基于核磁共振的页岩粉碎样品孔隙度研究

孙建孟, 宗成林, 董旭, 刘海山, 张哲夫

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580)

0 引 言

页岩具有渗透性差、富含有机质和黏土矿物组分复杂的特点,使得页岩孔隙度测量面临很多独特的困难,直接采用页岩柱体难以准确表征孔隙度。为此,研究人员开展了大量的页岩碎样法孔隙度研究。1991年,Luffel[1]提出了通过测试粉碎样品获取页岩总孔隙度的GRI方法,使用该方法能够快速得到页岩总孔隙度,并且发现将柱塞岩样粉碎到1/4 in*非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同至200目之间时,结果显示孔隙度偏差很小。Karathasis[2]研究表明将页岩样品粉碎至平均粒径0.040 mm时仍能得到稳定的孔隙度值。Comisky[3]将GRI法与压汞法相结合测试页岩粉碎样品孔隙度,经过对比分析认为20～35目是最理想的粉碎值。

考虑到粉碎程度在页岩孔隙度测试中的重要性,并且以往的研究也未能达成共识,也鲜见对页岩粉碎样品孔隙结构的相关研究。核磁共振作为一种无损检测技术,能够快速探测岩石孔隙中流体信息而不受岩石骨架、岩性影响,孔隙度评价方面存在天然优势[4],但传统的低频率核磁共振仪器难以全面反映页岩微小孔隙特征。本文利用高频率(23 MHz)核磁共振仪测试不同粒径页岩碎样的孔隙度,分析将页岩粉碎到何种程度时仍能准确表征页岩储层本身孔隙度,以及粉碎程度对孔隙度的影响。

1 实验方法与步骤

实验共分选8块柱状页岩样品。首先对清洗完成的页岩干样称重记为M1,并对其加压饱和蒸馏水,利用纽迈核磁共振仪器MesoMR-23,依据岩样核磁共振参数实验室测量规范[5],对饱和流体的页岩样品进行核磁共振测试,获取核磁共振T2谱并计算核磁共振孔隙度。柱状页岩完成核磁共振测试后,将其置于密闭的空间内,利用研钵和钵杵对柱样页岩进行研磨粉碎,钵杵需要密封处理以保证样品在粉碎前后质量不发生变化,且粉碎过程要以较小研磨力度,较长研磨时间进行。当粉碎至一定程度时,利用USDA(US Department of Agriculture)标准网筛对样品进行分选,首次研磨应保证所有页岩样品粉碎至16～20目网筛范围内,并将粉碎样品在恒温干燥箱烘干直至质量不再变化,以保证去除孔隙中所有流体,此时对其称重记为M2,并保证(M1-M2)≤0.02 g以确保粉碎前后页岩样品质量不变。随后再次对16～20目的页岩粉碎样品进行抽真空并饱和蒸馏水,饱和水完成后首先利用滤纸去除页岩颗粒表面的大部分水;将样品放置于一块海绵上,并使用另一块海绵轻轻擦拭并按压粉碎样品,以保证完全去除页岩颗粒表面的水分[6];立即使用保鲜膜将粉碎样品封装以防止水分挥发,并利用核磁共振仪器对其进行核磁共振测试,测试完成后将16～20目碎样继续放入密闭的空间内,使用研钵和钵杵再次粉碎页岩样品至35～40目,依次循环上述步骤,最终分别对16～20、35～40、60～80、120～140和230～270目共5个不同粉碎级别的页岩样品进行核磁共振测试。

2 实验结果

表1为8块样品核磁共振孔隙度的测试结果。图1为2块页岩样品逐级粉碎过程核磁共振T2谱,样品类型包括5个不同粉碎级别的粉碎样(16～20、35～40、60～80、120～140目和230～270目)。可以看出,页岩碎样的核磁共振T2谱均呈现单峰态或双峰态分布,且在一定粉碎程度内,页岩碎样均呈现相同规律,即核磁共振T2谱的信号强度、形状均保持一致,且粉碎样品测试的核磁共振孔隙度值十分接近。随着粉碎达到一定粒级后,核磁共振T2谱发生明显变化,表现为T2谱面积和相对幅度均有减少,谱峰位置发生移动,长弛豫组分减少十分明显,同时核磁共振孔隙度测量值也明显减小。

表1 逐级粉碎页岩样品的核磁共振孔隙度测量结果

图1 逐级粉碎过程的页岩核磁共振T2谱

图2 核磁共振仪器场强和参数TE对T2分布、核磁共振孔隙度的影响

3 分析与讨论

3.1 页岩核磁共振孔隙度影响因素分析

3.1.1 高频核磁共振评价页岩孔隙度的优势

选用2款不同场强和主频的纽迈核磁共振仪在不同的TE参数下开展岩心测试,并获取核磁共振孔隙度,对比分析不同频率核磁共振仪器下页岩孔隙流体信号的特征,同时为获取完整的页岩孔隙流体信息提供参考参数(见表2)。

从图2可以看出,对于23 MHz核磁共振仪器,TE=0.1 ms时测得样品的T2谱面积最大、峰值最高,T2分布在0.01～300 ms之间;TE=0.3 ms测得的T2分布仅在0.1～300 ms之间,测试核磁共振孔隙度也明显偏小。此外,23 MHz核磁共振仪器MesoMR-23得到的T2谱、核磁共振孔隙度均比2 MHz核磁共振仪器MicroMR-2大,这是因为场强与主频较大的仪器拥有较小的TE和较高的信噪比,能够更加全面地反映页岩的微小孔隙特征,同时提高核磁共振T2谱的反演精度,而常用的低频率核磁共振仪器会丢掉大量的短弛豫组分。因此,使用高频核磁共振仪器评价页岩孔隙度和孔隙尺寸分布更合适。

表2 2款核磁共振仪器主参数

3.1.2 页岩骨架对核磁共振孔隙度影响

在实验过程中发现,页岩不同于常规岩石,其骨架能够产生明显的核磁共振信号。骨架产生的核磁共振信号会导致测试的核磁共振孔隙度偏大。

图3 页岩干样分离黏土矿物前、后的核磁共振信号量

理论上,岩石骨架存在的1H核由于弛豫时间极短无法被核磁共振仪器探测,因而利用核磁共振可以获取岩石微观孔隙中的流体信息,而不受骨架和孔隙尺寸影响。为了具体探究页岩骨架产生核磁共振信号的原因,对页岩的骨架成分进行分析,推测可能是页岩黏土矿物赋存的层间水导致骨架干样产生核磁共振信号。对页岩干样进行多次悬浮分离,分别测试页岩分离黏土矿物前、分离黏土矿物后、分离出的黏土矿物的核磁共振信号。经过对比分析发现,分离前页岩干样核磁共振信号强度与分离出的黏土矿物核磁共振信号强度相当,但分离出黏土矿物后的页岩干样核磁共振信号有较大程度衰减(见图3)。从而说明页岩黏土矿物的层间水组分确为页岩骨架产生核磁共振信号的原因。

为近一步验证结论的准确性,对页岩黏土矿物的主要组分伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石分别选取一定量进行核磁共振测试,获取了各组分单位质量产生的核磁共振信号总量(见图4)。可以看出,蒙脱石与伊利石是导致黏土矿物产生核磁共振信号的主要来源,绿泥石与高岭石的存在也对其有一定程度贡献,从而进一步证明了黏土矿物的存在会导致页岩骨架产生核磁共振信号。

图5 逐级粉碎页岩样品的核磁共振孔隙度测量结果

图4 页岩黏土矿物各组分产生的核磁共振信号量

3.2 逐级粉碎的页岩样品核磁共振孔隙度分析

3.2.1 页岩逐级粉碎过程的核磁共振T2谱、孔隙度

根据核磁共振弛豫机理,核磁共振T2谱反应岩石孔隙分布情况[7],该阶段的粉碎过程中,页岩孔隙未遭受破坏,即页岩并不会由于该阶段的粉碎导致孔径分布、孔隙结构发生改变,其依然保持着自身孔隙的完整性。当粉碎达到一定程度时(样品1号在230～270目处,样品3号在120～140目处),表征页岩孔隙特征的核磁共振T2谱发生改变,此时谱峰位置均明显向左移动,T2谱的信号总量尤其长弛豫组分明显衰减,表明孔隙结构的破坏使页岩孔隙更加集中分布在微小孔径处,且有效孔隙的贡献者——中、大孔与微裂缝(对应长弛豫组分)被破坏,导致页岩孔隙的有效孔体积大幅减少,从而使核磁共振T2谱的信号总量明显降低。

图5为逐级粉碎页岩样品的核磁共振孔隙度测量结果。在一定粉碎范围内,柱塞样与页岩碎样的核磁共振孔隙度十分接近,孔隙度曲线较为平滑,但在页岩的粉碎粒径达到120～140目时,3号与5号页岩样品的核磁共振孔隙度曲线出现明显的下降拐点,即对于这2个样品而言,粉碎至120～140目时其已无法表征页岩储层本身的孔隙度。当粉碎程度达到230～270目时,其余所有页岩样品的核磁共振孔隙度均发生变化,表明页岩样品在粉碎至此粒径时,孔隙结构均已被破坏。

对于不同的页岩样品,由于其不同的组分构成,以及孔隙结构、孔隙分布的差异,导致页岩样品粉碎下限难以确定,也造成了研究人员们所采用的粉碎程度具有明显的差别。

3.2.2 页岩粉碎程度与粒度的关系

岩石的粒度是反映岩石骨架构成的主要指标,也是划分储层、评价储层的重要物性参数。页岩是指由粉砂和黏土胶结而成的细粒碎屑岩,平均粒度0.03～0.06 mm。依据USDA粒度分类标准(见图6),将完整的柱状页岩样品粉碎为16～20目的碎样品后,页岩样品中那些粒径大于粗砂颗粒的粒径完整性将会被破坏。当进一步粉碎页岩样品到120～140目时,此时所有颗粒的直径必然小于0.105 mm,即样品中所有细砂级别的颗粒都已被粉碎成更细小的颗粒。同理,当粉碎级别达到230～270目时,样品中不再含有粒径大于粉砂级别的颗粒。在实验过程中将柱塞样粉碎至60～80目以内,测得的8块页岩核磁共振孔隙度相对稳定,且核磁共振T2谱较为一致,表明页岩粒度组成的完整性并没有遭到破坏。当样品粉碎至120～140目时,3号与5号样品核磁共振孔隙度的突变很可能与其中的极细砂成分被粉碎有关。而当样品粉碎超过230目时无疑会破坏页岩中的主要粒度组分粉砂。

图6 USDA粒径分类标准

页岩的孔径分布在纳米到微米尺度,毫米尺度内粉碎页岩样品并不会改变其孔隙结构,此时粉碎样品的孔隙度仍能够反映基质孔隙度[8]。当样品颗粒超过120目时,粉碎逐步进入微米尺度,部分页岩中的颗粒孔隙会被破坏磨平,从而导致孔隙度下降[9]。页岩中大多颗粒的粒径均大于200目,因而当粉碎程度进一步增大超至230目时,样品原始粒度组成和孔隙结构均遭到破坏,孔隙度下降更为明显。据此,将页岩样品的目数控制在毫米尺度范围内,同时颗粒粒径大于原始样品的粒度最大值,就能够保证页岩原始的孔隙结构和粒度组成结构未被破坏,60目以内的页岩样品可以同时满足上述2个条件,因而依然能准确地得到页岩的总孔隙度。页岩粉碎样品取样成本低、周期短,可开展大量页岩粉碎样品的孔隙度研究,有助于提高孔隙度测试效率。

4 结 论

(1) 通过对比2 MHz与23 MHz核磁共振仪器测试的页岩核磁共振T2谱、核磁共振孔隙度,高频低场核磁共振设备在信噪比和回波间隔上有明显的优势,能够更加准确评价页岩孔隙度和孔隙尺寸分布。

(2) 页岩黏土矿物赋存的层间水使页岩骨架产生核磁共振信号。利用核磁共振评价页岩孔隙度时,须扣除页岩骨架产生的核磁共振信号量以校正核磁共振孔隙度。

(3) 研究区页岩样品粉碎至60～80目范围内时仍保持着孔隙结构的完整性,依然能够准确表征页岩储层本身孔隙度;粉碎超过一定目数限度时,页岩样品的中、大孔隙被破坏,粉碎样品将无法准确反映真实的孔隙度。

(4) 页岩的孔径分布在纳米到微米尺度,将粉碎控制在毫米尺度且保证粉碎样本中颗粒粒径下限大于原始样品中粒度最大值,就能够保证页岩原始的孔隙结构和粒度组成结构不被破坏。60目范围内的页岩样品可满足该条件,依然能准确表征页岩储层本身的孔隙度。

参考文献:

[1] LUFFEL D L. New Core Analysis Methods for Measuring Reservoir Rock Properties of Devonian Shale [J]. Journal of Petroleum Technology, 1992, 44(11): 1184-1190.

[2] KARASTATHIS A. Petrophysical Measurements on Tight Gas Shale [D]. Norman: University of Oklahoma: Karastathis A, 2007.

[3] COMISKY J T. Sample Size Effects on the Application of Mercury Injection Capillary Pressure for Determining the Storage Capacity of Tight Gas and Oil Shales [C]∥Canadian Unconventional Resources Conference Calgary, 2013.

[4] 周宇, 魏国齐, 郭和坤. 核磁共振孔隙度影响因素分析与校准 [J]. 测井技术, 2011, 35(3): 210-214.

[5] SY/T 6490—2014. 岩样核磁共振参数实验室测量规范[S]. 北京: 国家能源局, 2014.

[6] LENORMAND R. Advances in Measuring Porosity and Permeability from Drill Cuttings [C]. SPE/EAGE Reservoir Characterization and Simulation Conference Abu Dhabi, Society of Petroleum Engineers, 2007.

[7] 李军, 金武军, 王亮, 等. 页岩气岩心核磁共振T2与孔径尺寸定量关系 [J]. 测井技术, 2016, 40(4): 460-464.

[8] CHALMERS G R, BUSTIN M R. The Effects and Distribution of Moisture in Gas Shale Reservoir Systems [C]∥AAPG Annual Convention and Exhibition, 2010.

[9] REZAEE R. Fundamentals of Gas Shale Reservoirs [M]. Hoboken: Wiley, 2015.