【文献解读】中石油勘探开发研究院丁彬团队《PETROL SCI TEC》：基于NMR的致密低渗岩心油水饱和度定量分析新方法

2023-12-23 10:50:42 苏州纽迈分析仪器股份有限公司

研究团队

中石油勘探开发研究院丁彬团队

研究内容

基于一维NMR技术的致密低渗岩心含油含水饱和度定量分析新方法

发表期刊

《Petroleum Science and Technology》

期刊信息

中科院分区

大类：工程技术

摘要

本文提出了一种基于一维核磁共振技术定量分析致密低渗岩心油水饱和度的新方法。

根据两组分临界相变温度的差异，可以区分油相和水相氢质子自旋弛豫信号的变化，从而无损地测量油水饱和度。

该方法，包括实验过程和数据分析，在测定致密低渗砂岩样品中油水成分的案例中得到了验证。通过比较25℃（盐水和油均为液相）和-15℃（盐水冻结为固相）温度下的T2弛豫谱，成功获得了致密低渗岩心中的油水饱和度。这对现场致密岩心样品的油水无损测试分析具有重要意义。

研究背景

多孔介质中的油水饱和度对油气储层开发的效果具有重要影响，是制定石油生产计划的重要因素。

目前，常用的致密岩心流体饱和度表征方法主要基于图像分析技术，包括切片技术、各类电镜扫描技术（SEM、ESEM、FIB-SEM）、CT扫描技术等等。这些技术或多或少的需要对样品进行切片，不仅破坏了多孔介质的原始状态，也使得切片层与层之间孔隙的相互作用发生丢失，同时还需要依赖经验丰富的实验操作人员，不可避免在一定程度上存在操作人员主观观察的偏差。

基于氢核磁性与外部磁场相互作用的原理，核磁共振（NMR）技术通过测量岩心孔隙中流体氢核弛豫信号的振幅和弛豫速率，进行数学反演重建弛豫谱，达到定量定性表征油水饱和度的目的。

核磁作为表征岩石物理特征非侵入性和非破坏性的技术，与SEM、CT等技术相比，更容易描述低渗多孔介质中大范围的孔径分布。

研究内容

核磁共振技术广泛用于表征石油天然气储层物性，最重要的应用之一是识别多孔介质中的流体分布。

然而，由于水信号与油气信号重叠，传统的一维核磁共振无法单独基于T2分布清晰区分复杂孔隙中的多流体组分。后续发展的二维核磁技术，如T1-T2、D-T2等二维核磁技术，与一维核磁共振相比，可以提供更丰富的地层信息，因此在流体类型测定应用方面具有明显优势。然而二维核磁技术存在检测低孔隙度和低渗透率储层无法获得高信噪比的问题，且面对一些复杂结构的岩心仍然存在油水信号不能完全区分的问题。

本文提出了一种新的一维核磁共振方法，根据岩心中不同的临界相变温度来区分不同的流体含量。

该新方法采用了一种能够在温度受控条件下测量含氢质子自旋弛豫的装置，利用该装置可以在多孔介质中某些流体组分的不同相态下进行NMR测量。为多孔介质中多组分流体饱和度的定量分析提供一种快速、准确、无损的方法。

图1 苏州纽迈低场核磁共振设备

实验使用的设备为苏州分析仪器股份有限公司提供的核磁设备，型号为：MesoMR23-060H-HTHP。

图中标号示意：1.控制柜；2.限压泵组；3.压力、温度显示单元；4.低温罐循环泵组；5.核磁共振仪器磁体；6.核磁共振操作控制单元；7.夹持器入口；8.夹持器出口。

实验流程

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在宽温度范围内进行核磁共振测量，并确定两个测量温度。其中一种组分可以从液相转移到固相，便于进一步量化程序。本文采用25℃和-15℃两种温度。在25℃时，岩心中的油和水均为液相，而在-15℃时，水已转变为固相；

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在25℃温度下对各种质量的油和水进行核磁共振测量，获得核磁共振信号与各成分质量之间的标准曲线；

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将待测岩心样品放入夹持器中，使系统温度保持在25℃约1小时，以达到温度平衡；

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进行核磁共振测量，获得岩心中油水液相的横向弛豫信号T2；

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用低温系统将温度调节至-15℃，并将系统温度维持在15℃约三小时，以达到温度平衡；

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进行核磁共振测量，获得岩心中液相油、固相水的横向弛豫信号T2；

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计算25℃和-15℃下两条T2曲线之间的信号，参考步骤（2.）中获得的标准曲线，获得岩心中油和水的质量。

图2 不同温度下油水的信号

对于实验流程1，图2分别描述了在-30℃至25℃的温度范围内，在5℃的温度间隔下，油水的T2核磁共振弛豫信号。

可以清楚地观察到，核磁共振信号在组分的不同阶段显著变化。在水为固相的-30℃至-5℃的温度范围内，核磁共振信号约为500，这在仪器噪声范围内，与整个温度范围内约8000的液相油信号相比，可以忽略不计。因此，根据图2，选择25℃和-15℃两个温度水平进行NMR测量。

在25℃时，两种组分都处于液相，而在-15℃时，水变为固体，通过核磁共振测量产生的信号可以忽略不计。因此，在两个不同的温度水平下，核磁共振测量可以清楚地区分油相和水相。

图3 25℃条件下油水信号的定标曲线

对于实验流程2，图3（a）和（b）分别显示了25℃时核磁共振信号与水和油质量之间的关系，其中两种组分均为液相。可以清楚地观察到，在液相中，两种流体在核磁共振信号和组分质量之间都显示出明显的线性关系。

图4 25℃和-15℃条件下的岩心核磁信号

对于3-7步骤的实验流程，图4为25℃（红点）和-15℃（蓝色三角形）下进行的核磁共振T2弛豫时间谱，根据实验流程表述用于计算岩心中的油水信号。

参考文献

[1] Xiangfei Geng, Bin Ding, et al. A novel method for quantitative analysis of brine and oil saturation in a sealed low permeable core based on one-dimensional (1D) NMR technique[J], Petroleum Science and Technology 2022, 40:13, 1578-1588.

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