天然气勘探

低渗沉积岩可动流体饱和度核磁共振实验

  • 吴海科 , 1, 2 ,
  • 曹凯 , 1, 2 ,
  • 赵方方 3
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  • 1. 贵阳职业技术学院,贵州 贵阳 550000
  • 2. 贵州大学 土木工程学院,贵州 贵阳 550000
  • 3. 中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院,北京 100083
曹凯(1991-),男,河南正阳人,讲师,硕士,主要从事岩石力学与地下结构研究. E-mail:.

吴海科(1990-),男,贵州贵阳人,讲师,硕士,主要从事地下空间结构研究. E-mail:.

收稿日期: 2020-08-31

  修回日期: 2020-09-27

  网络出版日期: 2021-03-22

NMR experimental study of movable fluid saturation in low permeability sedimentary rocks

  • Hai-ke WU , 1, 2 ,
  • Kai CAO , 1, 2 ,
  • Fang-fang ZHAO 3
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  • 1. Guiyang Vocational and Technical College,Guiyang 550000,China
  • 2. Civil Engineering College,Guizhou University,Guiyang 550000,China
  • 3. School of Mechanics & Civil Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China

Received date: 2020-08-31

  Revised date: 2020-09-27

  Online published: 2021-03-22

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(11562005)

本文亮点

对于低渗透储层而言,孔喉细小,孔隙连通性差,仅测量孔隙度与渗透率不能全面地反映岩石的渗流能力,还需考虑可动流体在饱和流体中所占的比例。为了准确获得低渗沉积岩可动流体饱和度,通过低场核磁共振技术测得了低渗沉积岩在饱和水与离心状态下的核磁共振T 2谱,并以此为基础对岩样进行了可动流体饱和度评价研究。分析了低渗沉积岩可动流体的分布规律与影响因素,重点探讨了计算可动流体饱和度的3种方法之间的区别。结果表明:低渗透储层岩石中微细孔隙所占比例较大,由于岩石表面作用强,可动流体含量较少,且主要存在于大孔隙或极少部分的小孔隙中。通过相关性分析发现,可动流体饱和度与孔隙度、渗透率以及渗透率与孔隙度的比值k/φ均呈较好的幂函数关系。

本文引用格式

吴海科 , 曹凯 , 赵方方 . 低渗沉积岩可动流体饱和度核磁共振实验[J]. 天然气地球科学, 2021 , 32(3) : 457 -464 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.09.011

Highlights

For low-permeability reservoirs, the pore throat is small and the pore connectivity is poor. Only measuring the porosity and permeability cannot fully reflect the seepage capacity of the rock, and the proportion of the movable fluid in the saturated fluid should also be considered. In order to accurately obtain the movable fluid saturation of low permeability sedimentary rock, in this paper, the low-field NMR technique was used to test the T 2 spectrum of low-permeability sedimentary rocks under saturated and centrifugal conditions. Based on this, the movable fluid saturation evaluation of rock samples was carried out. The distribution and influencing factors of the movable fluid in low permeability sedimentary are analyzed, and the differences between the three different methods for calculating the saturation of the movable fluid are discussed. The results show that the micro-porosity in the low-permeability reservoir rocks accounts for a large proportion, due to the strong surface action of the rock, the content of the movable fluid is small, and it mainly exists in the macropores or a small part of the small pores. Correlation analysis shows that the movable fluid saturation has a power function relationship with porosity, permeability and permeability to porosity k/φ.

0 引 言

储层岩体中的流体根据其赋存状态分为可动流体和束缚流体。在毛管力和孔隙表面力作用下,束缚流体紧紧吸附在孔喉极其微小的孔隙中或较大孔隙的壁面处1。束缚流体的存在极大地减小了孔隙的流动空间,阻碍了渗流通道。而在较大孔隙内的流体受岩石骨架作用较弱,在一定的驱动力作用下可自由流动,称为可动流体。在常规的储层评价中,通常以孔隙度、渗透率和孔喉大小来反映储层物性的好坏。对于低渗透储层而言,受沉积、成岩作用,孔喉细小,孔隙连通性差,渗流通道狭窄,仅测量孔隙度与渗透率是远远不够的,还需考虑可动流体在总的饱和流体中所占的比例,并通过这一指标来表征储层物性的好坏2
核磁共振技术基于流体弛豫特征,可以准确测量岩石的基本物性特征,是获取储层可动流体饱和度的重要方法3-5。霍迎冬6、任颖惠等7、王赞惟8、李志硕等9、李太伟等10、曹雷等11利用核磁共振技术对不用类型储层的可动流体饱和度进行了测量,介绍了利用T 2谱计算T 2截止值的方法,分析了可动流体饱和度与孔隙结构的相关性,通过对既有研究的分析发现,其共同特点均是基于T 2截止值计算可动流体饱和度。计算方法单一,且T 2截止值的确定对计算结果影响较大。
本文在现有研究的基础上,根据核磁共振基本原理,通过3种不同方法计算了低渗沉积岩的可动流体饱和度,研究成果可以作为低渗储层评价的参考依据。

1 实验方法

本文所研究的致密沉积岩取自柠条塔煤矿。实验前,所有岩样统一加工成直径2.5 cm的标准圆柱形岩心,岩样的基本物理参数如表1所示。具体实验步骤如下:
表1 岩样基本参数

Table 1 Basic parameters of rock samples

岩样

编号

岩性 干重/g 饱水后质量/g 离心后质量/g 岩样地质描述 岩样图像
H-1 页岩 72.95 74.27 74.26 颜色呈深黑色,表面有明显层状纹理
H-2 页岩 92.59 94.23 93.98 颜色呈灰色,结构密实,周身光滑,表面有少量微裂纹和纹理
H-3 页岩 76.72 79.71 78.87 颜色灰黑相间,表面光滑,有大量明显的层状纹理
H-4 泥岩 84.47 87.99 87.72 颜色呈灰绿色,结构密实,表面夹杂有少量白色矿物
H-5 泥岩 72.61 75.8 75.48 颜色呈灰色,结构密实,周身光滑,表面有少量微裂纹
(1)所有岩样置于105 ℃的干燥箱中烘干至恒重,待冷却至室温后测量岩样的干重,记录数据。
(2)将烘干后的岩样放置于真空加压饱和装置中饱和模拟地层水,在20 MPa下饱和24 h,取出岩样,擦去表面的浮水,称重并记录数据,对饱和后的岩样进行核磁共振测量,得到饱水岩样的核磁共振T 2谱。
(3)测试后,用2 MPa的离心力对岩样进行高速离心3 h,取出称重,然后进行核磁共振测量,得到离心岩样的核磁共振T 2谱。

2 核磁共振T 2

核磁共振技术是利用岩石等多孔介质内部流体中H原子的核磁共振信号强度与流体体积成正比这一特性来实现岩石微观孔隙结构测量,T 2图谱是核磁共振测得的直观结果之一。对于均质的纯净物,发生核磁共振时其内部每个原子核与周围环境的相互作用基本相同,因此可以用一个单一的弛豫时间T来表征被测样品的物性特征。而对于岩石这种多孔介质而言,情况要复杂的多。岩石矿物含量与构成不一,孔隙内的流体被岩石骨架分割在大小形状不一的孔道内,每个原子核与固体表面的接触机会不一样,导致每个原子核弛豫被加强的几率不等,因此,储层岩石内的流体弛豫不能用单一的弛豫时间来描述,而应当是一个分布12。不同类型岩石内不同流体决定了各自具有不同的弛豫时间分布。
岩石由固体骨架和孔隙内流体组成,孔隙流体的横向驰豫时间T 2可以表示为:
1 T 2 = 1 T 2 + 1 T 2 + 1 T 2
式(1)中:T 2自由是流体自身引起的弛豫;T 2表面是岩石颗粒表面引起的弛豫;T 2扩散是分子扩散引起的弛豫。
当孔隙内只饱和单向流体且磁场均匀时,自由弛豫和扩散弛豫相对于表面弛豫极小可忽略不计,此时,流体的横向驰豫时间可表示为:
1 T 2 = 1 T 2 = ρ 2 S V
式(2)中:ρ 2为流体所在孔隙的表面弛豫率,μm/ms;S/V为孔隙比表面,即表面积与体积的比值,与孔隙直径呈反比,S/V=FS/r,FS为孔隙形状因子;r为孔隙半径,μm。那么:
T 2 = r ρ 2 F S
对于同一块岩石,孔隙形状因子F S与表面弛豫率ρ 2可以看作常数。由上式可知,横向弛豫时间T 2与岩石孔隙半径呈正比关系,较大孔隙对应的弛豫时间较长,较小孔隙对应的弛豫时间较短。饱水岩样T 2谱分布即反映了岩石内部不同孔径的孔隙分布状态。不同弛豫时间对应的信号量反映了孔隙内流体含量的多少。T 2分布曲线的积分面积代表了岩石孔隙内流体含量的多少。
饱和水岩样的核磁共振T 2谱如图1所示,所有岩样的谱图均为双峰型,主峰较宽主要分布在0.1~10 ms之间,而次峰相对较窄主要分布在10~100 ms,说明该类岩石主要以小孔隙为主。H-1、H-2、H-3虽然同为页岩,其主峰的核磁共振信号量却相差较大,表明不同岩石内部的微孔隙分布不均,存在这种差异的主要原因是不同岩样内组成岩石的颗粒粒度不同,导致岩石比表面积S/V存在个体差异,因此测得的核磁共振弛豫时间也发生相应变化。岩石颗粒越大,则弛豫作用越弱,T 2分布幅度较小;反之,颗粒粒径减小,则弛豫作用增强,T 2分布幅度较大。因此在同类岩石的不同岩样之间,T 2分布也存在明显差异。
图1 饱和水岩样核磁共振T 2

Fig.1 T 2 spectrum of NMR under the full water-saturated for rock sample

岩样离心前后的T 2谱如图2所示,孔隙度分量表示不同孔径的孔隙体积占岩石体积的比重,累计孔隙度即岩样在饱水或离心状态下的总孔隙度。对比离心前后的孔隙度分量曲线发现,除H-3、H-4以外,其他岩样第1峰变化不明显,该部分孔隙内的流体主要为束缚流体;所有岩样第2峰基本消失,说明大孔隙内的流体多为可动流体。饱和累计孔隙度曲线与离心累计孔隙度曲线之间的差值即为该岩样的可动流体含量,从图(2)中可以清晰地看出不同岩样内可动流体含量的多少,显然H-3岩样内可动流体含量最多,H-1岩样最少。
图2 岩样离心前后T 2谱比较

Fig.2 T 2 spectrum comparison of rock samples before and after centrifugation

3 可动流体饱和度

3.1 计算方法与结果

由饱水与离心状态下的核磁共振T 2谱可以看出,束缚水主要集中在小孔隙空间或者极少部分的大孔隙中,这是由于孔隙结构的非均质性对由静电力和毛管作用引起的束缚水的形成有很大影响,对于较大孔隙中的束缚水,主要是由于孔隙的形状不规则而在孔隙的死角处形成束缚水。定量地区分吸附孔和渗流孔对于储层岩石的评价具有重要意义。顾名思义,吸附孔是指在离心力作用下流体不能被排出的孔隙,而渗流孔是指水可以在其中自由流动或者在一定的压力下水容易离心出来的孔隙。其分界值称为T 2截止值(T 2cutoff,简写为T 2c),其中,吸附孔对应的横向弛豫时间小于T 2cT 2<T 2c),相反,渗流孔对应的横向弛豫时间大于T 2cT 2>T 2c)。现有理论认为,吸附孔中的流体在毛管力作用下无法自由流动,称为束缚流体;渗流孔中的流体可以克服毛管力自由流动,称为可动流体13。可动流体与岩样饱和流体体积的比值记为S 1,称为截止法14-15可动流体饱和度。计算公式表示如下:
F F I = T 2 c u t o f f T 2 m a x S T 2 d T 2 T 2 m i n T 2 m a x S T 2 d T 2
B V I = 1 - F F I
式(4)式(5)中:FFI为可动流体饱和度,%,即S 1BVI为束缚流体饱和度,%;T 2minT 2最小值,ms;T 2maxT 2最大值,ms;T 2cutoffT 2截止值,ms;ST 2)为T 2谱分布曲线表达式。
岩样的离心过程相当于一个驱替过程,如前所述,T 2谱的积分面积代表了岩心内流体的体积。离心前后T 2谱面积的差值为可驱出流体的体积,该部分流体与饱和岩样流体体积的比值记为S 2,称为面积法16-17可动流体饱和度。
实验前后通过称重,可得到岩心的另一个可动流体饱和度,称为质量法可动流体饱和度,记为S 3
S 3 = m s - m c m s - m o
式(6)中:m s为饱水后岩样质量;m c为离心后岩样质量;mo为岩样干重。
本文分析中引入k/φ这一物性指标,其数值上等于渗透率与孔隙度的比值,即单位孔隙度的渗透率。不同方法计算的可动流体饱和度如表2所示。
表2 可动流体饱和度计算结果

Table 2 Calculation results of movable fluid saturation

样品

编号

孔隙度

φ)/%

渗透率(k)/(10-3 μm2) k/φ

T 2c

/ms

可动流体饱和度/% 束缚流体饱和度/%
截止法(S 1 面积法(S 2 质量法(S 3 截止法 面积法 质量法
H-1 2.78 0.000 03 0.001 08 18.78 6.12 0.64 0.67 93.88 99.36 99.33
H-2 3.20 0.000 57 0.017 81 2.84 18.75 14.93 15.45 81.25 85.07 84.55
H-3 7.15 0.068 60 0.959 44 1.65 33.85 27.36 27.89 66.15 72.64 72.11
H-4 7.33 0.004 54 0.061 94 2.32 11.19 7.50 7.62 88.81 92.50 92.38
H-5 7.64 0.006 85 0.089 66 2.02 12.43 9.98 10.17 87.57 90.02 89.83

3.2 可动流体饱和度与岩石物性相关性分析

观察表2可知,就整体而言,随着岩样孔隙度与渗透率的增大,可动流体含量也越来越大。依据表2绘制可动流体饱和度与孔隙度和渗透率的关系曲线,如图3图4所示。
图3 可动流体饱和度与孔隙度的关系曲线

Fig.3 The relationship between movable fluid saturation and porosity

图4 可动流体饱和度与渗透率的关系曲线

Fig.4 The relationship between movable fluid saturation and permeability

图3图4可知,可动流体饱和度与孔隙度和渗透率之间都存在较好的幂函数关系,且与渗透率的相关性更强,主要原因是岩石的孔隙度较大,孔隙之间的连通性不一定较好,并且孔隙中流体的流动性也是不确定的;相反,对于具有较高可动流体饱和度的岩石,相应的孔隙连通性更好并且渗透率更大。其中页岩H-2岩样的渗透率较小,可动流体饱和度却相对较高,一方面认为截止法存在不足,另一方面认为离心过程中2 MPa的离心力不能使得该类岩样达到最佳脱水状态,导致测得的T 2c不准确,最终使得截止法计算的可动流体饱和度出现随渗透率减小而增大的趋势。
k/φ与岩石组成颗粒、孔隙连通性、孔隙几何形状及颗粒压实程度等密切相关,能综合反映岩石基本物性与可动流体饱和度的关系,不仅体现了储层岩石的品质,还体现了储层岩石渗流能力的好坏。k/φ越大,则岩石的可动流体饱和度越大,渗流能力越强。分析其与可动流体饱和度的相关性发现也存在较好的幂函数关系,如图5所示。
图5 可动流体饱和度与 k / φ的关系曲线

Fig.5 The relationship between movable fluid saturation and k / φ

对比可动流体饱和度计算结果发现,截止法和面积法2种不同分析思路计算结果存在明显的差异,质量法与面积法的计算结果基本接近。主要原因是T 2c的确定对计算结果影响较大,截止法认为在离心力作用下大孔隙中的流体会全部被驱出,而微小孔隙中的流体在毛管力的束缚下不能自由流动。由岩样离心前后T 2谱(图2)可知,离心之后,T 2谱中第2峰并没有完全消失,这说明岩心大孔隙中的流体没有完全被驱出;同时第1峰也略有下降,表明小孔隙中也存在可动流体。对于不同储层的岩石,小孔隙中可动流体含量也略有不同。因此,由2种方法的计算原理可知,面积法分析的结果更能真实地反映可动流体含量。

4 结论

(1)核磁共振T 2谱反映了岩石内部孔隙的分布状态,从实验结果可以看出,低渗沉积岩的T 2谱均为双峰型,离心前后第1峰变化较小,第2峰基本消失,说明岩石中可动流体主要分布在大孔隙和极少部分的小孔隙中。
(2)截止法与面积法是目前核磁共振技术常用的2种可动流体饱和度计算方法,截止法认为T 2小于T 2c对应孔隙内的流体不能自由流动,而T 2大于T 2c对应孔隙内的流体在离心力作用下会全部析出,通过离心前后T 2谱发现并非如此,综合分析认为,面积法的计算结果更能真实反映岩心内可动流体饱和度。
(3)可动流体饱和度与孔隙度、渗透率、 k / φ之间都存在较好的幂函数关系。岩石的孔隙度较大时,孔隙之间的连通性不一定较好,并且孔隙中流体的流动性也是不确定的;渗透率更多反映的是大孔径孔隙的渗流能力;而 k / φ在数值上等于渗透率与孔隙度的比值,体现了岩石孔隙的平均渗流能力。此外,从三者与可动流体饱和度的相关性分析可以发现, k / φ与可动流体饱和度的相关性更好,因此, k / φ能综合反映岩石基本物性与可动流体饱和度的关系。
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