综述：核磁驱替技术分析沉积岩结构和内部流体流动的进展

手术室老王

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今天解读的这篇文章于2021年发表在能源权威综述期刊《Review of Scientific Instruments》上的一篇文章。作者来自中国科学院岩土力学研究所的李琦老师团队，与上篇不同的是，本篇综述聚焦沉积岩结构和内部流体流动，全面梳理核磁共振驱替技术在流体研究中的应用。


核心内容：
这篇综述主要介绍了核磁共振(NMR)岩心驱替技术在地下岩石-流体系统耦合作用的分析应用。利用NMR技术分析岩石系统内的地球化学反应，润湿性和非均质性作用、毛细管力等关键岩石物性参数。本文还介绍了利用NMR技术识别和区分单相或多相流体以及测定其饱和度的原理和方法。



一、研究背景


不同岩石系统中的流体行为不同。储层之间的非均质性、润湿性差异，特别是目前研究的热点非常规储层具有超低孔低渗差异和极差的孔隙连通性，这些特性使得分析地下流体和岩石系统的相互作用变得相当复杂。核磁共振岩心驱替技术是研究地下流体-岩石系统相互作用的一种有效手段。
 
二、核磁共振岩心驱替系统和实验


01
核磁共振岩心驱替系统
核磁共振岩心驱替系统是实验室尺度研究地下岩石在储层条件下流体行为的有效技术方法，可以观察驱替过程中注入流体前缘和羽流在多孔岩石中的运移。典型的核磁共振岩心驱替系统如图1所示：

图1.核磁共振岩心驱替系统示意图(Chen et al., 2018; Xu et al., 2020; and Zhao et al., 2020)
02
典型的核磁共振脉冲序列和实验
核磁共振实验应用不同的脉冲序列和一维或多维技术来分析岩石地层内的流体行为，包括弛豫时间测量、T1-T2实验和扩散实验。


弛豫时间测量主要测定岩石样品孔隙内流体的纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2）。其中，T1可以用Inversion recovery (IR)序列测定，T2可以用CPMG 系列测定。这两种序列的示意图如下所示（图2）：

图2.（a）为FID序列，（b）为IR序列， (c)为CPMG序列。


T1-T2实验可以通过IR–CPMG，SR-CPMG, DE-CPMG等脉冲序列进行实验分析。典型的IR-CPMG脉冲序列以及纽迈核磁共振测试仪得到的T1-T2实验结果如图3所示：

图3.（a）IR-CPMG脉冲序列以及（b）T1-T2实验结果。


扩散实验结合了射频脉冲和磁场梯度。扩散实验常采用的脉冲序列有pulse gradient spin echo (PGSE)序列、pulse field gradient stimulated echo（PFG-STE）序列、bipolar pulse longitudinal eddy current delay（BPP-LED）序列以及asymmetric bipolar stimulated echo (ABP-STE)等序列。图4列举了几种常见的进行扩散实验测试的核磁脉冲序列。

图4.三种一维扩散实验序列:（a）PGSE序列; （b）PFG-STE序列; （c）AP-STE序列


三、核磁驱替实验以及科研应用


01
核磁共振流体流动及岩石性质变化测量
孔隙度
孔隙度是孔隙体积与岩石样品的体积之比。利用核磁共振技术测量的岩心孔隙度以及孔径分布具有高效无损等优点。其原理是通过测定样品的T1或T2谱并对其进行解释。


一般来说，较大的弛豫时间对应岩石中的大孔隙；较小的弛豫时间对应岩石中的小孔隙。Zeng et al. (2020) 认为T2弛豫时间范围为0.01 ~ 0.7 ms和0.7 ~ 30 ms的孔隙分别代表有机质微孔和大孔。Liu et al. (2016)分析了大港油田岩心样品的孔径分布，发现孔径小于2 μm的小孔隙的T2<10 ms，中等孔径(孔径为2-10 μm)的孔有10 ms≤T2≤50 ms，而孔径大于10 μm的大孔的T2>50 ms。


渗透率
利用核磁共振岩心驱替技术可以测定岩石样品的渗透率，但由于天然岩石的复杂性，目前没有一个简洁统一的模型能归纳渗透率和弛豫时间的关系。在渗透率模型中，往往需要借助常规测渗手段来得到核磁渗透率模型中的一些参数。表1总结了前人总结的核磁渗透率模型。
表1.常用的核磁渗透率模型

润湿性
岩石孔隙内流体的运移和扩散在很大程度上取决于润湿性，地下地层中可采出的流体(水、油或气)的数量在很大程度上取决于润湿性。孔隙流体对核磁共振的反应是不同的，可以利用核磁共振技术（T1与T2比值）判定岩石的润湿性。其中A为润湿指数。

02
核磁共振流体行为分析
孔隙流体饱和度分析
利用核磁共振技术可以分析岩石内部孔隙流体饱和度，以及储层在采油或采水之后的残余饱和度。通过T2谱可以进行孔隙流体饱和度的计算以及流体分布的分析。如下图5所示：

图5.残余油饱和度随注入压力的增加而减少
T1-T2二维谱流体识别
在多孔介质中，流体的T1/T2是不同的。孔隙类型不同，T1/T2也不同。因此，T1-T2谱可以用来分辨：多孔介质内只有单相流体时，流体的赋存状态；以及多相流体存在时，流体的种类。具体如下图6所示：

图6.T1-T2 二维谱 (a) 油信号 (b) 水信号. (c) 多组分流体信号 (d)多组分流体在不同孔隙中信号也不同


D-T2二维谱流体识别
扩散实验基于不同种流体包括油、水和气具有不同的扩散系数进行流体识别。D-T2 二维谱揭示了每种流体相有不同的信号位置，扩散实验还可以弥补T1-T2测量中信号重叠的问题。

图7.D-T2二维谱显示了相对于油(橙色线)、水(蓝色线)和气体(绿色线)扩散系数的体积自扩散常数线、不同流体相的位置


T1-T2-D三维谱流体识别
最近，基于改进的随机游动流体相识别技术进行了核磁共振测量的三维测量。结合T1-T2 二维谱和D-T2二维谱的三维投影识别可以得到更多的流体信息。如下图所示：

图8. T1-T2-D三维谱流体识别
四、结论及展望

• 深刻理解CO2注入储层后，储层和盖层发生的物性变化以及CO2的运移特征，对CCUS工程的选址和安全风险评估至关重要。
  
• 核磁共振技术要想实现更大的突破，需要改进T2测量，以便能够解释更小的小孔隙内的流体。
  
  
• 为了同时量化流体-岩石参数和结构变化，需要对时域和瞬态NMR分析进行进一步研究
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Vol.1
SCI文献中的纽迈身影
以上综述的文献中所使用的纽迈核磁共振代表产品如下（部分）：
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中尺寸核磁共振成像分析仪

大口径核磁共振成像分析仪

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