核磁共振技術(shù)在致密油儲層流體飽和度分析中的應(yīng)用研究

霍迎冬

（大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163000）

隨著大慶油田的持續(xù)勘探開發(fā)，原油含水率不斷升高，勘探區(qū)塊油水關(guān)系日益復(fù)雜，油田持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的壓力增大，急需尋找新的儲量接替區(qū)。隨著勘探對象多樣化，致密油儲層勘探成為油田增儲上產(chǎn)的重點，致密油儲層物性差、非均質(zhì)性強、油水分布復(fù)雜，使得油水層識別困難，限制了油氣勘探步伐。核磁共振分析不僅能夠提供儲層巖石樣品的孔隙度、滲透率等物性數(shù)據(jù)，還能對流體性質(zhì)進行分析，提供儲層可動流體飽和度等參數(shù)[1-2]，在致密油儲層評價中具有良好的應(yīng)用效果。

1 核磁共振巖石分析原理原理

1.1 核磁共振基本原理

原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，其質(zhì)量由質(zhì)子和中子決定。其中質(zhì)子帶正電，中子不帶電，原子核中質(zhì)子的數(shù)目決定了原子核所帶電荷數(shù)。原子核可分為有自旋的原子核和無自旋的原子核，通常核子數(shù)為奇數(shù)或核子數(shù)為偶數(shù)但原子序數(shù)為奇數(shù)的原子核具有自旋的特性，例如1H、23Na、13C、31P等原子核，這些原子核自然狀態(tài)下不停旋轉(zhuǎn)，受到外加磁場影響后，如陀螺一般旋轉(zhuǎn)，這些原子核為核磁共振研究提供了條件。由于地層流體主要為油和水，富含1H，在油氣勘探中常使用1H原子核作為研究對象。

地層巖石流體中含有油和水，油和水中的氫核能夠形成核磁矩，當(dāng)施加選定頻率的外加磁場時，核磁距能夠發(fā)生吸收躍遷，產(chǎn)生核磁共振。使用特制的探測、接收線圈就能夠檢測到核磁共振信號，巖石樣品檢測到的核磁共振信號強弱與樣品中所含氫核數(shù)量成正比。

1.2 弛豫時間

核磁共振研究過程中很重要的一個物理量是弛豫。巖石樣品中的氫核在主磁場的作用下，會達到平衡狀態(tài)，當(dāng)施加一個外來能量時，平衡態(tài)會被打破，當(dāng)外來能量消失，又恢復(fù)到初始平衡狀態(tài)，這個過程即為弛豫過程[3]。核磁共振過程中有2種作用機制不同的弛豫，分別為縱向弛豫（自旋—晶格弛豫，T1表示）和橫向弛豫（自旋—自旋弛豫，T2）。弛豫速度快慢可以反映巖石物性及流體特征，當(dāng)流體特征相同或相近，弛豫速度主要是由巖石物性決定。通常用弛豫時間來定義弛豫速度快慢，對于縱向和橫向弛豫速度分別用T1弛豫時間、T2弛豫時間來表征，它們在反映巖石物性及流體特征方面效果相同，但由于T1測量時間較長，在進行核磁共振分析時，通常測量T2弛豫時間。

置于磁場中的孔隙流體的弛豫有3種形式，分別是表面弛豫、擴散弛豫和體積弛豫。其中表面弛豫大小與巖石表面積有關(guān)，巖石比表面積越大，表面弛豫越強，反之則越弱。體積弛豫速率與流體的粘度成比例，流體粘度越低，體積弛豫速率也較低。由于大量分子會產(chǎn)生無規(guī)則運動，會產(chǎn)生不同的相位分散，這種相位分散不能通過180°脈沖重聚，從而產(chǎn)生擴散弛豫。

2 核磁共振T2譜分析

2.1 核磁共振T2譜

核磁分析T2大小反映了巖石孔隙中流體的弛豫速度快慢，單個孔隙內(nèi)流體產(chǎn)生的弛豫可以看作是單指數(shù)弛豫，由于巖石中含有大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的孔隙，每種尺寸的孔隙具有自己獨特的T2i豫時間，所有這些測量的T2i豫時間構(gòu)成了T2衰減曲線，總的弛豫為這些弛豫的疊加，公式如下：

式中：Ai——流體中i組份所占的比例；

T2i——i組份的弛豫時間，受巖石比表面積或孔隙直徑大小影響。

T衰減曲線經(jīng)過數(shù)學(xué)反演，能夠計算出不同孔隙中流體對應(yīng)的T2值，即所謂的T2譜，如圖1所示。

圖1 核磁共振T2譜

核磁共振T2譜圖的下包面積反映了巖石樣品孔隙流體量，T2譜的橫坐標(biāo)為弛豫時間，反映了流體受到固體表面的作用力大小，主要受到巖石樣品內(nèi)部孔隙大小、固體表面性質(zhì)、巖樣內(nèi)部流體類型和性質(zhì)影響，通過測定巖石樣品的T2譜，就能夠分析巖石樣品的孔隙大小、固體表面性質(zhì)、流體類型及流體性質(zhì)，得出詳細的巖石物性參數(shù)。

2.2 T2截止值的確定

T2截止值是核磁共振T2譜的一個關(guān)鍵參數(shù)，是巖石樣品中可動流體與束縛流體的分界線，在T2譜上小于該值的流體認為是束縛流體，大于該值的流體認為是可動流體，T2截止值的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到巖石樣品孔隙度、滲透率、可動流體飽和度與束縛流體飽和度等參數(shù)的準(zhǔn)確性。

T2截止值的分析方法較多，有巖芯離心實驗法、孔隙度累積法、壓汞毛細管曲線法、束縛水飽和度反算法等，實驗室常用的是巖芯離心實驗法[4]，該方法先將巖芯樣品洗油，然后飽和地層水，測量樣品的弛豫時間T2譜，接下來將樣品進行離心力為150psi的離心試驗，再進行核磁共振T2測量，通過比較前后2次T2值，就可以得到可動流體T2截止值。

大量研究表明，飽和水砂巖樣品的核磁共振T2譜一般為雙峰型，左鋒通常對應(yīng)束縛流體，右峰對應(yīng)可動流體，T2截止值通常在兩峰之間的凹點附近。在對一個具體區(qū)塊進行研究時，為了獲取準(zhǔn)確的T2截止值，通常選取區(qū)塊內(nèi)相同層位的巖芯樣品進行試驗，求取T2截止值，進行平均計算，得出區(qū)塊的T2截止值。

2.3 核磁共振T2譜分析

圖2 核磁共振T2頻率分布圖

圖3 核磁共振T2譜頻率累積圖

核磁共振T2譜圖有頻率分布圖（圖2）和累積分布圖（圖3），在頻率分布圖上，不同的弛豫時間T2對應(yīng)的信號強度發(fā)生變化[5]。對T2弛豫時間影響最大的是巖樣比表面積，二者成反比關(guān)系，較小的T2值對應(yīng)較大的比表面積，表面弛豫強度較弱，較大的T2值對應(yīng)較小的比表面積，反映表面弛豫強度較強。核磁共振T2譜有單峰型、雙峰型、多峰型，反映不同的孔隙類型，峰越多反映孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。通常情況下，在T2譜圖上，T2軸上左側(cè)出現(xiàn)的峰值對應(yīng)孔隙較小，T2軸上右側(cè)出現(xiàn)的峰值對應(yīng)的孔隙較大，峰值的幅度對應(yīng)某一級別孔隙的含量。將T2頻率分布圖進行累積，可以得到總累積弛豫強度，對應(yīng)于巖石表面弛豫、體積弛豫、擴散弛豫之和，由于孔隙擴散弛豫可以忽略，因此主要為體積弛豫和表面弛豫，其中表面弛豫在10ms左右，體積弛豫在1000ms左右，綜合分析巖石樣品核磁共振T2譜頻率分布特征和總弛豫強度特征，為孔隙結(jié)構(gòu)分析提供了有效的方法。

3 核磁共振分析參數(shù)

核磁共振分析能夠測量巖石樣品的滲透率、孔隙度、可動流體飽和度、束縛流體飽和度、含油飽和度及巖石孔徑分布等參數(shù)。

（1）孔隙度。核磁共振T2譜積分面積反映了巖石樣品中流體含量，由此可以獲得巖石的孔隙度參數(shù)。在實際核磁共振分析中，首先對標(biāo)準(zhǔn)樣品進行分析，獲取不同孔隙度標(biāo)準(zhǔn)樣品的信號幅度，建立孔隙度與信號幅度的關(guān)系式。然后對待測巖石樣品進行測量，將信號幅度代入已建立的關(guān)系式，由此計算得到巖石孔隙度值。分析時要求樣品孔隙內(nèi)充滿流體，并且還要測量巖樣的體積。具體計算公式如下：

式中：?——樣品孔隙度；

M0——樣品信號幅度；

V——測定的樣品體積；

a、b——擬合標(biāo)準(zhǔn)樣品信號幅度和孔隙度得到的常數(shù)。

（2）含油飽和度。核磁共振測量的是氫核子的核磁距，由于油和水中都含有核原子，直接測量很難將它們的核磁信號區(qū)分開來，為了測量含油飽和度，必須消除水的弛豫時間的影響[6]。實驗室通常使用MnCl2水溶液浸泡巖石樣品，順磁錳離子擴散到水中，使得水的弛豫變短，低于分析儀器檢測下限，這時候檢測得到的只有油相的核磁信號，油相的核磁信號占油水兩相總信號的比例即為含油飽和度。

（3）可動水和束縛水飽和度。弛豫時間譜反映了巖石中孔隙直徑分布情況，當(dāng)孔隙直徑小到一定程度后，流體在毛細管作用力下不能流動，成為束縛流體。反映在弛豫時間上，應(yīng)該存在一個界限值，小于這個界限值時，流體為束縛流體，大于這個界限值時是可動流體，這個弛豫時間T2的界限值，稱為T2截止值（如圖4所示）。通過巖芯離心試驗求出T2截止時間，通過MnCl2水溶液浸泡試驗可以將油水信號分離，由此可以求出巖石樣品中可動水和束縛水飽和度。

（4）滲透率。核磁分析弛豫時間譜能夠反映巖石孔隙直徑分布情況，巖石孔徑與地層巖石滲透率存在一定的關(guān)系，因此，可以通過室內(nèi)巖芯分析，采用經(jīng)驗公式，從弛豫時間來計算地層滲透率，常用的經(jīng)驗公式如下：

圖4 T2譜中包含的信息

式中：BVM——巖石樣品中可動流體百分數(shù)，%；

BVI——巖石樣品中束縛流體百分數(shù)，%；

?nmr——樣品核磁分析孔隙度，%；

Knmr——核磁分析滲透率，10-3μm2；

m、n、C1、C2、C3、C4——常數(shù)，由巖芯分析結(jié)果而定。

4 核磁共振分析在致密油儲層分析中的應(yīng)用

核磁共振分析在致密油儲層評價中具有較好的應(yīng)用效果。P9井位于松遼盆地中央凹陷區(qū)大慶長垣葡萄花構(gòu)造帶上，是一口預(yù)探井，為了對該井儲層物性及流體性質(zhì)進行詳細研究，采用核磁共振對該井扶余油層15、16、24號層鉆井取芯樣品進行了分析，結(jié)果如表1所示，其中15號層分析了一塊巖芯樣品，儲層孔隙度為7.20%，滲透率為0.1680×10-3μm2，含油飽和度為4.91%，可動油飽和度為1.31%，可動水飽和度為42.89%；16號層分析了2塊巖芯樣品，孔隙度分別為24.19%、7.20%，滲透率分別為0.5122×10-3μm2、0.1605×10-3μm2，含油飽和度分別為2.32%、6.03%，可動油飽和度為0.06%、1.29%，可動水飽和度為10.84%、42.51%；24號層2塊巖芯樣品進行了核磁共振分析，孔隙度分別為5.90%、8.5%，滲透率分別為 0.0271×10-3μm2、0.0182×10-3μm2，含油飽和度分別為6.4%、5.32%，可動油飽和度為1.37%、0.13%，可動水飽和度為31.38%、15.98%。

從扶余油層這幾個層的巖芯核磁共振分析資料可以看出，儲層巖石含油飽和度、可動油飽和度均較低，含水飽和度、可動水飽和度相對較高，總體表現(xiàn)為油少水多的特征，儲層以產(chǎn)水為主，結(jié)合油氣顯示資料，解釋結(jié)果為油水同層。試油試采對以上3層進行合壓試油，試油結(jié)果日產(chǎn)油0.49t，日產(chǎn)水4.59m3，結(jié)論為低產(chǎn)油水層，與核磁分析結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

大慶油田發(fā)現(xiàn)至今已有60多年，持續(xù)的勘探開發(fā)，油田已進入高含水后期，原油含水率不斷上升，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)壓力增大，致密油儲層勘探成為油田增儲上產(chǎn)的重點，在評價致密油儲層滲流能力時，必須分析儲層流體的可動用性。核磁共振分析速度快、不受樣品形狀和類型限制，不僅能夠提供致密油儲層巖石樣品物性參數(shù)，還能對儲層流體性質(zhì)進行分析，通過結(jié)合核磁共振技術(shù)與巖石離心試驗等，獲取可動流體飽和度等參數(shù)，對于有效評價儲層及指導(dǎo)生產(chǎn)開發(fā)具有重要意義。

表1 P9井扶余油層核磁共振分析結(jié)果

[1]楊正明，張英芝，郝明強，等.低滲透油田儲層綜合評價方法[J].石油學(xué)報，2006，27（2）：64-67.

[2]李志濤，王志占，趙蕾.核磁共振巖樣分析技術(shù)及應(yīng)用[J].西北大學(xué)學(xué)報，2011，12（1）：18-20，30-33.

[3]李海波.巖心核磁共振可動流體T2截止值實驗研究[D].中國科學(xué)院，2008.

[4]李曉強.基于核磁共振的巖心分析實驗及應(yīng)用研究[D].西南石油大學(xué)，2012.

[5]宋超，宋明會.T2弛豫譜在核磁共振錄井解釋中的應(yīng)用[J].錄井工程，2006，17（3）：49-52.

[6]王為民，郭和坤，葉朝輝.利用核磁共振可動流體評價低滲透袖田開發(fā)潛力[J].石油學(xué)報，2001，22（6）:40-44.