利用NMRI技术研究致密储层静态渗吸机理

濮 御王秀宇杨胜来

(中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249)

利用NMRI技术研究致密储层静态渗吸机理

濮 御,王秀宇,杨胜来

(中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249)

全球能源紧缺迫使人们将注意力转移到潜力巨大的致密油上。但是其低孔、低渗的特点使其在开发过程中面临诸多挑战,以毛管力为基础的静态渗吸作用成为开采这类储层的有效方式。为了更清楚地了解流体在致密岩心孔喉中的静态渗吸过程,将核磁共振可视化技术与静态渗吸实验相结合,阐述了核磁共振成像和T2谱图测试致密岩心静态渗吸排驱效果的原理。核磁共振成像技术能够给出岩心孔隙中流体的二维空间分布,有助于直观了解不同时刻下各孔喉中的静态渗吸排驱效果。T2谱图能量化体现出致密岩心的静态渗吸排驱效果与机理。T2谱图所预测的采收率与质量法渗吸实验所测的采收率一致,从而验证了核磁共振成像技术评价致密储层静态渗吸采收率的可行性。该研究旨在为致密储层的开发和评价奠定重要的理论基础。

致密储层; 核磁共振成像; 静态渗吸; 机理; 采收率

前人主要应用静态渗吸实验来研究低渗透、裂缝性油藏,但是针对致密储层以及在储层中的静态渗吸过程尚未开展深入研究。核磁共振技术因具有无损检测、可视化、监测速度快等优点,已经逐渐成为岩心物理试验的主要分析手段[1-3]。为了研究致密储层中的静态渗吸过程,采用低场核磁共振技术监测致密油在静态渗吸过程中的分布特征。传统的质量法和体积法无法反映流体在岩心内部的静态渗吸过程,而核磁共振可视化方法可以很好的实现这一点。此外T2加权像也能真实体现岩心孔隙中的流体分布状态,可进一步分析岩心中的静态渗吸现象与机理。

1 核磁共振原理及静态渗吸排驱机理简介

1.1 核磁共振原理

当致密岩心样品置于均匀的静磁场中时,岩心中流体富含的氢原子核将与磁场产生相互作用,产生磁化矢量[4]。此时在垂直于磁场方向上,对致密岩心施加拉莫尔频率的射频场后,就会在接收线圈上收到幅度随时间以指数函数衰减的信号。横向弛豫时间T2可描述信号衰减快慢。岩心核磁共振成像技术所检测的是岩心孔隙内的流体性质、流体量以及流体与岩心壁面的相互作用[4],所以核磁共振成像反应的是岩心中流体的分布情况以及与岩心壁面的界面效应等。该方法可在不破坏岩心形态的情况下,直接观察致密岩心孔隙内部的流体分布。

核磁共振成像实验主要监测岩心孔隙内部流体中的氢原子核,利用氢原子核与磁场之间的强烈共振特性,确定孔隙中流体的核磁共振信号强弱及T2弛豫时间的长短。大孔隙内的流体受岩心壁面的作用力小,因此弛豫速度慢,T2弛豫时间长。小孔隙内的流体受岩心壁面的作用力相对较大,弛豫速度略快,T2弛豫时间短。核磁共振成像可以得到任意切片方向的二维图像。图像中灰度信号即亮度表示流体在岩心中的分布情况。灰度越亮,则岩心中的流体饱和度越高;反之,灰度越暗,表明岩心中的流体饱和度越小。因此,岩心中的流体总量直接影响核磁共振信号的强弱。

1.2 静态渗吸排驱机理及方式

渗吸是一种常见的油气田开发方式。渗吸指的是多孔介质中的润湿相流体依靠毛细管力进入到岩石孔隙中,并置换出其中的非润湿相流体[5-8]。静态渗吸指润湿相流体在静态条件下依靠毛细管力驱替油藏中的非润湿相流体的过程[9]。根据油水交换方向的不同而将静态渗吸分为以下两种[10-12]:反(逆)向渗吸和同(顺)向渗吸。当吸入的润湿相流体(水)和被排出的非润湿相流体(油)的流动方向相反时,为反(逆)向渗吸,此时毛细管力为驱油的主要动力,水相从与孔隙相连通的小孔道吸入,置换出的原油将从较大的孔道中排出。如果界面张力足够低,重力的作用就会越来越突出,进而成为渗吸的主要动力,此时渗吸将发生在较大的孔喉中,吸入的润湿相流体(水)与被排出的非润湿相流体(油)的流动方向一致,称为同(顺)向渗吸。同(顺)向渗吸时,水在重力的作用下从岩心底部吸入,而油则从岩心的顶部排出。通常来说,反向渗吸效果更好,油水交换效率更高。

2 实验部分

2.1 实验材料

实验用岩心为新疆油田的天然致密水湿砂岩岩心,岩心基础数据见表1。实验用油为煤油,室温下煤油黏度为2.0 mPa·s,密度为0.765 g/cm3。实验用水为质量分数25%的氯化锰水溶液,锰离子为顺磁性离子,可以加快水溶液的弛豫衰减,从而达到分离油水信号的目的。

表1 实验岩心基础数据表Table 1 Basic parameters of core experiment

2.2 实验方法和步骤

为了研究致密油的静态渗吸过程,本文采用低场核磁共振技术监测致密油在静态渗吸过程中的分布特征。传统的质量法和体积法无法反应流体在岩心内部的静态渗吸过程,而核磁共振可视化方法可以很好地实现这一点,有助于分析岩心中的静态渗吸现象与机理。

2.2.1 实验装置 实验采用纽迈电子科技有限公司生产的Meso MR23-060H-I中尺寸核磁共振成像分析仪。仪器主要包括工控机(含谱仪系统)、射频单元、梯度单元、磁体柜及供电单元(含恒温系统)五大部分组成。其磁场强度为0.55 T,共振频率处于23.406 MHz,核磁线圈直径为25 mm,磁体温度为32℃。

该实验结合了静态渗吸质量法与核磁共振成像技术,一方面采用传统的质量法测试渗吸过程中的质量变化量,进而计算不同时刻的渗吸采收率。另一方面,采用核磁共振成像系统监测静态渗吸过程,采用CPMG序列采集渗吸过程中饱和煤油样品的油信号数据,通过SIRT反演算法得到岩心的T2谱图。使用MSE多层自旋回波序列对静态渗吸过程进行核磁共振成像测试,经过灰度统一处理后呈现出原始图像,为了更加直观、清楚地体现出静态渗吸过程中的含油分布,通过成像数据处理软件将灰度图转化成伪彩图,便于分析渗吸排驱的特征。

2.2.2 实验步骤 静态渗吸实验中对核磁共振信号的测量参照石油天然气行业标准SY/T 6490—2007《岩样核磁共振参数实验室测量规范》,具体实验步骤如下:

(1)将岩心清洗干净、烘干至恒重,并测量其几何尺寸、干重、孔隙度和气测渗透率等参数。

(2)将岩心抽真空100%饱和煤油,老化24 h,之后将其浸没于煤油中待用。

(3)配置氯化锰水溶液,抽真空2～3 h,以除去水中的溶解气。

(4)将饱和油的岩心取出,除去表面的浮油,记录岩心质量;调整核磁共振岩心成像参数和弛豫谱采集参数,获取饱和油岩心的核磁共振图像和岩心T2弛豫谱(第1次核磁共振测量)。

(5)取出岩心放入烧杯中,加入处理后的氯化锰水溶液,直至浸没岩心。将溶液接触岩心底部的时间作为渗吸时间的起点。

(6)静态渗吸实验开始1天后,从烧杯中取出岩心,除去表面的浮油及水溶液,记录岩心的质量,采集岩心图像和T2弛豫谱(第2次核磁共振测量)。

(7)在第5、9、12、15天时重复第(6)步操作,直至信号不发生明显改变时停止实验。

(8)参数计算。利用上述检测结果分析计算获得静态渗吸采出油相对量及采出程度等参数。

注意:从氯化锰水溶液中取出岩心时,要及时、有效地进行密封保湿处理。

3 实验结果及分析

3.1 静态渗吸核磁共振成像结果分析

静态渗吸时,由于致密岩心的毛细管力作用显著,所以岩心孔隙内的油被水置换出来。在一定范围内,岩心孔喉越细小,产生的毛管力越大,水相越容易进入,进而置换出更多的油,最终减弱了核磁共振信号。

利用对致密岩心采集的图像进行采收率分析和计算。用图1中统一灰度的岩心核磁共振信号进行采收率计算,以0天时饱和煤油的核磁共振信号为100%饱和,以此计算渗吸排驱过程中的采收率的变化。由于静态渗吸实验的周期较长,在此只选择某些时刻进行成像,如图1所示。

图1 致密岩心在不同渗吸阶段的二维核磁共振图像Fig.1 2D NMR images of the tight cores at different imbibition stages

随着渗吸的进行,岩心边缘处的含油量首先下降,当达到15天时,岩心中部的含油量也相继下降,渗吸排驱效果明显。整体来看,渗吸前缘液面推进比较均匀,未形成明显的渗吸优势通道。静态渗吸实验过程中采集到不同时刻的二维油相分布状况图像,便于了解渗吸过程中各孔喉的采油情况及连通情况。

3.2 静态渗吸核磁共振T2弛豫谱图结果分析

渗吸过程中所采集到的T2弛豫谱可以反应岩心孔隙中油相含量的变化。峰的面积越大,代表孔隙中含油量越多。图2、3是两块致密岩心的T2弛豫谱图。

图2 致密岩心25在不同渗吸阶段的T2谱图Fig.2T2spectrum of the tight core No.25 at different imbibition stages

图3 致密岩心33在不同渗吸阶段的T2谱图Fig.3T2spectrum of the tight core No.33 at different imbibition stages

由图2、3可知,T2谱呈三峰分布,左峰和右峰小、中峰较大,表明小孔喉较多,大孔喉较少。致密岩心经过抽真空高压饱和装置已经100%饱和煤油。随着静态渗吸时间的增加,左峰和中峰不断下降。渗吸15天后,其峰值变化很小,说明这时岩心内油的体积已经基本不再减小。当渗吸结束时,对比15天和初始状态时的油峰,左峰、中峰相对于右峰来说下降的速度更快,这是因为左锋和中峰分别代表进入微小和小孔隙中的油,在毛细管力的作用下,这些油较易被置换出去,而右峰则代表着大孔道中的油,较难被驱替出去,在渗吸结束后将形成残余油。实验结果表明,致密岩心中小孔隙的渗吸效果更好。渗吸时水溶液在毛细管力的作用下优先进入小孔道,大孔道则在相邻孔道之间毛细管力差和重力的作用下排驱油相,大孔道中油的动用程度较慢、较低。所以静态渗吸是开采致密水湿砂岩的一种有效开采方式,微小以及小孔隙吸水大孔隙排油是其主要的开采方式。

3.3 静态渗吸质量法测试结果与T2谱图结果对比

质量法与T2谱图法的静态渗吸采收率对比如图4所示。由图4可知,T2谱图获取的静态渗吸采收率值与质量法所测的采收率基本一致,验证了核磁共振成像技术评价致密储层静态渗吸采收率的可行性与准确性。

图4 质量法与T2谱图法的静态渗吸采收率对比Fig.4 The comparison of the spontaneous imbibition recovery factor calculated by the weight change andT2spectrum methods

4 结论

(1)核磁共振成像技术是一种实时、可视化地预测致密储层静态渗吸采收率的有效手段,该方法精度高、效果好,能够深入解释实验机理。

(2)核磁共振成像和T2谱图结果均表明,静态渗吸实验达到15天后,核磁共振中信号变化微小,谱图峰值几乎不变,静态渗吸排驱基本结束。

(3)实验结果表明,采用核磁共振成像方法获得的采收率与传统质量法所获得的采收率一致性很好,进一步表明了核磁共振技术的可靠性以及渗吸实验方法的准确性。

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(编辑 王亚新)

Research on Spontaneous Imbibition Mechanism of Tight Oil Reservoirs Using NMRI Method

Pu Yu,Wang Xiuyu,Yang Shenglai
(College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249,China)

The concern of global energy shortage urges people to divert their attention to the promising tight oil development. However,there are many challenges in developing the tight reservoirs due to their extremely low porosity and permeability. The spontaneous imbibition based on the capillary pressure can be an effective method fordeveloping the tight reservoirs.The nuclear magnetic resonance imaging(NMRI)in combination with the spontaneous imbibition experiment can provide insight into the process and mechanism of spontaneous imbibition in the tight pore-throats.2-dimensional(2D)reconstructions of insitu oil phase inside a core plugcan be provided by NMR imaging,which is beneficial to analyze the development effectiveness at different spontaneous imbibition stages and further determine which functions would contribute the spontaneous imbibition.In addition,the NMR spin-spin(T2)relaxation times distribution also revealed the spontaneous imbibition performance and mechanisms.The calculated recovery factor byT2spectrum accords well with that of weight change,which verifies the feasibility of evaluating the tight oil reservoir development by NMRI method.This study is aiming to lay a solid foundation for the evaluation and development of tight reservoirs.

Tight oil reservoirs;Nuclear magnetic resonance imaging(NMRI);Spontaneous imbibition;Mechanisms; Recovery factor

TE327

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.010

1006-396X(2017)01-0045-04投稿网址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-09-07

:2016-09-19

国家“973课题”—提高致密油储层采收率机理与方法研究(2015CB250904)。

濮御(1989-),女,硕士研究生,从事油气田开发方面的研究;E-mail:dongyoupuyu@126.com。

杨胜来(1961-),男,博士,教授,博士生导师,从事油气渗流理论与应用、油气田开发理论研究;E-mail:yangsl@ cup.edu.cn。