核磁共振在页岩储层参数评价中的应用综述_孙颖.pdf

2023 年第 38 卷 第1期2023，38(1):0254-0270地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P孙颖2023 核磁共振在页岩储层参数评价中的应用综述 地球物理学进展，38(1):0254-0270，doi:106038/pg2023FF0558SUN Ying 2023 eview of the application of nuclear magnetic resonance in the evaluation of shale reservoir parameters Progress in Geophysics(inChinese)，38(1):0254-0270，doi:106038/pg2023FF0558核磁共振在页岩储层参数评价中的应用综述eview of the application of nuclear magnetic resonance in the evaluationof shale reservoir parameters孙颖SUN Ying收稿日期2022-01-17;修回日期2022-07-12投稿网址http:/www progeophys cn第一作者简介孙颖，女，1969 年生，高级工程师，主要从事测井解释及化学工程方面的研究工作 E-mail:zsdsuny163 com中国石油大学(华东)，青岛266580China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China摘要在常规储层中，核磁共振作为一种快速、无损和灵敏的技术，既可以准确评价储层的孔隙度、渗透率、饱和度三参数，还可以精细刻画储层岩石的孔隙结构 但由于页岩储层致密，干酪根发育，黏土含量高，孔隙类型和孔隙结构复杂，烃的赋存空间和赋存方式特殊，而且存在一定含量的黄铁矿和沥青，导致页岩储层核磁共振响应机理复杂，基于核磁共振的储层参数的准确评价存在困难 为了了解目前核磁共振技术在页岩油气储层参数评价中的研究现状，在参阅大量国内外相关文献的基础上，重点介绍了核磁共振技术在评价页岩储层孔隙度、孔隙结构、渗透率以及饱和度等方面的研究进展 同时，针对解决核磁共振技术在评价页岩储层参数中存在的局限性提出了个人认识，旨在为页岩储层相关研究提供借鉴与参考关键词核磁共振;页岩;孔隙度;孔隙结构;渗透率;饱和度中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023FF0558AbstractIn conventional reservoirs，nuclear magneticresonance，asafast，non-destructiveandsensitivetechnique，can not only accurately evaluate the threeparametersofreservoirporosity，permeability，andsaturation，but also finely describe the pore structure of thereservoir rock However，due to dense shale reservoirs，well-developed kerogen，high clay content，complex poretypes and pore structures，special occurrence spaces andmodes of hydrocarbons，and a certain content of pyrite andasphalt，thenuclearmagneticresonanceresponsemechanism of shale reservoir is complicated，and it isdifficult to accurately evaluate reservoir parameters basedon nuclear magnetic resonance In order to understand thecurrent research status of nuclear magnetic resonancetechnology inshaleoilandgasreservoirparameterevaluation，based on referring to a large number of relevantliterature at home and abroad，this paper focuses on theresearch progress of nuclear magnetic resonance technologyin evaluating shale reservoir porosity，pore structure，permeability and saturation At the same time，personalknowledge is proposed for solving the limitations of nuclearmagnetic resonance technology in evaluating shale reservoirparameters，aiming to provide reference and reference forrelated research on shale reservoirsKeywordsNuclearmagneticresonance;Shale;Porosity;Pore structure;Permeability;Saturation0引言近年来，我国油气安全形势日益严峻，对外依存度持续攀升，油气勘探开发领域面临着重大挑战(陆家亮等，2019;雷琳琳等，2019)为此，国家多次作出大力提升油气勘探开发力度、保障国家能源安全的重要指示(唐玮等，2019)这一重要指示不仅改变了当前我国各大油企的既定目标与整体方向，2023，38(1)孙颖:核磁共振在页岩储层参数评价中的应用综述(www progeophys cn)也将对以后数年的发展战略产生深刻的影响 中国页岩油气资源丰富，将是未来油气勘探突破和增储上产的重点 近年来我国页岩油气勘探开发取得了许多突破，尤其在地质认识上取得一些重要的进展然而，由于页岩储层地质条件复杂，页岩油气储层甜点评价技术依然存在不足 作为储层静态特征评价参数，孔隙度、渗透率和饱和度的准确求取，有助于寻找产油气优势层位，推动页岩油气效益开发测井技术是实现储层孔、渗、饱三参数精细计算的主要手段，能够根据储层岩石物理响应机理实现井内连续深度的储层参数计算 作为唯一可以直接探测储层流体信号的测井技术，核磁共振测井已经广泛应用到多种类型的储集层，而且在储层参数计算中取得了较好的成果 目前在页岩储层中也常用核磁共振测井评价储层，但由于页岩储层致密，干酪根发育，黏土含量高，孔隙类型和孔隙结构复杂，烃的赋存空间和赋存方式特殊，导致页岩储层核磁共振响应机理复杂，基于核磁共振的储层参数准确确定依然存在困难(王志战等，2015)页岩储层的孔隙度、孔隙结构、渗透率和饱和度是页岩储层测井评价和甜点预测中的重要参数，目前也是油气勘探开发领域一直努力攻关的难题(王敏等，2016;任怀建等，2015;乔辉等，2018;Xu et al，2020)国内外专家学者利用核磁共振技术对其进行了大量的研究，取得了一些重要的成果，也依然存在着相应的问题和困难为了更好地了解目前核磁共振在页岩油气储层参数评价的研究现状，笔者在对国内外相关文献展开调研的基础上，重点介绍了核磁共振技术在评价页岩油气储层孔隙度、孔隙结构、渗透率以及饱和度等方面的应用及不足 同时，针对解决核磁共振技术在评价页岩储层参数中的局限性提出个人认识1基于核磁共振计算储层孔隙度研究进展储层的孔隙度是最基础的储层参数，目前利用核磁共振技术求取常规储层孔隙度的方法已经比较完善(肖立志等，2001;王筱文等，2006)，主要的方法原理是:核磁共振岩石物理实验分析或核磁测井解释信号来自核磁共振弛豫，而总磁化强度与岩石中氢核的总量成正比，由于常规储层岩心中只有流体含有氢核，而流体充满了孔隙空间，因此只要建立氢核量与总磁化强度的关系标线，即可求得储层岩心孔隙度一般而言，在核磁共振测量岩心孔隙度时，会在脉冲序列的设置中采用短回波间隔，尽可能探测到更微小的孔隙，增加测量到的孔隙度准确性 但对于页岩储层，由于骨架和流体组分非常复杂，因此测量到的孔隙度并不能直接反映真实孔隙度 目前对于实验室核磁共振测量页岩储层孔隙度结论有两种，一些学者认为核磁测量到的孔隙度偏低(Tan etal，2015)，并将孔隙度损失的主要原因解释为黄铁矿的比例高，导致高的内部磁场梯度，使弛豫加快;还有一些学者却认为核磁共振测量到的孔隙度高于常规的水/氦测量孔隙度，Xu 等(2015)通过不同回波间隔的核磁共振测量实验，认为页岩储层测量孔隙度在短回波间隔条件下偏大，应该选择略高的回波间隔测量(0.3 ms)才能得到准确的孔隙度值，但并没有解释造成孔隙度差异的本质原因;Zhang 等(2015)在页岩干燥，饱和水和离心状态三种条件下测量 T2谱，认为页岩核磁共振孔隙度偏高的主要原因是页岩中高黏土束缚水;李新等(2015)对干燥的页岩、黏土分离前后和膨润土脱水过程进行核磁共振测量，证明了核磁孔隙度偏大的原因是干岩样具有蒙脱石层间水核磁信号(图 1);Yan 等(2017)认为在短回波间隔条件测量页岩孔隙度偏高，还有半固体物质的信号影响，如黏土结构水和干酪根的影响，在页岩孔隙度测量时需要将非孔隙流体组分剔除掉 为了最大限度的减少源于有机物中的氢、羟基、化学结合水对孔隙度测量的影响，许多学者提出了相应的方法 Jia 等(2018)对油页岩样品分别用固体回波、自旋回波和魔术回波序列进行测量，发现魔术回波和固体回波产生的两种信号的差异主要是由于有机物中的多重同核偶极耦合引起的，因此可以利用这种差异来计算页岩样品的总有机碳;而固体回波和自旋回波产生的两个信号之间的差异主要是由于流体和有机孔隙之间的同核偶极耦合引起的，主要反映有机孔隙，在此基础上提出利用固体回波、自旋回波和魔术回波序列信号的振幅来计算页岩孔隙度 Li 等(2019)根据饱和油与氯仿抽提后页岩的核磁 T2谱分布差异，构建了饱和油页岩孔隙中油的 T2谱，并结合标定方程直接评价孔隙度，该方法消除了有机质和黏土矿物等非孔隙流体组分对核磁共振测量信号的贡献，适用于高 TOC和黏土矿物含量的页岩孔隙度评价 Krzyzak 等(2020)和 Ma 等(2020)分别对干燥和饱和水状态下的页岩进行核磁共振测量，认为干岩样的核磁共振信号主要来自于黏土结构水，饱水页岩的信号主要来自于孔隙中的水，提出将干燥页岩的核磁共振信552地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)号作为背景值从饱水页岩的核磁共振信号中剔除，从而可以准确进行含气页岩的核磁共振孔隙度评价 而核磁共振测井的回波间隔相对较高(目前最短回波间隔 0.2 ms)，通常认为核磁测井在页岩中测得的孔隙度偏低2基于核磁共振评价储层孔隙结构研究进展页岩储层的孔隙结构特征包括孔隙形态、体积与比表面积、孔径大小分布及连通性等，这些特征及参数是影响页岩油气富集、赋存和运移的重要影响因素(宋董军等，2019)由于页岩具有孔隙结构复杂，孔径分布范围广及非均质性强等显著特征，导致常规的测试方法难以对页岩孔隙结构进行精确表征实验室中岩心孔隙结构探测的手段包括扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)，高压压汞(Mercury Injection Capillary Analysis，MICP)，气体吸附(N2和