核磁共振技术在致密油储层流体饱和度分析中的应用研究

霍迎冬

（大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆163000）

随着大庆油田的持续勘探开发，原油含水率不断升高，勘探区块油水关系日益复杂，油田持续高产稳产的压力增大，急需寻找新的储量接替区。随着勘探对象多样化，致密油储层勘探成为油田增储上产的重点，致密油储层物性差、非均质性强、油水分布复杂，使得油水层识别困难，限制了油气勘探步伐。核磁共振分析不仅能够提供储层岩石样品的孔隙度、渗透率等物性数据，还能对流体性质进行分析，提供储层可动流体饱和度等参数[1-2]，在致密油储层评价中具有良好的应用效果。

1 核磁共振岩石分析原理原理

1.1 核磁共振基本原理

原子核由质子和中子构成，其质量由质子和中子决定。其中质子带正电，中子不带电，原子核中质子的数目决定了原子核所带电荷数。原子核可分为有自旋的原子核和无自旋的原子核，通常核子数为奇数或核子数为偶数但原子序数为奇数的原子核具有自旋的特性，例如1H、23Na、13C、31P等原子核，这些原子核自然状态下不停旋转，受到外加磁场影响后，如陀螺一般旋转，这些原子核为核磁共振研究提供了条件。由于地层流体主要为油和水，富含1H，在油气勘探中常使用1H原子核作为研究对象。

地层岩石流体中含有油和水，油和水中的氢核能够形成核磁矩，当施加选定频率的外加磁场时，核磁距能够发生吸收跃迁，产生核磁共振。使用特制的探测、接收线圈就能够检测到核磁共振信号，岩石样品检测到的核磁共振信号强弱与样品中所含氢核数量成正比。

1.2 弛豫时间

核磁共振研究过程中很重要的一个物理量是弛豫。岩石样品中的氢核在主磁场的作用下，会达到平衡状态，当施加一个外来能量时，平衡态会被打破，当外来能量消失，又恢复到初始平衡状态，这个过程即为弛豫过程[3]。核磁共振过程中有2种作用机制不同的弛豫，分别为纵向弛豫（自旋—晶格弛豫，T1表示）和横向弛豫（自旋—自旋弛豫，T2）。弛豫速度快慢可以反映岩石物性及流体特征，当流体特征相同或相近，弛豫速度主要是由岩石物性决定。通常用弛豫时间来定义弛豫速度快慢，对于纵向和横向弛豫速度分别用T1弛豫时间、T2弛豫时间来表征，它们在反映岩石物性及流体特征方面效果相同，但由于T1测量时间较长，在进行核磁共振分析时，通常测量T2弛豫时间。

置于磁场中的孔隙流体的弛豫有3种形式，分别是表面弛豫、扩散弛豫和体积弛豫。其中表面弛豫大小与岩石表面积有关，岩石比表面积越大，表面弛豫越强，反之则越弱。体积弛豫速率与流体的粘度成比例，流体粘度越低，体积弛豫速率也较低。由于大量分子会产生无规则运动，会产生不同的相位分散，这种相位分散不能通过180°脉冲重聚，从而产生扩散弛豫。

2 核磁共振T2谱分析

2.1 核磁共振T2谱

核磁分析T2大小反映了岩石孔隙中流体的弛豫速度快慢，单个孔隙内流体产生的弛豫可以看作是单指数弛豫，由于岩石中含有大量结构复杂的孔隙，每种尺寸的孔隙具有自己独特的T2i豫时间，所有这些测量的T2i豫时间构成了T2衰减曲线，总的弛豫为这些弛豫的叠加，公式如下：

式中：Ai——流体中i组份所占的比例；

T2i——i组份的弛豫时间，受岩石比表面积或孔隙直径大小影响。

T衰减曲线经过数学反演，能够计算出不同孔隙中流体对应的T2值，即所谓的T2谱，如图1所示。

图1 核磁共振T2谱

核磁共振T2谱图的下包面积反映了岩石样品孔隙流体量，T2谱的横坐标为弛豫时间，反映了流体受到固体表面的作用力大小，主要受到岩石样品内部孔隙大小、固体表面性质、岩样内部流体类型和性质影响，通过测定岩石样品的T2谱，就能够分析岩石样品的孔隙大小、固体表面性质、流体类型及流体性质，得出详细的岩石物性参数。

2.2 T2截止值的确定

T2截止值是核磁共振T2谱的一个关键参数，是岩石样品中可动流体与束缚流体的分界线，在T2谱上小于该值的流体认为是束缚流体，大于该值的流体认为是可动流体，T2截止值的准确与否直接关系到岩石样品孔隙度、渗透率、可动流体饱和度与束缚流体饱和度等参数的准确性。

T2截止值的分析方法较多，有岩芯离心实验法、孔隙度累积法、压汞毛细管曲线法、束缚水饱和度反算法等，实验室常用的是岩芯离心实验法[4]，该方法先将岩芯样品洗油，然后饱和地层水，测量样品的弛豫时间T2谱，接下来将样品进行离心力为150psi的离心试验，再进行核磁共振T2测量，通过比较前后2次T2值，就可以得到可动流体T2截止值。

大量研究表明，饱和水砂岩样品的核磁共振T2谱一般为双峰型，左锋通常对应束缚流体，右峰对应可动流体，T2截止值通常在两峰之间的凹点附近。在对一个具体区块进行研究时，为了获取准确的T2截止值，通常选取区块内相同层位的岩芯样品进行试验，求取T2截止值，进行平均计算，得出区块的T2截止值。

2.3 核磁共振T2谱分析

图2 核磁共振T2频率分布图

图3 核磁共振T2谱频率累积图

核磁共振T2谱图有频率分布图（图2）和累积分布图（图3），在频率分布图上，不同的弛豫时间T2对应的信号强度发生变化[5]。对T2弛豫时间影响最大的是岩样比表面积，二者成反比关系，较小的T2值对应较大的比表面积，表面弛豫强度较弱，较大的T2值对应较小的比表面积，反映表面弛豫强度较强。核磁共振T2谱有单峰型、双峰型、多峰型，反映不同的孔隙类型，峰越多反映孔隙结构越复杂。通常情况下，在T2谱图上，T2轴上左侧出现的峰值对应孔隙较小，T2轴上右侧出现的峰值对应的孔隙较大，峰值的幅度对应某一级别孔隙的含量。将T2频率分布图进行累积，可以得到总累积弛豫强度，对应于岩石表面弛豫、体积弛豫、扩散弛豫之和，由于孔隙扩散弛豫可以忽略，因此主要为体积弛豫和表面弛豫，其中表面弛豫在10ms左右，体积弛豫在1000ms左右，综合分析岩石样品核磁共振T2谱频率分布特征和总弛豫强度特征，为孔隙结构分析提供了有效的方法。

3 核磁共振分析参数

核磁共振分析能够测量岩石样品的渗透率、孔隙度、可动流体饱和度、束缚流体饱和度、含油饱和度及岩石孔径分布等参数。

（1）孔隙度。核磁共振T2谱积分面积反映了岩石样品中流体含量，由此可以获得岩石的孔隙度参数。在实际核磁共振分析中，首先对标准样品进行分析，获取不同孔隙度标准样品的信号幅度，建立孔隙度与信号幅度的关系式。然后对待测岩石样品进行测量，将信号幅度代入已建立的关系式，由此计算得到岩石孔隙度值。分析时要求样品孔隙内充满流体，并且还要测量岩样的体积。具体计算公式如下：

式中：ϕ——样品孔隙度；

M0——样品信号幅度；

V——测定的样品体积；

a、b——拟合标准样品信号幅度和孔隙度得到的常数。

（2）含油饱和度。核磁共振测量的是氢核子的核磁距，由于油和水中都含有核原子，直接测量很难将它们的核磁信号区分开来，为了测量含油饱和度，必须消除水的弛豫时间的影响[6]。实验室通常使用MnCl2水溶液浸泡岩石样品，顺磁锰离子扩散到水中，使得水的弛豫变短，低于分析仪器检测下限，这时候检测得到的只有油相的核磁信号，油相的核磁信号占油水两相总信号的比例即为含油饱和度。

（3）可动水和束缚水饱和度。弛豫时间谱反映了岩石中孔隙直径分布情况，当孔隙直径小到一定程度后，流体在毛细管作用力下不能流动，成为束缚流体。反映在弛豫时间上，应该存在一个界限值，小于这个界限值时，流体为束缚流体，大于这个界限值时是可动流体，这个弛豫时间T2的界限值，称为T2截止值（如图4所示）。通过岩芯离心试验求出T2截止时间，通过MnCl2水溶液浸泡试验可以将油水信号分离，由此可以求出岩石样品中可动水和束缚水饱和度。

（4）渗透率。核磁分析弛豫时间谱能够反映岩石孔隙直径分布情况，岩石孔径与地层岩石渗透率存在一定的关系，因此，可以通过室内岩芯分析，采用经验公式，从弛豫时间来计算地层渗透率，常用的经验公式如下：

图4 T2谱中包含的信息

式中：BVM——岩石样品中可动流体百分数，%；

BVI——岩石样品中束缚流体百分数，%；

ϕnmr——样品核磁分析孔隙度，%；

Knmr——核磁分析渗透率，10-3μm2；

m、n、C1、C2、C3、C4——常数，由岩芯分析结果而定。

4 核磁共振分析在致密油储层分析中的应用

核磁共振分析在致密油储层评价中具有较好的应用效果。P9井位于松辽盆地中央凹陷区大庆长垣葡萄花构造带上，是一口预探井，为了对该井储层物性及流体性质进行详细研究，采用核磁共振对该井扶余油层15、16、24号层钻井取芯样品进行了分析，结果如表1所示，其中15号层分析了一块岩芯样品，储层孔隙度为7.20%，渗透率为0.1680×10-3μm2，含油饱和度为4.91%，可动油饱和度为1.31%，可动水饱和度为42.89%；16号层分析了2块岩芯样品，孔隙度分别为24.19%、7.20%，渗透率分别为0.5122×10-3μm2、0.1605×10-3μm2，含油饱和度分别为2.32%、6.03%，可动油饱和度为0.06%、1.29%，可动水饱和度为10.84%、42.51%；24号层2块岩芯样品进行了核磁共振分析，孔隙度分别为5.90%、8.5%，渗透率分别为 0.0271×10-3μm2、0.0182×10-3μm2，含油饱和度分别为6.4%、5.32%，可动油饱和度为1.37%、0.13%，可动水饱和度为31.38%、15.98%。

从扶余油层这几个层的岩芯核磁共振分析资料可以看出，储层岩石含油饱和度、可动油饱和度均较低，含水饱和度、可动水饱和度相对较高，总体表现为油少水多的特征，储层以产水为主，结合油气显示资料，解释结果为油水同层。试油试采对以上3层进行合压试油，试油结果日产油0.49t，日产水4.59m3，结论为低产油水层，与核磁分析结果一致。

5 结束语

大庆油田发现至今已有60多年，持续的勘探开发，油田已进入高含水后期，原油含水率不断上升，高产稳产压力增大，致密油储层勘探成为油田增储上产的重点，在评价致密油储层渗流能力时，必须分析储层流体的可动用性。核磁共振分析速度快、不受样品形状和类型限制，不仅能够提供致密油储层岩石样品物性参数，还能对储层流体性质进行分析，通过结合核磁共振技术与岩石离心试验等，获取可动流体饱和度等参数，对于有效评价储层及指导生产开发具有重要意义。

表1 P9井扶余油层核磁共振分析结果

[1]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.

[2]李志涛，王志占，赵蕾.核磁共振岩样分析技术及应用[J].西北大学学报，2011，12（1）：18-20，30-33.

[3]李海波.岩心核磁共振可动流体T2截止值实验研究[D].中国科学院，2008.

[4]李晓强.基于核磁共振的岩心分析实验及应用研究[D].西南石油大学，2012.

[5]宋超，宋明会.T2弛豫谱在核磁共振录井解释中的应用[J].录井工程，2006，17（3）：49-52.

[6]王为民，郭和坤，叶朝辉.利用核磁共振可动流体评价低渗透袖田开发潜力[J].石油学报，2001，22（6）:40-44.