)滲吸時(shí)間的增加,左峰和中峰不斷下降。滲吸15天后,其峰值變化很小,說明這時(shí)巖心內(nèi)油的體積已經(jīng)基本不再減小。當(dāng)滲吸結(jié)束時(shí),對比15天和初始狀態(tài)時(shí)的油峰,左峰、中峰相對于右峰來說下降的速度更快,這是因?yàn)樽箐h和中峰分別代表進(jìn)入微小和小孔隙中的油,在毛細(xì)管力的作用下,這些油較易被置換出去,而右峰則代表著大孔道中的油,較難被驅(qū)替出去,在滲吸結(jié)束后將形成殘余油。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,致密巖心中小孔隙的滲吸效果更好。滲吸時(shí)水溶液在毛細(xì)管力的作用下優(yōu)先進(jìn)入小孔道,大孔道則在相鄰孔道之間毛細(xì)管力差和重力的作用下排驅(qū)油相,大孔道中油的動(dòng)用程度較慢、較低。所以靜態(tài)滲吸是開采致密水濕砂巖的一種有效開采方式,微小以及小孔隙吸水大孔隙排油是其主要的開采方式。

3.3 靜態(tài)滲吸質(zhì)量法測試結(jié)果與T2譜圖結(jié)果對比

質(zhì)量法與T2譜圖法的靜態(tài)滲吸采收率對比如圖4所示。由圖4可知,T2譜圖獲取的靜態(tài)滲吸采收率值與質(zhì)量法所測的采收率基本一致,驗(yàn)證了核磁共振成像技術(shù)評價(jià)致密儲(chǔ)層靜態(tài)滲吸采收率的可行性與準(zhǔn)確性。

圖4 質(zhì)量法與T2譜圖法的靜態(tài)滲吸采收率對比Fig.4 The comparison of the spontaneous imbibition recovery factor calculated by the weight change andT2spectrum methods

4 結(jié)論

(1)核磁共振成像技術(shù)是一種實(shí)時(shí)、可視化地預(yù)測致密儲(chǔ)層靜態(tài)滲吸采收率的有效手段,該方法精度高、效果好,能夠深入解釋實(shí)驗(yàn)機(jī)理。

(2)核磁共振成像和T2譜圖結(jié)果均表明,靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)達(dá)到15天后,核磁共振中信號變化微小,譜圖峰值幾乎不變,靜態(tài)滲吸排驅(qū)基本結(jié)束。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用核磁共振成像方法獲得的采收率與傳統(tǒng)質(zhì)量法所獲得的采收率一致性很好,進(jìn)一步表明了核磁共振技術(shù)的可靠性以及滲吸實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性。

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(編輯 王亞新)

Research on Spontaneous Imbibition Mechanism of Tight Oil Reservoirs Using NMRI Method

Pu Yu,Wang Xiuyu,Yang Shenglai
(College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,China)

The concern of global energy shortage urges people to divert their attention to the promising tight oil development. However,there are many challenges in developing the tight reservoirs due to their extremely low porosity and permeability. The spontaneous imbibition based on the capillary pressure can be an effective method fordeveloping the tight reservoirs.The nuclear magnetic resonance imaging(NMRI)in combination with the spontaneous imbibition experiment can provide insight into the process and mechanism of spontaneous imbibition in the tight pore-throats.2-dimensional(2D)reconstructions of insitu oil phase inside a core plugcan be provided by NMR imaging,which is beneficial to analyze the development effectiveness at different spontaneous imbibition stages and further determine which functions would contribute the spontaneous imbibition.In addition,the NMR spin-spin(T2)relaxation times distribution also revealed the spontaneous imbibition performance and mechanisms.The calculated recovery factor byT2spectrum accords well with that of weight change,which verifies the feasibility of evaluating the tight oil reservoir development by NMRI method.This study is aiming to lay a solid foundation for the evaluation and development of tight reservoirs.

Tight oil reservoirs;Nuclear magnetic resonance imaging(NMRI);Spontaneous imbibition;Mechanisms; Recovery factor

TE327

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.010

1006-396X(2017)01-0045-04投稿網(wǎng)址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-09-07

:2016-09-19

國家“973課題”—提高致密油儲(chǔ)層采收率機(jī)理與方法研究(2015CB250904)。

濮御(1989-),女,碩士研究生,從事油氣田開發(fā)方面的研究;E-mail:dongyoupuyu@126.com。

楊勝來(1961-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,從事油氣滲流理論與應(yīng)用、油氣田開發(fā)理論研究;E-mail:yangsl@ cup.edu.cn。