2018, Vol. 40
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2. 中国科学院大学, 北京 石景山 100049;
3. 国家能源页岩气研发(实验)中心, 河北 廊坊 065007
2. University of Chinese Academy of Sciences, Shijingshan, Beijing 100049, China;
3. National Energy Shale Gas R & D(Experiment) Center, Langfang, Hebei 065007, China
核磁共振技术是一种快速无损检测技术，利用核磁共振技术可以进行室内的岩芯分析来获取岩石多项物性参数，通过这些参数来研究储层的流体可动用性以及孔隙结构等特征[1-5]。前人已经对核磁共振技术进行了深入研究，在利用这项技术对样品进行室内分析时，主要用来评价油田的开发潜力以及油田水驱开发效果等方面[6-12]。常规压汞是目前常用的研究岩芯微观孔隙结构的方法之一，利用常规压汞可以测定岩石的毛管压力曲线、孔喉半径分布、分选系数等参数。前人在利用常规压汞方法进行岩芯分析时，主要研究的是如何利用压汞资料来评价储层原始含油饱和度和微观孔隙结构等方面[13-16]。
作为室内岩芯分析的手段，核磁共振与常规压汞都有很重要的作用，结合核磁共振和压汞实验结果可以进行孔隙结构的分析[17-20]。但是很少有文献中进行这两种方法的对比性实验来分析可动流体饱和度和进汞饱和度之间的关系。利用核磁共振结合离心实验，通过0.14，0.28，0.71，1.44，2.87 MPa 5个不同离心力的离心测试可以得到样品不同喉道半径区间控制的可动流体饱和度，并与压汞实验得到的同一喉道半径区间的压汞进汞饱和度进行对比，分析了不同渗透率级别岩芯压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度的差别，并对使用压汞毛管力曲线计算储层原始含油饱和度高于实际值的原因进行了解释。
1 核磁共振与高速离心实验简介对样品进行核磁共振分析时，通常使用T2谱测试的方法。T2谱能够反映岩石孔隙半径的分布状况[21-22]。样品中的流体经过高速离心实验后可以分为两部分，一部分被离心实验离出样品，这部分流体称为可动流体，另一部分流体未被离出依然被束缚在样品中称为束缚流体，这样通过高速离心实验便可得到样品的可动流体饱和度[23]。在进行高速离心实验时，离心力作为动力，与孔隙内流体所受的毛管压力相等。所以，每个离心力都对应着固定的孔喉半径，并且离心力与孔径成反比。这样通过核磁共振和离心实验不仅可以得到每块岩芯总的可动流体饱和度，还可通过不同离心力离心后岩芯含水饱和度的差值得到每块岩芯不同喉道区间控制的可动流体饱和度。
2 实验仪器与方法核磁共振实验与高速离心实验分别使用型号为RecCore-04的低磁场核磁共振岩样分析仪与型号为PC-12W的专用岩样离心机。压汞实验采用的是9510-Ⅳ型压汞仪。实验岩芯取自长庆油田，选择其中20块样品先进行孔隙度与渗透率测试，测试结果为20块样品的孔隙度在7.54%~17.23%，平均14.93%；渗透率在0.219~343.000 mD，平均63.020 mD。然后对所选择的样品进行核磁共振、高速离心以及常规压汞实验，实验步骤如下
(1) 首先从全直径岩芯上钻取直径1 in.(1 in.=2.54 cm)的柱塞样，将钻取的柱塞样平均分成两个部分，一部分用于核磁共振与高速离心实验，另一部分用于常规压汞实验。
(2) 测试岩芯孔隙度和渗透率。
(3) 核磁共振岩芯先进行饱和水，然后对样品进行核磁共振实验，获得样品在饱和状态下的T2谱。
(4) 对每块岩芯均分别进行0.14，0.28，0.71，1.44，2.87 MPa离心力的离心实验，每次离心后都对该离心力下的样品进行核磁共振实验，得到该离心力下样品的核磁共振T2谱。
(5) 压汞实验岩芯进行压汞实验，最大进汞压力为50 MPa。
3 实验结果和对比分析核磁共振可动流体实验不仅可以得到岩芯中可动流体总量，还可以结合离心实验通过不同离心力离心后岩芯的核磁T2谱计算得到不同喉道半径区间所控制的核磁可动流体饱和度。而通过常规压汞实验也能计算出不同喉道半径区间的进汞体积。下文主要针对不同渗透率级别的储层为研究对象，对特定喉道区间控制的压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度的差别进行对比性分析。
通过不同离心力的离心实验，可以得到[0.05，0.10) μm、[0.10，0.50) μm、[0.50，1.00) μm、[1.00，5.44) μm以及5.44 μm以上这5个区间的核磁可动流体饱和度。压汞实验得到的喉道半径分布不同于以上几个区间但是包含了以上几个区间，通过使用插值的方法，可以得到以上5个特定区间喉道半径的分布情况，这样即可对核磁共振以及常规压汞实验的结果进行对比分析。
3.1 超低渗岩芯对比分析对于其中有代表性的超低渗岩芯的对比分析结果如图 1所示。
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| 图1 1号岩芯与6号岩芯核磁可动流体与压汞进汞饱和度对比图 Fig. 1 Comparison chart of NMR and mercury injection of No.1 and No.6 sample |
从图 1中可以看出：(1)对于渗透率在0.1~1.0 mD的岩芯，核磁可动流体饱和度要明显小于压汞进汞饱和度。如1号岩芯的压汞进汞饱和度为75.71%，而核磁可动流体饱和度仅为50.48%，两者相差25.23%。6号岩芯的压汞进汞饱和度为82.21%，而核磁可动流体饱和度仅为56.76%，两者相差25.45%。
(2) 压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度差别主要表现在半径小于0.50 μm的喉道中。当喉道半径大于0.50 μm时，核磁可动流体饱和度和压汞进汞饱和度相差不大。如1号样品，半径大于0.50 μm的喉道所控制的压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度分别为17.75%和16.87%，两者仅相差0.88%。6号样品中半径大于0.50 μm的喉道所控制的压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度分别为34.63%和35.79%，两者相差1.16%。分析认为超低渗岩芯的大喉道通常分布较少，而且大喉道所控制的孔隙内的流体受到的毛管力作用较小。所以对于半径大于0.5 μm的孔喉而言，常规压汞的进汞饱和度与离心后测得的核磁可动流体饱和度差别不大。
(3) 就半径小于0.50 μm的喉道而言，核磁可动流体饱和度比压汞进汞饱和度小很多。如1号样品，半径小于0.50 μm的喉道的压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度分别为57.95%和33.60%，两者相差幅度达到24.35%。分析认为对于半径较小的喉道，流体受到的毛管力较大，而较小的离心力无法克服毛管力，所以较小的孔隙空间中的流体就不会被离出，而压汞实验的最大进汞压力为50 MPa，明显高于0.05 μm喉道半径所对应的毛管力大小。所以进行压汞实验时，汞仍然能够进入较小的孔隙空间中，造成小的孔隙喉道内的进汞体积要明显大于离心实验离出的可动流体体积。
(4) 利用毛管压力曲线并不能直接计算出储层的原始含油饱和度，需要先将实验室的毛管力换算成地层条件的毛管力，之后进行地层毛管力和油藏高度之间的换算，最后用油藏高度或油水界面以上的高度从毛管压力曲线查出油藏原始含油饱和度，从而就可以得到储层的原始含油饱和度。而压汞曲线所得到的饱和度与汞在岩石中的润湿性有密切关系，通常汞相对空气来说是不润湿岩石的。但是在压汞实验中，首先要对样品进行抽真空处理，即在压汞过程中存在汞、汞蒸气及岩石三相物质，在这个体系中，相对于汞蒸气来说，汞即为润湿相，因此用压汞曲线所确定的束缚水饱和度偏低，原始含油饱和度的计算结果会偏大。而超低渗储层中，小的孔隙喉道所占比例更大，导致这种现象对于超低渗储层的影响更大。所以对于超低渗透储层，在利用毛管力曲线计算原始含油饱和度时，还应考虑结合核磁共振可动流体饱和度的实验结果，以使储量评价结果更准确。
3.2 特低渗岩芯对比分析对于其中有代表性的特低渗岩芯的对比分析结果如图 2所示。
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| 图2 16号岩芯与13号岩芯核磁可动流体与压汞进汞饱和度对比图 Fig. 2 Comparison chart of NMR and mercury injection of No.16 and No.13 sample |
从图 2中可以看出：(1)对于渗透率在1.0~10.0 mD的样品，压汞进汞饱和度依然大于核磁可动流体饱和度，但两者的差别没有渗透率在0.1~1.0 mD的岩芯那么明显。如16号岩芯的压汞进汞饱和度是65.92%，核磁可动流体饱和度是62.28%，两者相差3.64%，13号样品渗透率略大于16号样品，其压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度相差仅为0.66%。这意味着当渗透率逐渐增加时，压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度差别更小。
(2) 从16号样品来看，小于0.5 μm喉道的进汞量仍然大于离心离出的水体积。分析认为，这主要是由于离心力较小，小喉道的毛管力大于离心力，使得小喉道中的流体无法被离出，而压汞实验的进汞压力大于小喉道所产生的毛管阻力，所以汞能够更容易进入小的孔隙空间中。而13号岩芯中，小于0.50 μm的喉道所控制的核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度相差不大，这主要是由于随着渗透率逐渐增大，小喉道在总喉道中所占比例降低，使得小喉道控制的压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度相差较小。
(3) 对于特低渗储层(1.0 mD < K < 10.0 mD)，核磁可动流体饱和度可能依然会小于压汞进汞饱和度。因此，当压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度相差不大时，可以通过压汞毛管压力曲线计算储层的原始含油饱和度；但当压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度相差较大时，就需要结合核磁共振可动流体实验和压汞毛管压力曲线从而使计算的储层原始含油饱和度更加准确。
3.3 高渗岩芯对比分析对于高渗岩芯的对比分析结果如图 3所示。从图 3中可以看出：(1)对于渗透率大于10.0 mD的样品，压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度基本相当，如15号样品的压汞进汞饱和度是74.06%，核磁可动流体饱和度是72.98%，相差幅度仅为1.08%。分析认为渗透率大的样品中大孔喉分布较多，并且孔隙喉道之间具有较好的连通性，流体受到的阻力较小易在孔隙中流动，所以压汞实验与高速离心实验都能较好地反映样品微观孔隙结构特征。
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| 图3 15号岩芯与9号岩芯核磁可动流体与压汞进汞饱和度对比图 Fig. 3 Comparison chart of NMR and mercury injection of No.15 and No.9 sample |
(2) 对渗透率较高(K>10.0 mD)的储层，由于核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度基本相当，所以原始含油饱和度可以通过压汞毛管压力曲线来计算。
3.4 不同渗透率级别岩芯实验结果综合分析3块具有不同渗透率的代表性岩芯其不同范围喉道半径所控制的可动流体占比(可动流体体积/压汞体积)如图 4所示。
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| 图4 不同喉道半径区间可动流体占比图 Fig. 4 The proportion of movable fluid among pores with different size |
从图 4中可以看出：通常压汞进汞饱和度要大于核磁可动流体饱和度，这种差别主要体现在小喉道所控制的可动流体含量及进汞量上。但是对于渗透率较高的样品，由于其小喉道在总的喉道中所占比例较小，导致其核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度相差不大，甚至核磁可动流体饱和度略大于压汞进汞饱和度。随着喉道半径的增加，核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度越来越接近，当喉道半径大于0.50 μm时，核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度的比值在1左右，说明大于0.50 μm的喉道所控制的核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度基本相同。不同渗透率级别岩芯其小喉道所控制的压汞进汞饱和度与核磁可动流体饱和度差别明显。如1号岩芯属于超低渗岩芯，其小于0.10 μm的喉道所控制的核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度比仅为0.25，核磁可动流体饱和度只占压汞进汞饱和度的四分之一；16号岩芯属于低渗岩芯，小于0.10 μm喉道所控制的核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度比为0.69，其差别就不如超低渗岩芯那么明显；而对于高渗岩芯，小于0.10 μm的喉道所控制的核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度比为0.95，两者差别不大。因此，对于不同渗透率级别的岩芯，其核磁可动流体饱和度与压汞进汞饱和度可能会有较大差别。
4 结论(1) 通过对比不同渗透率区间的岩芯在不同喉道半径区间核磁可动流体饱和度和压汞进汞饱和度的分布情况，发现了核磁可动流体饱和度和压汞进汞饱和度的差别主要体现在半径小于0.50 μm的喉道上。喉道尺度越小，可动流体占比越多。
(2) 对超低渗储层(0.1 mD < K < 1.0 mD)而言，压汞进汞饱和度要明显大于核磁可动流体饱和度。对于特低渗储层岩芯(1.0 mD < K < 10.0 mD)，压汞进汞饱和度可能依然会比核磁可动流体饱和度大。为了更加准确地评价低渗储层的原始含油饱和度，建议结合使用压汞毛管力曲线实验与核磁共振可动流体和高速离心实验的方法确保可采储量评估更为准确。
| [1] |
李振涛. 利用核磁共振二维谱技术研究岩心含油饱和度[D]. 北京: 中国科学院研究生院, 2011.
LI Zhentao. Using two dimensional NMR technologies to research core oil saturation[D]. Beijing: Graduate University of Chinese Academy Sciences, 2011. |
| [2] |
杨正明, 骆雨田, 何英, 等. 致密砂岩油藏流体赋存特征及有效动用研究[J].
西南石油大学学报(自然科学版), 2015, 37(3): 85–92.
YANG Zhengming, LUO Yutian, HE Ying, et al. Study on occurrence feature of fluid and effective development in tight sandstone oil reservoir[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2015, 37(3): 85–92. doi: 10.11885/j.issn.1674-5086.2015.03.-07.04 |
| [3] |
廖作才, 孙军昌, 杨正明, 等. 低渗火山岩气藏可动流体百分数及其影响因素[J].
西南石油大学学报(自然科学版), 2014, 36(1): 113–120.
LIAO Zuocai, SUN Junchang, YANG Zhengming, et al. Study on the movable fluid saturation and its influencing factors of low permeability volcanicgas reservoir[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2014, 36(1): 113–120. doi: 10.11885/j.-issn.1674-5086.2012.02.16.02 |
| [4] | 黄延章. 低渗透油层渗流机理[M]. 北京: 石油工业出版, 1998. |
| [5] |
刘曰强, 乔向阳, 袁昭. 用核磁共振研究低渗储层渗流能力及驱替机理[J].
吐哈油气, 2004, 9(3): 277–279.
LIU Yueqiang, QIAO Xiangyang, YUAN Zhao. Study on percolation capability and displacement mechanism with nuclear magnetic resonance technique[J]. Tuha Oil & Gas, 2004, 9(3): 277–279. |
| [6] |
郭公建, 谷长春. 核磁共振岩屑含油饱和度分析技术的实验研究[J].
波谱学杂志, 2005, 22(1): 67–72.
GUO Gongjian, GU Changchun. Oil saturation in rock cuttings measured by nuclear magnetic resonance[J]. Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2005, 22(1): 67–72. doi: 10.3969/j.issn.1000-4556.2005.01.010 |
| [7] |
李硕, 郭和坤, 刘卫, 等. 利用核磁共振技术研究岩心含油饱和度恢复[J].
石油天然气学报, 2007, 29(2): 62–65.
LI Shuo, GUO Hekun, LIU Wei, et al. Study on oil saturation recovery on cores by using Nuclear Magnetic Resonance (NMR)[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2007, 29(2): 62–65. doi: 10.3969/j.issn.1000-9752.-2007.02.015 |
| [8] | MUNN K, SMITH D M. A NMR technique for the analysis of pore structure:Numerical inversion of relaxation measurements[J]. Journal of Colloid & Interface Science, 1987, 119(1): 117–126. doi: 10.1016/0021-9797(87)90250-5 |
| [9] |
李芳, 邹筱春, 冯艳丽, 等. 核磁共振录井含油饱和度的测量与校正[J].
录井工程, 2009, 20(1): 11–14.
LI Fang, ZOU Xiaochun, FENG Yanli, et al. Measurement and correction for oil bearing saturation in nuclear magnetic resonance logging[J]. Mud Logging Engineering, 2009, 20(1): 11–14. doi: 10.3969/j.issn.1672-9803.-2009.01.003 |
| [10] |
耿斌. 核磁共振测井在低渗透油藏储量评价中的应用[J].
测井技术, 2006, 30(4): 320–322.
GENG Bin. The application of NMR logging in low permeability reserves evaluation[J]. Well Logging Technology, 2006, 30(4): 320–322. doi: 10.3969/j.issn.1004-1338.2006.04.009 |
| [11] |
余光华. 核磁共振测井分析原始含油饱和度误差及地质成因分析[J].
石油天然气学报, 2008, 30(1): 266–268.
YU Guanghua. Analysis on errors and geologic genesis of initial oil saturation by NMR[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2008, 30(1): 266–268. |
| [12] |
王为民, 郭和坤, 叶朝辉. 利用核磁共振可动流体评价低渗透油田开发潜力[J].
石油学报, 2001, 22(6): 40–44.
WANG Weimin, GUO Hekun, YE Chaohui. The evaluation of development potential in low permeability oilfield by the aid of NMR movable fluid detecting technology[J]. Acta Petrolei Sinica, 2001, 22(6): 40–44. doi: 10.7623/-syxb200106009 |
| [13] |
丁绍卿, 郭和坤, 刘卫, 等. 核磁共振岩样分析技术在储层评价中的应用[J].
大庆石油地质与开发, 2006, 25(6): 22–23, 26.
DING Shaoqing, GUO Hekun, LIU Wei, et al. Application of NMR rock sample analysis technique in reservoir evaluation[J]. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing, 2006, 25(6): 22–23, 26. doi: 10.3969/j.issn.1000-3754.2006.06.007 |
| [14] |
刘红现, 许长福, 胡志明. 用核磁共振技术研究剩余油微观分布[J].
特种油气藏, 2011, 18(1): 96–97, 125.
LIU Hongxian, XU Changfu, HU Zhiming. Research on microcosmic remaining oil distribution by NMR[J]. Special Oil & Gas Reservoirs, 2011, 18(1): 96–97, 125. doi: 10.3969/j.issn.1006-6535.2011.01.027 |
| [15] |
潘和平, 王兴, 樊政军, 等. 储层原始含油饱和度计算方法研究[J].
现代地质, 2000, 14(4): 451–453.
PAN Heping, WANG Xing, FAN Zhengjun, et al. Computing method of reservoir originality oil saturation[J]. Geoscience, 2000, 14(4): 451–453. doi: 10.3969/j.issn.1000-8527.2000.04.011 |
| [16] |
李烨, 司马立强, 吴丰, 等. 注汞压力对致密砂岩储层物性下限分析的影响[J].
西南石油大学学报(自然科学版), 2015, 37(5): 79–84.
LI Ye, SIMA Liqiang, WU Feng, et al. Influence of mercury injection pressure on lower limits analysis of tight sandstone reservoirs[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2015, 37(5): 79–84. doi: 10.11885/j.issn.1674-5086.2013.08.29.06 |
| [17] | WORTHINGTON P F. Character of water saturation algorithms through dual-salinity desaturation[J]. The Log Analyst, 1996, 37(1): 31–46. |
| [18] |
栾海波, 林景晔, 崔月霞, 等. 砂岩储层原始含油饱和度的求取与发展[J].
大庆石油地质与开发, 2008, 27(5): 18–20.
LUAN Haibo, LIN Jingye, CUI Yuexia, et al. Resolving and advance of original oil saturation in sandstone reservoirs[J]. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing, 2008, 27(5): 18–20. doi: 10.3969/j.issn.1000-3754.2008.05.005 |
| [19] |
孙庆和, 何玺, 林海. 特低渗透油藏可动油的测量及应用[J].
大庆石油地质与开发, 1999, 18(6): 35–37.
SUN Qinghe, HE Xi, LIN Hai. Measurement and application of movable oil in very low permeable reservoir[J]. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing, 1999, 18(6): 35–37. doi: 10.3969/j.issn.1000-3754.1999.-06.012 |
| [20] |
赵国欣, 朱家俊, 关丽. 用毛管压力资料求取原始含油饱和度的方法[J].
中国石油大学学报(自然科学版), 2008, 32(4): 38–41.
ZHAO Guoxin, ZHU Jiajun, GUAN Li. Method of applying capillary pressure data to calculate initial oil saturation[J]. Journal of China University of Petroleum, 2008, 32(4): 38–41. doi: 10.3321/j.issn:1673-5005.2008.04.008 |
| [21] |
刘曰强, 朱晴, 梁文发, 等. 利用核磁共振技术对丘陵油田低渗储层可动油的研究[J].
新疆地质, 2006, 24(1): 52–54.
LIU Yueqiang, ZHU Qing, LIANG Wenfa, et al. Research on the movable oil in reservoirs with low permeability in Qiuling Oilfield with nuclear magnetic resonance technology[J]. Xinjiang Geology, 2006, 24(1): 52–54. doi: 10.-3969/j.issn.1000-8845.2006.01.012 |
| [22] |
王瑞飞, 孙卫, 杨华. 特低渗透砂岩油藏水驱微观机理[J].
兰州大学学报(自然科学版), 2010, 46(6): 29–33.
WANG Ruifei, SUN Wei, YANG Hua. Micro mechanism of water drive in ultra-low permeability sandstone reservoir[J]. Journal of Lanzhou University (Natural Sciences), 2010, 46(6): 29–33. doi: 10.13885/j.issn.0455-2059.2010.06.012 |
| [23] |
杨正明, 张英芝, 郝明强, 等. 低渗透油田储层综合评价方法[J].
石油学报, 2006, 27(2): 64–67.
YANG Zhengming, ZHANG Yingzhi, HAO Mingqiang, et al. Comprehensive evaluation of reservoir in low permeability oilfields[J]. Acta Petrolei Sinica, 2006, 27(2): 64–67. doi: 10.7623/syxb200602013 |