这可能是最全面的核磁共振在岩石物理的应用介绍

岩石是一种孔隙结构复杂的多孔介质，也是油气勘探开发领域的首要研究对象，当前低场核磁共振被广泛用于岩心分析。低场核磁共振目前主要有两种分析手段，即核磁共振弛豫谱(NMRS)和核磁共振成像(MRI)。

在弛豫谱中，一维 T1、 T2 谱的谱参数计算和谱线形态、趋势变化分析是重点。由于采集的信号是笼统氢信号，单弛豫谱分析存在平均效应和信号重叠问题，弛豫谱分析开始向二维弛豫谱发展。二维弛豫谱通过增加弛豫物理信息，能有效区分一维谱上信号相似的不同信号源。 

核磁共振成像用于直接观察流体在岩石中的形态分布和孔隙介质的结构变化，研究渗流规律和流-固耦合作用。目前主要应用于疏松多孔介质和人造岩心分析。

核磁信号直接反映孔隙中含氢流体的规模，通过衰减信号反演获得的弛豫参数（即 T1、T2 和 D）是研究岩石物性参数的基础。核磁孔隙度由核磁信号总量确定，饱和度、渗透率及润湿性表征依赖弛豫参数和理论模型，因此后三者是间接获得的参数。

T2 谱积分面积与岩心孔隙中流体含氢量成正比， 通过标定得到核磁信号与孔隙度的相关关系可以获取待测岩样核磁孔隙度。

图1 岩心核磁孔隙度与氦气孔隙度对比

如图1所示，对碳酸盐岩、致密砂岩和页岩， 核磁测试能获得与氦气测孔基本一致的结果；但对于火成岩这类强磁化率岩样，其磁化率越大， 核磁孔隙度与氦测孔隙度误差越大。

此外，还有学者研究发现钻屑孔隙度与标准岩心孔隙度基本一致。所以对于难以取心的样本，可用岩屑代替岩心测试孔隙度。

储层岩心的孔隙度的核磁共振方法已经成熟，但是对于不连通的页岩孔隙改如何分析孔隙度、物性参数呢，下面这篇帮您解开谜团。

页岩不连通孔隙怎么测？纽迈帮你找答案

▲多孔介质孔隙中流体弛豫时间的BT修正模型

T2谱实际上反映了储层孔径分布情况。受毛管力和粘滞力约束， 当孔隙半径小到一定程度时，流体将被束缚在孔隙中无法流动， 这个孔径在 T2谱上会对应一个临界值。当流体弛豫时间大于 T2临界值时，流体视为可动流体，反之为不可动流体， 因此这个临界值也称为可动流体 T2 截止值(T2cutoff)。T2截止值是计算束缚流体饱和度的重要参数， 用于评价储层流体可动用程度。常用的T2截止值确定方法及适用性见表1。

表1 T2 截止值的四种确定方法

如果想进一步了解核磁共振在流体饱和度上的应用，请点击如下链接：

NMR在识别非常规储层中可动流体上的应用

经典的核磁渗透率估算主要有两大类方法，即依赖流体饱和度的Coates模型和依赖孔径大小的SDR模型。Coates 模型和 SDR 模型都考虑了孔径分布对渗透率的影响， 但 Coates 模型认为渗透率只是可动流体和束缚流体的两段式贡献作用，而 SDR 模型只是将孔径分布简单平均化。对于具有简单孔隙结构的常规储层岩心，两种方法对渗透率的表征结果较理想。

对于孔隙跨尺度较大的储层(碳酸盐、页岩)，由于不同尺寸孔隙对渗透率的贡献差异较大，需要有针对性地修正和完善模型， 因此目前的计算模型和方法向着双截止值和多孔隙贡献方向发展。表 2 罗列了核磁渗透率计算方法的发展历程， 未来的预测模型将更加注重孔隙中可动流体对渗透率的贡献。

表2 核磁渗透率计算方法发展历程

可以通过分析渗透率与孔隙度、孔径分布、可动/束缚流体饱和度等参数的相关关系，明确储层渗透率影响因素和各自权重，得到更加完善和准确的核磁渗透率预测模型。

关于常用的三种渗透率模型，各自的计算结果与氦测渗透率的对比，点击这篇文章详细了解。

核磁共振助力含油页岩孔渗特性分析

不同于常规润湿角测定来定量表征岩样润湿性， 核磁润湿性表征基于流体饱和度测试，需要结合不同流体饱和及离心实验，通过对比实验前后弛豫谱谱线的形状和演化趋势，或者通过截止值计算获得流体饱和度变化历程，更加偏向定性地说明岩心润湿情况。

为定量表征岩心的润湿性， 有文献中给出了 NMR 润湿指数(Iw)计算方程：

其中， Iw 取值在-1 到 1 之间，其中-1 代表强油湿，0代表不显润湿偏好，1 代表强水湿。 

由于不同种类、地区储层矿物组分和含量差异明显，导致组成复杂岩心的润湿性评价困难。所以，润湿性表征也由单因素和单一手段向多因素综合分析的方向发展。

润湿性在煤炭领域中有较多的研究成果，推荐阅读以下文章：

二氧化碳和氦气对煤润湿性的影响研究

压汞法和 CO2/N2 吸附法是传统、广泛应用的岩心孔径分布测试方法。

压汞法通过外压力的大小反映孔径的大小和孔喉分布，但在高压条件下会破坏岩石微观结构，部分孔隙数据会失真，因此测试范围主要包括样品中的大孔和部分介孔。 

气体吸附法虽然完善了对微孔-中孔（2~50nm）分布的表征，但对大孔（大于 100nm）监测范围有限，和压汞法同属于侵入岩心的有损测试。 

低场核磁共振测得的T2谱反映了岩样全部孔隙信息，同时保证样品不被破坏，因而被越来越广泛地使用。

①典型的T2 谱与孔径r的对应关系如下：

由上式可知，T2 分布反映了孔隙尺寸信息。具体而言， 谱线峰值越高、分布越窄， 代表该峰对应的孔隙占比约大、 孔隙分布越均匀。根据弛豫谱线的形状和走势，可以反演出双峰或多峰模型并用于计算小、大孔中的弛豫对总弛豫产生的贡献，研究孔隙网络的连通性。

②虽然相似地区或同一层位的岩样的表面弛豫率可近似相等， 但表面弛豫率和形状因子取值一般不具备普适性。可结合压汞曲线将 T2分布转化为孔径半径分布，根据压汞曲线与T2曲线的相似特征确定转换系数C值：

关于核磁共振T2孔径分布的分析，我们专栏写过很多很多文章，如果您想详细了解，请点击以下链接查看：

• 基于核磁沙砾岩油储全尺寸孔径分布研究

• 核磁“捕捉”水力压裂过程孔裂隙结构的动态演化

③核磁共振纳米孔隙分析法利用饱和流体凝固前后信号差异计算获得孔隙尺寸，避免了表面弛豫强度测量和顺磁物质对核磁信号的影响，该方法表征的孔隙范围较广，从4nm-1400nm之间，但是该方法对饱和液体性质要求较高。

关于核磁共振低温纳米孔隙分析法，请点击以下文章

• 新技术|一文带你理解核磁共振冻融纳米测孔法

• 全新的煤体孔隙结构测试-核磁低温纳米孔隙法

④根据氢质子自由扩散的特点，以氢核扩散系数为变量可用于研究岩石孔隙的几何形貌和连通特征，但该方法无法描述复杂的孔隙形状和氢核在孔隙网络中的扩散过程，只能给出极端状态下的孔隙尺寸和连通情况：

⑤结合T1、T2 和扩散系数D的二维弛豫模型，可在T1-T2或D-T2谱上能够观察到不同孔隙尺寸的多孔介质具有差异明显的信号分布：

⑥由于获取准确的表面弛豫率 ρ 困难， DDIF 序列通过内部场激发获得高特征态（n≥1） 弛豫信息和孔隙特征尺寸 a 的关系：

无论是获取孔径分布还是表征孔隙形状、连通性， 都需要利用充盈孔隙的水中的氢核探针去“触摸”孔壁， 结果受氢核弛豫行为控制，所以利用弛豫时间计算孔隙结构相关参数时对样品孔隙尺寸和连通情况也有严格要求。

孔隙流体识别（如图2所示） 是二维核磁共振技术在岩心分析领域最基本的应用。由于油、气、水扩散系数差异明显， D-T2二维分布可以区分这三种在岩石中的常见流体，弥补了一维 T2 谱中信号重叠的短板（如图3所示）。D-T2谱分布会因岩样组成和流体类型的不同而产生差异，所以在分离多相流体信号的基础上还可以估算流体黏度、 量化油气饱和度。

图2 D-T2谱上分离的油气水信号

图3 T2谱上重叠的油气水信号

当岩石孔隙中含氢流体分子量差异较大时， T1/T2 比值也会有很大差异， 因此， 除 D-T2 谱外， T1-T2 谱也能用于区分流体和孔隙中其他组成。Fleury对干燥页岩和饱和水页岩分别进行 T1-T2 测试， 获得的水和有机物质的不同信号响应如图4 所示。

图4 页岩孔隙流体在T1-T2谱上的分布

关于二维核磁共振技术，推荐阅读：

二维核磁共振的流体识别技术

在岩心浸泡、驱替、离心和干湿循环等实验基础之上，结合核磁谱线和成像技术，可以直接或间接反映多孔介质中流体分布变化情况，进一步分析孔隙结构变化，从而对常规和非常规能源开发生产中的各种现象进行研究。

第一类应用通过驱替前后核磁信号在空间分布的变化研究流体的形态分布特征和运移规律。如表 3 所示， 这类应用以核磁共振技术在提高采收率、 CO2 驱煤层气、 水合物合成与分解等方面的研究为代表，定性描述为主、 提供用于理论分析的客观支撑。

表3 基于核磁共振的流体运移过程与分布监测

含氢和不含氢的液体驱替介质的核磁信号差异强，成像观测效果好；而含氢气体驱替介质信号强度弱于液体，在真实岩样中受噪声影响更容易被丢失，而且实验观测时间较长。图 5 为煤对甲烷的吸附过程；图 6 为天然气水合物生成过程。

图5 核磁成像观测煤体甲烷吸附过程

关于流体的驱替过程，推荐阅读：

• 二氧化碳深部封存？核磁共振帮你了解

• 煤芯气-液两相流过程水分布的透明化呈现

• 核磁共振研究致密油纳米孔动态渗吸过程

图6 结合核磁成像和T2谱线分析水合物生成过程

第二类应用在获取流体分布和运移规律的基础上判断孔隙结构的变化。如表 4 所示。

表4 基于核磁共振的孔隙结构演化研究

岩石损伤类实验成像观测主要根据图像的亮斑和亮度直观、定性地认识和描述岩石内部孔隙演化和微裂缝的发育情况，如花岗岩的冻融损伤和页岩的水化损伤分别如图7和图8所示。可以借助 CT 扫描和数字岩心重构的方法辅助核磁共振技术开展类似研究。

图7 花岗岩40次冻融后核磁成像

图8 页岩不同浸泡时间核磁成像

关于磁共振成像在岩心损伤研究中的应用，推荐阅读：

• 冻融循环与动态力学加载耦合作用对砂岩微观结构的影响

• 核磁共振与热损伤