楊楊,孫建孟,崔瑞康,周賢斌

(1.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院,四川成都610056;2.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島266580;3.中石化經(jīng)緯有限公司華北測控公司,河南南陽473132)

0 引 言

非常規(guī)油氣藏在成藏機理和油氣藏特征等方面與常規(guī)油氣藏有區(qū)別,它是不能通過傳統(tǒng)技術獲得自然工業(yè)產(chǎn)量的連續(xù)或準連續(xù)型油氣礦藏[1-2]。與砂巖等常規(guī)儲層相比,頁巖氣儲層孔喉半徑小、孔隙結構復雜,常規(guī)測試方法很難表征頁巖氣儲層的孔隙結構[3-4]。

國際純化學和應用化學聯(lián)合會將頁巖孔隙劃分為3類:微孔(孔隙半徑<2.0 nm)、介孔(孔隙半徑2.0～50.0 nm)、大孔(孔隙半徑>50.0 nm),現(xiàn)階段表征頁巖孔隙結構的實驗方法主要有圖像分析法、流體注入法和非流體注入法[5-8]。近年來,國內(nèi)外大量專家學者開展了利用核磁共振弛豫技術表征儲層孔隙結構的研究。Ausbrooks等[9]首次利用核磁共振有效弛豫率構建了核磁共振T2譜與孔隙半徑之間的分布關系曲線。Yakov等[10]提出可以利用橫向弛豫時間T2與巖心刻度的毛細管壓力轉(zhuǎn)換,得到核磁共振T2譜與孔隙尺寸之間的轉(zhuǎn)換關系。張超謨等[11-16]也做過核磁共振T2譜評價儲層孔隙結構以及核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換為孔隙分布的研究。總體來說,前人將核磁共振T2譜通過由壓汞實驗獲得的毛細管壓力曲線轉(zhuǎn)換為儲層的孔隙分布。但是壓汞實驗存在一些缺陷,其測量下限較大,主要是測量大孔(孔隙半徑>50.0 nm)分布,對頁巖等致密地層不適用[17];測量過程中會對巖心造成人為破壞。這些缺陷會使得核磁共振T2譜利用毛細管壓力曲線轉(zhuǎn)換儲層孔隙分布時存在較大誤差。

核磁共振凍融法本質(zhì)上是熱力學方法,通過流體中的凍結熔融相變研究納米尺度下的動力學變化,進而確定多孔材料的孔隙分布[18-20]。核磁共振凍融法孔隙半徑測量范圍在2.0～1 000.0 nm[21],適合頁巖等致密地層,在測量過程中無損、快速,但是在頁巖孔隙研究方面應用較少,僅有部分學者開展了相關嘗試實驗。張倩等[22]利用不同孔隙半徑的標準材料將核磁共振凍融法、壓汞法和氮氣吸附法對比,并對比研究了塊樣和碎樣之間的孔隙結構,為頁巖微觀孔隙研究提供了借鑒。李志清等[21,23-25]開展了頁巖的核磁共振凍融法實驗,將實驗結果與壓汞法、氮氣吸附法、核磁共振弛豫測量法和聚焦離子束掃描電鏡技術結果對比,探究了核磁共振凍融法的適用性和頁巖的微觀孔隙結構。但目前還鮮見核磁共振弛豫法與核磁共振凍融法結合表征深層頁巖有機孔孔隙分布以及利用測井資料表征儲層孔隙分布和有機孔孔隙度研究。

本文對四川盆地瀘州地區(qū)龍馬溪組深層頁巖開展核磁共振弛豫實驗和凍融實驗,研究核磁共振橫向弛豫T2譜和核磁共振凍融實驗獲得的孔隙分布之間的轉(zhuǎn)換關系以及四川盆地瀘州地區(qū)龍馬溪組海相頁巖的有機孔分布特征,并通過測井資料計算有機孔相關信息,以期為深層頁巖氣標定孔隙分布提供一種新的途徑。

1 樣品選擇和實驗

1.1 樣品選擇

選取四川盆地瀘州地區(qū)A井11塊巖心,巖心為龍馬溪組和五峰組頁巖,取樣深度4 014～4 120 m。頁巖樣品總有機碳含量介于2.09%～5.31%,平均值為3.69%,表明研究區(qū)有機碳含量較高,且不同深度差別較大;頁巖樣品孔隙度介于4.17%～8.09%,平均值為5.84%,表明研究區(qū)地層物性較好。

1.2 核磁共振凍融實驗

實驗儀器型號為NMRC12-010V-T,其主體是一套帶有低溫裝置的核磁共振系統(tǒng),系統(tǒng)所用磁體為永磁體,主頻率11.8 MHz,探頭線圈尺寸10.0 mm,儀器死時間為60.0 μs。以盡量增大信噪比為前提選擇儀器的基本參數(shù):90°脈沖寬度4.0 μs,180°脈沖寬度8.0 μs,采樣頻率250.0 kHz,回波間隔0.1 ms。

制冷方式采用液體循環(huán)降溫,溫度媒介為電子氟化液FC770,冷源為-60.0 ℃的低溫冷槽,通過外循環(huán)控制溫度,并為樣品提供一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境,儀器的控溫范圍-35.0～10.0 ℃,溫度波動±0.02 ℃。

1.3 核磁共振弛豫實驗

巖心核磁共振弛豫實驗采用MesoMR巖心核磁共振成像分析儀測量,儀器主要工作參數(shù):測試溫度32.0 ℃,工作頻率21.3 MHz。該儀器具有測試速度快、重復測量穩(wěn)定性好、信噪比高等特點。90°脈沖、180°脈沖可由宏命令自動搜尋;回波間隔任意可調(diào),實驗選取0.1 ms;等待恢復時間、接收增益、回波串長度等任意可調(diào)。該實驗基本測試參數(shù):回波間隔為0.1 ms,等待時間為10.0 s,回波數(shù)為2 048,掃描次數(shù)為64。

2 孔隙半徑轉(zhuǎn)換的理論分析和推導

核磁共振凍融技術利用孔隙半徑尺寸與孔隙內(nèi)部液體凝固溫度之間的關系測量和計算介質(zhì)內(nèi)的孔隙分布,測量范圍為2.0～1 000.0 nm。Gibbs-Thompson方程組是核磁共振凍融技術計算介質(zhì)孔隙的基礎,可以表示孔內(nèi)晶體熔點變化

ΔTm=Tm-Tm(rc)=4σTm/rcρΔHf

(1)

式中,ΔTm為孔內(nèi)晶體熔點變化量,K;Tm為材料的熔點,K;rc為孔隙半徑,nm;Tm(rc)為半徑為rc的晶體的熔點,K;σ為固液界面的表面能,mJ/m2;ΔHf為材料的熔化熵,J/(mol·K);ρ為表面弛豫率,10-7rad·S-1·T-1。

在實驗時,對于同一物質(zhì),式(1)等號右側除孔隙半徑之外其他參數(shù)都可以看作常數(shù),式(1)可以簡化為

ΔTm=KGT/rc

(2)

式中,KGT為常數(shù),無量綱,與液體本身特性有關。在實驗過程中只需要確定常數(shù)KGT,將溫度轉(zhuǎn)換為孔隙半徑,進而求得介質(zhì)的孔隙分布。

根據(jù)核磁共振弛豫理論可知,在介質(zhì)的孔隙空間里,巖石的表面弛豫可以表示為

(3)

式中,T2為橫向弛豫時間,ms;T2B為流體的自由弛豫時間,ms;T2S為表面弛豫時間,ms;D為流體擴散系數(shù),μm2/ms;γ為核旋磁比,MHz/T;G為磁場梯度,Gs/cm;TE為回波間隔,ms。

當介質(zhì)中有且僅有一種流體時,式(3)可以簡寫為

(4)

式中,S為孔隙表面積,cm2;V為流體體積,cm3;S/V為比表面積,cm-1。

將介質(zhì)的孔隙結構簡化成柱狀或者球狀,式(4)可以簡化為

(5)

式中,Fs為孔隙形狀因子(球形為3,柱狀為2),無量綱。

在實際地層中,由于地層孔隙結構復雜,通過大量的實驗結果分析發(fā)現(xiàn),T2與rc不是簡單的正比關系,而是呈現(xiàn)冪函數(shù)關系[14]。

(6)

式中,n為轉(zhuǎn)換系數(shù),無量綱。

因為孔隙半徑是孔喉半徑和孔喉比之間的乘積,式(6)可以轉(zhuǎn)換為

(7)

式中,a1為孔喉比,無量綱;rt為孔喉半徑,nm。

(8)

式中,C為橫向轉(zhuǎn)換系數(shù),無量綱。根據(jù)式(8)求得C和n值就可完成T2和rc之間的轉(zhuǎn)換。

由于實際測量中無法直接測量C和n這2個參數(shù)值,因此,該研究根據(jù)核磁共振T2譜和核磁共振凍融結果的相關性,利用核磁共振凍融實驗獲得的孔隙分布曲線刻度核磁共振T2譜來獲得轉(zhuǎn)換系數(shù)C值和n值。

3 實驗結果分析

3.1 核磁共振弛豫實驗數(shù)據(jù)與凍融實驗數(shù)據(jù)

研究區(qū)全部樣品不同狀態(tài)的核磁共振T2譜如圖1所示,可以看出不同狀態(tài)的頁巖孔隙分布存在著明顯的差異。如圖1(a)所示頁巖干樣核磁共振弛豫信號主要集中在3.0 ms附近,此時的信號主要由固體有機質(zhì)和黏土束縛水產(chǎn)生,頁巖黏土含量越高,干樣核磁共振弛豫信號越強,這表明此時核磁共振弛豫信號都是由黏土束縛水引起的;部分頁巖在10.0 ms左右仍有核磁共振弛豫信號,可能是因為大孔隙內(nèi)水未完全蒸發(fā)造成的。圖1(b)所示頁巖在經(jīng)過21.0 MPa加壓飽和水之后,水進入了孔隙之中,核磁共振弛豫信號增強,此時反映的是包括有機孔和無機孔在內(nèi)的整個頁巖的孔隙結構信息。頁巖飽和水后呈單峰分布,弛豫時間峰值在10.0 ms以內(nèi),表明頁巖主要是以中小孔隙為主。圖1(c)所示頁巖在經(jīng)過21.0 MPa加壓飽和油之后,油進入了頁巖有機孔內(nèi),此時反映的是頁巖有機孔的孔隙結構信息。頁巖飽和油后,T2譜具有單峰、雙峰和三峰分布特征;單峰分布的頁巖T2譜主要集中在1.0 ms以下;與頁巖飽和水核磁共振T2譜相比,雙峰分布的頁巖增多,橫向弛豫時間主要在10.0 ms以下,左峰位于0.4 ms附近,右峰位于8.0 ms附近。

圖1 A井不同狀態(tài)頁巖核磁共振T2譜

研究區(qū)全部樣品的核磁共振凍融實驗結果見圖2,樣品孔隙半徑分布范圍較廣,介于2.0～800.0 nm。分析不同樣品,發(fā)現(xiàn)提供孔隙體積的孔隙的半徑主要集中在5.0～10.0 nm[見圖2(a)],10.0 nm以上的孔分布較少。從微分孔隙分布圖圖2(b)可見,巖樣都以半徑為10.0 nm以下的小孔為主,且孔隙半徑主要在5.0～8.0 nm,在小孔隙半徑段,曲線大都具有多峰的特點,中、大孔很少。

圖2 凍融法核磁共振實驗結果

3.2 核磁共振孔隙半徑曲線的轉(zhuǎn)換

核磁共振弛豫測量技術可以反映巖石的所有孔隙體積,因此,可通過核磁共振凍融實驗測量巖石的孔隙分布,將測量的孔隙體積累計分布曲線與核磁共振T2譜累計分布曲線對比,在相對應處取值,通過式(8)把核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換為孔隙分布曲線。由圖3可見,頁巖中的孔隙以半徑小于10.0 nm的介孔為主,如果將所有孔隙一起分析會錯過半徑大于10.0 nm的孔隙。因此,需要以10.0 nm為界將孔隙分開分析,在利用T2譜換算孔隙半徑時需要用不同的冪函數(shù)分段計算C和n值。據(jù)此根據(jù)核磁共振凍融實驗獲得的孔隙半徑分布曲線,取得任意孔隙半徑rc,確定累計分布,并利用該累計分布對其相對應的橫向弛豫時間進行插值,最后將兩者進行擬合,結果見圖4。根據(jù)圖4的擬合結果,得到H1樣品所對應的C和n值。重復上述步驟,求得所有樣品對應的C和n值(見表1)。

圖3 H1孔隙分布曲線

圖4 核磁共振橫向弛豫時間與核磁共振凍融孔隙半徑轉(zhuǎn)換關系

表1 不同樣品的C和n值

圖5為經(jīng)過上述方法轉(zhuǎn)換后的核磁共振弛豫孔隙半徑與核磁共振凍融孔隙半徑分布圖,由圖5可以看出,2條曲線的分布趨勢大致相同。但是在相同的孔隙半徑下,核磁共振弛豫孔隙的含量總是高于核磁共振凍融孔隙含量,尤其是當孔隙半徑大于10.0 nm時。造成這個差異的原因:在小孔隙中核磁共振弛豫孔隙包含了黏土和干酪根等基底信號;在孔隙半徑大于10.0 nm時,由于核磁共振凍融實驗測量時利用樣品碎樣,破碎樣品時會將頁巖樣品大孔隙破碎進而導致實驗測量時大孔隙含量減少。

圖5 核磁共振弛豫孔隙與核磁共振凍融孔隙分布圖

3.3 有機孔孔隙度計算模型

有機孔是深層頁巖儲集氣體的主要空間,且隨著有機質(zhì)含量的增加,頁巖氣含量也顯著增加,這與有機質(zhì)含有大量的有機孔有關。研究區(qū)有機質(zhì)含量與有機孔之間不是簡單的正相關關系,因此,研究深層頁巖中氣體含量不僅需要研究有機孔的孔隙半徑分布,還需要研究深層頁巖中的有機孔孔隙度。

頁巖氣儲層中發(fā)育有機孔和無機孔,有機孔具有強烈的油潤濕性,無機孔具有強烈水潤濕性,它們具有不同的核磁共振T2譜。基于頁巖氣儲層中有機孔、無機孔潤濕性差異,設計實驗方法與流程,確定利用核磁共振橫向弛豫時間表征深層頁巖有機孔的方法。對頁巖巖心采用加壓方式飽和鹽水,并進行核磁共振T2譜測量;烘干后采用加壓方式飽和油,通過低速離心的方式將頁巖裂縫中的油排出,并進行核磁共振T2譜測量,不同狀態(tài)的核磁共振T2譜反映了頁巖中不同的孔隙分布;最后利用核磁共振凍融實驗確定孔隙分布,與核磁共振T2譜分布對比。為了驗證這一定量關系,利用聚焦離子束掃描電鏡技術測定巖心孔隙分布[26-27],其結果與利用橫向弛豫時間分布確定的孔隙分布對比(見表2)。

表2 各巖樣有機孔與無機孔信息表

通過核磁共振弛豫測量實驗獲得的有機孔孔隙度和通過聚焦離子束掃描電鏡實驗獲得的有機孔孔隙度之間的對比結果見圖6,對比發(fā)現(xiàn)這2種方法一致性較好,表明通過核磁共振弛豫測量實驗得到的有機孔孔隙度結果可靠。

圖6 核磁共振弛豫測量與掃描電鏡測量的有機孔孔隙度對比圖

將有機孔孔隙度與石英含量、束縛水飽和度、黃鐵礦含量等測井數(shù)據(jù)進行單相關分析,分析結果(見表3)表明:有機孔孔隙度與石英含量、黃鐵礦含量、束縛水飽和度和鈾含量等具有相關性。頁巖中有機孔孔隙度是由多種因素相互疊加、相互影響造成的,在分析時需要綜合考慮各種因素的影響。

表3 有機孔影響因素分析表

依據(jù)表3,采用多元線性回歸的方法計算頁巖有機孔孔隙度

φ=2.92-0.04VQU+3.33Sir+0.33VU-

0.32VIL-0.28VPY

(9)

式中,φ為有機孔孔隙度,%;Sir為束縛水飽和度,%;VU為鈾含量,10-6;VPY為黃鐵礦含量,%;VQU為石英含量,%;VIL為伊利石含量,%。

4 孔隙特征分析

以頁巖巖心H1為例,由圖7(a)可見,頁巖在烘干狀態(tài)下仍有一定的核磁共振弛豫信號,主要是黏土結晶水和干酪根的含氫信息,該狀態(tài)下信號量最低,經(jīng)計算得到孔隙度為1.64%。飽和水頁巖T2譜面積最大,且呈單峰分布,峰值在0.65 ms左右,此時反映整個頁巖(包括有機孔和無機孔)的孔隙結構信息,經(jīng)計算得到孔隙度,其值為8.09%。飽和油狀態(tài)下T2譜呈雙峰分布,左峰在0.2 ms左右,右峰在3.0 ms左右,反映頁巖的有機孔孔隙分布不均一,不同孔隙半徑的有機孔均發(fā)育,經(jīng)計算得到孔隙度,其值為3.98%。飽和水和飽和油核磁共振T2譜在大于2.65 ms的范圍內(nèi)重疊,反映頁巖中的大孔主要是有機孔;在小于2.65 ms的范圍內(nèi),飽和水T2譜的值大于飽和油T2譜的值,主要是因為小于2.65 ms范圍內(nèi)還有部分無機黏土孔發(fā)育。

圖7 H1頁巖不同狀態(tài)核磁共振譜對比

由圖7(b)可以看出,H1頁巖孔隙半徑分布在4.0～500.0 nm,以半徑為6.0 nm的介孔為主。飽和水狀態(tài)下,孔隙半徑峰值在6.4 nm左右,大無機孔的半徑分布在21.0 nm左右,反映整個頁巖(包括有機孔和無機孔)的孔隙結構信息。飽和油狀態(tài)下孔隙半徑呈雙峰分布,左峰在5.2 nm左右,右峰在7.7 nm左右,反映頁巖的有機孔孔隙分布不均一,大小孔隙半徑的有機孔均發(fā)育。掃描電鏡圖片顯示有機孔孔隙度為4.36%,有機孔最大孔隙半徑在46.0 nm左右。當孔隙半徑大于7.7 nm時,飽和油狀態(tài)下的信號幅度大于飽和水狀態(tài)下的信號幅度,反映頁巖中的大孔主要是有機孔;當半徑小于7.7 nm時,飽和水狀態(tài)下的信號幅度大于飽和油狀態(tài)下的信號幅度,主要是因為當半徑小于7.7 nm時還有部分無機黏土孔發(fā)育。

5 有機孔測井計算實例分析

圖8為A井的計算成果圖。該井地層壓力系數(shù)超過2.0,龍馬溪組頁巖埋藏深度大,埋藏深度在3 500 m以上,頁巖氣保存條件較好。利用式(9)結合測井資料計算了頁巖的有機孔孔隙度,隨著地層深度的增加,有機孔孔隙度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,表明頁巖的有機孔逐漸增多,物性隨深度增加逐漸變好。采用測井數(shù)據(jù)計算的有機孔孔隙度和巖心分析得到的有機孔孔隙度具有較好的對應性,證明式(9)在研究區(qū)可以很好地反映地層有機孔孔隙度。利用核磁共振凍融實驗標定的轉(zhuǎn)換核磁共振孔隙分布曲線關系計算了A井的孔隙半徑,該井孔隙半徑在5.0～800.0 nm,以半徑小于10.0 nm的介孔為主。孔隙分布的峰值隨著深度增加逐漸右移,在4 025 m以上的地層中,孔隙半徑的峰值小于7.3 nm;在4 025～4 100 m的地層,孔隙半徑的峰值在7.3 nm左右;在4 100 m以下的地層,孔隙半徑的峰值大于7.3 nm,部分地層孔隙半徑峰值在10.0 nm左右;在4 050 m以下的地層,孔隙半徑峰值大于50.0 nm的大孔數(shù)量隨著深度的增加逐漸增多,表明地層孔隙結構逐漸變好。研究區(qū)集中發(fā)育孔隙半徑小于10.0 nm的介孔,與高之業(yè)等[28-30]對龍馬溪組頁巖儲層的孔隙結構分析測試結果相一致。

圖8 A井計算成果圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

由表4可知,2號氣層和3號氣層的孔隙度、總有機碳含量等相差較小,但是這2個氣層之間游離氣含量差距較大。通過分析發(fā)現(xiàn),2號氣層孔隙半徑峰值為11.2 nm,且分布有大量大孔,平均孔隙半徑為18.9 nm;3號層孔隙半徑峰值為7.8 nm,大孔數(shù)量較少,平均孔隙半徑為10.1 nm,即2號層孔隙結構比3號層更好。良好的孔隙結構使得儲層內(nèi)游離氣含量增大,儲層中總含氣量增大,從而使得儲層在生產(chǎn)初期可以獲得更高的產(chǎn)氣量。

表4 解釋成果表

6 結 論

(1)根據(jù)核磁共振凍融實驗和核磁共振弛豫實驗,提出了利用分段冪函數(shù)構建深層頁巖孔隙分布的新方法。

(2)四川盆地瀘州地區(qū)龍馬溪組孔隙分布在5.0～800.0 nm,大量孔隙為半徑小于10.00 nm的介孔,孔隙半徑峰值在7.30 nm附近,且隨著地層深度的增加,孔隙半徑呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

(3)根據(jù)研究區(qū)頁巖的核磁共振弛豫實驗,分析了頁巖的有機孔,并根據(jù)測井資料提出了頁巖有機孔孔隙度的計算模型,該模型計算的有機孔孔隙度和掃描電鏡分析的有機孔孔隙度具有較好的對應性,可以證明有機孔孔隙度的計算模型在研究區(qū)可以很好地反映地層有機孔孔隙度。