研究背景

由于低孔隙度、低滲透、多尺度孔隙空間和復(fù)雜的流體成分，頁巖油儲(chǔ)層的表征和開發(fā)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。核磁共振技術(shù)因其高分辨率、無損和快速等優(yōu)勢，在頁巖油儲(chǔ)層表征和開發(fā)研究中具有顯著的優(yōu)勢。本文對近十年來核磁共振技術(shù)在頁巖油勘探和開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)與展望。

摘要

目前應(yīng)用于頁巖油勘探和開發(fā)實(shí)驗(yàn)室研究的核磁共振技術(shù)主要有一維核磁共振T₂圖、二維核磁共振T₁-T₂圖、MRI技術(shù)和分層T₂技術(shù)。 T₂圖無損表征了頁巖油儲(chǔ)層全尺寸孔徑分布，可與其他實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合擴(kuò)展功能：
(1)結(jié)合離心和熱處理，確定核磁共振T₂截止值，定量區(qū)分可動(dòng)流體、毛細(xì)束縛流體和不可動(dòng)流體；
(2)結(jié)合巖心夾持器，可以表征頁巖基質(zhì)和裂縫系統(tǒng)的應(yīng)力敏感性；
(3)結(jié)合滲吸實(shí)驗(yàn)，可定量評價(jià)滲吸規(guī)律及潤濕性；
(4)基于在線高溫高壓CO₂前驅(qū)替裝置，可定量計(jì)算動(dòng)態(tài)采收率。此外，二維T₁-T₂圖在識別頁巖油層不同賦存狀態(tài)下各種流體類型和流體原位含量方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。在CO₂提高頁巖油采收率過程中，MRI技術(shù)具有表征氣液界面空間分布的巨大潛力。分層T₂技術(shù)可提供CO2驅(qū)替過程中的樣品空間分辨T₂分布及氣液界面分布。

應(yīng)用細(xì)節(jié)與實(shí)例

（1）核磁共振T₂譜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)頁巖油藏全尺寸孔徑分布的無損表征，但其在孔隙幾何形態(tài)解析與比表面積計(jì)算方面相較低溫氮?dú)馕椒ā⒏邏簤汗ù嬖诩夹g(shù)盲區(qū)。

（2）通過T₂譜與離心-熱處理聯(lián)用技術(shù)，可建立NMR T₂截止值標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)不可動(dòng)流體（束縛態(tài)）、毛細(xì)管束縛流體與可動(dòng)流體（自由態(tài)）的三相定量分離。

圖1 頁巖樣品兩個(gè)T₂截止值的計(jì)算方法（Xu et al. 2022）

（3）基于可加載圍壓的巖心夾持器，T₂譜可動(dòng)態(tài)監(jiān)測不同有效應(yīng)力下巖心孔隙度變化規(guī)律，定量表征儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性。

（4）結(jié)合滲吸動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，T₂譜可同步獲取滲吸過程飽和度變化，并建立潤濕性評價(jià)模型。

圖2核磁共振自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)過程示意圖（Wang et al. 2022）
 

（5）在高溫高壓CO₂驅(qū)油裝置中集成在線T₂譜監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)替過程中流體運(yùn)移的原位無損監(jiān)測，顯著提升采收率動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的可信度。

圖3 CO₂吞吐實(shí)驗(yàn)前(a)和后(b)的油飽和度空間分布（Tang et al. 2023）

（6）二維T₁-T₂譜在頁巖儲(chǔ)層的流體定量識別具有獨(dú)特優(yōu)勢，在定量區(qū)分儲(chǔ)層中固體干酪根、粘性瀝青和不同賦存狀態(tài)（吸附和游離）的流體。

圖4典型的頁巖油儲(chǔ)層組分識別T₁-T₂圖版(上圖：Li et al., 2018; 下圖：Zhang et al., 2020)

（7）分層T₂技術(shù)通過空間分辨T₂分布解析，可重構(gòu)驅(qū)替方向含油飽和度剖面，并基于CO₂前緣擴(kuò)展特征評估波及效率。

圖5 第1 ~ 5輪CO₂ 吞吐過程中頁巖油的空間分布特征（Luo et al. 2022）

（1）二維T₁-T₂譜在頁巖油儲(chǔ)層多相流體賦存狀態(tài)（吸附態(tài)/游離態(tài)）識別及原位含量定量解析方面展現(xiàn)顯著技術(shù)優(yōu)勢。

（2）二維T₁-T₂譜在CO₂驅(qū)替過程油相運(yùn)移監(jiān)測中展現(xiàn)出工程應(yīng)用潛力，但其現(xiàn)有二維序列測量耗時(shí)過長的缺陷制約了現(xiàn)場快速響應(yīng)能力，亟需通過脈沖序列優(yōu)化與硬件升級實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測突破。

（3）核磁共振成像（MRI）技術(shù)可動(dòng)態(tài)捕捉驅(qū)替過程中氣液界面運(yùn)移特征，然而現(xiàn)有毫米級空間分辨率難以滿足超低滲頁巖微納孔喉系統(tǒng)觀測需求。通過成像技術(shù)的突破有望實(shí)現(xiàn)頁巖油儲(chǔ)層中多相流運(yùn)移剖面的在線表征，從而拓展核磁技術(shù)在非常規(guī)油氣開發(fā)中的適用邊界。

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