巖樣核磁共振分析方法

1、巖樣核磁共振分析方法摘要：巖樣核磁共振分析是利用氫原子核在外加磁場(chǎng)的作用下形成核磁共振現(xiàn)象的這一特性，測(cè)量樣品在不同處理階段的核磁共振信號(hào)以及該樣品的橫向弛豫時(shí)間(T2)截止值，從而求取儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率、可動(dòng)流體、含油飽和度等地質(zhì)參數(shù)的一項(xiàng)新的錄井技術(shù)。ANALYSIS METHOD OF ROCK NMRAbstract：Analysis of rock NMR(Nuclear Magnetic Resonance)is a new well logging technique developed in recent years，which is based on hydrogen at

2、omic nucleus forming phenomena NMR under an additional magnetic field. Through measuring signal of NMR and cutoff value of T2 at different processing phase, many geological parameters such as porosity, permeability, movable fluid, saturation of reservoirs can be acquired.核磁共振石油工業(yè)應(yīng)用簡(jiǎn)史核磁共振(MNR)作為一種物理現(xiàn)

3、象是1946年由哈佛大學(xué)的Pucrell和斯坦福大學(xué)的Bloch兩人各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)的。1956年，Borwn和Fatt研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體處于巖石孔隙中時(shí)，其核磁共振弛豫時(shí)間與自由狀態(tài)相比顯著減小。為了尋找引起這一現(xiàn)象的原因，前人進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，發(fā)現(xiàn)流體的核磁共振弛豫時(shí)間與其所處環(huán)境的孔隙大小有關(guān)。1961年，Borwn對(duì)原油的核磁共振弛豫特征進(jìn)行了研究。1966年，Seevesr觀測(cè)到核磁共振弛豫時(shí)間與巖樣滲透率具有相關(guān)性。1968-1969年，Timur提出自由流體指數(shù)概念以及用核磁共振技術(shù)測(cè)量砂巖孔隙度、滲透率和自由流體指數(shù)等參數(shù)的方法。1979年，Brownsteni和Tarr

4、提出了巖石多孔介質(zhì)的核磁共振弛豫理論。核磁共振石油工業(yè)應(yīng)用獲得巨大發(fā)展的標(biāo)志是1990年美國(guó)UNMAR公司的MRIL-B型核磁共振成像測(cè)井儀器投入商業(yè)服務(wù)。1 核磁共振錄井應(yīng)用基本原理與氫核的磁性參數(shù)相比，油田在鉆井過(guò)程中獲取的巖心、巖屑或井壁取心樣品孔隙中常見(jiàn)的其它幾種主要元素的磁性相對(duì)靈敏度可以忽略不計(jì)(表1)，而巖石的固體部分一般不含氫原子，所以巖樣核磁共振檢測(cè)的對(duì)象是巖樣孔隙流體的氫原子核。2水中的氫原子核被激發(fā)后吸收能量，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，當(dāng)固體表面性質(zhì)和流體性質(zhì)相同或相似時(shí)，弛豫時(shí)間T2的差異主要反映巖樣內(nèi)孔隙大小的差異?？紫对酱?，氫核越多，核磁共振信號(hào)衰減越慢，對(duì)應(yīng)弛豫時(shí)間T2也

5、越長(zhǎng)(圖1)。表 1 隙流體中常見(jiàn)原子核的磁性參數(shù) 圖1巖石的多指數(shù)弛豫 儀實(shí)際測(cè)量過(guò)程中獲取的是T2衰減曲線(xiàn)，這個(gè)衰減信號(hào)是由許多不同孔隙中流體衰減信號(hào)的疊加而成的。采用現(xiàn)代數(shù)學(xué)反演技術(shù)計(jì)算出巖石中組分比例不同所產(chǎn)生的弛豫時(shí)間譜的差異，即T2弛豫時(shí)間譜，在油層物理上的含義為巖石中不同大小的孔隙占總孔隙的比例。 核磁共振錄井參數(shù)測(cè)量原理與方法核磁共振錄井儀可以測(cè)定很多儲(chǔ)集層物理參數(shù)，目前我們只選取了孔隙度、可動(dòng)流體、滲透率、含油飽和度4個(gè)參數(shù)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究?？紫抖鹊臏y(cè)定核磁信號(hào)幅度與樣品內(nèi)的氫核數(shù)目即流體量成正比。首先用標(biāo)準(zhǔn)樣(3%27% )進(jìn)行標(biāo)定，然后測(cè)量樣品，根據(jù)樣品的核磁信號(hào)幅度自動(dòng)計(jì)

6、算孔隙度。圖2是55塊樣品的核磁共振孔隙度與常規(guī)孔隙度的關(guān)系圖，由圖中可知，核磁共振孔隙度與常規(guī)孔隙度的平均相對(duì)誤差為4.42%，相關(guān)性好，可靠性強(qiáng)，說(shuō)明核磁共振孔隙度與常規(guī)孔隙度幾乎完全相關(guān)，通過(guò)相關(guān)方程可以看出，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92，表明核磁共振錄井孔隙度與常規(guī)孔隙度幾乎相等，可以免除數(shù)據(jù)校正，核磁共振孔隙度能夠替代化驗(yàn)室孔隙度。圖 2核磁孔隙度與常規(guī)孔隙度關(guān)系 圖 3 核磁共振T2測(cè)試巖石可動(dòng)流體及𝐓𝟐截止值的確定馳豫時(shí)間譜代表了巖石孔徑分布情況，而當(dāng)孔徑小到某一程度后，孔隙中的流體將被毛細(xì)管張力所束縛而無(wú)法流動(dòng)，因此在T2馳豫譜上存在一個(gè)界限，當(dāng)孔隙流體

7、的馳豫時(shí)間大于某值時(shí)，流體為可動(dòng)流體，反之為束縛流體，這個(gè)馳豫時(shí)間界限稱(chēng)為可動(dòng)流體截止值。 可動(dòng)流體截止值的確定是通過(guò)核磁共振和常規(guī)巖心分析方法相結(jié)合獲得的。首先對(duì)飽和流體的巖心進(jìn)行核磁共振T2測(cè)試，然后將巖樣置于離心機(jī)中進(jìn)行氣-水高速離心，離心力控制在150 psi，再進(jìn)行核磁共振T2測(cè)試(圖3)。由圖中可見(jiàn)，部分較大孔隙中的流體基本被分離出，稱(chēng)之為可動(dòng)孔隙，其余為不可動(dòng)孔隙。在可動(dòng)和不可動(dòng)孔隙大小之間有一界限，對(duì)應(yīng)的T2譜也有一界限，即為可動(dòng)流體T2截止值，大于T2截止值的峰稱(chēng)為可動(dòng)峰，小于T2截止值的峰稱(chēng)為不可動(dòng)峰。可動(dòng)峰幅度和與總幅度和的比值即為可動(dòng)流體百分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)不

8、同巖性的巖石具有不同的T2譜，不同的T2譜其截止值也不相同。含鈣粉砂巖通常表現(xiàn)為單峰態(tài)，主峰在1020 ms之間，T2截止值通常位于峰頂附近；不含鈣的粉砂巖及泥質(zhì)含量較高的細(xì)砂巖一般呈雙峰態(tài)， T2截止值通常位于兩峰交匯點(diǎn)附近；泥質(zhì)含量較少的細(xì)砂巖一般呈單峰態(tài)，T2截止值通常位于主峰的半幅點(diǎn)附近；分選不好的粗砂巖一般呈雙峰態(tài)，后峰大于100 ms，T2截止值通常位于前峰下降的半幅點(diǎn)附近。陸相碎屑沉積巖T2截止值一般在1033 ms之間波動(dòng)。根據(jù)這個(gè)特征，在錄井現(xiàn)場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)可動(dòng)流體的快速確定。 巖石滲透率測(cè)量用核磁共振方法評(píng)價(jià)滲透率基于如下理論模型：滲透率隨著空隙度和孔徑的增加而增加。已經(jīng)發(fā)展了

9、兩類(lèi)滲透率模型：自由流體模型（又稱(chēng)Coates模型）和T2平均值模型，前者適用于含水或含烴的的地層，后者只適合于含水的孔隙系統(tǒng)。依據(jù)巖心分析試驗(yàn)，可以建立適合作業(yè)地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?巖石滲透率受巖石孔喉半徑分布的控制，核磁共振錄井可以提供巖石孔徑分布信息，也就可以確定巖石的滲透率。核磁滲透率計(jì)算一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，該公式適用于低孔低滲儲(chǔ)集層。2Knmr=C×mrn×T2g （1） 4式中 Knmr-核磁滲透率，×103m2；nmr-核磁孔隙度，%；T2g-T2幾何平均值；C-待定系數(shù)。核磁滲透率經(jīng)驗(yàn)公式中的待定系數(shù)C值具有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)性，C值是通過(guò)將巖心常規(guī)滲透率與核

10、磁數(shù)據(jù)進(jìn)行比較確定的。選取大情字井地區(qū)24塊巖樣，運(yùn)用公式(1)，通過(guò)對(duì)比核磁滲透率與常規(guī)滲透率，當(dāng)C=10時(shí)，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.77(圖4)，以此確定C值。圖 4核磁滲透率與常規(guī)滲透率關(guān)系 圖 5 測(cè)定含油飽和度 測(cè)定巖石含油飽和度核磁共振錄井技術(shù)通過(guò)向樣品中添加順磁離子有效地消除水相馳豫時(shí)間，從而使油水信號(hào)分離測(cè)定含油飽和度。首先對(duì)巖樣進(jìn)行第一次核磁共振測(cè)量，測(cè)量得到油和水的混合信號(hào)；然后將巖樣浸泡在高含量的MnCl2水溶液中，浸泡一定時(shí)間后，Mn2+充分?jǐn)U散到巖樣內(nèi)的水相中，消除水相的核磁信號(hào)；接著進(jìn)行第二次核磁測(cè)量，此時(shí)測(cè)量得到的僅是油相的核磁信號(hào)(圖5)；最后比較兩次測(cè)量結(jié)果可定量計(jì)算得到含油飽和度。結(jié)論巖樣核磁共振分析技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層物性分析從室內(nèi)到鉆井現(xiàn)場(chǎng)的遷移，分析對(duì)象從巖心拓展到巖屑和井壁取心；具有用量少、速度快、成本低、巖樣無(wú)損、獲取參數(shù)多、準(zhǔn)確性高、可隨鉆分析等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)巖樣核磁共振分析技術(shù)可獲取儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率、飽和度以及儲(chǔ)層的孔徑大小及分布特征等地質(zhì)參數(shù)。將其分析結(jié)果與其它測(cè)、錄井資料相結(jié)合，可以更及時(shí)有效地對(duì)儲(chǔ)集層進(jìn)行精確評(píng)價(jià)，為油田的勘探開(kāi)發(fā)提供可靠的第一手資料。