低场核磁共振技术用于驱替实验油水可视化的研究

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油气资源是我国能源的重要组成部分，国家能源局、科学技术部日前印发的《“十四五”能源领域科技创新规划》指出，绿色高效油气开发利用主要聚焦增强油气安全保障能力，特别强调了增强油气供应能力，提高发展水平，在技术方面开展化学驱油、纳米驱油、CO2驱油、精细化勘探、智能化注采等相关核心技术，提升低渗老油田、高含水油田、深层油气、常规油气以及其他非常规油气的采收率和储量动用率。

通过模拟不同地层条件进行驱替实验研究油水在地层中的渗流规律，可为油气勘探与开发提供科学指导。

低场核磁共振作为一种高新技术，在驱替实验油水可视化研究领域发展成熟，助力国家能源安全保障。

ONE

什么是多孔介质、什么是渗流？

多孔介质是由固体骨架和相互连通的孔隙、裂缝或各种类型毛细管所共同组成的材料，作为油气储集层的岩石就是一种典型的多孔介质。

流体可以在多孔介质中储集，也可以在其中流动，流体通过多孔介质的流动称为渗流。

TWO

渗流力学对于油气藏储层的研究重要吗？

渗流力学是研究流体在多孔介质的运动规律及其应用的科学。渗流力学对油气藏储层的研究内容包括了油气储层物性、流体的物理化学性质、油气水等在地下储层中的流动规律等。

油气渗流理论研究由来已久，现阶段的研究特点和发展趋势为：物理化学渗流的研究、裂缝双重介质和油气水三重介质中渗流规律的研究、地层非均质对渗流影响的研究。

THREE

传统油气藏储层研究方法有哪些？

常用的测井和录井评价方法包括各类射线测井法、声波测井法、气测录井法等。

常用的开发实验类储层物性评价方法包括离线驱替法、等温吸附解析法、压汞法、x射线法、电子显微镜法等。

这些方法存在一定的局限性或者面临暂时无法攻克的技术难题。

核磁对比传统方法，作为新晋的油气藏储层研究方法，在室内实验室研究测试方面发展成熟，具有快速、无损、在线、准确、绿色等优势。

FOUR

低场核磁共振进行驱替实验油水可视化研究应用

核磁对氢信号优秀的捕捉能力，在油气藏储层研究中发挥了巨大的作用。

搭配多场耦合配件，可以模拟地层真实高温高压环境，岩心不同尺寸孔隙中的油水信号在核磁T₂ 谱中对应的弛豫时间不同，随着驱替实验的进行，核磁T₂ 谱随着岩心内部油水相态的变化而发生变化，可以定量研究地层的油气开采过程。同时基于核磁成像功能，可对整个驱替过程的各个阶段进行成像^[2]，实现驱替过程中油水迁移的可视化^[3]。

页岩二氧化碳混相驱油提高采收率 ^[4]

       

低场核磁混相驱替实验现象：

• 该研究表明页岩的 T₂ 分布可分为固定油和游离油，界限为3ms。

• 砂岩游离油峰(100ms)的T₂ 大于页岩(11ms)，说明砂岩的平均孔径大于页岩。

• 从0h的 T₂ 谱分布曲线可以得到固定油占比，页岩的固定油孔隙度低于游离油孔隙度。

页岩中二氧化碳混相驱过程可分为三个阶段：

• 包裹体中的油被二氧化碳置换

• 有机质-粘土中的游离油被二氧化碳置换

• 有机质中固定油被二氧化碳置换

低场核磁混相驱替实验中，与砂岩相比，页岩的二氧化碳注入时间越长，采收率越小的原因如下：

• 二氧化碳置换页岩中的固定油较为困难

• 页岩的非均质性较砂岩强，页岩中的部分油不可被二氧化碳置换
  

剩余油分布可视化

低场核磁剩余油可视化实验现象：

• 驱替过程，水峰增加油峰降低，直至基本不变。整个过程，孔道中的油（油峰2）下降速度大于小孔隙中的油（油峰1），残余油存在于小孔隙中，很难被驱替出去。

• 0.15PV时，水进入岩心开始了驱替过程。0.4PV时，中间切片的优势通道已经形成，而岩心内两侧的油水分界面依然未到达岩心出口，驱替结束，各个位置的剩余油状态不一。



低场核磁剩余油可视化实验中，驱替后仍有部分油剩余的原因如下：
• 岩心内部小孔的毛细管压力阻碍了这部分油的迁移流动
• 岩心内部在驱替过程中形成的优势通道使得驱替压力得到快速突破，忽略了部分非优势通道中的油
  

参考资料

[1]徐献中. 石油渗流力学基础[M]. 中国地质大学出版社, 1992. 

[2]Wei B, Gao K, Song T, et al. Nuclear-Magnetic-Resonance Monitoring of Mass Exchange in a Low-Permeability Matrix-/Fracture Model During CO₂ Cyclic Injection: A Mechanistic Study[J]. SPE Journal, 2019, 25(1).

[3]Yunkai Ji, Jian Hou, Guodong Cui et al. Experimental study on methane hydrate formation in a partially saturated sand-stone using low-field NMR technique. Fuel, 2019, 251, 82-90. 

[4]Chaofan Zhu, J. J. Sheng, Amin Ettehadtavak,et,al. Numerical and experimental study of enhanced shale-oil recovery by CO₂ miscible displacement with NMR. Energy & Fuels 2020, 34, 1524-1536.

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