能源权威期刊综述：核磁共振技术揭开致密油启动运移规律的神秘面纱

2021-08-30 23:03:17, 西南石油魏教授苏州纽迈分析仪器股份有限公司

本期重磅推荐一篇综述文，是2021年刚刚发布在能源领域权威期刊《Energy》上的一篇文章，作者来自西南石油大学魏兵教授团队。

之所以重磅推荐，是因为本篇文章首次系统、全面的总结了核磁共振技术在致密油提高采收率领域研究进展，并指出了核磁共振在该方向未来的发展方向。

大家都知道综述类的文献信息量极大，而这篇发表在《Energy》上的文章其参考文献足足有138篇，内容涵盖应用原理、近十年相关研究整理、应用案例等。

图1.本文文章结构

注：魏兵教授团队近3年来采用纽迈核磁共振设备与技术在致密油藏提高采收率领域内连续发表了包括SPE Journal, Chemical Engineering Journal, Energy, Fuel等在内的多篇高水平论文。

一、研究背景

我国的致密油储量巨大，分布广泛，是我国最现实的石油接替资源。水平井多级压裂虽可解决初期产能问题，但地层能量衰竭快，单井产量迅速递减。因此，要提高致密资源的开发效益，必须依靠提高采收率（EOR）技术。

传统的致密油提高采收率室内研究方法由于受岩心物性的制约存在较大局限性。核磁共振（NMR）作为一种无损伤、快速、准确的测试分析技术，为致密油提高采收率理论研究提供了一条全新的途径。

图2.文献整理情况

本文全面梳理了近十年来国内外采用核磁共振技术研究致密油提高采收率理论的相关文献，对不同的研究方

进行了系统的总结，并指出了未来发展的方向。

二、方法原理

D-T₂流体区分的基本原理

多孔介质中的流体弛豫时间可以由以下公式描述：

式中：T_2,bulk -流体的体弛豫时间；T_2,surface -流体的表面弛豫时间；T_2,diffusion -流体的扩散弛豫时间。

相比于一维核磁共振技术，二维核磁共振技术在流体识别上可以提供更多的信息。对于等待时间 (T_W)，回波间隔 (T_E)，扩散系数 (D)，CPMG信号可以由以下公式描述：

式中：f_(d,T2)-质子数的二维分布；k1_(t,T2) 与k2_(t,TE,D) 是关于弛豫时间和扩散系数的核函数，分别表示为：

在梯度场中，具有一定回波间隔的CPMG的不同脉冲序列响应可以通过以下公式表述：

式中：T_Ek -第k个回波链的回波间隔；b_ik -第i个T_Ek 的信号量；f_ij -与弛豫时间（T_ij）和扩散系数（D_i）相关的信号量；γ -磁旋比；G -磁场梯度。

上式可以改写成以下形式：

b是由观测数据b_ik组成的向量，通过求解线性方程组A_x=b，可以计算信号振幅（f_ij）、横向弛豫时间（T_ij）和扩散系数（Di），并确定二维NMR谱（图3）。

图3.D-T2图谱

T₁-T₂流体区分的基本原理

弛豫时间T₁和T₂描述了恢复过程中的纵向和横向弛豫速度。纵向弛豫（自旋晶格弛豫）显示了磁化矢量（M）的纵向分量在一定时间后恢复到平衡状态的过程，用以下公式表示：

横向弛豫（自旋弛豫）显示了将M的横向分量恢复到初始平衡状态的过程，用以下公式表示：

式中：M₀表示射频（RF）脉冲作用前质子系统的纵向或横向磁化矢量；M_z(t)和M_xy_（t）分别表示时间t的纵向和横向磁化强度。

T₁由表面弛豫和体积弛豫组成，由以下公式表示：

T₂可通过CPMG序列获得，T₁可以通过逆恢复（IR）得到。结合IR和CPMG序列可以得到T₁-T₂序列。T₁-T₂图谱如图4所示。

图4.T1-T2图谱

三、应用案例

T₁-T₂图谱在致密油注CO₂吞吐实验中的应用

图5.致密油注CO₂吞吐实验结果

随着气驱的不断进行，T₁-T₂图谱中油相位置发生了明显的变化。因为CO₂会不断抽提原油中的轻质组分，使得剩余油组分相对变重，因此T₁-T₂图谱中油相的信号会越来越向左偏移。

核磁共振成像技术在致密油渗吸实验中的应用

实验结果表明，随着渗吸实验的进行，岩心裂缝附近的含油饱和度明显下降。而由于渗吸液中添加了表面活性剂，使得部分基质中的原油也得到了动用。通过核磁成像技术，可以清楚地观测到整个渗吸过程中岩心内含油饱和度的变化情况（图6）。

图6.核磁成像技术在渗吸实验中的应用

一维核磁共振技术在致密油气驱实验中的应用

图7.N₂驱过程中T2谱的变化以及采收率情况

实验结果表明，氮气驱最终采收率为35.12%，CO₂驱最终采收率约为38.40%（图7，图8），在本实验条件下（32 MPa、75 ℃），CO₂为超临界状态，具有较强的传质扩散能力，且实验压力高于原油与CO₂的最小混相压力（25.0 MPa），在CO₂驱过程中驱替前缘易形成混相；而N₂在同等条件下较难与原油混相，同时CO₂与原油之间的相互作用强于N₂，因此CO₂驱采收率高于N₂。

图8.CO2驱过程中T2谱的变化以及采收率情况

从本实验结果来看，N₂在小孔隙内驱油效果好于CO₂，原因是：实验所用岩心为低渗致密砂岩，孔隙多为微纳米级孔隙，CO₂与原油在小孔隙内未能实现混相，而N₂具有较强的保压能力，且其在原油中的溶解度远低于CO₂。在75 ℃、32 MPa条件下，N₂的分子直径、粘度、密度均小于CO₂，即在同等条件下，进入小孔隙的N₂分子较CO₂分子多，故N₂在小孔隙内的驱油效果优于CO₂驱（图9）。

图9.N2/CO2在不同孔隙内的驱油机理图

采用核磁共振研究气驱、水驱和化学驱之间的差异

图10.采用核磁共振技术研究致密油气驱、水驱、化学驱之间的差异

四、结论及展望

作为非常规油藏提高采收率领域常用的方法，气驱（N₂和CO₂）结合核磁共振技术取得了较好的效果。通过核磁共振技术深入的揭示了不同类型（裂缝/非裂缝）岩心中不同孔隙内原油的启动运移机制。然而，定量描述油气之间的相互作用过程仍需开展更多的研究。
渗吸结合核磁共振技术在致密油提高采收率领域内也取得了重要进展，但其精度在一些实验中需要提高。这也为核磁共振技术的创新以及致密油渗吸提高采收率机理的研究提供了更广阔的的发展空间。
尽管利用核磁共振技术研究非常规油藏储层的润湿性才刚刚兴起，存在很多局限性。但是这项技术在非常规油藏提高采收率领域展现出了巨大的应用潜力。
2D核磁共振技术在非常规油藏提高采收率领域的应用上同样面临很多挑战，仅能做有限的定性分析。但是2D核磁共振技术的发展可能会突破非常规油藏提高采收率理论的认识。此外，高频核磁共振技术也是将是未来发展的重要方向。