核磁共振技術(shù)在頁巖油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

孫中良，李志明，申寶劍，祝慶敏，李楚雄

1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126;3.國家能源頁巖油研發(fā)中心，江蘇 無錫 214126;4.中國石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126

自頁巖油氣業(yè)務(wù)開展以來，眾多實(shí)驗(yàn)方法和先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到儲(chǔ)層評(píng)價(jià)研究中，使對頁巖油氣的地質(zhì)認(rèn)識(shí)發(fā)生重大而深刻的變化。對于頁巖油氣儲(chǔ)層孔隙表征方法，目前主要可以分為三類：(1)圖像表征技術(shù)，主要包括電子顯微鏡、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)等；(2)流體注入技術(shù)，主要包括高壓壓汞(MICP)、氣體吸附(如甲烷吸附、CO2吸附、低溫氮?dú)馕?等；(3)非流體注入技術(shù)，主要包括小角和超小角X射線(中子)散射(SAXS/USAXS;SANS/USANS)、核磁共振(NMR)、微納米CT等[1]。其中，圖像表征技術(shù)可以最為直觀地觀察孔隙圖像，也可以對孔隙度和孔徑分布等參數(shù)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)；高壓壓汞技術(shù)、氣體吸附技術(shù)、核磁共振技術(shù)以及小角/超小角中子散射技術(shù)則是首先假設(shè)出理論模型，然后對假設(shè)的理論模型進(jìn)行計(jì)算，以此來對頁巖的孔隙特征如孔隙大小、分布、比表面積和體積等進(jìn)行評(píng)價(jià)；小角和超小角X射線(中子)散射、核磁共振、微米/納米CT等方法可以對樣品進(jìn)行無損性分析。當(dāng)然，這些表征技術(shù)也存在一定的局限性。例如，低溫氮?dú)馕郊夹g(shù)不能精確表征頁巖中的微裂縫以及直徑較大的孔隙；高壓壓汞實(shí)驗(yàn)對頁巖的微小孔隙表征效果較差，因?yàn)樵谳^高壓力下，汞的侵入會(huì)導(dǎo)致泥頁巖微小孔隙遭到破壞；FE-SEM的觀測視域較為局限，很難反映孔隙和微裂隙的整體特征[2-6]。

目前，核磁共振技術(shù)由于對樣品要求較低，可對樣品進(jìn)行無損分析并且具有測量尺度大、測試精度高等優(yōu)勢，越來越多地受到研究者的關(guān)注。核磁共振應(yīng)用到儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中最早可追溯到1956年[7]，隨著研究的進(jìn)行與技術(shù)的進(jìn)步，核磁共振已廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)儲(chǔ)層的含油氣飽和度、孔隙度、滲透率等方向的評(píng)價(jià)中[8-17]。近年來隨著研究重點(diǎn)向頁巖油氣轉(zhuǎn)移，許多學(xué)者也嘗試著將核磁共振技術(shù)應(yīng)用到非常規(guī)油氣的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。與常規(guī)儲(chǔ)層的孔隙特征較為簡單、流體特征反映的核磁信號(hào)易于表達(dá)不同，在頁巖儲(chǔ)層中孔隙多以納米級(jí)孔隙為主，根據(jù)孔隙成因不同又可將孔隙分為有機(jī)孔和無機(jī)孔，并且孔隙中賦存有富含氫的有機(jī)質(zhì)，這些因素會(huì)導(dǎo)致氫核產(chǎn)生更多的相互作用，使核磁共振的應(yīng)用更加困難。本文結(jié)合眾多學(xué)者的研究進(jìn)展，對核磁共振技術(shù)在頁巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合目前研究趨勢，對未來核磁共振技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 核磁共振實(shí)驗(yàn)原理

由于質(zhì)子的共振時(shí)間較長，且油氣中含有較多的氫原子，因此核磁共振在油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中有著較好的應(yīng)用。工作原理為：首先流體中的氫質(zhì)子在恒定磁場B0下整齊排列，自旋軸的方向平行于磁場，然后用射頻(RF)脈沖使排列好的質(zhì)子傾斜，產(chǎn)生垂直于B0方向的振蕩磁場B1，氫質(zhì)子的自旋軸也會(huì)隨之發(fā)生變化(圖1)；之后，停止無線電頻率并收集原始數(shù)據(jù)(系統(tǒng)中所有松弛分量的總和)，重復(fù)多次，采用反演的方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，找出可能的最佳結(jié)果，得到衰減曲線[18]。目前較為常用的回波序列為CPMG序列[19]，即在最初的90°脈沖后，每2τ重復(fù)一系列180°脈沖產(chǎn)生多個(gè)回聲。自旋軸恢復(fù)到原始狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間則被定義為弛豫時(shí)間。根據(jù)物理意義的不同，弛豫時(shí)間可分為縱向弛豫時(shí)間(T1)和橫向弛豫時(shí)間(T2)[20]。由于核磁共振實(shí)驗(yàn)的測量速度較快，而縱向弛豫時(shí)間T1的測試時(shí)間相對較長，因此在測試過程中常采用橫向弛豫時(shí)間T2來表征多孔介質(zhì)流體的賦存特征。橫向弛豫時(shí)間T2主要由體積弛豫時(shí)間、擴(kuò)散弛豫時(shí)間及表面弛豫時(shí)間組成，公式為：

圖1 核磁共振中氫質(zhì)子在磁場中的變化

(1)

(2)

(3)

式(1)中：T2B為體積弛豫時(shí)間，ms，是流體的固有屬性，受流體的物理屬性(如黏度和化學(xué)成分)的控制；T2D為擴(kuò)散弛豫時(shí)間，ms，是一種相位不相干性弛豫，它只影響T2，為質(zhì)子自旋通過由顆粒表面和孔隙流體之間的磁化率對比產(chǎn)生的強(qiáng)內(nèi)部場梯度擴(kuò)散；T2S為表面弛豫時(shí)間，ms，其發(fā)生在流固界面，弛豫時(shí)間長短取決于質(zhì)子與表面碰撞的頻率。式(2)中：D為分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；γ為質(zhì)子的旋磁比，MHz/T；TE是CPMG序列中使用的回波間隔，s；G為磁場梯度，Gs/cm。式(3)中：S為巖石孔隙總表面積，μm2；ρ為巖石的橫向表面弛豫強(qiáng)度，μm/ms；V為孔隙體積，μm3；F為幾何形狀因子，對球狀孔隙F=3，對柱狀管道F=2；r為孔喉半徑，μm。

由于T2B對于水和石油的模擬通常等于2～3 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面弛豫時(shí)間(毫秒量級(jí))[21]，因此T2B在NMR測量中通?？梢院雎?。此外，當(dāng)磁場非常均勻且回波間距TE足夠短時(shí)，實(shí)驗(yàn)室NMR測量中的彌散弛豫時(shí)間也可以忽略不計(jì)[22]。因此可將式(1)簡化為：

(4)

由式(4)可以看出，巖石橫向弛豫時(shí)間T2與比表面呈負(fù)相關(guān)，與孔徑呈正相關(guān):比表面越大，則其T2弛豫時(shí)間越??；孔徑越小，T2弛豫時(shí)間越小。樣品孔隙流體總量決定了核磁共振信號(hào)的強(qiáng)弱，可反映飽和巖樣的孔隙度特征；巖石表面對孔隙流體作用力的大小也可決定T2弛豫時(shí)間的長短，作用力越小，則T2弛豫時(shí)間越長。

2 核磁共振在頁巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

2.1 全尺度表征孔縫分布

孔隙大小及分布特征是評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層的重要組成部分。目前較為普遍的研究方法為運(yùn)用高壓壓汞及低溫氮?dú)馕絻煞N實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，或采取兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)合，選取各實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)優(yōu)勢段進(jìn)行拼接，來進(jìn)行全尺度孔隙評(píng)價(jià)[23]。在如何運(yùn)用核磁共振技術(shù)評(píng)價(jià)孔隙大小上，BROWNSTEIN等[24]首先討論了飽和多孔介質(zhì)中核磁共振弛豫時(shí)間與孔隙大小的關(guān)系，并利用水的體積擴(kuò)散系數(shù)，根據(jù)擴(kuò)散方程計(jì)算了孔隙的大小。由式(4)可以看出，孔隙分布可由弛豫時(shí)間T2的分布特征來計(jì)算，而計(jì)算的關(guān)鍵在于如何確定巖心表面弛豫強(qiáng)度ρ。前人研究中，有學(xué)者將巖心孔隙的形狀視為圓柱體，因此巖心形狀因子F為2[25]，以其他實(shí)驗(yàn)(如高壓壓汞)為基準(zhǔn)進(jìn)行孔隙分布匹配，確定核磁共振實(shí)驗(yàn)中巖心表面弛豫強(qiáng)度ρ，但這種方法計(jì)算得出的表面弛豫強(qiáng)度有時(shí)會(huì)有很大的誤差[26]。表面弛豫強(qiáng)度ρ也可通過一維或二維核磁中計(jì)算的T2弛豫時(shí)間以及比表面積，通過式(4)來計(jì)算[27]。一維核磁可以計(jì)算頁巖的總表面積及總體積，以此來計(jì)算比表面積，進(jìn)而估算頁巖的表面弛豫強(qiáng)度[27]。二維核磁可以提取不同孔隙大小的局部比表面積[28]，但依賴于預(yù)設(shè)參數(shù)的選擇。

此外，由于當(dāng)巖心選定后，巖心的表面弛豫率ρ與孔隙形狀因子F均為固定值，可近似看作是常數(shù)，因此也可通過確定一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)C，即C=1/ρF，求得C值后即可將核磁共振T2譜換算為孔隙半徑分布圖。公言杰等[29]采用高壓壓汞技術(shù)與核磁共振技術(shù)結(jié)合的方法計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)C值，首先通過高壓壓汞實(shí)驗(yàn)獲得孔喉半徑與孔體積關(guān)系的分布曲線，同時(shí)對同一樣品進(jìn)行核磁實(shí)驗(yàn)，獲得弛豫時(shí)間與孔喉分布曲線，設(shè)計(jì)算法，計(jì)算不同系數(shù)C條件下通過核磁共振與高壓壓汞實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的孔喉分布曲線差值絕對值，選取差值最小對應(yīng)C值作為最終求取的C系數(shù)。但此種方法計(jì)算的C值精度依賴于樣品孔隙特征、壓汞測試精度以及設(shè)計(jì)算法的合理性。郎東江等[30]利用已知孔徑范圍的分子篩作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，用分子真空泵對該樣品進(jìn)行抽真空并加壓飽和水，然后測試分子篩樣品的核磁共振T2譜特征，開展實(shí)驗(yàn)確定轉(zhuǎn)換系數(shù)C，此種方法適用于孔隙結(jié)構(gòu)單一且較為均質(zhì)的樣品。目前如何提高核磁共振表征孔隙分布的精度，仍是學(xué)者們致力解決的問題。

由于核磁共振技術(shù)的測試孔徑范圍較廣，相對于氮?dú)馕?、小角散射、高壓壓汞等?shí)驗(yàn)均有較大的優(yōu)勢；且對樣品要求較低，極適用于易于破碎的頁巖樣品。同時(shí)，目前的研究中，還沒有較好的實(shí)驗(yàn)方法可對頁巖的孔、縫進(jìn)行一體化表征，而核磁共振技術(shù)可根據(jù)峰譜圖特征同時(shí)判斷孔隙及裂縫大小。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖在飽和水狀態(tài)下的T2譜一般呈雙峰態(tài)分布，而裂縫和溶洞發(fā)育的火山巖和碳酸鹽巖儲(chǔ)層T2譜一般呈三峰態(tài)分布，T2弛豫時(shí)間最長的右峰對應(yīng)溶洞或裂縫中的流體核磁共振信號(hào)。頁巖儲(chǔ)層普遍為微納米孔隙，弛豫時(shí)間T2值普遍偏低且多呈單峰或雙峰分布，當(dāng)有裂縫存在時(shí)，會(huì)產(chǎn)生弛豫時(shí)間較大的第三峰。LU 等[31]運(yùn)用納米CT及核磁共振技術(shù)，分析不同裂縫寬度條件下孔隙和裂縫的弛豫時(shí)間變化，得出裂縫寬度越小，與之對應(yīng)弛豫時(shí)間T2也隨之衰減，同時(shí)由于擴(kuò)散耦合作用，相應(yīng)的孔隙弛豫時(shí)間也會(huì)減小(圖2)。因此，當(dāng)頁巖有裂縫存在時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致孔隙的孔體積評(píng)價(jià)偏小。但FORDHAM等[32]的研究表明，樣品表面弛豫強(qiáng)度的改變會(huì)影響擴(kuò)散耦合作用，因此在全尺度表征孔縫特征時(shí)，還應(yīng)考慮樣品表面弛豫強(qiáng)度的大小。

圖2 頁巖在核磁共振下的T2譜圖特征[31]

2.2 孔隙度測試

根據(jù)核磁共振工作原理，核磁共振信號(hào)的強(qiáng)弱取決于樣品孔隙流體總量，所以在核磁共振中，質(zhì)子核磁共振測量的振幅與孔隙空間中的氫含量成正相關(guān)關(guān)系[33]。因此，以已知流體體積的磁化強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，比較試樣在100%飽和水條件下的總磁化強(qiáng)度，就可以得到總孔隙度。目前對頁巖孔隙度測試的方法有很多，如高壓壓汞法、氮?dú)馕椒?、氦氣孔隙度法等。研究者在?yīng)用核磁共振測試孔隙度時(shí)，不可避免地會(huì)將核磁共振測試的孔隙度與其他實(shí)驗(yàn)做比較。表1為不同實(shí)驗(yàn)方法下測試的孔隙度結(jié)果，可以看出，核磁共振測試得出的孔隙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)以及氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)測試的孔隙度。主要原因在于：高壓壓汞實(shí)驗(yàn)測試的孔隙度主要為介孔以及宏孔的孔隙，氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)僅對介孔以下的孔隙度有較好的測試效果。相較于氦氣孔隙度法，核磁共振實(shí)驗(yàn)與其測試結(jié)果差異較小，因?yàn)橛煤鉁y量孔隙度也可以檢測到所有的孔隙。但核磁共振測試的孔隙度總是略大于氣測孔隙度，主要原因在于核磁共振技術(shù)對部分閉孔也有很好的檢測效果。

表1 核磁共振與其他實(shí)驗(yàn)孔隙度評(píng)估結(jié)果對比

核磁共振在測試頁巖孔隙度時(shí)依然有自己的不足。前人在對砂巖以及碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行孔隙度評(píng)價(jià)時(shí)，核磁共振結(jié)果與水測孔隙度基本相同[37]；但在測試頁巖孔隙度時(shí)，核磁共振結(jié)果總是小于水測孔隙度(圖3)[38]。除了部分頁巖儲(chǔ)層含有錳、鐵等順磁性礦物對核磁信號(hào)產(chǎn)生較大的影響外，主要原因在于核磁共振技術(shù)對黏土礦物間的微小孔隙以及裂縫等超大孔隙的檢測精度較差。在富含黏土的頁巖中，部分黏土礦物微小孔隙內(nèi)的束縛水由于弛豫時(shí)間T2很小，在核磁儀器脈沖發(fā)射與接受的時(shí)間間隔內(nèi)其核磁信號(hào)已基本衰減結(jié)束，因此無法檢測到完整的弛豫信號(hào)；而對于發(fā)育有裂縫、微裂縫的頁巖，裂縫、微裂縫中所含流體弛豫時(shí)間T2較長，過分延長了核磁測試時(shí)的儀器等待時(shí)間，導(dǎo)致裂縫中的含氫流體的弛豫信號(hào)很難完全表達(dá)。

圖3 水測孔隙度與核磁孔隙度關(guān)系[38]

此外，不同的核磁共振測試條件也可能導(dǎo)致測試的核磁孔隙度存在差異[39]。韓波等[40]在不同磁場環(huán)境下設(shè)置不同的回波間隔進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分析不同的測試條件對核磁孔隙度結(jié)果的影響。其發(fā)現(xiàn)不論是在梯度磁場，還是在恒定磁場條件下，當(dāng)核磁共振測量的回波間隔增大時(shí)，核磁信號(hào)損失量均會(huì)相應(yīng)變大，即核磁孔隙度會(huì)變小(圖4)。對于頁巖來說，回波間隔對核磁信號(hào)損失的影響主要體現(xiàn)在橫向弛豫時(shí)間為10 ms之前，即當(dāng)T2<10 ms時(shí)，孔隙度分量受回波間隔的影響較大，而當(dāng)T2>10 ms時(shí)，孔隙度分量基本不受回波間隔的影響。所以當(dāng)運(yùn)用核磁共振技術(shù)測試頁巖孔隙度時(shí)，應(yīng)當(dāng)事前對頁巖樣品的巖性等物理參數(shù)進(jìn)行采集，選用合適的測量條件。

圖4 不同磁場下不同回波間隔條件下的孔隙度大小及對比[40]

2.3 流體可動(dòng)性分析

流體在頁巖孔隙中不是完全可動(dòng)的，其賦存方式包括束縛流體與可動(dòng)流體，對應(yīng)的孔隙分別叫做吸附孔與滲流孔。有研究者將吸附孔與滲流孔的分界值稱為T2c截止值[41]，其中，滲流孔對應(yīng)的橫向弛豫時(shí)間大于T2c(T2>T2c)，而吸附孔對應(yīng)的橫向弛豫時(shí)間小于T2c(T2

孫中良等[23]曾用抽提的方法，分析抽提前后氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)與高壓壓汞實(shí)驗(yàn)不同孔徑下孔隙分布特征，以此來分析可動(dòng)頁巖油的賦存孔隙，運(yùn)用抽提前后孔體積差值判斷可動(dòng)頁巖油的量，但抽提的方法得到的結(jié)果不僅僅是可動(dòng)油，其還包括部分束縛油。核磁共振結(jié)合離心或者驅(qū)替的手段，將頁巖孔隙內(nèi)的可動(dòng)流體離心/驅(qū)替出來，可真實(shí)反映可動(dòng)流體的量。吳?？频萚41]運(yùn)用離心的手段判斷可動(dòng)流體與束縛流體的分布特征(圖5)，主要為通過離心，分析離心前后弛豫時(shí)間T2與孔隙度分量(不同孔徑的孔隙體積占巖石體積的比)的相關(guān)變化，判斷束縛流體與可動(dòng)流體的賦存孔隙，并得出束縛水主要集中在小孔隙空間或者極少部分的大孔隙中的結(jié)論。束縛水主要集中在小孔隙中，是由于孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性以及毛管作用引起；而較大孔隙中的束縛水，主要是由于孔隙的形狀不規(guī)則而在孔隙的死角處形成束縛水。

圖5 巖樣離心前后T2譜比較[41]

此外，前人研究表明可動(dòng)流體飽和度與滲透率、孔隙度之間均存在較好的相關(guān)性，且與滲透率的相關(guān)性更強(qiáng)。主要原因在于孔隙度較大的巖石，孔隙之間的連通性不一定好，可能導(dǎo)致部分流體束縛在孔隙內(nèi)很難流動(dòng)；相反，具有較高可動(dòng)流體飽和度的巖石，往往具有更好的孔隙連通性以及更高的滲透率。

2.4 孔隙潤濕性判別

由于頁巖儲(chǔ)層既是烴源巖又是儲(chǔ)層，有機(jī)質(zhì)及無機(jī)礦物的存在導(dǎo)致頁巖儲(chǔ)層中不同孔隙對油或水的潤濕性存在較大差異。前人[43-44]運(yùn)用核磁共振技術(shù)在砂巖或碳酸鹽巖潤濕性方面的應(yīng)用取得了進(jìn)展，因此學(xué)者們開始利用核磁共振的弛豫時(shí)間T2分布來討論頁巖的潤濕性。許多學(xué)者通過親油或親水溶液配合自吸實(shí)驗(yàn)分析頁巖的潤濕性特征，如WANG等[45]利用親水/油性特征不同的溶液對頁巖進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn)，然后分析滲吸前后的核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2譜特征，發(fā)現(xiàn)有機(jī)孔、無機(jī)孔以及微裂縫的潤濕性峰值分別為P1(0.01～0.4 ms)、P2(0.4～15 ms)和P3(>15 ms)，分別對應(yīng)油潤濕相、水潤濕相和混合潤濕相。為了研究注入流體對頁巖潤濕性的影響，ZHANG等[46]研制了一種特殊的流體注入裝置來代替流體的自吸。該裝置可以縮短測試時(shí)間，且與自吸試驗(yàn)具有相同的效果(圖6)，并得出頁巖樣品在半徑小于60 nm的小孔隙中呈混合濕潤狀態(tài)的結(jié)論。為更好地研究頁巖孔隙的潤濕性特征，LOOYESTIJN等[47]提出了核磁共振潤濕性指數(shù)概念；SULUCARNAIN等[48]對前者提出的潤濕性指數(shù)進(jìn)行了修正，得到如下公式：

圖6 在500 psi壓力下注入鹽水和柴油10 min后頁巖巖心的核磁共振液體積隨T2的變化[46]

(5)

式中：Iw為核磁共振潤濕性指數(shù)，當(dāng)頁巖完全親油時(shí)，Iw為-1，中性為0，對于完全親水的頁巖為1；Sw為鹽水潤濕表面分?jǐn)?shù)，由核磁共振孔隙流體體積(實(shí)際吸鹽水量)除以氦孔隙度得到；Sdo為十二烷潤濕表面分?jǐn)?shù)，是由核磁共振孔隙流體體積(實(shí)際吸收的十二烷量)除以氦孔隙度得到。

此外，頁巖孔隙的潤濕性特征并不是一成不變的。馮程等[49]對低滲透復(fù)雜潤濕性儲(chǔ)集層核磁共振T2譜進(jìn)行了研究，原本賦存頁巖油的孔隙，洗油后仍然不完全親水，油驅(qū)水至束縛水過程中，潤濕性可向親油方向轉(zhuǎn)變。

2.5 區(qū)分流體類型

由于頁巖孔隙內(nèi)存在多種流體類型，如何區(qū)分各種流體成為該領(lǐng)域研究者另一個(gè)關(guān)心的問題。在流體潤濕性部分提到，部分學(xué)者利用親油/水性不同的溶液進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn)，對比滲吸前后的核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2的差異特征，可初步分析流體類型。但是在核磁共振實(shí)驗(yàn)中，儲(chǔ)集層孔隙中油、氣、水的T2信號(hào)存在一定程度重疊，無法單獨(dú)從T2分布中分離出不同的流體，導(dǎo)致該方法對精確區(qū)分流體類型存在限制。早期提出的移譜法(SSM)、擴(kuò)散法(DIFAN)、差譜法(DSM)等流體性質(zhì)識(shí)別方法都存在前提條件，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定局限性[50-51]。

SUN和HüRLIMANN等[51-52]首先引入了二維核磁共振技術(shù)并成功應(yīng)用于測井領(lǐng)域，為核磁共振技術(shù)提供了另一條思路。目前較為普遍的二維核磁測試方法主要包括兩種：

一是利用基于弛豫—擴(kuò)散(T2，D)的二維核磁共振信息分辨不同流體[53]，原理為將橫向弛豫時(shí)間中的弛豫時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)分開計(jì)算，在空間上形成二維信息。由于流體本身性質(zhì)的不同，致使其弛豫時(shí)間以及擴(kuò)散系數(shù)均會(huì)存在差異，因此可以用來區(qū)分孔隙內(nèi)的流體。如圖7所示，在核磁共振實(shí)驗(yàn)中，油、氣、水三種流體的橫向弛豫時(shí)間T2存在重合區(qū)域(圖7a)，致使無法利用一維核磁共振技術(shù)來進(jìn)行流體識(shí)別，但是三種流體擴(kuò)散系數(shù)存在較大的差異(圖 7b)，因此，利用弛豫—擴(kuò)散(T2，D)二維核磁共振信息(圖7c)可有效地分辨不同流體。弛豫—擴(kuò)散二維核磁共振雖然可以實(shí)現(xiàn)對油、水兩相的劃分，但是對微—納米級(jí)孔隙中的類固體有機(jī)質(zhì)信號(hào)區(qū)分效果較差[53]。

圖7 孔隙介質(zhì)中不同流體組分的二維核磁共振信息分布[52]

二是利用橫向弛豫時(shí)間T2與縱向弛豫時(shí)間T1建立二維核磁共振信息(T2，T1)[54]。相較于弛豫—擴(kuò)散的二維核磁共振檢測，T2—T1二維核磁共振檢測可以有效地區(qū)分油、水以及類固體有機(jī)質(zhì)信號(hào)。由于T1與T2的時(shí)長差異較大，且縱向弛豫時(shí)間與橫向弛豫時(shí)間的檢測時(shí)長主要受化合物性質(zhì)等因素的影響，一般在(T2，T1)二維譜圖中，有機(jī)質(zhì)(干酪根、烴類流體等)的1H具有較高的T1，而無機(jī)質(zhì)(主要為水)的1H具有較低的T1。同時(shí)，由于橫向弛豫時(shí)間T2與含1H化合物的黏度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與含1H化合物的流動(dòng)性呈正相關(guān)，以至于結(jié)構(gòu)致密、黏度大的有機(jī)質(zhì)或重質(zhì)烴類具有較低的T2值(T1/T2較高)；而流動(dòng)性較好、黏度低的輕質(zhì)烴類具有較大的T2值(T1/T2較低)，因此T1—T2二維核磁共振也可用來判斷有機(jī)質(zhì)成熟度、有機(jī)質(zhì)類型等。

應(yīng)用方面，前人通過對比頁巖樣品中鹽水和碳?xì)浠衔颰1/T2比值的差異，區(qū)分了NMR測試中的水和油[55]，因此用T2與T1/T2比值做交會(huì)圖(圖8a)，通過不同的T2截止值來區(qū)分流體的不同狀態(tài)和不同孔隙的油和水。WASHBURN等[56]證實(shí)T1/T2圖也可以用來識(shí)別頁巖中存在的各種有機(jī)質(zhì)成熟度，包括固相和類液相。在頁巖儲(chǔ)層中應(yīng)用新的T1—T2分布模型(圖8b)，成功捕獲了水和甲烷特征(T1/T2分別為2和10)，并顯示了黏土中有機(jī)質(zhì)和羥基的預(yù)期響應(yīng)區(qū)域[57]。目前(T2，T1)二維核磁的應(yīng)用實(shí)踐仍在不斷探索階段，且不同學(xué)者測試的不同物質(zhì)的響應(yīng)區(qū)域以及劃分方法仍存在差異，如何實(shí)現(xiàn)有效統(tǒng)一的劃分方案仍是值得探索的問題。

圖8 流體或質(zhì)子分類T1—T2模型[55，57]

2.6 其他應(yīng)用

核磁共振技術(shù)在頁巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)上有廣泛的應(yīng)用，除以上運(yùn)用外，還可用來描述水的遷移、甲烷吸附和解吸以及二氧化碳置換等流體行為，運(yùn)用親水/油性不同的溶液結(jié)合自吸實(shí)驗(yàn)還可判斷有機(jī)孔、無機(jī)孔，運(yùn)用核磁共振與高壓壓汞判斷孔隙連通性[58-61]等。有學(xué)者利用低頻核磁共振技術(shù)，使用新的脈沖序列去獲取包括高黏性(瀝青、重油)和固體(干酪根和固體瀝青)有機(jī)質(zhì)有關(guān)的信息[62]?；诤舜殴舱駭U(kuò)散技術(shù)和快速弛豫技術(shù)，分別在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下測定了油頁巖界面面積[63]，運(yùn)用高頻核磁共振區(qū)分頁巖樣品中的干酪根和瀝青，等等。

3 未來展望

在未來，核磁共振技術(shù)的更多應(yīng)用在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中值得更為深入地挖掘。如上文提到的T2譜圖與孔隙大小的關(guān)系，轉(zhuǎn)變思路后也可以應(yīng)用到通過T2的數(shù)量、大小和位置特征進(jìn)而對孔隙類型進(jìn)行劃分。也可以通過設(shè)置條件，進(jìn)一步分析影響孔隙特征的控制因素，如通過設(shè)置不同溫度分析同一塊樣品的T2譜圖特征，以此來分析溫度(成熟度)對孔隙變化的影響。也有學(xué)者基于孔隙性質(zhì)和流體特征間接估算樣品滲透率[63]。此外，在探索新應(yīng)用的同時(shí)，核磁共振技術(shù)的應(yīng)用也應(yīng)向著精度更高的方向發(fā)展。目前核磁共振的應(yīng)用還存在著許多問題尚未解決，比如順磁性礦物對檢測信號(hào)的影響，回波間隔影響?zhàn)ね恋V物間的微小孔隙以及裂縫等超大孔隙的檢測精度，非連續(xù)性束縛流體的存在導(dǎo)致測試孔隙偏小，等等。如何解決這些問題，成為未來提高核磁共振技術(shù)應(yīng)用的重要因素。

4 結(jié)語

核磁共振技術(shù)由于對樣品要求較低，可對樣品進(jìn)行無損分析并且具測量尺度、測試精度高等優(yōu)勢，對于評(píng)價(jià)頁巖油氣儲(chǔ)層的巖石物理性質(zhì)和流體特征具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前主要的應(yīng)用在于全尺度表征孔縫分布、孔隙類型、孔隙潤濕性、流體可動(dòng)性及流體分類等方面。除此之外，在描述水的遷移、甲烷吸附和解吸以及二氧化碳置換等流體行為，獲取有機(jī)質(zhì)信息、油頁巖界面面積，判斷有機(jī)孔、無機(jī)孔，分析孔隙連通性，獲取高黏性瀝青和干酪根有關(guān)信息等方面也有廣泛的運(yùn)用。雖然核磁共振技術(shù)的發(fā)展提高了其表征非常規(guī)油氣藏的能力，但在進(jìn)一步研究中仍有一些問題需要解決。比如，如何消除順磁性礦物對檢測信號(hào)的影響；如何提高黏土礦物間的微小孔隙以及裂縫等超大孔隙的檢測精度；如何解決因非連續(xù)性束縛流體的存在導(dǎo)致測試孔隙偏?。蝗绾螌2<10 ms時(shí)核磁孔隙度偏小問題進(jìn)行校正，等等。在未來，核磁共振技術(shù)需要向高精度方向發(fā)展，如何解決目前存在的這些問題至關(guān)重要。雖然目前核磁共振技術(shù)在應(yīng)用上還存在一些缺陷，可以預(yù)見的是，隨著理論創(chuàng)新與技術(shù)突破，核磁共振技術(shù)在未來頁巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的運(yùn)用會(huì)更廣泛。