核磁共振技術(shù)在巖性分析及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

潘玉嬌

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司，黑龍江大慶163000）

了解儲層多孔介質(zhì)中的巖石—流體相互作用情況是石油和天然氣工業(yè)應(yīng)用和學術(shù)應(yīng)用中的一個重要領(lǐng)域[1-2]。準確地確定巖石和流體特性可以更好地表征和了解儲層。在現(xiàn)場施工中，這些參數(shù)中的大部分都可以通過錄井和測井儀器獲知。然而，現(xiàn)場使用的錄井和測井技術(shù)無法準確測量重要的巖石物理特性，例如滲透率和毛細管壓力曲線。因此，在實驗室進行相關(guān)參數(shù)測量對于評估油氣藏規(guī)模、確定儲量和潛在采收率方面具有重要意義。因此，需要對實驗室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)之間進行整合和對比。核磁共振技術(shù)為準確測量提供了兩種選擇：測井工具對地層內(nèi)的流體進行現(xiàn)場測量，而實驗室臺式儀器可對現(xiàn)場測量進行交叉驗證，進行深入研究。核磁隨鉆測井(LWD)工具由永磁體、磁場梯度和射頻天線組成，可激發(fā)井筒附近的地層流體，測量縱向弛豫時間（T1）、橫向弛豫時間（T2）、流體擴散系數(shù)（D），二維核磁共振測量深度可達幾十厘米，測量目標以鉆井泥漿濾液為主。斯倫貝謝、貝克休斯和哈里伯頓等服務(wù)公司已經(jīng)開發(fā)了幾種NMR 測井工具。其中，斯倫貝謝開發(fā)了業(yè)界最高工作頻率的CMR-Plus（2MHz，最小回波時間為0.2ms）。哈里伯頓發(fā)明的NMR 測井工具最大深度可達102cm，工作頻率在0.544～1.187MHz之間，最小回波時間為0.2ms，命名為XMR。此外，哈里伯頓開發(fā)的MRIL-WD 井下工具，具有較低的工作頻率（0.5MHz，最小回波時間為0.5ms）。Baker Hughes 開發(fā)的測井儀(MR eXplorer)和LWD(MagTrak)，其工作頻率分別在0.45～0.88MHz 和0.35～0.50MHz 之間。多種類別的NMR 測井工具已成為當前使用最廣泛的工具之一。實驗室使用的臺式NMR的主要原理是：靜磁場將樣品誘導(dǎo)極化，線圈以拉莫爾頻率施加射頻輻射，線圈檢測發(fā)射的振蕩NMR信號。核磁共振波譜儀根據(jù)磁場強度分為以下幾類：高場(Bo,＞3T)、中場(1T＜Bo ＜3T)和低場(Bo,＜1T)。高場核磁共振通常用于化學領(lǐng)域（闡明分子和固體結(jié)構(gòu)），其中低溫冷卻的超導(dǎo)成分可以產(chǎn)生高靈敏度的強磁場。這種磁鐵體積很大，成本超過1百萬美元，需要進行頻繁和精密的維護。中場NMR通常用于臨床診斷，因為它主要用于磁共振成像(MRI)。一些學者表明，中場NMR也可用于巖芯分析測量。低場核磁共振磁體是不需要冷凍劑的永磁體；因此，它具有較弱的磁場。它在工程系統(tǒng)和多孔介質(zhì)研究（巖芯的松弛和擴散）中更為常見。此外，一些低場磁鐵便于攜帶且體積小。大多數(shù)NMR 在石油工程中的應(yīng)用都集中在巖石物理和提高石油采收率(EOR)。NMR是用于常規(guī)巖芯分析(RCA)的非侵入性、強大且可靠的工具，因為它可以準確測定孔隙度、孔徑分布、流體飽和度和滲透率。此外，特殊巖芯分析(SCA)實驗，例如潤濕性、毛細管壓力和粘土礦物分析，也可以使用NMR確定。許多提高石油采收率的方法，包括酸化和壓裂增產(chǎn)、去除凝析油的熱化學流體、混相氣體注入、CO2注入也可以使用NMR進行評估[3-4]。本文旨在綜述NMR 技術(shù)在巖屑分析及相關(guān)地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并討論了核磁共振在巖石物理學中的應(yīng)用和對提高采收率的幫助[5-7]。

1 地層巖石的物理特性

弛豫時間是地層巖石孔隙中流體和多孔介質(zhì)特性的函數(shù)。多孔介質(zhì)孔隙中流體的磁化強度和氫核弛豫可以通過脈沖NMR 進行測量。氫核的數(shù)量與傳感器磁性區(qū)域的磁化強度成正比，從而提供介質(zhì)的NMR孔隙率。低場NMR 可以獲得流體填充孔隙的尺寸分布情況進而提供巖石樣品的基本信息；NMR 弛豫時間可以確定巖石物理性質(zhì)，包括有效孔隙度、自由流體飽和度、束縛水飽和度和巖石的其他物理性質(zhì)。通過對核磁共振獲得的數(shù)據(jù)進行解釋能夠推導(dǎo)出地層巖石的毛細管壓力曲線以及儲層形成的潤濕狀態(tài)。因此，NMR可作為測量儲層流體和儲層巖石樣品巖石物理表征的重要手段。值得一提的是，核磁共振測井工具還可以提供有關(guān)近井筒周圍孔隙度、滲透率、儲層流體類型和飽和度的信息。

1.1 巖石孔隙度

孔隙度是巖石的主要儲存特性。碳酸鹽巖儲層通常含有各種尺寸的孔隙，包括微米或亞微米的小孔隙，以及厘米甚至更大的孔洞。在孔隙度測量過程中，核磁共振設(shè)備可以檢測到巖石孔隙飽和流體中所含的氫核。因此，當巖石被單一流體（例如水）飽和時，檢測到的NMR 信號與巖石的孔隙體積成正比。當這些孔隙在空間上接近時，孔隙之間會發(fā)生孔間流體分子交換，從而獲得單峰弛豫時間分布。占據(jù)巖石孔隙空間的流體量用于獲得孔隙度；當單一流體占據(jù)孔隙空間時，通常會計算NMR孔隙度。當多種流體占據(jù)孔隙空間時，每個流體相的飽和度可以根據(jù)孔隙中所含流體的量來確定。影響巖石樣品核磁共振總孔隙度測量精度的幾個因素包括回波間距、磁場強度、巖石孔隙中流體的氫指數(shù)、重復(fù)時間和巖石溫度。

1.2 孔徑分布

NMR弛豫時間與孔徑成正比，即小孔的T2值較小，大孔的T2值大。這意味著NMR 弛豫時間分布的變化對應(yīng)孔隙系統(tǒng)內(nèi)的不同孔徑。因此，將從壓汞實驗確定的孔隙空間幾何尺寸特征直接聯(lián)系起來成為可能。不同的弛豫時間峰代表巖石內(nèi)孔徑的分布，每個T2范圍對應(yīng)不同的孔徑。

1.3 滲透性

滲透性是流體流過多孔介質(zhì)的難易程度，是多孔介質(zhì)的基本性質(zhì)之一。核磁共振弛豫時間與孔隙幾何形狀之間存在的關(guān)系。它被認為是估計滲透率的重要工具。由于核磁共振弛豫時間與孔隙大小和幾何形狀有關(guān)，因此核磁共振已被用于估計巖石滲透率。NMR測量可以在井下測井工具中實施，這為確定原始地層滲透率提供了技術(shù)支持，通過結(jié)合滲透率和核磁共振弛豫時間的Kozeny 方程，給出了多孔介質(zhì)中流體滲透率的相關(guān)性。

1.4 流體飽和度

NMRT2譜通常在完全飽和時顯示出最高振幅，而且較大的孔隙與較長的弛豫時間相關(guān)。在汽水置換的情況下，隨著孔隙被排空，初始充滿水的孔隙被空氣取代，振幅減小。這是因為NMR弛豫時間譜中較長分量的消失直接對應(yīng)于由于去飽和導(dǎo)致的含氫流體從孔隙中損失。NMR弛豫時間對巖石孔隙中的流體飽和度很敏感。巖石孔隙中氫核弛豫時間（T1和T2）的分布是孔隙大小、孔隙中存在的流體以及孔隙壁中的巖石礦物的函數(shù)。采用T1-T2圖可以確定巖石中的流體分布。巖石孔隙中流體的流體分布和質(zhì)子遷移率可以通過使用NMR弛豫時間的二維圖結(jié)合T1/T2比率來評估。

1.5 毛細壓力

巖石孔隙為毛細管大小，被兩種或多種不混溶流體飽和時，存在毛細管壓力Pc。毛細壓力是兩種不混溶流體在壓力平衡時跨過彎曲界面的壓力差。毛細壓力曲線可以使用NMR實驗來估計，從NMR的T2分布中得到。2008年Chen和Balcom提出了一種使用NMR與離心相結(jié)合來獲取毛細管壓力曲線的新方法。該方法將巖芯在完全飽和時使用NMR 測量飽和剖面。將巖芯離心一次，然后使用NMR 設(shè)備再次測量飽和度分布。與傳統(tǒng)的毛細管壓力技術(shù)相比，該方法更為快速和準確。使用NMR 獲得的流體飽和度分布可以估計相對滲透率和毛細管壓力。2018 年Faurissoux 等人提出了一種使用組合離心、核磁共振成像、電阻率剖面共同測量飽和指數(shù)和毛細管壓力的方法。該方法速度快，可用于均質(zhì)和異質(zhì)巖石樣品。最近，Isah 等人提出了一種使用NMR 獲得雙峰巖石樣品中毛管壓力曲線的新方法，并繪制了基于NMR的毛細管壓力曲線。需要注意的是，當比較毛細管壓力和核磁共振弛豫測量值時，核磁共振給出了孔隙的表面體積比，而毛細管壓力與孔喉尺寸有關(guān)。只有假設(shè)孔隙系統(tǒng)接近一束管的孔隙系統(tǒng)，這兩個測量值才能精確比較，當孔體半徑等于孔喉半徑時，大部分砂巖都適用于該方法。

2 NMR技術(shù)對非常規(guī)儲層的表征

頁巖是細粒沉積巖，總有機物含量至少超過2%，具有孔隙度和滲透率低的特點。它們由有機孔和無機孔組成。無機孔通常由二氧化硅、粘土、碳酸鹽和黃鐵礦組成。其中還富含一定的有機物，如干酪根（多孔不溶性有機物）、瀝青（可溶性高粘度有機物）、低粘度油和天然氣。這些有機成分的準確量化對于確定頁巖儲層的質(zhì)量和成熟度至關(guān)重要。對頁巖的核磁共振研究是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域。為了使NMR 可以更為可靠的表征頁巖，需要對弛豫條件進行深入探討。傳統(tǒng)的表面弛豫在無機孔結(jié)構(gòu)表征中占主導(dǎo)地位，因為孔隙表面的少量順磁性金屬物質(zhì)可以與吸附層流體相互作用。有機孔結(jié)構(gòu)中可能存在的NMR 弛豫動力學是復(fù)雜的，并且在文獻報道中仍然存在分歧。通常，頁巖中有機孔隙結(jié)構(gòu)的弛豫受以下因素影響：①干酪根成熟度；固體密度將對吸附的表面弛豫產(chǎn)生潛在影響；②干酪根孔徑，納米尺寸的孔導(dǎo)致來自分子限制效應(yīng)的額外松弛；③有機和無機孔結(jié)構(gòu)之間的擴散耦合；在氣體從無機孔擴散到有機孔的情況下，松弛被平均化，而不是顯示出兩種不同的孔徑；④有機和無機孔結(jié)構(gòu)的潤濕特性，通常期望無機孔結(jié)構(gòu)具有表面親水性（水濕），而有機孔結(jié)構(gòu)是疏水性（油濕）。

在常規(guī)儲層中，可以準確估計孔隙度、滲透率、孔徑分布、潤濕性和流體飽和度等基本巖石物理特性。然而，在非常規(guī)儲層中，NMR數(shù)據(jù)的解釋比在常規(guī)地層中困難。了解非常規(guī)儲層中固體基質(zhì)和流體的特征對于資源評估和生產(chǎn)至關(guān)重要。例如，有機物含量包括氫，因此出現(xiàn)在某些NMR 測量中，導(dǎo)致來自頁巖的所得信號不依賴于巖性。

2016 年Kausik 等人利用較低的NMR 場(2MHz)研究不含瀝青的過成熟頁巖。在束縛水飽和度下，在T1/T2=2 時觀察到兩個弛豫種群。較短的T1,2時間表明小孔結(jié)構(gòu)分配給粘土束縛水，而較長的T1,2時間對應(yīng)于無機/有機孔隙中的束縛水。這兩個種群的建立可以確定T2截斷值，該截斷值將孔隙空間中的可生產(chǎn)流體和結(jié)合流體分開。在5000psi 下用甲烷再飽和同一樣品再次顯示出兩個弛豫群體；T1/T2=2.6 被解釋為頁巖孔隙中的氣體，而在長T1和T2處的大量弛豫為樣品外的無體積甲烷。來自Eagle Ford 地層的另一種含有殘余流體的原生頁巖的研究表明。T1/T2顯示出具有短T2的流體（可能是粘土結(jié)合水、瀝青或混合物）與具有較大T2的流體（例如有機和無機孔隙中的油）之間的明顯分離。然而，T1/T2有機孔中油的比例大于無機孔中的油。一個合理的解釋是有機孔是油濕的，導(dǎo)致更大的T1/T2比率。與無機孔中的微小變化相比，再飽和后觀察到來自有機孔中油的信號發(fā)生了巨大變化。這表明該頁巖內(nèi)的有機孔隙占大部分孔隙空間。在天然氣和油頁巖中，在2MHz 處未檢測到干酪根信號，表明使用當前的核磁共振測井技術(shù)無法滿足干酪根信號的要求。然而，建立T2和截止值對于提高測井數(shù)據(jù)解釋的有效性非常有用。

最近的一項研究考察了干酪根結(jié)構(gòu)中芳香族與脂肪族比例，這是干酪根成熟度的指標，隨著干酪根的成熟，它具有脂肪鏈變?yōu)榉枷阕宄煞值内厔荨Ｑ芯咳藛T使用了不同的固態(tài)NMR 光譜方法（13CMAS 光譜、1HMAS光譜和高場T2分布）。表明13CNMR位移是鏡質(zhì)體反射率Ro的函數(shù)，反射率Ro隨著頁巖成熟度的增加而增加。此外，隨著成熟度的增加，特征峰從脂肪族為主轉(zhuǎn)變?yōu)榉枷阕鍨橹鳌?HNMR中的化學位移分辨率比13CNMR 中的要窄得多，但仍然可以看出存在向更高化學位移方向的轉(zhuǎn)變，說明系統(tǒng)從脂肪族狀態(tài)發(fā)展為芳香族狀態(tài)。

3 結(jié)論及建議

（1）NMR為了解多孔介質(zhì)中的巖石、流體和巖石—流體相互作用行為提供了強大的技術(shù)支持。因此，它被認為是石油和天然氣行業(yè)的重點發(fā)展技術(shù)之一。1D和2D NMR測量可以在室內(nèi)和現(xiàn)場進行。

（2）在實驗室?guī)r芯分析以及現(xiàn)場測井工具中，NMR是一種強有力的儲層流體和巖石物理表征手段；NMR可以用于了解和探索石油儲層形成的性質(zhì)和流體含量。

（3）未來，核磁共振技術(shù)將在在巖石物理和測井方面發(fā)揮更大的作用。其中數(shù)值模擬技術(shù)將成為研究的重點方向。