核磁共振技术在页岩游离气计算中的应用

程 伟　刘 洪　庞 进

(1. 中国石油化工股份华东分公司石油勘探开发研究院， 南京 210011；

2. 重庆科技学院， 重庆 401331)



核磁共振技术在页岩游离气计算中的应用

程 伟1刘 洪2庞 进2

(1. 中国石油化工股份华东分公司石油勘探开发研究院， 南京 210011；

2. 重庆科技学院， 重庆 401331)

摘要：相较于煤层气，游离气在页岩气中所占比例较大，以测定吸附气含量为主的煤层气含气量测定方法不能完全适用于页岩气。通过分析页岩核磁共振实验结果，研究页岩孔隙特征。结合样品体积、密度等，利用页岩孔隙度、流体丰度等数据计算样品中储气空间的大小，而后根据气体偏差因子、储层压力、储层温度计算标准状态下页岩游离气含量，计算样品中含水饱和度、含气饱和度、含油饱和度等参数。在实验过程中，对核磁共振实验初始状态及浸泡状态实验进行优化，提高数据的准确性和可靠性。

关键词：核磁共振； 游离气含量； 页岩气

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩层系中的天然气[1]，以吸附在干酪根和黏土颗粒表面的吸附态和游离在天然裂缝及粒间孔隙中的游离态为主，其主要成分为甲烷[2-4]。页岩气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，甚至砂岩地层中，表现为典型的“原地”成藏模式[4-5]。暗色泥页岩在中国分布广泛，南方扬子地区、西北地区和华北地区中、古生界等都是页岩气藏发育的有利地区，页岩气资源丰富[6-7]。

页岩含气量是页岩气勘探开发、选区评价和储层研究必不可少的内容，准确计算页岩含气量尤为重要。页岩气含气量受有机质含量、地层压力、温度、湿度等多种因素影响[8]。根据煤层气与页岩气赋存机理研究结果，在煤储层中，吸附气一般介于80%~90%，游离气一般介于8%~12%，溶解气一般小于1%；而页岩储层中，吸附气一般介于20%~85%，游离气介于25%~30%，溶解气一般小于0.1%[9]，游离气在页岩含气量中所占比例较大。目前确定页岩含气量以测定吸附气的解吸、等温吸附模拟以及测井等方法为主[10-11]。受游离气影响，上述方法测定结果在煤层气中误差较小，但在页岩气中误差较大，难以对页岩气中游离态气体的逸散量进行测定或计算，具有明显的不足。

选用核磁共振技术对样品孔隙结构进行测定，在优化实验方法的基础上，可以准确计算页岩游离气含量，保证页岩含气量数据的准确性。

1核磁共振实验

1.1核磁共振实验原理

核磁共振是指处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级[12-13]。利用原子核和磁场之间的相互作用，能够获取物质内部结构信息。一般通过测定核磁实验中横向弛豫时间T2确定样品岩石物性、流体特征等物理性质[14-16]。

页岩气勘探开发研究中最常用的原子核是油、水中富含的氢核1H。在实验中，由于NaCl盐水矿化度较小(小于50 gL)时，含氢指数近似为1，一般采用NaCl盐水对样品进行饱和测定；当溶液中Mn2+的浓度达到一定程度时，水的信号在测量开始之前就已完全衰减掉，而烃的弛豫时间不受影响，因此可以用来测定样品中剩余油饱和度。

1.2核磁共振技术在泥页岩孔径测试中的优势

核磁共振实验在泥页岩孔径测试、孔隙度计算等方面具有很大的优势。一是对实验样品要求较低，既可选用直径为25 mm的标准岩芯，也可以选用无规则形状的块状样品或岩屑。二是数据简单直接，结果准确可靠。氢核1H在不同孔径中弛豫时间不同，根据弛豫时间及信号幅度可以直接判断样品中不同孔径的数量并进一步计算孔隙度，在应用中更便于理解。三是在饱和状态测定时，样品不会因泥浆污染，空气湿度、温度变化等因素对结果造成误差，降低了样品取芯、储藏、运输等方面的难度。整个实验过程除溶液浸泡外基本上不会对样品造成其他伤害，属于无损实验，便于样品的保存。

1.3核磁共振技术在游离气测定中存在的问题

采用核磁共振实验方法，测试分为初始状态测试、饱和状态测试和离心状态测试等3部分。通过T2谱测定各状态下的信号幅值，计算流体丰度、孔隙度、含油饱和度等数据，并计算样品中的含气饱和度及游离气含量。除了在饱和状态下准确测定页岩孔径分布及孔隙度外，直接利用3种实验状态测定页岩游离气还存在着一些问题：

(1)计算样品游离气需要测定其初始状态流体丰度，以计算其含气饱和度。在这个测定过程中，对样品要求比较高，需要尽量保持包括含水性特征在内的储层条件不变，以确保测定结果中流体丰度的准确性。但是受取芯时泥浆污染、样品运输等因素影响，增大了样品维持初始状态的难度。受现场条件影响，现场实验成本较高，样品进行前处理(钻取页岩样品)时难度较大，并且在处理过程中受冷却水影响，容易影响样品内部含水性特征。

(2)在开发页岩气的同时，需要对地层含油条件进行评估。在浸泡状态实验过程中，对已经使用NaCl溶液饱和的样品使用MnCl2溶液进行浸泡，消除样品测定中的水信号，可以测定其含油饱和度。但是由于页岩样品致密，微孔发育，孔间喉道直径小，并且样品已经通过溶液饱和，浸泡效果较差，无法完全消除水信号，测定出的含油饱和度数据不准。图1为下扬子地区侏罗系深黑色泥页岩样品核磁共振弛预时间谱，该样品含油饱和度结果高达30%，失去了实际参考价值及指导意义。

2页岩游离气计算方法及优化

2.1页岩游离气计算方法

(1)页岩游离气计算的一般方法。页岩游离气含量的计算是页岩气资源评价中的难题之一。目前，该参数的获取方法通常有3种途径：一是利用现场解吸实验获得页岩的总含气量，然后对其进行等温吸附实验，再用解吸气量减去吸附气量得出游离气量；二是利用阿尔奇公式计算含水饱和度，再计算含气饱和度，与孔隙体积相乘得出游离气量；三是通过气测含量确定游离气量，或者利用已知含气饱和度和储集物性建立回归关系，预测未知井的含气饱和度，与孔隙体积相乘就得到游离气量[17]。但是，各方法均有不足，第一种方法中现场解吸实验测定结果一般以吸附气为主，不能有效的测定游离气，更不能准确地计算游离气；而另2种方法均需要在原基础数据上建立数值模型、计算经验参数，以应用于实验井中，区域局限性较强，数据参数不准确。

图1　某页岩样品核磁共振弛豫时间谱

(2)采用核磁共振实验结果计算页岩游离气方法。在核磁共振实验过程中，首先通过量筒或者千分尺测量计算样品体积；随后进行初始状态测试，检测样品中氢核1H数量，计算流体丰度ξ(流体体积与样品体积的比值)；然后将样品抽真空并使用NaCl溶液饱和后进行测量，计算出孔隙度φ(饱和后流体体积与样品体积的比值)[18]；最后将样品浸泡入MnCl2溶液中，测定样品含油饱和度C。

通过核磁共振实验，可以直接得出样品孔隙度φ、流体丰度ξ、含油饱和度C，样品初始状态气体丰度ε为：

ε=φ-ξ

(1)

含气饱和度A为：

(2)

通过样品初始状态气体丰度ε，即可根据样品视密度ρA、气体压缩因子Z、储层压力P、储层温度T，参考煤层气游离气计算方法[19]，结合气体状态方程计算页岩游离气含量G：

(3)

式中：G—— 页岩游离气含量，gmL；

V—— 页岩样品体积，mL；

Po—— 标准状态压力，MPa；

To—— 标准状态温度，K。

2.2页岩游离气计算方法优化

针对核磁共振技术在页岩游离气测定中存在的问题，通过以下方法进行优化。

(1)初始状态测量主要是为了在尽量接近储层状态条件下测定其流体丰度，而后根据孔隙度计算页岩样品含气饱和度。建议现场选取样品时，在核磁共振实验所选样品Q同一层位使用地质锤敲击岩样内部未受钻井液污染的大块样品Q0，称量其质量M1并记录，将其留待实验室进行水分散失对比。将样品Q0与Q同时置于烘箱内烘干，记录对比样品Q0质量M2，测定核磁实验样品Q该状态下流体丰度ξ1，则样品Q实际初始状态下流体丰度ξ为：

(4)

式中：ρw—— 水的密度，gmL；

ρA—— 页岩视密度，gmL。

(2)浸泡状态测量主要是为了得出样品含油数据信息。将完成饱和实验的页岩样品粉碎至岩屑状态，然后测量岩屑体积V3，进行浸泡实验，测定其含油饱和度C3。则样品含油饱和度C为：

(5)

含水饱和度B为：

B=1-A-C

(6)

3实例分析

以下扬子地区侏罗系深黑色泥页岩样品为例，该样品储层压力约20 MPa，储层温度约338.15 K(65.15 ℃)。核磁实验选用岩心Q体积V为12.27 mL，烘干后流体丰度ξ1为0.21%，同层页岩真密度ρT为2.74 gmL，视密度ρA为2.69 gmL；初始状态对比样品Q1质量M1为150.74 g，烘干后M2为149.89 g，饱和状态孔隙度φ为1.81%，浸泡状态测定过程中，岩屑体积V3为8.46 mL，在原饱和状态数据的基础上测定含油饱和度C3为0.57%。参考天然气性质，页岩气气体压缩因子Z取0.94[20]。根据真视密度计算孔隙度为1.82%，与核磁共振测定结果相符。

根据式(4)，计算样品流体丰度，ξ= 1.73%；根据式(1)，计算样品初始状态气体丰度，ε=0.08%；根据式(2)，计算样品含气饱和度，A= 4.42%；根据式(3)，计算样品游离气含量G= 5.11 mLg；根据式(5)，计算样品含油饱和度，C= 0.83%；根据式(6)，计算样品含水饱和度，B= 94.75%。

即该泥页岩样品中孔隙度为1.81%，孔隙中含气4.42%、含水94.75%、含油0.83%，所含游离气在标准状态下为5.11 mLg。

4结语

(1)页岩初始状态测量比较困难，可以通过对比观测样品中流体的变化特征，并结合实验计算样品流体丰度。

(2)页岩浸泡状态时样品处理难度大，浸泡效果差。将完成饱和状态测定的样品破碎至岩屑状态再进行浸泡，可以大幅度提高浸泡效果，增加样品含油饱和度测定结果的准确性。

(3)页岩游离气检测难度大，结合核磁共振技术，通过对各状态的优化完善，准确测定样品的含水、含油、含气饱和度后，可以较为准确地计算页岩中的游离气量。

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Application of NMR Techniques in Estimation Methods of Free Gas

CHENGWei1LIUHong2PANGJin2

(1. Petroleum Exploration and Development Research Institute of China Petroleum & Chemical Co., Ltd.,Nanjing 210011, China; 2. Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Abstract:Compared with coalbed gas, shale free gas content is higher in the proportion of gas content, so the widely used method for determination of absorption gas content in coal bed cannot properly meet the needs in shale gas. This paper aims to analyze the shale pore characteristics, combined with the NMR techniques and its results. The size of the sample gas storage space can be calculated by the sample volume, density, and then according to the gas compressibility factor, reservoir pressure, reservoir temperature can be derived shale content of free gas under standard conditions, to draw samples of water saturation, containing gas saturation, oil saturation and other parameters to provide the basic data for the exploration and development of shale gas. For improving data accuracy and reliability, NMR experiment optimized both states of the initial state and soaked state.

Key words:nuclear magnetic resonance; free gas calculate; shale gas

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0021-04

中图分类号：P618

作者简介：程伟(1982 — )，男，江苏扬州人，工程师，研究方向为页岩气气体评价。

基金项目：国家自然科学基金项目“页岩气渗流机理及产能预测方法研究”(51174245)

收稿日期：2015-04-05