综述：核磁驱替技术分析沉积岩结构和内部流体流动的进展

不同岩石系统中的流体行为不同。储层之间的非均质性、润湿性差异，特别是目前研究的热点非常规储层具有超低孔低渗差异和极差的孔隙连通性，这些特性使得分析地下流体和岩石系统的相互作用变得相当复杂。核磁共振岩心驱替技术是研究地下流体-岩石系统相互作用的一种有效手段。

核磁共振岩心驱替系统是实验室尺度研究地下岩石在储层条件下流体行为的有效技术方法，可以观察驱替过程中注入流体前缘和羽流在多孔岩石中的运移。典型的核磁共振岩心驱替系统如图1所示：

图1.核磁共振岩心驱替系统示意图(Chen et al., 2018; Xu et al., 2020; and Zhao et al., 2020)

核磁共振实验应用不同的脉冲序列和一维或多维技术来分析岩石地层内的流体行为，包括弛豫时间测量、T₁-T₂实验和扩散实验。

弛豫时间测量主要测定岩石样品孔隙内流体的纵向弛豫时间（T₁）和横向弛豫时间（T₂）。其中，T₁可以用Inversion recovery (IR)序列测定，T₂可以用CPMG 系列测定。这两种序列的示意图如下所示（图2）：

图2.（a）为FID序列，（b）为IR序列， (c)为CPMG序列。

T₁-T₂实验可以通过IR–CPMG，SR-CPMG, DE-CPMG等脉冲序列进行实验分析。典型的IR-CPMG脉冲序列以及纽迈核磁共振测试仪得到的T₁-T₂实验结果如图3所示：

图3.（a）IR-CPMG脉冲序列以及（b）T1-T2实验结果。

扩散实验结合了射频脉冲和磁场梯度。扩散实验常采用的脉冲序列有pulse gradient spin echo (PGSE)序列、pulse field gradient stimulated echo（PFG-STE）序列、bipolar pulse longitudinal eddy current delay（BPP-LED）序列以及asymmetric bipolar stimulated echo (ABP-STE)等序列。图4列举了几种常见的进行扩散实验测试的核磁脉冲序列。

图4.三种一维扩散实验序列:（a）PGSE序列; （b）PFG-STE序列; （c）AP-STE序列

孔隙度是孔隙体积与岩石样品的体积之比。利用核磁共振技术测量的岩心孔隙度以及孔径分布具有高效无损等优点。其原理是通过测定样品的T₁或T₂谱并对其进行解释。

一般来说，较大的弛豫时间对应岩石中的大孔隙；较小的弛豫时间对应岩石中的小孔隙。Zeng et al. (2020) 认为T₂弛豫时间范围为0.01 ~ 0.7 ms和0.7 ~ 30 ms的孔隙分别代表有机质微孔和大孔。Liu et al. (2016)分析了大港油田岩心样品的孔径分布，发现孔径小于2 μm的小孔隙的T₂<10 ms，中等孔径(孔径为2-10 μm)的孔有10 ms≤T₂≤50 ms，而孔径大于10 μm的大孔的T₂>50 ms。

利用核磁共振岩心驱替技术可以测定岩石样品的渗透率，但由于天然岩石的复杂性，目前没有一个简洁统一的模型能归纳渗透率和弛豫时间的关系。在渗透率模型中，往往需要借助常规测渗手段来得到核磁渗透率模型中的一些参数。表1总结了前人总结的核磁渗透率模型。

表1.常用的核磁渗透率模型

岩石孔隙内流体的运移和扩散在很大程度上取决于润湿性，地下地层中可采出的流体(水、油或气)的数量在很大程度上取决于润湿性。孔隙流体对核磁共振的反应是不同的，可以利用核磁共振技术（T₁与T₂比值）判定岩石的润湿性。其中A为润湿指数。

利用核磁共振技术可以分析岩石内部孔隙流体饱和度，以及储层在采油或采水之后的残余饱和度。通过T₂谱可以进行孔隙流体饱和度的计算以及流体分布的分析。如下图5所示：

图5.残余油饱和度随注入压力的增加而减少

在多孔介质中，流体的T₁/T₂是不同的。孔隙类型不同，T₁/T₂也不同。因此，T₁-T₂谱可以用来分辨：多孔介质内只有单相流体时，流体的赋存状态；以及多相流体存在时，流体的种类。具体如下图6所示：

图6.T₁-T₂ 二维谱 (a) 油信号 (b) 水信号. (c) 多组分流体信号 (d)多组分流体在不同孔隙中信号也不同

扩散实验基于不同种流体包括油、水和气具有不同的扩散系数进行流体识别。D-T₂ 二维谱揭示了每种流体相有不同的信号位置，扩散实验还可以弥补T₁-T₂测量中信号重叠的问题。

图7.D-T2二维谱显示了相对于油(橙色线)、水(蓝色线)和气体(绿色线)扩散系数的体积自扩散常数线、不同流体相的位置

最近，基于改进的随机游动流体相识别技术进行了核磁共振测量的三维测量。结合T₁-T₂ 二维谱和D-T₂二维谱的三维投影识别可以得到更多的流体信息。如下图所示：

图8. T₁-T₂-D三维谱流体识别