核磁共振技術在致密油儲層流體飽和度分析中的應用研究

霍迎冬

（大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶163000）

隨著大慶油田的持續勘探開發，原油含水率不斷升高，勘探區塊油水關系日益復雜，油田持續高產穩產的壓力增大，急需尋找新的儲量接替區。隨著勘探對象多樣化，致密油儲層勘探成為油田增儲上產的重點，致密油儲層物性差、非均質性強、油水分布復雜，使得油水層識別困難，限制了油氣勘探步伐。核磁共振分析不僅能夠提供儲層巖石樣品的孔隙度、滲透率等物性數據，還能對流體性質進行分析，提供儲層可動流體飽和度等參數[1-2]，在致密油儲層評價中具有良好的應用效果。

1 核磁共振巖石分析原理原理

1.1 核磁共振基本原理

原子核由質子和中子構成，其質量由質子和中子決定。其中質子帶正電，中子不帶電，原子核中質子的數目決定了原子核所帶電荷數。原子核可分為有自旋的原子核和無自旋的原子核，通常核子數為奇數或核子數為偶數但原子序數為奇數的原子核具有自旋的特性，例如1H、23Na、13C、31P等原子核，這些原子核自然狀態下不停旋轉，受到外加磁場影響后，如陀螺一般旋轉，這些原子核為核磁共振研究提供了條件。由于地層流體主要為油和水，富含1H，在油氣勘探中常使用1H原子核作為研究對象。

地層巖石流體中含有油和水，油和水中的氫核能夠形成核磁矩，當施加選定頻率的外加磁場時，核磁距能夠發生吸收躍遷，產生核磁共振。使用特制的探測、接收線圈就能夠檢測到核磁共振信號，巖石樣品檢測到的核磁共振信號強弱與樣品中所含氫核數量成正比。

1.2 弛豫時間

核磁共振研究過程中很重要的一個物理量是弛豫。巖石樣品中的氫核在主磁場的作用下，會達到平衡狀態，當施加一個外來能量時，平衡態會被打破，當外來能量消失，又恢復到初始平衡狀態，這個過程即為弛豫過程[3]。核磁共振過程中有2種作用機制不同的弛豫，分別為縱向弛豫（自旋—晶格弛豫，T1表示）和橫向弛豫（自旋—自旋弛豫，T2）。弛豫速度快慢可以反映巖石物性及流體特征，當流體特征相同或相近，弛豫速度主要是由巖石物性決定。通常用弛豫時間來定義弛豫速度快慢，對于縱向和橫向弛豫速度分別用T1弛豫時間、T2弛豫時間來表征，它們在反映巖石物性及流體特征方面效果相同，但由于T1測量時間較長，在進行核磁共振分析時，通常測量T2弛豫時間。

置于磁場中的孔隙流體的弛豫有3種形式，分別是表面弛豫、擴散弛豫和體積弛豫。其中表面弛豫大小與巖石表面積有關，巖石比表面積越大，表面弛豫越強，反之則越弱。體積弛豫速率與流體的粘度成比例，流體粘度越低，體積弛豫速率也較低。由于大量分子會產生無規則運動，會產生不同的相位分散，這種相位分散不能通過180°脈沖重聚，從而產生擴散弛豫。

2 核磁共振T2譜分析

2.1 核磁共振T2譜

核磁分析T2大小反映了巖石孔隙中流體的弛豫速度快慢，單個孔隙內流體產生的弛豫可以看作是單指數弛豫，由于巖石中含有大量結構復雜的孔隙，每種尺寸的孔隙具有自己獨特的T2i豫時間，所有這些測量的T2i豫時間構成了T2衰減曲線，總的弛豫為這些弛豫的疊加，公式如下：

式中：Ai——流體中i組份所占的比例；

T2i——i組份的弛豫時間，受巖石比表面積或孔隙直徑大小影響。

T衰減曲線經過數學反演，能夠計算出不同孔隙中流體對應的T2值，即所謂的T2譜，如圖1所示。

圖1 核磁共振T2譜

核磁共振T2譜圖的下包面積反映了巖石樣品孔隙流體量，T2譜的橫坐標為弛豫時間，反映了流體受到固體表面的作用力大小，主要受到巖石樣品內部孔隙大小、固體表面性質、巖樣內部流體類型和性質影響，通過測定巖石樣品的T2譜，就能夠分析巖石樣品的孔隙大小、固體表面性質、流體類型及流體性質，得出詳細的巖石物性參數。

2.2 T2截止值的確定

T2截止值是核磁共振T2譜的一個關鍵參數，是巖石樣品中可動流體與束縛流體的分界線，在T2譜上小于該值的流體認為是束縛流體，大于該值的流體認為是可動流體，T2截止值的準確與否直接關系到巖石樣品孔隙度、滲透率、可動流體飽和度與束縛流體飽和度等參數的準確性。

T2截止值的分析方法較多，有巖芯離心實驗法、孔隙度累積法、壓汞毛細管曲線法、束縛水飽和度反算法等，實驗室常用的是巖芯離心實驗法[4]，該方法先將巖芯樣品洗油，然后飽和地層水，測量樣品的弛豫時間T2譜，接下來將樣品進行離心力為150psi的離心試驗，再進行核磁共振T2測量，通過比較前后2次T2值，就可以得到可動流體T2截止值。

大量研究表明，飽和水砂巖樣品的核磁共振T2譜一般為雙峰型，左鋒通常對應束縛流體，右峰對應可動流體，T2截止值通常在兩峰之間的凹點附近。在對一個具體區塊進行研究時，為了獲取準確的T2截止值，通常選取區塊內相同層位的巖芯樣品進行試驗，求取T2截止值，進行平均計算，得出區塊的T2截止值。

2.3 核磁共振T2譜分析

圖2 核磁共振T2頻率分布圖

圖3 核磁共振T2譜頻率累積圖

核磁共振T2譜圖有頻率分布圖（圖2）和累積分布圖（圖3），在頻率分布圖上，不同的弛豫時間T2對應的信號強度發生變化[5]。對T2弛豫時間影響最大的是巖樣比表面積，二者成反比關系，較小的T2值對應較大的比表面積，表面弛豫強度較弱，較大的T2值對應較小的比表面積，反映表面弛豫強度較強。核磁共振T2譜有單峰型、雙峰型、多峰型，反映不同的孔隙類型，峰越多反映孔隙結構越復雜。通常情況下，在T2譜圖上，T2軸上左側出現的峰值對應孔隙較小，T2軸上右側出現的峰值對應的孔隙較大，峰值的幅度對應某一級別孔隙的含量。將T2頻率分布圖進行累積，可以得到總累積弛豫強度，對應于巖石表面弛豫、體積弛豫、擴散弛豫之和，由于孔隙擴散弛豫可以忽略，因此主要為體積弛豫和表面弛豫，其中表面弛豫在10ms左右，體積弛豫在1000ms左右，綜合分析巖石樣品核磁共振T2譜頻率分布特征和總弛豫強度特征，為孔隙結構分析提供了有效的方法。

3 核磁共振分析參數

核磁共振分析能夠測量巖石樣品的滲透率、孔隙度、可動流體飽和度、束縛流體飽和度、含油飽和度及巖石孔徑分布等參數。

（1）孔隙度。核磁共振T2譜積分面積反映了巖石樣品中流體含量，由此可以獲得巖石的孔隙度參數。在實際核磁共振分析中，首先對標準樣品進行分析，獲取不同孔隙度標準樣品的信號幅度，建立孔隙度與信號幅度的關系式。然后對待測巖石樣品進行測量，將信號幅度代入已建立的關系式，由此計算得到巖石孔隙度值。分析時要求樣品孔隙內充滿流體，并且還要測量巖樣的體積。具體計算公式如下：

式中：?——樣品孔隙度；

M0——樣品信號幅度；

V——測定的樣品體積；

a、b——擬合標準樣品信號幅度和孔隙度得到的常數。

（2）含油飽和度。核磁共振測量的是氫核子的核磁距，由于油和水中都含有核原子，直接測量很難將它們的核磁信號區分開來，為了測量含油飽和度，必須消除水的弛豫時間的影響[6]。實驗室通常使用MnCl2水溶液浸泡巖石樣品，順磁錳離子擴散到水中，使得水的弛豫變短，低于分析儀器檢測下限，這時候檢測得到的只有油相的核磁信號，油相的核磁信號占油水兩相總信號的比例即為含油飽和度。

（3）可動水和束縛水飽和度。弛豫時間譜反映了巖石中孔隙直徑分布情況，當孔隙直徑小到一定程度后，流體在毛細管作用力下不能流動，成為束縛流體。反映在弛豫時間上，應該存在一個界限值，小于這個界限值時，流體為束縛流體，大于這個界限值時是可動流體，這個弛豫時間T2的界限值，稱為T2截止值（如圖4所示）。通過巖芯離心試驗求出T2截止時間，通過MnCl2水溶液浸泡試驗可以將油水信號分離，由此可以求出巖石樣品中可動水和束縛水飽和度。

（4）滲透率。核磁分析弛豫時間譜能夠反映巖石孔隙直徑分布情況，巖石孔徑與地層巖石滲透率存在一定的關系，因此，可以通過室內巖芯分析，采用經驗公式，從弛豫時間來計算地層滲透率，常用的經驗公式如下：

圖4 T2譜中包含的信息

式中：BVM——巖石樣品中可動流體百分數，%；

BVI——巖石樣品中束縛流體百分數，%；

?nmr——樣品核磁分析孔隙度，%；

Knmr——核磁分析滲透率，10-3μm2；

m、n、C1、C2、C3、C4——常數，由巖芯分析結果而定。

4 核磁共振分析在致密油儲層分析中的應用

核磁共振分析在致密油儲層評價中具有較好的應用效果。P9井位于松遼盆地中央凹陷區大慶長垣葡萄花構造帶上，是一口預探井，為了對該井儲層物性及流體性質進行詳細研究，采用核磁共振對該井扶余油層15、16、24號層鉆井取芯樣品進行了分析，結果如表1所示，其中15號層分析了一塊巖芯樣品，儲層孔隙度為7.20%，滲透率為0.1680×10-3μm2，含油飽和度為4.91%，可動油飽和度為1.31%，可動水飽和度為42.89%；16號層分析了2塊巖芯樣品，孔隙度分別為24.19%、7.20%，滲透率分別為0.5122×10-3μm2、0.1605×10-3μm2，含油飽和度分別為2.32%、6.03%，可動油飽和度為0.06%、1.29%，可動水飽和度為10.84%、42.51%；24號層2塊巖芯樣品進行了核磁共振分析，孔隙度分別為5.90%、8.5%，滲透率分別為 0.0271×10-3μm2、0.0182×10-3μm2，含油飽和度分別為6.4%、5.32%，可動油飽和度為1.37%、0.13%，可動水飽和度為31.38%、15.98%。

從扶余油層這幾個層的巖芯核磁共振分析資料可以看出，儲層巖石含油飽和度、可動油飽和度均較低，含水飽和度、可動水飽和度相對較高，總體表現為油少水多的特征，儲層以產水為主，結合油氣顯示資料，解釋結果為油水同層。試油試采對以上3層進行合壓試油，試油結果日產油0.49t，日產水4.59m3，結論為低產油水層，與核磁分析結果一致。

5 結束語

大慶油田發現至今已有60多年，持續的勘探開發，油田已進入高含水后期，原油含水率不斷上升，高產穩產壓力增大，致密油儲層勘探成為油田增儲上產的重點，在評價致密油儲層滲流能力時，必須分析儲層流體的可動用性。核磁共振分析速度快、不受樣品形狀和類型限制，不僅能夠提供致密油儲層巖石樣品物性參數，還能對儲層流體性質進行分析，通過結合核磁共振技術與巖石離心試驗等，獲取可動流體飽和度等參數，對于有效評價儲層及指導生產開發具有重要意義。

表1 P9井扶余油層核磁共振分析結果

[1]楊正明，張英芝，郝明強，等.低滲透油田儲層綜合評價方法[J].石油學報，2006，27（2）：64-67.

[2]李志濤，王志占，趙蕾.核磁共振巖樣分析技術及應用[J].西北大學學報，2011，12（1）：18-20，30-33.

[3]李海波.巖心核磁共振可動流體T2截止值實驗研究[D].中國科學院，2008.

[4]李曉強.基于核磁共振的巖心分析實驗及應用研究[D].西南石油大學，2012.

[5]宋超，宋明會.T2弛豫譜在核磁共振錄井解釋中的應用[J].錄井工程，2006，17（3）：49-52.

[6]王為民，郭和坤，葉朝輝.利用核磁共振可動流體評價低滲透袖田開發潛力[J].石油學報，2001，22（6）:40-44.