Application Basis of Nuclear Magnetic Resonance Technology in the Unconventional Reservoirs
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摘要: 核磁共振技术在非常规油气藏应用解释中有较多争议.结合渗流流体的概念，提出了针对核磁共振图谱解释流体动用性质的新方法，并应用于非常规油气藏.研究表明：致密油和致密砂岩气藏岩心的核磁共振图谱左峰和右峰是连续而不是截然分开的，说明难动用流体与易动用流体的性质是连续渐变的，不是独立分开的；而页岩和煤层气藏岩心核磁共振图谱则反之.在非常规油气藏岩心中，难动用流体占主导地位，致密油和致密砂岩气藏岩心的易动用流体多于页岩和煤层气藏岩心.致密油和致密砂岩气藏的采出程度提高取决于易动用流体的采出；而页岩和煤层气藏的采出程度提高则取决于难动用流体的采出.Abstract: The application interpretation of nuclear magnetic resonance (NMR) technology in unconventional reservoirs has been very controversial. A new interpretation method of NMR spectrum is proposed and applied to the unconventional reservoirs combining with the concept of seepage fluid. The results show that the left peak and right peak of nuclear magnetic resonance spectrum in tight oil and gas sandstone cores are continuous rather than entirely separated, which indicates that the properties of the differences between the easy-to-produce fluid and the difficult-to-produce fluid is not completely separated. But the nuclear magnetic resonance spectrum of shale and coal bed methane (CBM) reservoir cores is opposite to the above mentioned results. In cores of unconventional reservoirs, the difficult-to-produce fluid dominates, and the easy-to-produce fluid in tight oil and gas sandstone cores is more than that of shale and CBM reservoir cores. The recovery degree of tight oil and gas sandstone reservoirs mainly increases in the easy-to-produce fluid extraction, but the recovery degree of shale and CBM reservoirs mainly increases in the difficult-to-produce fluid extraction.
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Key words:
- unconventional reservoirs /
- nuclear magnetic resonance /
- fluid /
- recovery degree /
- petroleum geology
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“十二五”以来，非常规油气资源在中国能源工业中的地位愈发重要(王生维等，1995；孙赞东等，2011；赵政璋等，2012；邹才能等, 2013, 2015；吴松涛等，2015；郭迎春等，2016).经初步评价，中国非常规石油资源量为2.23×1010~2.63×1010 t，非常规天然气资源量为8.90×1014~1.26×1015 m3；其中，致密油可采资源量为2.0×109~2.5×109 t，致密砂岩气藏、埋深1 500 m以上的煤层气藏和页岩气藏可采资源量分别为9.0×1012~1.3×1013 m3、1.09×1013 m3左右和1.0×1013~2.5×1013 m3.致密油气、煤层气和页岩气等已成为勘探开发的重点领域，非常规资源开发初见成效.截止到2014年底，中国致密气产量为3.6×1010 m3，占天然气总产量的27%左右；煤层气产量为3.6×109 m3，页岩气产量为1.3×109 m3，长庆油田也已建成了具有106 t的致密油产能规模.
核磁共振技术作为一个快速无损检测技术越来越受到人们的重视，在非常规油气藏领域得到了广泛的应用.利用核磁共振技术可快速得到岩石孔隙度、渗透率、油水饱和度等多项关键物性参数(Wang et al., 1996；王为民等，2001; Mai and Kantzas, 2002；肖立志等，2012；孙军昌，2013)，其在定量研究孔隙介质的表面性质(如润湿性)等方面也有独特的优势(周波等，2004；孙军昌，2013)，可动流体百分数是目前核磁共振技术测试应用较广泛的一项重要参数，在评价低渗透油气田开发潜力方面起到了重要作用(王为民等，2001；杨正明等, 2007, 2008, 2009, 2012；张亚蒲等，2010；张仲宏等，2012).可动流体量通常利用束缚水双峰模型计算获得，该模型假定束缚水占据小孔隙(对应T2谱左峰)，可动流体占据大孔隙(对应T2谱右峰)，设想有一个确切T2截止值，小于该值的T2图谱对应束缚流体，大于该值的T2图谱对应可动流体.大量实验表明，小于T2截止值的T2谱对应的流体也不完全不可动.笔者在应用时，对以前的核磁共振基本原理进行了梳理，并结合渗流流体的概念，提出了新的核磁共振图谱解释方法.
1. 岩心核磁共振图谱解释新方法
核磁共振(nuclear magnetic resonance，简称NMR)是某些具有自旋磁矩的原子核在外加磁场作用下，吸收特定频率的电磁波，从而改变能量状态的现象.核磁共振技术在石油勘探开发中应用时，通过对岩样进行核磁共振测试，快速获得储层渗透率、孔隙度、含油饱和度、可动流体百分数和可动水饱和度等物性和流体参数，为有效储层的划分、评价与油水层识别等提供了有效的方法和手段.
图 1为长庆典型致密油岩样(空气渗透率为0.21 mD)饱和水及不同离心力的核磁共振谱.当在饱和水状态时，岩心中测试的核磁共振图谱为双峰结构，这种结构在低渗/致密油气藏的岩心中较为普遍.很多学者将其中的T2弛豫时间转化为孔喉半径大小，将核磁共振图谱转化为孔喉半径分布图，从而认为在图中的右峰部分是大孔喉所占据的空间特征，左峰为小孔喉所占据的空间特征.但这种解释无法回答在左峰和右峰之间为什么会出现明显的凹陷，高压压汞测试的孔喉分布特征曲线结果也不支持以上的解释(孟智强，2014).
图 1 饱和水及不同离心力条件下典型致密油岩样核磁共振谱图中红线的左边为难动用流体；红线的右边为易动用流体Fig. 1. NMR spectrum of water saturated and after different centrifugal force in typical tight oil sample黄延章(1998)提出了渗流流体概念，他将多孔介质流体分为边界流体和体相流体.边界流体为流体性质受界面影响的流体，分布在孔道壁上，形成边界层；体相流体是流体性质不受界面影响的流体，分布在多孔介质孔道的中轴部位.因此，边界流体和体相流体的性质是不同的.实验表明：在25 ℃条件下的试管中，水表现为体相流体，其T2弛豫时间为3 500 ms；而在淤泥的微孔隙中，水表现为边界流体，其T2弛豫时间小于0.3 ms.而在致密岩心中核磁共振的图谱基本上是小于1 000 ms，因此，在致密岩心中的流体性质介于体相流体和边界流体，用T2弛豫时间图谱来将流体划分为相对易动用流体(简称易动用流体)和相对难动用流体(简称难动用流体).在图 1和表 1中还可以看出，在不同的离心力下所采出的易动用流体和难动用流体是不同的；随着离心力的增大，所采出的易动用流体和难动用流体越来越多.在0.14 MPa离心力下，采出的大多数是易动用流体，采出的易动用流体占总流体体积的5.74%，而采出的难动用流体占总流体体积的0.94%；在2.74 MPa离心力下，采出的易动用流体占总流体体积的44.15%，而采出的难动用流体占总流体体积的13.66%.因此，在一定的压差下，可以采出易动用流体，也可以采出难动用流体，这些结论与前人的研究一致(徐绍良和岳湘安，2007).从图 1中也可以看出：随着离心力的增大，致密油中采出的易动用流体要多于难动用流体.因此，对于致密砂岩油气藏来说，提高其采出程度，重要的是提高易动用流体的采出程度.
表 1 不同离心力下所采出易动用流体和难动用流体占总流体的百分数Table Supplementary Table The percentage of body fluid and boundary fluid of total fluid produced by different centrifugal force离心力(MPa) 采出流体占总流体的百分数(%) 易动用流体 难动用流体 0.14 5.74 0.94 0.27 19.42 2.39 1.37 39.10 9.81 2.74 44.15 13.66 因此，笔者将图 1图谱右峰部分定义为易动用流体，左峰部分定义为难动用流体的提法，与过去将右峰部分定义为可动流体，左峰部分定义为不可动流体的提法相比更科学.
2. 岩心核磁共振研究
2.1 致密油岩心核磁共振研究
选取中石油某一典型致密油藏5块实验样品进行核磁共振测试，核磁共振实验利用Reccore-04型岩心核磁共振分析仪完成(测试参数：等待时间为3 000 ms；回波间隔为600 μs；回波个数为1 024；扫描次数为64；增益为40 db)，常规气测孔渗利用KSL-Ⅱ型孔渗联测仪完成，岩心饱和水的装置为低渗致密岩样专用的抽真空加压饱和装置，保证岩样饱和水后岩石孔隙内被水充满(下文中涉及的核磁及常规实验所用设备、测试条件与此相同).岩石基本物性数据和测试结果如表 2和图 2所示.
表 2 5块实验样品的物性数据和测试结果Table Supplementary Table The physical properties and test data of 5 experimental samples序号 长度(cm) 直径(cm) 孔隙度(%) 渗透率(mD) 易动用流体所占流体比例(%) 难动用流体所占流体比例(%) 1 3.240 2.52 1.62 0.000 49 0.31 99.69 2 2.520 2.46 7.79 0.012 00 23.38 76.62 3 2.523 2.49 6.42 0.070 00 42.56 57.44 4 2.520 2.48 6.54 0.167 00 51.15 48.85 5 2.522 2.38 10.57 0.212 00 51.61 48.39 
图 2 不同渗透率致密油岩样的核磁共振图谱Fig. 2. NMR spectrum in different permeability cores from tight oil reservoir从图 2和表 2中可以看出：(1) 随着渗透率的降低，岩心核磁共振的右峰逐渐降低，易动用流体所占流体比例急剧降低，难动用流体所占流体比例急剧上升.当致密岩心渗透率为0.000 49 mD时，T2谱没有右峰，只有一个左峰，易动用流体所占流体比例仅为0.31%，难动用流体所占流体比例为99.69%；当致密岩心为0.212 00 mD时，易动用流体所占流体比例为51.61%，难动用流体所占流体比例为48.39%.(2) 在致密油藏岩心中，核磁共振图谱的左峰和右峰不是截然分开的，是紧密相联的，说明难动用流体与易动用流体的性质有差异，但不大.
2.2 致密砂岩气岩心核磁共振研究
6块实验样品取自中石油典型致密砂岩气藏，其岩石物性数据和测试结果如图 3和表 3所示.从图 3中可以看出：(1) 随着岩心越致密，即渗透率越低，核磁共振图谱右峰逐渐降低，说明在岩心中易动用流体所占比例越来越少，难动用流体所占比例越来越多.当渗透率为0.430 0 mD时，易动用流体所占比例为49.33%，难动用流体所占比例为50.67%；当渗透率为0.085 0 mD时，易动用流体所占比例为43.95%，难动用流体所占比例为56.05%；当渗透率为0.001 2 mD时，易动用流体所占比例为0%，难动用流体所占比例为100%.(2) 致密气藏岩心中的核磁共振图谱的左峰和右峰形态分布规律同致密油岩心类似，说明二者难动用流体与易动用流体的性质也类似.
图 3 不同渗透率致密砂岩气藏岩样的核磁共振图谱Fig. 3. NMR spectrum in different permeability cores from tight sandstone gas reservoir表 3 6块实验样品的物性数据和测试结果Table Supplementary Table The physical properties and test data of 6 experimental samples序号 长度(cm) 直径(cm) 孔隙度(%) 渗透率(mD) 易动用流体所占流体比例(%) 难动用流体所占流体比例(%) 1 3.240 2.52 1.62 0.001 2 0 100 2 2.520 2.46 7.79 0.003 8 16.87 83.13 3 2.523 2.49 6.42 0.011 0 35.50 64.50 4 2.520 2.48 6.54 0.085 0 43.95 56.05 5 2.522 2.38 10.57 0.120 0 45.26 54.74 6 2.523 2.41 12.46 0.430 0 49.33 50.67 2.3 页岩气岩心核磁共振研究
5块实验样品取自中石油典型页岩气藏，其岩石物性数据和测试的核磁共振图像如表 4和图 4所示：(1) 不同渗透率的页岩岩心饱和水后测试其核磁共振图谱呈现2种类型.第一种类型页岩岩心核磁T2呈左单峰态分布，表明此类页岩样品只含有一定量的难动用流体，基本不含易动用流体，如渗透率为0.000 854 mD的岩心；第二种类型页岩岩心核磁T2谱除了有一个基本对称的左峰外，还有一个孤立的右峰，且峰值很小，表明此类样品中易动用流体和难动用流体性质在页岩中差异较大，难动用流体很难变成易动用流体；随着渗透率的变大，右峰逐渐变大.(2) 随着岩心越致密，岩心中易动用流体所占比例越来越少，难动用流体所占比例越来越多.
表 4 5块实验样品的物性数据和测试数据Table Supplementary Table The physical properties and test data of 4 experimental samples序号 长度(cm) 直径(cm) 渗透率(mD) 易动用流体所占流体比例(%) 难动用流体所占流体比例(%) 1 3.38 2.51 0.000 854 0 100 2 3.25 2.52 0.002 968 1.97 98.03 3 3.32 2.51 0.022 447 2.96 97.04 4 3.33 2.51 0.121 304 3.52 96.48 5 3.35 2.51 0.589 073 12.62 87.38 以一块页岩岩心为例，测试饱和水及不同离心力下的核磁共振图谱，测试结果如图 5和表 5所示：(1) 在不同的离心力下所采出的易动用流体和难动用流体是不同的，随着离心力的增大，所采出的易动用流体和难动用流体越来越多.在1.38 MPa离心力下，采出的易动用流体占总流体体积的4.15%，而采出的难动用流体占总流体体积的6.43%；在2.06 MPa离心力下，采出的易动用流体占总流体体积的7.73%，而采出的难动用流体占总流体体积的14.23%.(2) 随着离心力的增大，采出的易动用流体保持不变，主要来自于难动用流体.如当离心力从2.06 MPa增加到2.76 MPa时，采出的易动用流体占比保持不变，而采出的难动用流体则增加了7.51个百分点.因此，提高页岩油藏的采出程度在于提高难动用流体的采出程度.
图 5 典型致密页岩岩样饱和水及不同离心力的核磁共振图谱Fig. 5. NMR spectrum of water saturated and after different centrifugal force in typical shale samples表 5 不同离心力下所采出易动用流体和难动用流体占总流体的百分数Table Supplementary Table The percentage of body fluid and boundary fluid of total fluid produced by different centrifugal force离心力(MPa) 采出流体占总流体的百分数(%) 易动用流体 难动用流体 1.38 4.15 6.43 2.06 7.73 14.23 2.76 7.73 21.74 2.4 煤层气岩心核磁共振研究
5块实验样品取自中石油典型煤层气藏，其岩石物性数据和测试结果如表 6和图 6所示：(1) 不同渗透率的煤层气藏岩心饱和水后测试其核磁共振图谱呈现两个峰，且不连通.表明此类样品中易动用流体和难动用流体性质差异较大，难动用流体很难变成易动用流体；随着渗透率的变大，右峰逐渐变大.(2) 随着岩心越致密，岩心中易动用流体所占比例越来越少，难动用流体所占比例越来越多.
表 6 实验样品的物性数据及测试数据Table Supplementary Table The physical properties and test data in different experimental samples岩心 井号 孔隙度(%) 渗透率(mD) 易动用流体所占流体比例(%) 难动用流体所占流体比例(%) 1 晋试8井 1.36 0.088 4.61 95.39 2 晋试9井 2.95 0.182 5.45 94.55 3 晋试11井 4.70 0.781 7.42 92.58 4 晋试12井 4.80 1.124 8.77 91.23 5 晋试7井 2.23 1.824 21.17 78.83 表 7给出不同油气藏核磁共振特征对比.从表 7可看出：致密油和致密砂岩气藏岩心T2谱呈连续的双峰或单峰结构，易动用流体比例低或相对较高，难动用流体比例高或相对较低；而页岩和煤层气藏岩心T2谱呈单峰或不连续的双峰结构，易动用流体比例很低或较低，难动用流体比例很高或较高.
表 7 不同类型油气藏核磁共振特征对比Table Supplementary Table Comparison of NMR characteristics in different type reservoirs油气藏类型 T2谱特征 易动用流体比例 难动用流体比例 致密油 连续的双峰或单峰 低或相对较高 高或相对较低 致密砂岩气 连续的双峰或单峰 低或相对较高 高或相对较低 页岩 单峰或不连续的双峰 很低或较低 很高或较高 煤层气 单峰或不连续的双峰 很低或较低 很高或较高 3. 结论
(1) 结合渗流流体概念，笔者提出了针对核磁共振图谱解释流体动用性质的新方法，即将核磁共振图谱的右峰部分定义为易动用流体，左峰部分定义为难动用流体，这种提法与过去将右峰部分定义为可动流体，左峰部分定义为不可动流体的提法相比更科学.
(2) 致密油和致密砂岩气藏岩心的核磁共振图谱，其左峰和右峰不是截然分开的，说明难动用流体与易动用流体性质不是完全分开的；而页岩和煤层气藏岩心核磁共振图谱，其左峰和右峰是截然分开的，表明此类样品中易动用流体和难动用流体性质差异较大，难动用流体很难变成易动用流体.
(3) 在非常规油气藏岩心中，难动用流体占主导地位，易动用流体较少；致密油和致密砂岩气藏岩心的易动用流体要多于页岩和煤层气藏岩心，而难动用流体分布规律则相反.
(4) 不同离心力的核磁共振图谱表明：致密油和致密砂岩气藏的采出程度提高在于易动用流体的采出；而页岩和煤层气藏的采出程度提高在于难动用流体的采出.
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图 1 饱和水及不同离心力条件下典型致密油岩样核磁共振谱
图中红线的左边为难动用流体；红线的右边为易动用流体
Fig. 1. NMR spectrum of water saturated and after different centrifugal force in typical tight oil sample
图 2 不同渗透率致密油岩样的核磁共振图谱
Fig. 2. NMR spectrum in different permeability cores from tight oil reservoir
图 3 不同渗透率致密砂岩气藏岩样的核磁共振图谱
Fig. 3. NMR spectrum in different permeability cores from tight sandstone gas reservoir
图 5 典型致密页岩岩样饱和水及不同离心力的核磁共振图谱
Fig. 5. NMR spectrum of water saturated and after different centrifugal force in typical shale samples
表 1 不同离心力下所采出易动用流体和难动用流体占总流体的百分数
Table 1. The percentage of body fluid and boundary fluid of total fluid produced by different centrifugal force
离心力(MPa) 采出流体占总流体的百分数(%) 易动用流体 难动用流体 0.14 5.74 0.94 0.27 19.42 2.39 1.37 39.10 9.81 2.74 44.15 13.66 
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表 2 5块实验样品的物性数据和测试结果
Table 2. The physical properties and test data of 5 experimental samples
序号 长度(cm) 直径(cm) 孔隙度(%) 渗透率(mD) 易动用流体所占流体比例(%) 难动用流体所占流体比例(%) 1 3.240 2.52 1.62 0.000 49 0.31 99.69 2 2.520 2.46 7.79 0.012 00 23.38 76.62 3 2.523 2.49 6.42 0.070 00 42.56 57.44 4 2.520 2.48 6.54 0.167 00 51.15 48.85 5 2.522 2.38 10.57 0.212 00 51.61 48.39
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表 3 6块实验样品的物性数据和测试结果
Table 3. The physical properties and test data of 6 experimental samples
序号 长度(cm) 直径(cm) 孔隙度(%) 渗透率(mD) 易动用流体所占流体比例(%) 难动用流体所占流体比例(%) 1 3.240 2.52 1.62 0.001 2 0 100 2 2.520 2.46 7.79 0.003 8 16.87 83.13 3 2.523 2.49 6.42 0.011 0 35.50 64.50 4 2.520 2.48 6.54 0.085 0 43.95 56.05 5 2.522 2.38 10.57 0.120 0 45.26 54.74 6 2.523 2.41 12.46 0.430 0 49.33 50.67
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表 4 5块实验样品的物性数据和测试数据
Table 4. The physical properties and test data of 4 experimental samples
序号 长度(cm) 直径(cm) 渗透率(mD) 易动用流体所占流体比例(%) 难动用流体所占流体比例(%) 1 3.38 2.51 0.000 854 0 100 2 3.25 2.52 0.002 968 1.97 98.03 3 3.32 2.51 0.022 447 2.96 97.04 4 3.33 2.51 0.121 304 3.52 96.48 5 3.35 2.51 0.589 073 12.62 87.38
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表 5 不同离心力下所采出易动用流体和难动用流体占总流体的百分数
Table 5. The percentage of body fluid and boundary fluid of total fluid produced by different centrifugal force
离心力(MPa) 采出流体占总流体的百分数(%) 易动用流体 难动用流体 1.38 4.15 6.43 2.06 7.73 14.23 2.76 7.73 21.74
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表 6 实验样品的物性数据及测试数据
Table 6. The physical properties and test data in different experimental samples
岩心 井号 孔隙度(%) 渗透率(mD) 易动用流体所占流体比例(%) 难动用流体所占流体比例(%) 1 晋试8井 1.36 0.088 4.61 95.39 2 晋试9井 2.95 0.182 5.45 94.55 3 晋试11井 4.70 0.781 7.42 92.58 4 晋试12井 4.80 1.124 8.77 91.23 5 晋试7井 2.23 1.824 21.17 78.83
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表 7 不同类型油气藏核磁共振特征对比
Table 7. Comparison of NMR characteristics in different type reservoirs
油气藏类型 T2谱特征 易动用流体比例 难动用流体比例 致密油 连续的双峰或单峰 低或相对较高 高或相对较低 致密砂岩气 连续的双峰或单峰 低或相对较高 高或相对较低 页岩 单峰或不连续的双峰 很低或较低 很高或较高 煤层气 单峰或不连续的双峰 很低或较低 很高或较高
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