基于核磁共振的頁巖粉碎樣品孔隙度研究

孫建孟, 宗成林, 董旭, 劉海山, 張哲夫

(中國石油大學(華東)地球科學與技術學院, 山東 青島 266580)

0 引 言

頁巖具有滲透性差、富含有機質和黏土礦物組分復雜的特點,使得頁巖孔隙度測量面臨很多獨特的困難,直接采用頁巖柱體難以準確表征孔隙度。為此,研究人員開展了大量的頁巖碎樣法孔隙度研究。1991年,Luffel[1]提出了通過測試粉碎樣品獲取頁巖總孔隙度的GRI方法,使用該方法能夠快速得到頁巖總孔隙度,并且發(fā)現(xiàn)將柱塞巖樣粉碎到1/4 in*非法定計量單位,1 in=2.54 cm,下同至200目之間時,結果顯示孔隙度偏差很小。Karathasis[2]研究表明將頁巖樣品粉碎至平均粒徑0.040 mm時仍能得到穩(wěn)定的孔隙度值。Comisky[3]將GRI法與壓汞法相結合測試頁巖粉碎樣品孔隙度,經(jīng)過對比分析認為20～35目是最理想的粉碎值。

考慮到粉碎程度在頁巖孔隙度測試中的重要性,并且以往的研究也未能達成共識,也鮮見對頁巖粉碎樣品孔隙結構的相關研究。核磁共振作為一種無損檢測技術,能夠快速探測巖石孔隙中流體信息而不受巖石骨架、巖性影響,孔隙度評價方面存在天然優(yōu)勢[4],但傳統(tǒng)的低頻率核磁共振儀器難以全面反映頁巖微小孔隙特征。本文利用高頻率(23 MHz)核磁共振儀測試不同粒徑頁巖碎樣的孔隙度,分析將頁巖粉碎到何種程度時仍能準確表征頁巖儲層本身孔隙度,以及粉碎程度對孔隙度的影響。

1 實驗方法與步驟

實驗共分選8塊柱狀頁巖樣品。首先對清洗完成的頁巖干樣稱重記為M1,并對其加壓飽和蒸餾水,利用紐邁核磁共振儀器MesoMR-23,依據(jù)巖樣核磁共振參數(shù)實驗室測量規(guī)范[5],對飽和流體的頁巖樣品進行核磁共振測試,獲取核磁共振T2譜并計算核磁共振孔隙度。柱狀頁巖完成核磁共振測試后,將其置于密閉的空間內(nèi),利用研缽和缽杵對柱樣頁巖進行研磨粉碎,缽杵需要密封處理以保證樣品在粉碎前后質量不發(fā)生變化,且粉碎過程要以較小研磨力度,較長研磨時間進行。當粉碎至一定程度時,利用USDA(US Department of Agriculture)標準網(wǎng)篩對樣品進行分選,首次研磨應保證所有頁巖樣品粉碎至16～20目網(wǎng)篩范圍內(nèi),并將粉碎樣品在恒溫干燥箱烘干直至質量不再變化,以保證去除孔隙中所有流體,此時對其稱重記為M2,并保證(M1-M2)≤0.02 g以確保粉碎前后頁巖樣品質量不變。隨后再次對16～20目的頁巖粉碎樣品進行抽真空并飽和蒸餾水,飽和水完成后首先利用濾紙去除頁巖顆粒表面的大部分水;將樣品放置于一塊海綿上,并使用另一塊海綿輕輕擦拭并按壓粉碎樣品,以保證完全去除頁巖顆粒表面的水分[6];立即使用保鮮膜將粉碎樣品封裝以防止水分揮發(fā),并利用核磁共振儀器對其進行核磁共振測試,測試完成后將16～20目碎樣繼續(xù)放入密閉的空間內(nèi),使用研缽和缽杵再次粉碎頁巖樣品至35～40目,依次循環(huán)上述步驟,最終分別對16～20、35～40、60～80、120～140和230～270目共5個不同粉碎級別的頁巖樣品進行核磁共振測試。

2 實驗結果

表1為8塊樣品核磁共振孔隙度的測試結果。圖1為2塊頁巖樣品逐級粉碎過程核磁共振T2譜,樣品類型包括5個不同粉碎級別的粉碎樣(16～20、35～40、60～80、120～140目和230～270目)?？梢钥闯?頁巖碎樣的核磁共振T2譜均呈現(xiàn)單峰態(tài)或雙峰態(tài)分布,且在一定粉碎程度內(nèi),頁巖碎樣均呈現(xiàn)相同規(guī)律,即核磁共振T2譜的信號強度、形狀均保持一致,且粉碎樣品測試的核磁共振孔隙度值十分接近。隨著粉碎達到一定粒級后,核磁共振T2譜發(fā)生明顯變化,表現(xiàn)為T2譜面積和相對幅度均有減少,譜峰位置發(fā)生移動,長弛豫組分減少十分明顯,同時核磁共振孔隙度測量值也明顯減小。

表1 逐級粉碎頁巖樣品的核磁共振孔隙度測量結果

圖1 逐級粉碎過程的頁巖核磁共振T2譜

圖2 核磁共振儀器場強和參數(shù)TE對T2分布、核磁共振孔隙度的影響

3 分析與討論

3.1 頁巖核磁共振孔隙度影響因素分析

3.1.1 高頻核磁共振評價頁巖孔隙度的優(yōu)勢

選用2款不同場強和主頻的紐邁核磁共振儀在不同的TE參數(shù)下開展巖心測試,并獲取核磁共振孔隙度,對比分析不同頻率核磁共振儀器下頁巖孔隙流體信號的特征,同時為獲取完整的頁巖孔隙流體信息提供參考參數(shù)(見表2)。

從圖2可以看出,對于23 MHz核磁共振儀器,TE=0.1 ms時測得樣品的T2譜面積最大、峰值最高,T2分布在0.01～300 ms之間;TE=0.3 ms測得的T2分布僅在0.1～300 ms之間,測試核磁共振孔隙度也明顯偏小。此外,23 MHz核磁共振儀器MesoMR-23得到的T2譜、核磁共振孔隙度均比2 MHz核磁共振儀器MicroMR-2大,這是因為場強與主頻較大的儀器擁有較小的TE和較高的信噪比,能夠更加全面地反映頁巖的微小孔隙特征,同時提高核磁共振T2譜的反演精度,而常用的低頻率核磁共振儀器會丟掉大量的短弛豫組分。因此,使用高頻核磁共振儀器評價頁巖孔隙度和孔隙尺寸分布更合適。

表2 2款核磁共振儀器主參數(shù)

3.1.2 頁巖骨架對核磁共振孔隙度影響

在實驗過程中發(fā)現(xiàn),頁巖不同于常規(guī)巖石,其骨架能夠產(chǎn)生明顯的核磁共振信號。骨架產(chǎn)生的核磁共振信號會導致測試的核磁共振孔隙度偏大。

圖3 頁巖干樣分離黏土礦物前、后的核磁共振信號量

理論上,巖石骨架存在的1H核由于弛豫時間極短無法被核磁共振儀器探測,因而利用核磁共振可以獲取巖石微觀孔隙中的流體信息,而不受骨架和孔隙尺寸影響。為了具體探究頁巖骨架產(chǎn)生核磁共振信號的原因,對頁巖的骨架成分進行分析,推測可能是頁巖黏土礦物賦存的層間水導致骨架干樣產(chǎn)生核磁共振信號。對頁巖干樣進行多次懸浮分離,分別測試頁巖分離黏土礦物前、分離黏土礦物后、分離出的黏土礦物的核磁共振信號。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn),分離前頁巖干樣核磁共振信號強度與分離出的黏土礦物核磁共振信號強度相當,但分離出黏土礦物后的頁巖干樣核磁共振信號有較大程度衰減(見圖3)。從而說明頁巖黏土礦物的層間水組分確為頁巖骨架產(chǎn)生核磁共振信號的原因。

為近一步驗證結論的準確性,對頁巖黏土礦物的主要組分伊利石、蒙脫石、綠泥石、高嶺石分別選取一定量進行核磁共振測試,獲取了各組分單位質量產(chǎn)生的核磁共振信號總量(見圖4)?？梢钥闯?蒙脫石與伊利石是導致黏土礦物產(chǎn)生核磁共振信號的主要來源,綠泥石與高嶺石的存在也對其有一定程度貢獻,從而進一步證明了黏土礦物的存在會導致頁巖骨架產(chǎn)生核磁共振信號。

圖5 逐級粉碎頁巖樣品的核磁共振孔隙度測量結果

圖4 頁巖黏土礦物各組分產(chǎn)生的核磁共振信號量

3.2 逐級粉碎的頁巖樣品核磁共振孔隙度分析

3.2.1 頁巖逐級粉碎過程的核磁共振T2譜、孔隙度

根據(jù)核磁共振弛豫機理,核磁共振T2譜反應巖石孔隙分布情況[7],該階段的粉碎過程中,頁巖孔隙未遭受破壞,即頁巖并不會由于該階段的粉碎導致孔徑分布、孔隙結構發(fā)生改變,其依然保持著自身孔隙的完整性。當粉碎達到一定程度時(樣品1號在230～270目處,樣品3號在120～140目處),表征頁巖孔隙特征的核磁共振T2譜發(fā)生改變,此時譜峰位置均明顯向左移動,T2譜的信號總量尤其長弛豫組分明顯衰減,表明孔隙結構的破壞使頁巖孔隙更加集中分布在微小孔徑處,且有效孔隙的貢獻者——中、大孔與微裂縫(對應長弛豫組分)被破壞,導致頁巖孔隙的有效孔體積大幅減少,從而使核磁共振T2譜的信號總量明顯降低。

圖5為逐級粉碎頁巖樣品的核磁共振孔隙度測量結果。在一定粉碎范圍內(nèi),柱塞樣與頁巖碎樣的核磁共振孔隙度十分接近,孔隙度曲線較為平滑,但在頁巖的粉碎粒徑達到120～140目時,3號與5號頁巖樣品的核磁共振孔隙度曲線出現(xiàn)明顯的下降拐點,即對于這2個樣品而言,粉碎至120～140目時其已無法表征頁巖儲層本身的孔隙度。當粉碎程度達到230～270目時,其余所有頁巖樣品的核磁共振孔隙度均發(fā)生變化,表明頁巖樣品在粉碎至此粒徑時,孔隙結構均已被破壞。

對于不同的頁巖樣品,由于其不同的組分構成,以及孔隙結構、孔隙分布的差異,導致頁巖樣品粉碎下限難以確定,也造成了研究人員們所采用的粉碎程度具有明顯的差別。

3.2.2 頁巖粉碎程度與粒度的關系

巖石的粒度是反映巖石骨架構成的主要指標,也是劃分儲層、評價儲層的重要物性參數(shù)。頁巖是指由粉砂和黏土膠結而成的細粒碎屑巖,平均粒度0.03～0.06 mm。依據(jù)USDA粒度分類標準(見圖6),將完整的柱狀頁巖樣品粉碎為16～20目的碎樣品后,頁巖樣品中那些粒徑大于粗砂顆粒的粒徑完整性將會被破壞。當進一步粉碎頁巖樣品到120～140目時,此時所有顆粒的直徑必然小于0.105 mm,即樣品中所有細砂級別的顆粒都已被粉碎成更細小的顆粒。同理,當粉碎級別達到230～270目時,樣品中不再含有粒徑大于粉砂級別的顆粒。在實驗過程中將柱塞樣粉碎至60～80目以內(nèi),測得的8塊頁巖核磁共振孔隙度相對穩(wěn)定,且核磁共振T2譜較為一致,表明頁巖粒度組成的完整性并沒有遭到破壞。當樣品粉碎至120～140目時,3號與5號樣品核磁共振孔隙度的突變很可能與其中的極細砂成分被粉碎有關。而當樣品粉碎超過230目時無疑會破壞頁巖中的主要粒度組分粉砂。

圖6 USDA粒徑分類標準

頁巖的孔徑分布在納米到微米尺度,毫米尺度內(nèi)粉碎頁巖樣品并不會改變其孔隙結構,此時粉碎樣品的孔隙度仍能夠反映基質孔隙度[8]。當樣品顆粒超過120目時,粉碎逐步進入微米尺度,部分頁巖中的顆粒孔隙會被破壞磨平,從而導致孔隙度下降[9]。頁巖中大多顆粒的粒徑均大于200目,因而當粉碎程度進一步增大超至230目時,樣品原始粒度組成和孔隙結構均遭到破壞,孔隙度下降更為明顯。據(jù)此,將頁巖樣品的目數(shù)控制在毫米尺度范圍內(nèi),同時顆粒粒徑大于原始樣品的粒度最大值,就能夠保證頁巖原始的孔隙結構和粒度組成結構未被破壞,60目以內(nèi)的頁巖樣品可以同時滿足上述2個條件,因而依然能準確地得到頁巖的總孔隙度。頁巖粉碎樣品取樣成本低、周期短,可開展大量頁巖粉碎樣品的孔隙度研究,有助于提高孔隙度測試效率。

4 結 論

(1) 通過對比2 MHz與23 MHz核磁共振儀器測試的頁巖核磁共振T2譜、核磁共振孔隙度,高頻低場核磁共振設備在信噪比和回波間隔上有明顯的優(yōu)勢,能夠更加準確評價頁巖孔隙度和孔隙尺寸分布。

(2) 頁巖黏土礦物賦存的層間水使頁巖骨架產(chǎn)生核磁共振信號。利用核磁共振評價頁巖孔隙度時,須扣除頁巖骨架產(chǎn)生的核磁共振信號量以校正核磁共振孔隙度。

(3) 研究區(qū)頁巖樣品粉碎至60～80目范圍內(nèi)時仍保持著孔隙結構的完整性,依然能夠準確表征頁巖儲層本身孔隙度;粉碎超過一定目數(shù)限度時,頁巖樣品的中、大孔隙被破壞,粉碎樣品將無法準確反映真實的孔隙度。

(4) 頁巖的孔徑分布在納米到微米尺度,將粉碎控制在毫米尺度且保證粉碎樣本中顆粒粒徑下限大于原始樣品中粒度最大值,就能夠保證頁巖原始的孔隙結構和粒度組成結構不被破壞。60目范圍內(nèi)的頁巖樣品可滿足該條件,依然能準確表征頁巖儲層本身的孔隙度。

參考文獻:

[1] LUFFEL D L. New Core Analysis Methods for Measuring Reservoir Rock Properties of Devonian Shale [J]. Journal of Petroleum Technology, 1992, 44(11): 1184-1190.

[2] KARASTATHIS A. Petrophysical Measurements on Tight Gas Shale [D]. Norman: University of Oklahoma: Karastathis A, 2007.

[3] COMISKY J T. Sample Size Effects on the Application of Mercury Injection Capillary Pressure for Determining the Storage Capacity of Tight Gas and Oil Shales [C]∥Canadian Unconventional Resources Conference Calgary, 2013.

[4] 周宇, 魏國齊, 郭和坤. 核磁共振孔隙度影響因素分析與校準 [J]. 測井技術, 2011, 35(3): 210-214.

[5] SY/T 6490—2014. 巖樣核磁共振參數(shù)實驗室測量規(guī)范[S]. 北京: 國家能源局, 2014.

[6] LENORMAND R. Advances in Measuring Porosity and Permeability from Drill Cuttings [C]. SPE/EAGE Reservoir Characterization and Simulation Conference Abu Dhabi, Society of Petroleum Engineers, 2007.

[7] 李軍, 金武軍, 王亮, 等. 頁巖氣巖心核磁共振T2與孔徑尺寸定量關系 [J]. 測井技術, 2016, 40(4): 460-464.

[8] CHALMERS G R, BUSTIN M R. The Effects and Distribution of Moisture in Gas Shale Reservoir Systems [C]∥AAPG Annual Convention and Exhibition, 2010.

[9] REZAEE R. Fundamentals of Gas Shale Reservoirs [M]. Hoboken: Wiley, 2015.