利用核磁共振T1-T2谱技术研究页岩油可动性

李骥远，卢双舫

(中国石油大学(华东)，山东 青岛 266500)

利用核磁共振T1-T2谱技术研究页岩油可动性

李骥远，卢双舫

(中国石油大学(华东)，山东 青岛 266500)

基于核磁共振T1-T2相关谱技术，建立核磁共振响应特征与岩石热解参数的联系。利用初步建立的划分标准提取岩石样品核磁共振响应中的各组分信号，得到核磁共振T1-T2谱中各组分信号与对应的地化参数之间呈现正相关关系，而其中可动有机质信号强度与各样品的含油性指数(S1/TOC×100)同样表现出极好的线性关系，说明核磁共振技术在表征泥页岩有机质含量方面具有可行性。经过干酪根提取以及热解参数计算后，量化得到松辽盆地北部地区页岩油可动下限约为S1/TOC×100=102.36 mg/g。

页岩油；可动性；核磁共振；热解参数

0 前 言

在对页岩可采油气资源量进行评价的过程中，评价结果不仅与页岩油的资源量有关，更与泥页岩中页岩油的可动量密切相关。泥页岩比表面积大，储集空间复杂，孔隙结构复杂且孔隙尺度小，多发育有机孔、无机孔，孔隙小，吼道细，储层连通性差，孔渗极低，且致密储层岩石物性数据少，不易于采用常规实验技术手段评价其中流体的可动性。因此如何评价泥页岩中页岩油的可流动性成为了页岩油资源量评价中的难点和重点。

本次研究选取松辽盆地北部地区的部分优质源岩样品进行分析实验，通过建立核磁共振T1-T2谱相关信号与热解实验参数之间的联系来进行对页岩油可动性的评价。

1 核磁共振技术及原理

1.1 核磁共振基本原理

由于原子核带正电，同时原子核存在自旋，在原子核围绕核心旋转的方向上会存在环形电流，而环形电流会产生磁矩。对原子核施加一个静磁场B0，使其在原子核上产生一个力矩，该力矩对原子核的作用为使其自旋轴的方向同静磁场一致。与此同时对原子核施加一个一定频率的射频磁场，在两个同时存在的磁场共同作用下原子核在磁能级之间会产生一种共振吸收的响应，这种现象即为核磁共振[1-2]。

1.2 核磁共振实验中弛豫时间

弛豫是指磁化矢量M在射频磁场作用下偏离稳定平衡状态之后，恢复到平衡态的过程。弛豫时间T1和T2分别被用来描述恢复过程中纵向弛豫和横向弛豫速度的快慢。

1)纵向弛豫T1

纵向弛豫即为磁化矢量M在纵向上的分量经过一段时间后逐渐恢复到平衡状态的整个过程。

2)横向弛豫T2

横向弛豫又叫自旋—自旋弛豫，其衰减过程中上下进动圆锥上的核磁矩数量和总能量不变，过程中原子核内部能量进行交换，整个自旋系统总能量不变。而磁化矢量的横向分量Mxy恢复到初始平衡状态的过程为横向弛豫，1/T2即为横向弛豫速率。

2 岩石孔隙流体的核磁共振弛豫机制

自由弛豫、表面弛豫和扩散弛豫这3种不同的弛豫机制存在于岩石孔隙流体的核磁共振弛豫机制中，并且是同时存在的。

1)自由弛豫

自由弛豫，即流体特有的体弛豫现象，其弛豫时间由流体物理特性(粘土、化学成分等)及流体所处的环境(温度、压力等)决定。

在石油工业核磁研究过程中，由于岩石表面为固体，通常岩石孔隙内的流体表面弛豫比体弛豫强。然而当亲水岩石孔隙中油气属于非润湿相，岩石中存在裂缝导致流体与固体表面接触较少，以及稠油等流体粘度较大的情况下，流体与岩石孔隙之间自由弛豫现象不可忽视，此时需要同时考虑自由弛豫和表面弛豫的影响。

2)表面弛豫

岩石孔隙颗粒表面的弛豫机制即为表面弛豫，具体表现为孔隙流体与岩石固体表面之间的弛豫现象。

3)扩散弛豫

分子处于布朗运动过程中会进行自扩散运动，扩散弛豫即为质子在梯度磁场中，由于分子扩散引起的弛豫特性。

岩石中孔隙流体的类型及尺寸、孔隙发育结构、孔隙表面岩石物理性质以及岩石颗粒表面润湿性等条件决定了3种弛豫机制对于孔隙内流体是否起作用[3-5]。通常对于亲水岩石来说，孔隙中水的T2弛豫时间主要由表面弛豫决定；对于稠油来说，其T2弛豫主要由自由弛豫决定；而轻质油的T2弛豫时间则由自由弛豫和扩散弛豫共同决定，并与油的粘度有关；天然气由于气体分子的扩散特性，其T2弛豫时间主要受控于扩散弛豫。

3 核磁共振T1-T2相关谱技术

3.1 核磁共振T1-T2相关谱信号划分标准

本次研究选取松辽盆地北部地区古10、古17、齐平1、徐11井等目标井位中质量较好、有机质较成熟的样品进行研究，实验所得泥页岩样品的核磁共振T1-T2相关谱信号主要发育两个高值区(图1 中大圈部分和小圈部分)，且对比各样品的地球化学特征发现，随着样品有机质丰度的增加(本次研究采用S1+S2作为有机质丰度评价标准)，其大圈部分的信号强度出现递增的趋势，因此，初步预测，大圈内的信号可能代表着有机质。

图1 各泥页岩样品的核磁共振T1-T2相关谱图

基于大量的泥页岩样品、干酪根样品洗油先后的核磁共振T1-T2相关谱的特征以及在潮湿空气中放置很久的粘土矿物(蒙脱石)的核磁共振T1-T2测试实验，综合得到各组分在核磁共振T1-T2相关谱上的信号特征并进行初步划分(如图2)，本次研究建立泥页岩核磁共振响应信号的划分标准(表1)。

图2 T1-T2核磁信号响应划分标准

序号T2/msT1/T2组分①>1>10轻质油②<1>10干酪根③<1<10粘土束缚水

3.2 核磁共振T1-T2谱信号与热解参数的关系

根据上述泥页岩核磁共振T1-T2相关谱信号的划分标准，对样品核磁共振T1-T2相关谱中各有机质信号值进行提取并结合其地球化学参数建立散点图。如图3所示，核磁共振T1-T2测试的总有机质信号和TOC(左上)、S1+S2(右上)，油信号和S1(左下)，干酪根信号(可能包含高粘度的原生沥青或者油)和S2(右下)均表现出较好的线性相关性。

4 页岩油可动性及可动下限的确定

实验对进行洗油后的页岩柱样抽真空加压25 MPa饱和正十二烷48 h，以1.38 MPa(少数指定岩心用2.87 MPa)为离心力进行离心，每次离心前后称重并进行核磁共振T1-T2相关谱测试等实验后，分析对比离心前后页岩样品的核磁共振T1-T2相关谱特征。

图3 核磁共振T1-T2相关谱有机各组分信号与地化参数之间的关系

对于离心后样品的核磁共振T1-T2相关谱中有机质信号强度进行提取，得到不可动油的信号强度，再根据核磁共振信号与热解参数之间的关系，计算出不可动油所对应的S1值，从而量化页岩油的可动下限(S1和TOC之间的关系)。对于离心后样品的核磁共振T1-T2相关谱中有机质信号强度进行提取，发现随着样品TOC含量的增加，单位质量岩石的离心后有机质信号强度(不可动总有机质信号)逐渐增加，其中不可动总有机质包含着干酪根的信号和不可动油信号。根据离心后样品的不可动总有机质信号强度，结合模拟计算的干酪根信号强度即可计算出不可动油的信号强度(图4)。

图4 页岩油不可动油信号计算(阴影部分为不可动油信号强度)

根据核磁共振信号与热解参数之间的关系，即可计算出不可动油所对应的S1值，从而量化页岩油的可动下限，结合页岩的地球化学特征，确定所选目标区域内页岩油可动下限约为S1/TOC×100=102.36 mg/g。

5 结 论

通过选取松辽盆地青山口组不同深度段不同岩性的岩心进行核磁共振和热解、驱替实验对目标地区页岩油可动性进行评价。在评价过程中得到以下结论：

1)初步建立了泥页岩核磁共振响应信号与样品中各组分的对应关系及信号划分标准。

2)核磁共振T1-T2测试的总有机质信号和TOC、S1+S2，油信号和S1，干酪根信号(可能包含高粘度的原生沥青或者油)和S2表现出较好的线性相关性，说明检测岩石有机氢信号的核磁共振T1-T2相关谱技术和热解方法具有统一性。

3)对比油和干酪根信号与热解参数S1和S2的关系发现，油信号与S1之间的线性相关性高达0.924 6，而干酪根信号与S2之间的线性相关性仅为0.655 2，这说明对于核磁共振氢信号的测定，粘度低、易动的油信号要比粘度较大的沥青及固态有机干酪根信号更容易检测。

4)根据离心后样品的不可动总有机质信号强度以及核磁共振信号与热解参数之间的关系，量化了页岩油可动下限，为目标地区页岩油资源量的评价提供了理论依据。

[1] 赛芳. 核磁共振测井基本理论研究与介绍[J]. 硅谷, 2014, 7(15): 99-100.

[2] 何宗斌. 岩石核磁共振弛豫特性及核磁共振测井应用[D]. 上海: 同济大学, 2008.

[3] 刘美杰. 江苏油田核磁共振录井综合应用研究[D]. 青岛: 中国石油大学, 2010.

[4] 李振涛. 利用核磁共振二维谱技术研究岩心含油饱和度[J]. 北京: 中国科学院研究生院(渗流流体力学研究所), 2011.

[5] 王会波, 陈载林. 剩余磁异常的计算与深部磁性盲矿层的预测[J]. 中国锰业, 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

国家自然科学基金项目(40671063)

李骥远(1990-)，男，山东聊城人，在读硕士研究生，研究方向：油气资源评价及非常规油气藏研究，手机：15729788785，E-mail：fb08tgzy@163.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.047