核磁共振技术在致密砂岩气中的应用

齐恒玄

(西北大学 地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069)

Bloch等于1946年发现特定结构中的磁核会吸收一定波长或频率的电磁波而实现能级跃迁，开辟了核磁共振分析的历史。近年来，核磁共振技术已经成为一项新兴的高新技术，广泛应用于油气勘探、地下水找水等地下流体检测的各个方面，其中岩样核磁共振分析、核磁共振成像及核磁共振测井技术等已在石油勘探开发领域中快速发展［1-4］。

致密砂岩气已在我国天然气储量中占举足轻重的地位，是我国天然气快速发展的重要保障之一，截至2010年，致密砂岩气储量和年产量分别占全国天然气储量和产量的39.2%和24.6%［5］。致密砂岩储层孔喉结构特征十分复杂、非均质性较强、孔喉细小、孔隙喉道类型多样、孔喉配位数不均一、孔喉连通程度差异较大;储层驱替特征与中、高渗透储层不同，有着启动压力大、气井见效慢、见水后含水上升快、产气指数下降快、贾敏效应突出等特点，从而造成单井产量低，勘探难度较大等问题［6］。传统的铸体薄片、图象孔隙分析、图象粒度分析、高压压汞、气水相渗等实验已不能满足生产实际的要求，由于核磁共振技术不受岩石骨架的影响，对低孔地层效果好［7］，利用核磁共振技术可定量表征岩样孔隙内流体的赋存状态，分析可动流体饱和度与其他参数的相关性，同时结合微观孔隙结构特征参数，分析可动流体饱和度的影响因素。

1 核磁共振技术

一些原子核(如1H，13C，9F等)在强磁场中会产生能量分裂，形成能级。当用一定频率的电磁波对样品进行辐照时，特定结构环境中的原子核会吸收相应频率的电磁波而实现共振跃迁。当含流体(油、气、水)的岩样处于静磁场中时，流体中所含的氢核会被磁场极化，此时对样品施加一定频率的射频场就会产生核磁共振。根据玻尔兹曼定律，受激态磁核与低能级磁核保持一定比例的平衡，受激态高能级磁核，失去能量回到低能级磁核的非辐射过程，称为弛豫;在实际实验中，撤掉射频场后，可接收到一个幅度随时间以指数函数衰减的信号，这个衰减的过程称为弛豫。流体分子在岩样孔隙空间内不停地进行扩散运动，使氢核多次与岩石颗粒表面接触、碰撞，发生两种弛豫过程:一是受激态高能级磁核将能量传递给同种低能级磁核，自身回到低能级磁核的过程，即质子不可逆的失相，产生纵向弛豫T1;二是受激态高能级磁核将能量传递给周围的介质粒子，自身回复到低能磁核的过程，即质子将能量传给岩石颗粒表面，产生横向弛豫T2［5］。

因此横向弛豫时间T2可用来描述信号衰减的快慢，与碰撞的频率有关，与孔隙直径相对应，小孔对应短T2，大孔对应长T2［7］，同时也反映了岩石孔隙比表面(S/V)的大小，在大孔隙中，其S/V小，碰撞次数少，因此弛豫时间长;在小孔隙中，其S/V大，弛豫时间短［8］。对于单个孔隙，岩石表面 T2弛豫与表面体积比的关系为

式中:T2为单个孔隙内流体的核磁共振横向弛豫时间，ms;ρ为岩石颗粒表面横向弛豫强度常数，m/ms;S/V为单个孔隙的比表面，m-1。

对于岩石孔隙，当其半径小到一定程度后，其中的流体将被毛细管力或粘质阻力所束缚而无法流动，因此在T2谱上存在一个截止值，当T2弛豫时间大于T2截止值时，所对应的孔隙流体为可动流体，小于该值时所对应的孔隙流体则为不可动流体。

2 核磁共振实验

2.1 分析测试

本次核磁共振可动流体实验研究分析了苏里格气田8块样品的信息，核磁共振T2测量使用的是Magnet2000型仪器。具体实验步骤和方法如下:(l)从每块全直径岩心上钻取1～2块直径为2.5 cm规格的标准岩心;(2)气测渗透率;(3)岩心抽真空后饱和模拟地层水(总矿化度25 000 mg/L);(4)利用岩心湿重与干重之差计算岩心孔隙度;(5)对饱和模拟地层水状态下的标准岩心进行核磁共振T2测量。

2.2 确定T2截止值

实验中岩心可动流体、束缚流体T2截止值的确定采用国际通用的方法，即采用离心法确定各个岩样的可动与不可动流体的比值后，对照岩样饱和流体的T2谱即可确定各块岩样的T2截止值。实验表明T2截止值基本上在T2谱两峰的交会点附近［9］，本次实验最终确定的 T2截止值为13.895 ms。T2谱上T2弛豫时间大于13.895 ms各点的幅度和占T2谱所有点幅度和的百分比即为可动流体饱和度，反之T2谱上T2弛豫时间小于13.895 ms各点的幅度和占T2谱所有点幅度和的百分比即为束缚流体饱和度。该百分比越大表示该岩心内可动流体饱和度越高，反之百分比越小表示该岩心内的可动流体饱和度越低。

3 实验结果分析

本次研究对苏里格地区盒8段气藏储层的8块样品进行了核磁共振实验，根据物性参数和可动流体饱和度参数，可以将研究区的储层类型分为Ⅰ类和ⅠⅠ类两类，表1为Ⅰ类和ⅠⅠ类储层具有代表性的两个岩样的岩心核磁共振检测分析结果。图1为Ⅰ类和ⅠⅠ类储层具有代表性的两个岩样的核磁共振T2谱的频率分布和累积分布曲线，其横坐标为弛豫时间T2，纵坐标为不同弛豫时间T2信号的强度或组分含量。由T2谱可以直接得到弛豫谱幅度大小和弛豫时间分布这两个参数，前者由岩石孔隙中的流体量决定，后者由岩石的孔隙结构和所包含的流体类型决定。

表1 核磁共振实验岩心参数统计表

图1 核磁共振T2谱的频率分布和累积分布曲线

已有的研究表明，可动流体饱和度与物性，特别是渗透率有正相关关系［10］，结合本次实验结果，可动流体饱和度并非只与孔隙度、渗透率有关，如样品b物性很好，孔隙度为13.82% ，渗透率 1.416 ×10-3μm2，可动流体参数却较低，仅为23.69%，可动流体孔隙度为3.27%;而样品 a物性一般，孔隙度为7.40%，渗透率为 5.86 ×10-4μm2，但可动流体饱和度为83.62%，可动流体孔隙度为6.19%。分析这种现象的原因认为，Ⅰ类样品储层虽然物性一般，但孔喉半径大，粘土矿物含量低，微裂缝发育，孔隙连通性好，流体在其中容易渗流，导致可动流体饱和度高，平均为51.05%，沉积微相为心滩、边滩;ⅠⅠ类样品物性好，孔隙类型主要有岩屑溶孔、晶间孔和收缩孔，孔喉半径较大，微裂缝少见，伊利石、高岭石等粘土矿物相对含量较高，多见毛发状、卷曲片状的伊利石生长在孔壁上，使粒间孔变为晶间孔或粘土微孔，并且纤维状伊利石具有很大的比表面，在这些微孔中的流体多为束缚流体，渗流中不参与流动，导致储层可动流体饱和度小，束缚水饱和度很大，可动流体饱和度低，平均为39.03%，沉积微相为分流河道。

图2 孔隙、喉道半径平均值与可动流体饱和度相关关系图

研究中发现整体上物性较好的样品，可动流体饱和度偏高，但相关性并不十分明显，这是由于可动流体饱和度的大小受多种因素综合作用的结果，孔隙度和渗透率反映岩石的宏观物理性质，孔隙结构反映岩石的微观物理性质［11］.可动流体饱和度与孔隙半径加权平均值和喉道半径加权平均值有较好的正相关性(图2)，相关性系数分别为0.769 4和0.452，说明可动流体饱和度主要受微观孔隙结构的控制，孔喉半径是影响可动流体饱和度的关键参数。

4 结论

(1)岩心核磁共振技术是致密砂岩气储层流体研究的有利手段，应该大力推广;

(2)致密砂岩气储层岩石可动流体饱和度除了受储层物性影响外，还受控于微观孔隙结构、粘土矿物含量及类型、沉积微相以及微裂缝发育程度等因素，其中微观孔隙结构是主要影响因素;

(3)孔隙半径加权平均值和喉道半径加权平均值两个参数是影响致密砂岩气储层可动流体饱和度的关键参数。

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