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页岩核磁共振弛豫机制与测量方法研究

贾子健  
【摘要】:未来几十年内的世界能源结构中,非常规石油资源,特别是页岩资源,将发挥越来越重要的作用。页岩孔隙属于纳米级别,渗透率极低,传统的岩石分析方法适用性较差。核磁共振(NMR)技术由于其非侵入性和兼具井下和实验室双重功能,成为测量页岩岩石物理性质的重要手段之一。对于常规储层,核磁共振技术已经成为一项十分有效的储层解释评价技术,它能够提供岩石孔隙度、渗透率、孔径分布、流体分布和饱和度等岩石物理性质,是油气藏流体识别和定量评价必备方法之一。而对于页岩储层,应用常规核磁共振方法进行评价时,受纳米级孔隙、复杂矿物成分、特殊孔隙结构、较高有机质含量、超低渗透性及内部梯度和受限扩散等因素的影响,面临探测分辨率低、解释模型不适用等问题。这些特征决定了页岩的核磁共振响应区别于常规储层。对此我们讨论了页岩特殊的岩石物理、化学特征对常规核磁共振测量的影响。页岩的NMR弛豫结果的解释比传统的储层更复杂。常规储层中,岩石的NMR弛豫主要来自于孔隙表面顺磁性杂质和孔隙流体分子相互作用产生的表面弛豫。然而,在页岩储层中,孔隙可以分为有机孔隙和无机孔隙,这些纳米级孔隙和富含氢的有机质的存在,会使得氢核产生更多相互作用,NMR弛豫机制更加复杂。我们探讨了页岩特殊的弛豫机制。有机质孔隙的表面弛豫可能由同核偶极耦合引起,而且,有机质本身还具有多重同核偶极耦合。有机质与孔隙流体之间由于磁化速率不同还会存在磁化传递的现象。页岩有机质孔隙内部、以及有机孔和无机孔隙之间,具有扩散耦合作用,这将影响NMR得到的孔径分布。基于页岩特殊的核磁共振弛豫机制,我们分析了常规核磁共振方法——自旋回波(Spin echo)或CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)测量的局限性。在此基础上,我们针对页岩中有机质表面出现的同核偶极耦合作用,和有机质内部的多重同核偶极耦合作用,分别提出了固体回波(Solid echo)和魔术回波(Magic echo)方法,用来探测页岩完整的有机质信息;并设计IR-Solid echo和IR-Magic echo二维NMR脉冲序列,结合偏最小二乘PLSR算法分析二维NMR图谱,定量评价有机质含量。根据Solid echo和Magic echo与常规方法测量信号的差异,确定有机质含量和有机质孔隙度。在页岩微裂缝中原油一般为非润湿相,表现体弛豫特征,反映原油自身固有的弛豫性质。研究原油的体弛豫特征可以反映原油位于地下储层的性质。通过实验分析得出,一维和二维弛豫分布函数可以测量原油分子运动状态,推测原油中分子的慢运动和大分子聚集,证实弛豫分布可以提供原油的化学组分信息。


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