利用核磁共振T1-T2譜技術研究頁巖油可動性

李驥遠，盧雙舫

(中國石油大學(華東)，山東 青島 266500)

利用核磁共振T1-T2譜技術研究頁巖油可動性

李驥遠，盧雙舫

(中國石油大學(華東)，山東 青島 266500)

基于核磁共振T1-T2相關譜技術，建立核磁共振響應特征與巖石熱解參數的聯系。利用初步建立的劃分標準提取巖石樣品核磁共振響應中的各組分信號，得到核磁共振T1-T2譜中各組分信號與對應的地化參數之間呈現正相關關系，而其中可動有機質信號強度與各樣品的含油性指數(S1/TOC×100)同樣表現出極好的線性關系，說明核磁共振技術在表征泥頁巖有機質含量方面具有可行性。經過干酪根提取以及熱解參數計算后，量化得到松遼盆地北部地區頁巖油可動下限約為S1/TOC×100=102.36 mg/g。

頁巖油；可動性；核磁共振；熱解參數

0 前 言

在對頁巖可采油氣資源量進行評價的過程中，評價結果不僅與頁巖油的資源量有關，更與泥頁巖中頁巖油的可動量密切相關。泥頁巖比表面積大，儲集空間復雜，孔隙結構復雜且孔隙尺度小，多發育有機孔、無機孔，孔隙小，吼道細，儲層連通性差，孔滲極低，且致密儲層巖石物性數據少，不易于采用常規實驗技術手段評價其中流體的可動性。因此如何評價泥頁巖中頁巖油的可流動性成為了頁巖油資源量評價中的難點和重點。

本次研究選取松遼盆地北部地區的部分優質源巖樣品進行分析實驗，通過建立核磁共振T1-T2譜相關信號與熱解實驗參數之間的聯系來進行對頁巖油可動性的評價。

1 核磁共振技術及原理

1.1 核磁共振基本原理

由于原子核帶正電，同時原子核存在自旋，在原子核圍繞核心旋轉的方向上會存在環形電流，而環形電流會產生磁矩。對原子核施加一個靜磁場B0，使其在原子核上產生一個力矩，該力矩對原子核的作用為使其自旋軸的方向同靜磁場一致。與此同時對原子核施加一個一定頻率的射頻磁場，在兩個同時存在的磁場共同作用下原子核在磁能級之間會產生一種共振吸收的響應，這種現象即為核磁共振[1-2]。

1.2 核磁共振實驗中弛豫時間

弛豫是指磁化矢量M在射頻磁場作用下偏離穩定平衡狀態之后，恢復到平衡態的過程。弛豫時間T1和T2分別被用來描述恢復過程中縱向弛豫和橫向弛豫速度的快慢。

1)縱向弛豫T1

縱向弛豫即為磁化矢量M在縱向上的分量經過一段時間后逐漸恢復到平衡狀態的整個過程。

2)橫向弛豫T2

橫向弛豫又叫自旋—自旋弛豫，其衰減過程中上下進動圓錐上的核磁矩數量和總能量不變，過程中原子核內部能量進行交換，整個自旋系統總能量不變。而磁化矢量的橫向分量Mxy恢復到初始平衡狀態的過程為橫向弛豫，1/T2即為橫向弛豫速率。

2 巖石孔隙流體的核磁共振弛豫機制

自由弛豫、表面弛豫和擴散弛豫這3種不同的弛豫機制存在于巖石孔隙流體的核磁共振弛豫機制中，并且是同時存在的。

1)自由弛豫

自由弛豫，即流體特有的體弛豫現象，其弛豫時間由流體物理特性(粘土、化學成分等)及流體所處的環境(溫度、壓力等)決定。

在石油工業核磁研究過程中，由于巖石表面為固體，通常巖石孔隙內的流體表面弛豫比體弛豫強。然而當親水巖石孔隙中油氣屬于非潤濕相，巖石中存在裂縫導致流體與固體表面接觸較少，以及稠油等流體粘度較大的情況下，流體與巖石孔隙之間自由弛豫現象不可忽視，此時需要同時考慮自由弛豫和表面弛豫的影響。

2)表面弛豫

巖石孔隙顆粒表面的弛豫機制即為表面弛豫，具體表現為孔隙流體與巖石固體表面之間的弛豫現象。

3)擴散弛豫

分子處于布朗運動過程中會進行自擴散運動，擴散弛豫即為質子在梯度磁場中，由于分子擴散引起的弛豫特性。

巖石中孔隙流體的類型及尺寸、孔隙發育結構、孔隙表面巖石物理性質以及巖石顆粒表面潤濕性等條件決定了3種弛豫機制對于孔隙內流體是否起作用[3-5]。通常對于親水巖石來說，孔隙中水的T2弛豫時間主要由表面弛豫決定；對于稠油來說，其T2弛豫主要由自由弛豫決定；而輕質油的T2弛豫時間則由自由弛豫和擴散弛豫共同決定，并與油的粘度有關；天然氣由于氣體分子的擴散特性，其T2弛豫時間主要受控于擴散弛豫。

3 核磁共振T1-T2相關譜技術

3.1 核磁共振T1-T2相關譜信號劃分標準

本次研究選取松遼盆地北部地區古10、古17、齊平1、徐11井等目標井位中質量較好、有機質較成熟的樣品進行研究，實驗所得泥頁巖樣品的核磁共振T1-T2相關譜信號主要發育兩個高值區(圖1 中大圈部分和小圈部分)，且對比各樣品的地球化學特征發現，隨著樣品有機質豐度的增加(本次研究采用S1+S2作為有機質豐度評價標準)，其大圈部分的信號強度出現遞增的趨勢，因此，初步預測，大圈內的信號可能代表著有機質。

圖1 各泥頁巖樣品的核磁共振T1-T2相關譜圖

基于大量的泥頁巖樣品、干酪根樣品洗油先后的核磁共振T1-T2相關譜的特征以及在潮濕空氣中放置很久的粘土礦物(蒙脫石)的核磁共振T1-T2測試實驗，綜合得到各組分在核磁共振T1-T2相關譜上的信號特征并進行初步劃分(如圖2)，本次研究建立泥頁巖核磁共振響應信號的劃分標準(表1)。

圖2 T1-T2核磁信號響應劃分標準

序號T2/msT1/T2組分①>1>10輕質油②<1>10干酪根③<1<10粘土束縛水

3.2 核磁共振T1-T2譜信號與熱解參數的關系

根據上述泥頁巖核磁共振T1-T2相關譜信號的劃分標準，對樣品核磁共振T1-T2相關譜中各有機質信號值進行提取并結合其地球化學參數建立散點圖。如圖3所示，核磁共振T1-T2測試的總有機質信號和TOC(左上)、S1+S2(右上)，油信號和S1(左下)，干酪根信號(可能包含高粘度的原生瀝青或者油)和S2(右下)均表現出較好的線性相關性。

4 頁巖油可動性及可動下限的確定

實驗對進行洗油后的頁巖柱樣抽真空加壓25 MPa飽和正十二烷48 h，以1.38 MPa(少數指定巖心用2.87 MPa)為離心力進行離心，每次離心前后稱重并進行核磁共振T1-T2相關譜測試等實驗后，分析對比離心前后頁巖樣品的核磁共振T1-T2相關譜特征。

圖3 核磁共振T1-T2相關譜有機各組分信號與地化參數之間的關系

對于離心后樣品的核磁共振T1-T2相關譜中有機質信號強度進行提取，得到不可動油的信號強度，再根據核磁共振信號與熱解參數之間的關系，計算出不可動油所對應的S1值，從而量化頁巖油的可動下限(S1和TOC之間的關系)。對于離心后樣品的核磁共振T1-T2相關譜中有機質信號強度進行提取，發現隨著樣品TOC含量的增加，單位質量巖石的離心后有機質信號強度(不可動總有機質信號)逐漸增加，其中不可動總有機質包含著干酪根的信號和不可動油信號。根據離心后樣品的不可動總有機質信號強度，結合模擬計算的干酪根信號強度即可計算出不可動油的信號強度(圖4)。

圖4 頁巖油不可動油信號計算(陰影部分為不可動油信號強度)

根據核磁共振信號與熱解參數之間的關系，即可計算出不可動油所對應的S1值，從而量化頁巖油的可動下限，結合頁巖的地球化學特征，確定所選目標區域內頁巖油可動下限約為S1/TOC×100=102.36 mg/g。

5 結 論

通過選取松遼盆地青山口組不同深度段不同巖性的巖心進行核磁共振和熱解、驅替實驗對目標地區頁巖油可動性進行評價。在評價過程中得到以下結論：

1)初步建立了泥頁巖核磁共振響應信號與樣品中各組分的對應關系及信號劃分標準。

2)核磁共振T1-T2測試的總有機質信號和TOC、S1+S2，油信號和S1，干酪根信號(可能包含高粘度的原生瀝青或者油)和S2表現出較好的線性相關性，說明檢測巖石有機氫信號的核磁共振T1-T2相關譜技術和熱解方法具有統一性。

3)對比油和干酪根信號與熱解參數S1和S2的關系發現，油信號與S1之間的線性相關性高達0.924 6，而干酪根信號與S2之間的線性相關性僅為0.655 2，這說明對于核磁共振氫信號的測定，粘度低、易動的油信號要比粘度較大的瀝青及固態有機干酪根信號更容易檢測。

4)根據離心后樣品的不可動總有機質信號強度以及核磁共振信號與熱解參數之間的關系，量化了頁巖油可動下限，為目標地區頁巖油資源量的評價提供了理論依據。

[1] 賽芳. 核磁共振測井基本理論研究與介紹[J]. 硅谷, 2014, 7(15): 99-100.

[2] 何宗斌. 巖石核磁共振弛豫特性及核磁共振測井應用[D]. 上海: 同濟大學, 2008.

[3] 劉美杰. 江蘇油田核磁共振錄井綜合應用研究[D]. 青島: 中國石油大學, 2010.

[4] 李振濤. 利用核磁共振二維譜技術研究巖心含油飽和度[J]. 北京: 中國科學院研究生院(滲流流體力學研究所), 2011.

[5] 王會波, 陳載林. 剩余磁異常的計算與深部磁性盲礦層的預測[J]. 中國錳業, 2016,34(6): 21-23.

Using MRIT1-T2Technology to Research the Mobility of Shale Oil

LI Jiyuan, LU Shuangfang

(ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266500,China)

Based on NMRT1-T2correlation spectroscopy technique, the relationship between NMR response characteristics and rock pyrolysis parameters was established. Using an established criteria with extracting the signal of the NMR response of rock samples, a positive correlation between the signal of each component in theT1-T2spectrum and the geochemical parameters was obtained. While the signal intensity of mobile organic matter also shows a good linear relationship with the oil content index of each sample(S1/TOC·100), it means that the NMR technology is feasible in the characterization of the organic matter content of shale. After the extraction of kerogen and the calculation of pyrolytic parameter, the movable lower limit of shale oil in northern Songliao Basin was quantified asS1/TOC×100=102.36 mg/g.

Shale oil; Mobility; MRI; Pyrolytic parameter

2017-04-21

國家自然科學基金項目(40671063)

李驥遠(1990-)，男，山東聊城人，在讀碩士研究生，研究方向：油氣資源評價及非常規油氣藏研究，手機：15729788785，E-mail：fb08tgzy@163.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.047