泌阳凹陷中低成熟度页岩油核磁共振评价方法

王志战，韩玉娇，金芸芸，王 勇，罗 曦，严永新

（1.页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室，北京 102206；2.中石化石油工程技术研究院有限公司，北京 102206；3.中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南南阳 473132；4.中国石化河南油田分公司，河南南阳 473132）

全球页岩油资源丰富，页岩油革命对全球能源格局产生了极大影响[1-3]。我国页岩油资源丰富，是原油增储上产的重要接替领域[4-5]，但主要发育陆相页岩油，其中中低成熟度页岩油可采资源量占陆相页岩油探明储量的80%～90%，这类页岩油气油比低、滞留液态烃、多类沥青物和未转化有机质共存，大量有机物处于固相-半固相状态，多相态耦合，加之孔隙度很低，导致常规储层的评价技术方法无法适用。由于二维核磁共振技术具有孔隙探测分辨率高、可直接探测孔隙流体信息、流体检测精度高和对岩心无损害等优势，在非常规岩心分析领域，尤其是页岩油储层的含油性、可动性评价方面获得了广泛的认可，根据高频核磁仪器的测量结果，可以分析不同流体类型、计算含油（水）饱和度、分析孔隙中油、水的相互作用[6-8]。K.E.Washburn 等人[9-13]基于高分辨率低场核磁共振仪，确定了页岩各含氢组分的核磁共振T1-T2谱划分方案。张鹏飞等人[14]研究了页岩油储集、赋存和可流动性，王志战等人[15]探讨了页岩油储层T1-T2二维核磁共振测量方法与解释模型。王敏等人[16]基于二维T1-T2谱图，计算了博兴洼陷页岩可动油饱和度。

尽管诸多学者给出了页岩油储层的T1-T2解释图版，但由于测量结果既受数量、流体含量、含氢物质成分等样品因素的影响，又受磁场强度、回波间隔、探头口径、参数设置等仪器因素的影响，文献报道中的二维谱信噪比及不同组分的信号分离度不高，各组分与常规分析结果的相关性不强，且研究对象主要为中高成熟度页岩油。因此，笔者开展了不同磁场场强、探头口径、回波间隔、测量参数的多次试验，明确了适用于短弛豫组分发育的中低成熟度页岩油高精度采集参数，并在泌阳凹陷YY1 井中低成熟度页岩油储层开展了储集性、含油性及干酪根含量的解释评价应用，以期深化核磁共振技术在中低成熟度页岩油甜点评价中的应用。

1 核磁共振技术及原理

弛豫为停止施加射频场后，高能态的核以非辐射方式回到低能态的恢复过程，分为纵向弛豫和横向弛豫。纵向弛豫也称自旋-晶格弛豫，描述纵向磁化矢量分量恢复的快慢，反映自旋系统与外界晶格间的相互作用；横向弛豫又称自旋-自旋弛豫，描述横向上磁化矢量散相的快慢，反映2 个自旋系统间的相互作用[17]。1H

由于 只有1 个自旋质子，结构最单纯，能提供最强的核磁共振信号，地层和孔隙流体中都含有氢，所以在石油领域多选取氢原子作为研究对象。对于实际岩心，当孔隙中存在单相中低黏度流体时，可采用BT 理论模型进行解释，横向弛豫时间和纵向弛豫时间为[18-19]：

当岩心孔隙存在高黏度流体或黏性半固体时，质子运动将产生非常小的横向弛豫（T2＜0.1 ms 或者T2＜T2S），此时需应用BPP 理论模型联系纵向和横向弛豫时间与偶极相互作用的相关时间τ[20-21]：

式中：ω为拉莫尔频率，MHz；C是常数；τ为旋转相关时间，ms；μ为流体的黏度，Pa·s；a为分子的半径，m；k为玻耳兹曼常数，J/K；T为绝对温度，K。

结合式（3）—（5）可知，对于相对分子质量较小的低黏度流体，由于原子核之间快速相互作用，ωτ远小于1，T1/T2≈1；当分子几乎不可动时，相关时间会呈数量级的增大，ωτ远大于1，T1/T2正比于ω2τ2，其值远大于1，并与拉莫尔频率有关，因此，可以区分具有不同相对分子质量和黏度的孔隙介质。

2 中低成熟度页岩油测量参数优选

2.1 磁场强度

石油行业常用仪器场强在0.05～0.54 T，对应频率在2～23 MHz。由于纵、横向弛豫时间受频率变换影响不同，导致不同流体在不同频率核磁共振观测系统中的变化特征也不同[21]。同一块页岩岩样在2，12 和19 MHz 的一维T2和二维T1-T2核磁共振结果如图1 和图2 所示（图2 中，色柱表示信号强度，a.u.；下同），其中2 MHz 仪器的回波间隔TE选取0.10 ms，12 和19 MHz 仪器的回波间隔TE选取0.06 ms，综合考虑场强对信号量影响及仪器采集分辨率，2 MHz 仪器扫描次数取128 次，12 MHz 仪器扫描次数取32 次，19 MHz 仪器扫描次数取16 次。由图1 和图2 可以看出，12 和19 MHz 仪器采集的一维T2谱和二维T1-T2谱形态相对较为一致，但19 MHz 仪器的采集结果信噪比更高，对微小孔隙有更好的探测能力；而2 MHz 仪器的采集结果与其相差较大，信噪比也较低，对中低成熟度页岩油流体表征能力有所欠缺。这表明随着场强增大，采集信号信噪比增加，微小孔隙探测能力逐渐加强，对于中低成熟度页岩油，应尽量采用高频仪器进行测量。

图1 同一块页岩岩样的不同磁场强度核磁共振T2 谱Fig.1 T2 NMR spectra of the same shale with different field strengths

图2 同一块页岩岩样的不同磁场强度核磁共振T1-T2 谱Fig.2 T1-T2 NMR spectra of the same shale with different field strengths

2.2 探头口径

使用19 MHz 仪器，分别用口径40 和25 mm 的探头测量4 块岩样，测量结果如图3 所示。

图3 不同口径探头条件下核磁共振T1-T2 谱Fig.3 T1-T2 NMR spectra under different probe apertures

使用口径40 mm 探头时，死时间明显偏长，丢失了大部分短弛豫组分信号，不适用于中低成熟度页岩油评价。虽然探头口径越小，死时间越短，对短弛豫组分探测能力越强，但口径过小，样品量会过少，从而导致信噪比过低。综合考虑实际柱塞样品和岩屑样品大小，选取口径25 mm 的探头。

2.3 回波间隔

在19 MHz 仪器不同回波间隔TE条件下，同一岩样的一维T2谱和二维T1-T2谱采集结果如图4 和图5 所示。随着TE增大，小孔信号右移变弱，当TE达到0.15 ms 时，小孔信号几乎探测不到，大孔信号逐渐向左变宽、变弱。为提高中低成熟度页岩微小孔隙分辨能力，在保证仪器稳定情况下，要尽量采取较小回波间隔TE进行测量。

图4 同一岩样不同回波间隔条件下核磁共振T2 谱Fig.4 T2 NMR spectra of the same core under different echo intervals

图5 同一岩样不同回波间隔条件下核磁共振T1-T2 谱Fig.5 T1-T2 NMR spectra of the same core under different echo intervals

2.4 波峰偏移

采用CPMG 脉冲序列进行信号采集时，不可避免存在死时间（见图6 中90°脉冲后到第1 个回波之间的时间），所用19 MHz 仪器死时间为0.015 ms。由于中低成熟页岩油干酪根、沥青、类固态等短弛豫组分十分发育，为尽量采集这些组分信号，波峰偏移设置为0.045 ms，即从90°脉冲后0.015 ms 开始采集信号。除波峰偏移不同，其他采集参数均相同，岩样X1 和X2 的 二维T1-T2反演结果如图7 所示。由图7 可以看出，通过波峰偏移将第一个采集点前移后，T2＞0.1 ms 部分信号与未进行波峰偏移时信号基本重合，但在T2＜0.1 ms 且T1＞10.0 ms 部分信号明显增大，谱峰明显左移，采用波峰偏移采集信号能够更好地表征短弛豫组分含量。

图6 CPMG 脉冲序列示意Fig.6 CPMG pulse sequence

图7 不同波峰偏移参数条件下的核磁共振T1-T2 谱Fig.7 T1-T2 NMR spectra under different peak shift parameters

2.5 采集参数确定

综合上述分析结果和试验条件，选取频率19 MHz的MesoMR23-040V 型核磁共振分析仪。一维T2谱测试采用CPMG 脉冲系列，主要参数：中心频率19 MHz，漂移频率456 053 Hz，90°脉宽5.6 μs，180°脉宽9.2 μs，采样带宽250 kHz，等待时间5 000 ms，模拟增益20 dB，数字增益3，扫描次数16 次，回波间隔0.06 ms，回波数量6 000 个，前置放大增益3，波峰偏移0.045 ms；由于页岩油轻组分极易挥发，二维T1-T2谱测试采用测试时间更短的SR-CPMG 回波序列，主要参数：中心频率19 MHz，漂移频率454 003 Hz，90°脉宽5.6 μs，180°脉宽9.2 μs、采样带宽250 kHz，等待时间100 ms，射频延时0.012 ms，模拟增益20 dB，数字增益3，前置放大增益3，扫描次数16 次，回波数量6 000 个，反转时间数量31 个，波峰偏移0.045 ms。

3 中低成熟度页岩油核磁共振评价

YY1 井为位于泌阳凹陷东南深凹区的一口页岩油风险探井，主探层位为A1 段中、下部页岩层。岩心测试成熟度Ro为0.63～0.71，属于中低成熟度页岩油。对该井目的层段100 多个岩样开展一维T2谱和二维T1-T2谱核磁共振测量，分析其储集性、含油性及干酪根含量等，综合评价该井储层甜点。

3.1 储层特征核磁共振评价

3.1.1 储集性评价

标样刻度一维T2核磁共振试验结果，根据二维T1-T2谱图结果确定不同孔隙截止值，综合大量岩样结果最终选取0.1 和1.0 ms 作为有效孔隙度和可动孔隙度的截止值（见图8），实现了基于一维T2谱的三孔隙度计算。

图8 不同类型孔隙度划分示意Fig.8 Division of different types of porosity

结合同一岩样氮气吸附-压汞联测饱和度测试结果与一维核磁共振T2谱，确定目的层页岩表面弛豫率[22]，综合大量岩心分析结果，YY1 井页岩油岩样表面弛豫率选取3.3 nm/ms 较为合理（见图9），据此可将一维核磁共振T2谱转换为孔径分布曲线。

图9 核磁共振与氮气吸附-压汞对比Fig.9 Comparison of NMR and nitrogen adsorption with mercury injection measurement results

3.1.2 含油性评价

基于二维T1-T2核磁共振图谱评价含油性的核心是明确页岩油中不同组分在谱图上的分布范围，即明确页岩油T1-T2二维核磁共振多组分识别图版。尽管目前关于该图版并没有统一共识，但总体来说，不同学者对于可动油和束缚油的谱图位置认识相对较为一致，可将其应用到二维T1-T2核磁共振图谱中（见图10），实现目的层不同深度处总含油饱和度、束缚油饱和度和可动油饱和度的定量评价。结合储集性和含油性评价结果（见图11），可以看出YY1 井含油性受控于受孔隙结构，大孔喉越多，连通性越好，含油性及可动性也越好。

图10 页岩多组分二维T1-T2 核磁共振识别图版Fig.10 2D T1-T2 NMR identification plate for shale multicomponents

图11 孔隙结构与含油性的关系Fig.11 Relationship between pore structure and oil-bearing characteristic

3.1.3 干酪根含量表征

干酪根是地壳中有机碳最重要的存在形式，反映烃源岩生烃能力。Li Jinbu 等人[23]建立了页岩油多组分T1-T2二维核磁识别图版，认为图10 中区域P1 为干酪根，但其与岩样450～600 ℃热解裂解烃含量的相关系数仅为0.19。相关性较低可能与采集参数有关，由于干酪根为偏固态物质，其弛豫时间极短，回波间隔TE取仪器的最小回波间隔0.06 ms也只能探测到少部分干酪根信号，成熟度越低越明显，导致采集到的信号并不能代表岩样的干酪根含量，因此与热解裂解烃含量的相关性不强。对比是否采用波峰偏移采集到P1 区域信号与干酪根热解烃的相关性（见图12），不进行波峰偏移的核磁图谱P1 区域信号强度与S2-2的相关系数仅有0.29；采用波峰偏移后，相关性明显提高。由此可知，采用波峰偏移方式能够采集到更多的干酪根信息，但核磁图谱P1 区域信号强度与S2-2的相关系数也仅为0.61，说明可能还有部分干酪根信号未被采集到，但是采用波峰偏移的采集方式可获得更具有代表性的组分图谱，可提高基于二维核磁谱图干酪根含量表征的精度。

图12 核磁共振T1-T2 谱中P1 区域信号强度与干酪根裂解烃含量S2-2 的相关性Fig.12 Correlation between P1 region signal quantity in T1-T2 NMR spectra and kerogen cracking hydrocarbon content S2-2

3.2 储层甜点综合评价

经上述分析，YY1 井储层甜点综合评价结果图如图13 所示。图13 中的第8、9 和10 道分别为实验室不规则法测得的孔隙度、核磁总孔隙度和核磁有效孔隙度，可以看出，核磁孔隙度总体大于实验室孔隙度，其原因是两者测量原理存在差异，核磁共振技术对微小尺寸孔隙有更好的探测能力。基于核磁共振分析结果参照相关标准可将孔隙进一步划分为微孔（孔径＜2 nm）、介孔（孔径2 nm～5 nm）和宏孔（孔径＞50 nm）[24]，对孔隙结构进行精细表征。结果表明，③号小层核磁有效孔隙度最高，大孔径最为发育，储集性优于①、②号小层。核磁饱和度计算结果与多温阶热解试验结果一致性较高，③小层地化分析S1/CTO、S1-1、S1-2及核磁可动油饱和度Smo含量均最高，含油可动性优于①和②小层。干酪根裂解烃含量S2-2与CTO一致性较高，显示②号小层烃源岩含量更为丰富。综合储集性及含油性评价结果，认为③号小层是YY1 井目的层最佳的甜点层，是下一步勘探开发重点关注的对象。

图13 YY1 井储层甜点综合评价结果Fig.13 Comprehensive evaluation of reservoir sweet spots in Well YY1

4 结论

1）中低成熟度页岩油滞留液态烃、多类沥青物和未转化有机质共存，短弛豫组分发育，对二维核磁共振技术短弛豫组分探测能力要求更高，波峰偏移采集方法和参数可实现中低成熟度页岩油岩样高分辨率核磁共振信号采集，获得高质量核磁共振图谱，提高干酪根含量表征精度。

2）综合运用一维T2和二维T1-T2核磁共振技术，能够实现中低成熟度页岩油储层和烃源岩多种特性的高精度评价，为地质甜点精细评价提供直观、可靠的资料依据。

3）核磁共振技术在页岩油评价方面虽已取得一定成果，但面对中低成熟度页岩油带来的挑战，仍需在高精度数据采集和反演、孔隙固-液组分耦合机理、多组分识别图版建立等方面持续攻关，助力中低成熟度页岩油的高效勘探与开发。