研究背景

由于低孔隙度、低滲透、多尺度孔隙空間和復雜的流體成分，頁巖油儲層的表征和開發面臨著巨大的挑戰。核磁共振技術因其高分辨率、無損和快速等優勢，在頁巖油儲層表征和開發研究中具有顯著的優勢。本文對近十年來核磁共振技術在頁巖油勘探和開發的實驗室應用進展進行了總結與展望。

摘要

目前應用于頁巖油勘探和開發實驗室研究的核磁共振技術主要有一維核磁共振T₂圖、二維核磁共振T₁-T₂圖、MRI技術和分層T₂技術。 T₂圖無損表征了頁巖油儲層全尺寸孔徑分布，可與其他實驗方法結合擴展功能：
(1)結合離心和熱處理，確定核磁共振T₂截止值，定量區分可動流體、毛細束縛流體和不可動流體；
(2)結合巖心夾持器，可以表征頁巖基質和裂縫系統的應力敏感性；
(3)結合滲吸實驗，可定量評價滲吸規律及潤濕性；
(4)基于在線高溫高壓CO₂前驅替裝置，可定量計算動態采收率。此外，二維T₁-T₂圖在識別頁巖油層不同賦存狀態下各種流體類型和流體原位含量方面具有獨特優勢。在CO₂提高頁巖油采收率過程中，MRI技術具有表征氣液界面空間分布的巨大潛力。分層T₂技術可提供CO2驅替過程中的樣品空間分辨T₂分布及氣液界面分布。

應用細節與實例

（1）核磁共振T₂譜技術可實現頁巖油藏全尺寸孔徑分布的無損表征，但其在孔隙幾何形態解析與比表面積計算方面相較低溫氮氣吸附法、高壓壓汞法存在技術盲區。

（2）通過T₂譜與離心-熱處理聯用技術，可建立NMR T₂截止值標定方法，實現不可動流體（束縛態）、毛細管束縛流體與可動流體（自由態）的三相定量分離。

圖1 頁巖樣品兩個T₂截止值的計算方法（Xu et al. 2022）

（3）基于可加載圍壓的巖心夾持器，T₂譜可動態監測不同有效應力下巖心孔隙度變化規律，定量表征儲層應力敏感性。

（4）結合滲吸動力學實驗，T₂譜可同步獲取滲吸過程飽和度變化，并建立潤濕性評價模型。

圖2核磁共振自發滲吸實驗過程示意圖（Wang et al. 2022）
 

（5）在高溫高壓CO₂驅油裝置中集成在線T₂譜監測系統，實現了驅替過程中流體運移的原位無損監測，顯著提升采收率動態數據的可信度。

圖3 CO₂吞吐實驗前(a)和后(b)的油飽和度空間分布（Tang et al. 2023）

（6）二維T₁-T₂譜在頁巖儲層的流體定量識別具有獨特優勢，在定量區分儲層中固體干酪根、粘性瀝青和不同賦存狀態（吸附和游離）的流體。

圖4典型的頁巖油儲層組分識別T₁-T₂圖版(上圖：Li et al., 2018; 下圖：Zhang et al., 2020)

（7）分層T₂技術通過空間分辨T₂分布解析，可重構驅替方向含油飽和度剖面，并基于CO₂前緣擴展特征評估波及效率。

圖5 第1 ~ 5輪CO₂ 吞吐過程中頁巖油的空間分布特征（Luo et al. 2022）

（1）二維T₁-T₂譜在頁巖油儲層多相流體賦存狀態（吸附態/游離態）識別及原位含量定量解析方面展現顯著技術優勢。

（2）二維T₁-T₂譜在CO₂驅替過程油相運移監測中展現出工程應用潛力，但其現有二維序列測量耗時過長的缺陷制約了現場快速響應能力，亟需通過脈沖序列優化與硬件升級實現實時動態監測突破。

（3）核磁共振成像（MRI）技術可動態捕捉驅替過程中氣液界面運移特征，然而現有毫米級空間分辨率難以滿足超低滲頁巖微納孔喉系統觀測需求。通過成像技術的突破有望實現頁巖油儲層中多相流運移剖面的在線表征，從而拓展核磁技術在非常規油氣開發中的適用邊界。

參考文獻

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