CN113167749A - 用于评价储集岩润湿性的核磁共振气体等温线技术 - Google Patents
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Abstract
用于评价多孔介质如烃储集岩的润湿性的核磁共振(NMR)气体等温线技术可以包括构建在各种压力下多孔介质样品气体吸附的NMR气体等温曲线。可以使用该NMR气体等温曲线来确定多孔介质样品的疏水性或亲水性。可以基于该NMR气体等温曲线来确定多孔介质样品的润湿性。可以确定具有不同孔隙尺寸的多孔介质样品的润湿性。在储集岩样品的情况下，所确定的润湿性尤其可以用来对包括这样的岩石样品的烃储层进行建模，以模拟通过这样的储层的流体流动，或者对从这样的储层中的强化烃采收进行建模。
Description
优先权要求
本申请要求2018年11月6日提交的美国申请号16/182,280的优先权，该美国申请号16/182,280是2017年3月20日提交的美国专利申请号15/463,679的部分继续申请，该美国专利申请号15/463,679是2016年3月14日提交的美国专利申请号15/069,650(现已作为在2017年3月21日公告的美国专利号9,599,581授权)的继续申请，该美国专利申请号15/069,650要求2015年4月22日提交的美国临时申请号62/151,079和2016年1月7日提交的美国临时申请号62/276,120的优先权，将这些申请中的每一个的内容以其各自的整体通过引用结合于此。
技术领域
本说明书涉及烃的开发和采集，并且更具体地，涉及检测储层性质。
背景技术
烃储层中的岩石例如通过将烃圈闭在岩石中的多孔地层内来储藏烃(例如，石油、油、气或它们中的一种或多种的组合)。了解烃储层的性质可以有助于优化从储层提取所储藏的烃。一种用于了解烃储层的性质的技术是开发全部或部分储层的计算机生成的软件模型。为了开发这样的模型，对来自烃储层的储集岩样品进行评价，并且将评价的结果作为输入提供给产生软件模型的计算机软件程序。可以在实验室条件下或在储层条件(即烃储层中的样品所经历的条件)下通过进行若干实验中的一个或多个来评价储集岩样品。岩石润湿性，具体地在岩石内的多孔结构的润湿性，是可以被评价的储集岩样品的参数之一。
发明内容
本说明书描述了与用于评价储集岩润湿性的核磁共振(NMR)气体等温线技术相关的技术。
此处描述的主题的某些方面可以作为一种方法实施。向在封闭容积中的三维储集岩样品施加多个压力。储集岩样品包括沿着该储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域。多个多孔区域具有相应的多种润湿性。每种润湿性代表每个多孔区域吸收气体的特性(品质或能力，quality)。在多个压力的每个压力下，向沿着储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域施加自旋回波单点成像(SE-SPI)脉冲序列。响应于施加多个压力来对储集岩样品构建核磁共振(NMR)气体等温曲线。在多个压力的每个压力下，向沿着储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域施加SE-SPI脉冲序列。基于所述NMR气体等温曲线来确定多个多孔区域的多种润湿性。多种润湿性中的每种润湿性包括代表每个多孔区域吸收气体的特性的值。基于该多种润湿性来确定储集岩样品的空间润湿性分布。对储集岩样品提供空间润湿性分布。
此方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。NMR气体吸附等温曲线可以包括NMR氢气体吸附等温曲线，并且可以将岩样品用水饱和至期望的水饱和度。可以确定NMR气体等温曲线是凸曲线。可以响应于确定NMR气体等温曲线是凸曲线来确定储集岩样品包括的亲水性表面比疏水性表面更多。可以确定NMR气体等温曲线是凹曲线。可以响应于确定NMR气体等温曲线是凹曲线来确定储集岩样品包括的疏水性表面比亲水性表面更多。可以基于储集岩样品是包括更多的亲水性表面还是包括更多的疏水性表面来确定储集岩样品的空间润湿性。多个多孔区域的孔隙度(孔隙大小，porosity)可以在介于小于1微米和大于1微米的范围内。为了确定岩样品的空间润湿性，可以确定孔隙度小于1微米的储集岩样品的第一多孔区域的第一润湿性，可以确定孔隙度大于或等于1微米的储集岩样品的第二多孔区域的第二润湿性。为了基于NMR气体等温曲线来确定多个多孔区域的多种润湿性，可以将用于储集岩样品气体吸附的NMR气体等温曲线与用于疏水性样品的第一标准NMR气体等温曲线和用于亲水性样品的第二标准NMR气体等温曲线进行比较。可以对疏水性样品构建NMR气体等温曲线。可以对亲水性样品构建NMR气体等温曲线。疏水性样品包括涂覆有疏水性涂层的珠(珠粒，bead)。亲水性样品包括涂覆有亲水性涂层的珠。为了基于NMR气体等温曲线来确定多个多孔区域的多种润湿性，可以确定孔隙度在小于1微米范围内的第一多孔区域的第一定量值和孔隙度在大于或等于1微米范围内的第二多孔区域的第二定量值。为了确定该第一定量值，可以对第一多孔区域确定在NMR气体等温曲线下方的归一化面积。为了确定该第一值，可以确定：响应于确定在曲线下方的归一化面积为在0和大致0.5之间，储集岩样品是油湿性的；响应于确定在曲线下方的归一化面积为大致等于0.5，储集岩样品是中间湿性的(intermediate wet)；或者响应于确定在曲线下方的归一化面积为在大致0.5和1之间，储集岩样品是水湿性的。为了确定该第二值，可以确定在储集岩样品的气体吸附量和疏水性样品的气体吸附量之间的差与在亲水性样品的气体吸附量和疏水性样品的气体吸附量之间的差的比率。为了确定第二定量值，可以：响应于确定所述比率为0至大致0.5，来确定储集岩样品是油湿性的；响应于确定所述比率为大致等于0.5，来确定储集岩样品是中间湿性的；或者响应于确定所述比率为在大致0.5和1之间，来确定储集岩样品是水湿性的。为了确定该第二定量值，可以确定在储集岩样品的气体吸附与亲水性样品的气体吸附之间的比率。为了在多个压力的每个压力下施加SE-SPI脉冲序列，在施加每个压力的同时，可以向储集岩样品中的多个多孔区域施加SE-SPI脉冲序列，并且对于每个多孔区域，可以测量响应于所施加压力的T2衰减时间。
此处描述的主题的某些方面可以作为一种系统实施。所述系统包括被配置成接收储集岩样品的核磁共振(NMR)样品池，储集岩样品包括沿着该储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域。多个多孔区域具有相应的多种润湿性。每种润湿性代表每个多孔区域吸收气体的特性。所述系统包括与NMR样品池连接的压力递送系统。该压力递送系统被配置成向NMR样品池中的储集岩样品施加多个压力。所述系统包括与NMR样品池连接的NMR控制系统。NMR控制系统被配置成在多个压力的每个压力下向沿着储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域施加自旋回波单点成像(SE-SPI)脉冲序列。所述系统包括与NMR控制系统和压力递送系统连接的计算机系统。该计算机系统包括计算机可读介质，所述计算机可读介质存储可由计算机系统执行以进行操作的指令。所述操作包括：响应于施加多个压力以及在多个压力的每个压力下向多个多孔区域施加SE-SPI脉冲序列，来构建储集岩样品的NMR气体等温曲线。所述操作包括：基于NMR气体等温曲线来确定多个多孔区域的多种润湿性，每种润湿性包括代表每个多孔区域吸收气体的特性的值。所述操作包括：基于多种润湿性来确定储集岩样品的空间润湿性分布，并且提供储集岩样品的空间润湿性分布。
此方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。压力递送系统可以被配置成使用烃气体施加多个压力。NMR气体吸附等温曲线包括NMR烃气体吸附等温曲线。可以将岩样品用水饱和至期望的水饱和度。用于确定多种润湿性的操作包括确定孔隙度在小于1微米范围内的第一多孔区域的第一定量值。用于确定第一定量值的操作包括：响应于确定在曲线下方的归一化面积为在0和大致0.5之间来确定储集岩样品是油湿性的；响应于确定在曲线下方的归一化面积为大致等于0.5来确定储集岩样品是中间湿性的；或者响应于确定在曲线下方的归一化面积为在大致0.5和1之间来确定储集岩样品是水湿性的。用于确定多个多孔区域的多种润湿性的操作包括确定孔隙度在大于或等于1微米范围内的第二多孔区域的第二定量值。所述操作包括：响应于确定所述比率为在0和大致0.5之间来确定储集岩样品是油湿性的；响应于确定所述比率为大致等于0.5来确定储集岩样品是中间湿性的；或者响应于确定所述比率为在大致0.5和1之间来确定储集岩样品是水湿性的。
此处描述的主题的某些方面可以作为一种方法实施。在封闭容积中向三维储集岩样品施加多个压力。储集岩样品包括沿着更储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域。多个多孔区域具有相应的多种润湿性。每种润湿性代表每个多孔区域吸收气体的特性。在每个压力下，向沿着储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域施加NMR脉冲序列。响应于施加多个压力以及在每个压力下施加NMR脉冲序列，来构建岩样品的NMR气体等温曲线。基于该NMR气体等温曲线来确定多个多孔区域的多种润湿性。每种润湿性包括代表每个多孔区域吸收气体的特性的值。基于多种润湿性来确定储集岩样品的空间润湿性分布。对储集岩样品提供空间润湿性分布。
此方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。NMR脉冲序列是Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脉冲序列或自旋回波单点成像(SE-SPI)脉冲序列。为了响应于向沿着储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域施加NMR脉冲序列来构建储集岩样品的NMR气体等温线，在施加每个压力的同时，可以向储集岩样品中的多个多孔区域施加NMR脉冲序列，并且对于每个多孔区域，可以测量响应于所施加压力的T2衰减时间。
本说明书中描述的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和随后的描述中提出。根据该描述、附图和权利要求书，所述主题的其他特征、方面和优点将变得明显。
附图说明
图1是一种使用NMR气体等温线技术来确定储集岩样品的样品润湿性的系统的示意图。
图2是用于测量储集岩样品的润湿性的工作流程的一个示例。
图3是Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脉冲序列的示意图。
图4A-4C是自旋回波单点成像(SE-SPI)脉冲序列的示意图。
图5是在储集岩样品的NMR气体等温线与表面润湿性之间的关系的示意图。
图6是包括亲水性表面和疏水性表面的多孔储集岩样品的NMR气体等温线的示意图。
图7是用于对包括尺寸为大于或等于1微米的孔隙的储集岩样品的润湿性进行定量的样品NMR气体等温曲线的示意图。
图8是用于对包括亚微米尺寸孔隙的储集岩样品的润湿性进行定量的样品NMR气体等温曲线的示意图形。
图9是示出了由使用CPMG脉冲序列测得的NMR气体等温线和使用SE-SPI脉冲序列测得的NMR气体等温线测得的示例润湿性指数的示意图。
图10是用于确定储集岩样品的空间润湿性分布的方法的一个示例的流程图。
各个附图中相同的附图标号和标记表示相同的要素。
具体实施方式
岩石润湿性、具体地在岩石内的多孔结构的润湿性是影响流过岩石的流体流动的参数之一。因此，岩石润湿性是用于预测流过储集岩的流动的地球物理模型的一个输入变量。润湿性通常用作储集岩的区别特性，指明岩石是疏水性的或亲水性的。润湿性是给定岩石(例如砂岩、碳酸盐岩或其他岩石)的一种材料参数特性，并且还取决于诸如表面粗糙度、表面尺寸、一次吸附位点的存在、特定离子效应和其他另外的因素等的因素。一种用于确定表面的润湿性(即表面保留水分的能力)的技术是将向理想化表面添加一滴水并且测量该水在表面上的接触角。所确定的润湿性可以作为地球物理模型(计算机产生的或以其他方式产生的)的一个输入变量提供。如果对实际岩石的多孔结构确定了润湿性(例如在类似于并且模仿岩石环境的条件下)，则该输入变量将会更准确，并且地球物理模型的预测将会更真实。
用于确定润湿性的宏观实验(例如，接触角测定实验)对于在储集岩样品的多孔结构内确定润湿性来说可能具有有限的价值。一些润湿性测量方法(例如，美国矿业局(United States Bureau of Mines,USBM)试验或Amott-Harvey试验)是利用多个实验程序的间接方法，这增加了测试结果中的误差的可能性。另外，测量内部孔隙表面的润湿性的USBM试验和Amott-Harvey试验均不能在已知的储层条件下进行。
本说明书描述了用于评价岩石润湿性的核磁共振(NMR)气体等温线技术。可以实施本说明书中描述的技术以测量在储集岩样品内的多孔结构的全局和空间润湿性。已经表明，在具有不同表面气体亲和性的单壁碳纳米管的表面上的NMR气体吸附等温曲线形状从疏水性到亲水性变化。此发现显示了固体表面的润湿性与疏水性之间的直接关系。采用NMR气体等温线来评价储集岩样品的润湿性可以提供具有不同尺寸的孔隙(包括亚微米尺寸孔隙)的准确润湿性，因为气体可以容易地进入这样的孔隙中。另外，如下文所描述的，可以将NMR气体等温线技术与通过自旋回波单点成像(SE-SPI)脉冲序列的驰豫时间(T2)映射技术组合，以提供任何多孔材料(包括例如储集岩的样品)的内部孔隙表面的空间润湿性。在以下表格中示出了某些已知润湿性测量技术与本公开内容中所描述的NMR气体等温线技术的比较。
1H NMR信号强度与在所检测样品容积内部的1H的数量成比例。通过监测气体的表面吸附的1H的总量(峰随着围压变化而改变)，可以构建NMR气体等温曲线。基于NMR气体等温线的润湿性测量是一种直接测量，其可以在储层条件下进行而不损坏样品。等温线的特定特性如形状和端点是用于亲水性表面和疏水性表面的相对蒸气压的函数。对于亚微米尺寸的孔隙，亲水性表面产生凸等温线，而疏水性表面产生凹等温线。对于尺寸大于或等于1微米的孔隙，与具有疏水性表面的那些孔隙相比，具有亲水性表面的孔隙的吸附气体的总量更大。因此，由储集岩样品得到的等温线的形状或端点(或两者)可以使得能够确定该样品是包括亲水性表面还是包括疏水性表面。除了等温线以外，1H NMR可以通过探测驰豫过程(T1，T2)来提供对在界面处的分子动力学的深入了解。此额外的信息可以解释在气体分子与亲水性表面或疏水性表面之间的相互作用。
实验系统
图1是一种使用NMR气体等温线技术来确定储集岩样品的润湿性的系统100的示意图。系统100包括NMR设备，例如，与NMR磁体(例如第一NMR磁体104a或第二NMR磁体104b或两者)连接的NMR控制系统102。NMR设备可以包括高场或低场NMR仪器。气体递送系统120包括蒸气膨胀泡、分配室、压力计、泵连接件和NMR样品池。NMR样品池122被设计成支撑高压和高温(HPHT)条件。例如，对于直径小于5毫米(mm)的大致圆柱形样品来说，NMR样品池122可以承受高达15,000磅/平方英寸(PSI)和高达250摄氏度(℃)，或者对于约1.5英寸直径的大致圆柱形样品来说，NMR样品池122可以承受高达5,000PSI和高达150℃。样品112可以是任何形状的多孔介质，其大小将会受NMR样品池122的尺寸限制。NMR控制系统102被配置成控制NMR设备。例如，NMR控制系统102可以向NMR设备提供指令以测量除了结构质子(固体的部分)以外的在样品内部的质子的总量。系统100还可以包括计算机系统108。计算机系统108可以使用在多孔储集岩样品的孔隙表面上吸附的气体(如烃气体或水蒸气)的总量来构建NMR气体等温线。在一些实施方式中，计算机系统108可以执行计算机软件操作以使用后面描述的技术来确定样品的润湿性。
在一些实施方式中，可以将样品112在放入到NMR样品池122中之前用液体饱和至期望的饱和度。可以用来将样品112饱和的液体可以具有与由气体递送系统120提供的气体不同的组成。例如，气体递送系统120可以提供烃气体，并且样品112可以用水饱和。水可以包括重水(也被称为氧化氘)，使得将样品112饱和的水不太可能干扰NMR气体等温线。
控制系统102和计算机系统108中的每一个都可以包括一个或多个数据处理装置(例如，一个或多个处理器)和存储指令的计算机可读介质，所述指令可由数据处理装置执行以进行包括构建样品的NMR气体等温线在内并且使用该NMR气体等温线来确定样品的润湿性的操作。控制系统102和计算机系统108中的每一个都可以作为台式计算机、膝上式计算机、个人数字助理(PDA)、智能电话、平板计算机或其他计算机实施。备选地或另外地，控制系统102和计算机系统108中的每一个都可以作为固件、软件或它们的组合实施。在一些实施方式中，控制系统106和计算机系统108可以是单独的实体，而在一些实施方式中，单个实体(例如，单个计算机系统)可以同时包括控制系统102和计算机系统108。
I.实验条件
A.NMR气体吸附等温曲线构建
可以将储集岩样品放入包括在NMR设备中的NMR样品池内。样品可以包括任何形状的岩心塞(rock core plug)。例如，岩心塞可以是直径为大致1.5英寸且高度为2英寸的圆柱形样品。备选地，样品可以包括岩屑(例如，钻屑)。换言之，可以使用纳入NMR样品池中的任何形状和尺寸的多孔介质样品。
此处描述的NMR实验可以在实验室条件(例如，室温或压力或两者)下或在储层条件(例如，在当前商购可得的用于直径1.5英寸和长度2英寸的圆柱形形状的样品尺寸的技术的情况下，高达150℃以及高达5000PSI的压力)下进行。改变NMR室中的压力以构建NMR气体等温曲线。NMR样品池中的初始压力可以设定为任何压力，例如，大气压或更低的压力。例如，将初始压力设定为最低可能压力可以使得能够完全构建NMR气体等温曲线，其可能有益于亚微米尺寸孔隙体系。可以采用在低场(例如，大致2兆赫(MHz)至20MHz)或中场(例如，大致20MHz至43MHz)或高场(例如，大致最高900MHz)中的技术。对于低场和高场，可以分别使用驰豫时间分布(T1和T2)和快速傅里叶变换(FFT)光谱来构建NMR气体吸附等温曲线。实验的持续时间可以部分地取决于实验装置、场强度、场均匀性、其他因素或它们的组合。
为了构建样品的NMR气体等温曲线，控制系统106可以控制NMR设备以测量NMR气体等温线，该测量以干样品开始，随后在提高NMR室内的气体压力的同时进行NMR测量。即，可以在不同压力下将气体(如烃气体或水蒸气)注入储集岩样品以检测在表面上的吸附气体。以这种方式，储集岩样品可以在不同压力下被水性流体润湿。NMR设备可以检测吸附气体信号，并且将所检测的信息提供给控制系统102。控制系统106或计算机系统108(或两者)可以接收来自NMR设备的时域原始数据，并且将时域原始数据转化为驰豫时间(T1或T2)分布(对于低场NMR)和FFT光谱(对于高场NMR)，将其用作后面描述的润湿性计算的输入。
B.润湿性测量
图2是用于测量储集岩样品的润湿性的工作流程200的一个示例。如后面所描述的，可以通过将在类似条件下对于储集岩样品构建的NMR气体等温线与对于亲水性和疏水性标准物构建的NMR气体等温线进行比较来对储集岩样品的润湿性进行定量。在202处，可以通过低场NMR来测量储集岩样品的孔隙尺寸。在204处，可以创建标准物以匹配储集岩样品的孔隙尺寸。例如，可以选择珠(例如，玻璃珠、聚合物珠或由其他材料制成的珠)来创建与储集岩样品具有大致相同的孔隙尺寸的孔隙体系。在206处，可以将标准物分为两批，并且每一批可以分别用亲水性涂层和疏水性涂层涂覆。在208处，可以对亲水性材料涂覆的标准物和疏水性材料涂覆的标准物构建NMR气体等温线。在210处，可以将储集岩样品的NMR气体等温线与亲水性材料涂覆的标准物和疏水性材料涂覆的标准物的NMR气体等温线进行比较以对润湿性进行定量。
II.润湿性研究
润湿是液体保持与固体表面接触的能力，其是由当两种材料一起接触时的分子间相互作用产生的。衡量润湿的程度的润湿性是附着力和内聚力之间的力平衡的结果。附着力是液体分子对不同基底产生引力的趋势。另一方面，内聚力使液滴产生最小的可能表面积。固体表面的疏水性由液体和固体之间的附着力导致。因此，固体表面的润湿性与疏水性直接相关。在本公开内容中在储集岩样品的情况下描述了润湿性研究，即在烃储层中可以找到的并且可以将烃圈闭在它们的孔隙体系内的岩石样品。在本公开内容中描述的研究和发现可以适用于任何类型的多孔介质，例如，包括均匀的孔隙体系(即具有大致相同尺寸的孔隙)或不均匀的孔隙体系(即具有多种孔隙子体系，其各自具有不同的尺寸)的多孔介质。
可以通过以下方式来实施润湿性研究：向多孔样品施加磁脉冲序列，并且测量NMR气体等温线和脉冲序列的驰豫时间。向样品施加的磁脉冲序列可以包括Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脉冲序列或自旋回波单点成像(SE-SPI)脉冲序列。采用CPMG脉冲序列可以提供整个样品的全局润湿性指数。采用SE-SPI脉冲序列可以提供在样品内的特定位置的多种润湿性指数。
A.使用CPMG脉冲序列的润湿性研究
图3是CPMG脉冲序列的示意图。CPMG脉冲序列测量NMR T2衰减时间。使用CPMG脉冲序列测得的T2衰减时间可以产生多孔样品的均化T2分布。可以使用先前描述的技术来构建多孔样品的NMR气体等温线。在一些实施方式中，选择第一压力水平，并且在所选择的第一压力水平下构建多孔样品的NMR气体等温线。向施加了第一压力水平的多孔样品施加图3所示的CPMG脉冲序列，并且测量T2衰减时间。随后，选择第二压力水平，并且在所选择的第二压力水平下构建多孔样品的NMR气体等温线。向施加了第二压力水平的多孔样品施加图3所示的CPMG脉冲序列，并且测量T2衰减时间。对于多个压力水平，重复构建NMR气体等温线和响应于CPMG脉冲序列测量T2衰减时间的步骤。由针对不同压力水平测得的T2衰减时间生成压力依赖性T2衰减分布曲线。可以通过测量与吸附的气体对应的T2分布峰的总面积变化来计算在每个压力下在孔隙表面上吸附的气体的量，该T2分布峰是通过将通过CPMG实验的时域T2衰减分布曲线倒置产生的。
B.使用二维SE-SPI序列的润湿性研究
图4A-4C是SE-SPI脉冲序列的示意图。如先前所描述的，可以将NMR气体等温线技术与通过SE-SPI脉冲序列的T2映射技术组合，以提供任何多孔材料(包括例如储集岩的样品)的内部孔隙表面的空间润湿性。在这样的实施方式中，SE-SPI脉冲序列可以替代在先前描述的润湿性研究中使用的CPMG脉冲序列。SE-SPI脉冲序列通过使用对NMR信号的梯度到空间编码来提供在样品的特定位置上的T2分布。因此，通过将使用SE-SPI脉冲序列的T2映射技术与先前描述的NMR气体等温线方法组合，可以测量在孔隙体系内的一个特定位置(或多个特定位置)内的空间润湿性分布。
在一些实施方式中，选择第一压力水平，并且在所选择的第一压力水平下构建多孔样品的NMR气体等温线。向施加了第一压力水平的多孔样品施加图4A-4C所示的SE-SPI脉冲序列，并且测量T2衰减时间。随后，选择第二压力水平，并且在所选择的第二压力水平下构建多孔样品的NMR气体等温线。向施加了第二压力水平的多孔样品施加图4A-4C所示的SE-SPI脉冲序列，并且测量T2衰减时间。对于多个压力水平，重复构建NMR气体等温线和响应于SE-SPI脉冲序列测量T2衰减时间的步骤。由针对不同压力水平测得的T2衰减时间生成压力依赖性T2衰减曲线。
当施加SE-SPI脉冲序列时，将多孔样品分成多个薄片，例如，沿着样品的纵轴将多孔样品分成多个薄片。例如，可以将为约2英寸厚的多孔样品分成64个薄片。在每个薄片中由对于不同压力水平测得的T2衰减时间生成压力依赖性T2衰减曲线。可以通过测量与吸附的气体对应的T2分布峰的总面积变化来计算在每个压力下在孔隙表面的每个薄片上吸附的气体的特性，该T2分布峰是通过将SE-SPI实验的时域T2衰减曲线倒置产生的。可以使用之后描述的技术来确定每个薄片的润湿性指数。因为每个薄片都是在多孔样品中的特定位置处获取的，所以可以确定多孔样品中的多个位置的润湿性指数。
图5是储集岩样品的NMR气体等温线和表面润湿性之间的关系的示意图。该图是相对于归一化孔隙压力(P/P0)的吸附(量)(气体克数除以颗粒克数)的图表。NMR气体等温曲线是一种气体吸附等温曲线，具体地，一种烃气体或水蒸气吸附等温曲线。通过NMR气体等温线检测的储集岩样品表面的疏水性是岩石表面的天然润湿性的直接指示。即，具有更大亲水性的表面会吸引更多水分子以被吸附并且抗拒烃吸附，而具有更大疏水性的表面会吸引更多烃分子以被吸附并且抗拒水吸附。图3示出了三种具有不同疏水性的储集岩样品的三种NMR气体等温曲线。储集岩的疏水性可以分为三类：油湿性(即，对烃的亲和性比对水的亲和性更大，因此是疏水的)，水湿性(即，对水的亲和性比对烃的亲和性更大，因此是亲水的)，和中间湿性(介于油湿性和水湿性之间)。线302表示水湿性储集岩样品的NMR气体吸附等温线。线304表示中间湿性储集岩样品的NMR气体吸附等温线。线306表示油湿性样品的NMR气体吸附等温线。
图6是包括亲水性表面和疏水性表面的多孔储集岩样品的NMR气体等温线的示意图400。储集岩样品可以包括多种孔隙体系(例如，如图6中的三种孔隙体系)，每种具有不同的孔隙尺寸。例如，岩样品的一些部分可以包括亚微米尺寸的孔隙，岩样品的一些部分可以包括可以包括尺寸大于或等于1微米的孔隙，并且岩样品的一些部分可以包括可以包括在亚微米尺寸孔隙和尺寸大于或等于1微米的孔隙之间的中间尺寸的孔隙。在图6中，线402和线404分别表示在这样的具有多种孔隙体系的储集岩样品中的亲水性表面和疏水性表面。在这样的岩样品中，NMR气体等温曲线可以是取决于每种孔隙体系的疏水性的气体等温曲线的组合。例如，孔隙体系的疏水性可以对于亚微米尺寸的孔隙是亲水的(由图6中的线406表示)，对于中间尺寸的孔隙是疏水的(由图6中的线412表示)，并且对于尺寸大于或等于1微米的孔隙是亲水的(由图6中的线414表示)。在另一个实例中，孔隙体系的疏水性可以对于亚微米尺寸的孔隙是疏水的(由图6中的线408表示)，对于中间尺寸的孔隙是亲水的(由图6中的线410表示)，并且对于尺寸大于或等于1微米的孔隙是疏水的(由图6中的线416表示)。在具有亲水性表面和疏水性表面的混合尺寸的孔隙体系的其他实例中，NMR气体吸附等温线可以包括气体等温曲线的其他组合。
尺寸大于或等于1微米的孔隙的主导气体吸附机制(扩散)和亚微米尺寸的孔隙的主导气体吸附机制(毛细凝聚)是不同的。对于超过微米尺寸的孔隙体系，与亲水性表面(图6中的线416)相比，随着气体压力升高，烃气体以更大的量且更快速地吸附在疏水性表面(图6中的线414)上。因此，对于具有尺寸大于或等于1微米的孔隙的孔隙体系，吸附的气体的总量可以用于对润湿性进行定量，而与等温曲线形状无关。
对于亚微米尺寸的孔隙体系，毛细凝聚导致相同量的气体被吸附在孔隙表面上，而与疏水性无关。由于亲水性情况和疏水性情况的气体与表面之间的附着力的差异，NMR气体等温曲线的形状也不同。例如，亲水性表面和疏水性表面分别产生凸曲线形状(图6中的线406、线410)和凹曲线形状(图6中的线408、线412)。因此，对于亚微米尺寸的孔隙体系，曲线形状分析可以用于对润湿性进行定量。
图7是用于对包括尺寸大于或等于1微米的孔隙的储集岩样品的润湿性进行定量的样品NMR气体等温曲线的示意图500。在一些实施方式中，可以使用以下公式1计算这样的储集岩样品的润湿性指数：
在公式1中，WI孔隙尺寸≥微米是高于微米尺寸的孔隙体系的通过NMR气体等温线得到的润湿性指数。变量S、O和W分别表示样品、100％油湿性标准物和100％水湿性标准物的总吸附量。对于这样的孔隙体系，可以通过以下对润湿性进行定量：
水湿性：0.5<WI孔隙尺寸≥微米≤1
中间湿性：WI孔隙尺寸≥微米≈0.5
油湿性：0≤WI孔隙尺寸≥微米<0.5
在一些实施方式中，通过假设公式1中的变量O为0来略过涂覆有100％疏水性材料的标准物的NMR气体等温线，得到公式2：
表面润湿不仅由孔隙表面化学导致，而且由其他物理因素，例如表面粗糙度、孔隙结构或其他物理因素导致。因为公式2不考虑这样的物理性质，所以使用公式2测得的润湿性可以作为近似值使用。
图8是用于对包括亚微米尺寸孔隙的储集岩样品的润湿性进行定量的样品NMR气体等温曲线的示意图600。图600示出了三种具有不同润湿性的亚微米尺寸多孔介质的NMR气体等温曲线。对于水湿性体系来说，NMR气体吸附曲线是凸的，并且对于油湿性体系来说，NMR气体吸附曲线是凹的。在中间湿性体系的情况下，NMR气体吸附曲线位于凸曲线和凹曲线之间，并且在图6中表示为直线。如先前所述的，对于亚微米尺寸的孔隙体系来说，具有不同润湿性的表面之间的吸附气体的总量之间没有很大的差别。因此，可以通过在曲线形状(而不是端点，如先前关于含有具有尺寸大于或等于1微米的孔隙的孔隙体系的储集岩样品所描述的)方面的差别来测量具有亚微米尺寸的孔隙的储集岩样品的润湿性。
孔隙结构的不均匀性可能导致NMR气体等温曲线的曲率不精确地是凸的、凹的或直的。因此，可以通过确定在曲线下方的面积来确定润湿性。为了这样做，在一些实施方式中，可以采用梯形法则(Trapezoidal rule)。备选地，也可以采用用于确定曲线下方的面积的其他技术。因此，在一些实施方式中，可以使用以下所示的公式3来计算具有亚微米尺寸的孔隙的储集岩样品的润湿性指数。
WI孔隙尺寸＜微米＝在NMR气体等温曲线下方的面积。 (公式3)
对于这样的孔隙体系，可以通过以下对润湿性进行定量：
水湿性：0.5<WI孔隙尺寸<微米≤1
中间湿性：WI孔隙尺寸<微米≈0.5
油湿性：0≤WI孔隙尺寸<微米<0.5
图9是示出了由使用CPMG脉冲序列测得的NMR气体等温线和使用SE-SPI脉冲序列测得的NMR气体等温线测得的示例性润湿性指数的示意图。该示意图示出了包括具有不同润湿性的区域的多孔岩样品900的图示。例如，多孔岩样品900包括水湿性区域902、油湿性区域906和润湿性在水湿性区域902和油湿性区域906的润湿性之间的中间湿性区域904。通过实施使用CPMG脉冲序列的NMR气体等温线测量，对于整个多孔岩样品确定了全局润湿性指数为0.4。通过将样品900分成三种区域并且实施使用SE-SPI脉冲序列的NMR气体等温线测量，对于水湿性区域902、中间湿性区域904和油湿性区域906确定了三种润湿性指数分别为0.8、0.6和0.2。
通过实施先前描述的技术确定的储集岩样品的润湿性可以作为输入变量提供给计算机系统108，该计算机系统108执行包括与储集岩样品基本上类似或相同的储集岩的烃储层的地球物理模型。使用输入的润湿性，计算机系统100可以确定流过烃储层的流体流动，对其进行建模或模拟。通过这样做，计算机系统100可以确定烃储层中的烃储量的总量，或者确定采收率，或两者兼备。另外，计算机系统100可以使用润湿性作为模型的一个输入参数，该模型测量、监测、建模或模拟强化采油(EOR)或提高采油(IOR)或两者。以这种方式，使用先前描述的NMR气体吸附等温线技术来确定储集岩样品的润湿性可以提高烃储层模拟的准确度，并且有助于为目标烃储层设计更有效的EOR/IOR技术。
图10是一种用于确定储集岩样品的空间润湿性分布的方法1000的一个示例的流程图。在1002处，向在封闭容积中的三维储集岩样品施加多个压力。储集岩样品包括沿着该储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域。多个多孔区域具有相应的多种润湿性。每种润湿性代表每个多孔区域吸收气体的特性。在1004处并且在每个压力下，向沿着储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域施加NMR脉冲序列。在1006处，响应于施加多个压力以及在每个压力下向沿着储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域施加NMR脉冲序列，来构建储集岩样品的NMR气体等温曲线。在1008处，基于NMR气体等温曲线来确定多个多孔区域的多种润湿性。每种润湿性包括代表每个多孔区域吸收气体的特性的值。在1010处，基于多种润湿性来确定储集岩样品的空间润湿性分布。在1012处，提供储集岩样品的空间润湿性分布。例如，可以在如图9所示的显示设备上显示空间润湿性分布。
因此，已经描述了所述主题的特定实施方式。其他实施方式在所附权利要求的范围内。例如，以上描述的技术是在NMR气体吸附等温线的情形中。为了使用烃流体来研究储集岩样品的润湿性，可以使用适当的烃气体代替水蒸气。这样做可以使得能够在多孔介质的内表面中的对于特定气体裂隙测量润湿性。
Claims (20)
1.一种方法，所述方法包括：
向在封闭容积中的三维储集岩样品施加多个压力，所述储集岩样品包括沿着所述储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域，其中所述多个多孔区域具有相应的多种润湿性，每种润湿性代表每个多孔区域吸收气体的特性；
在所述多个压力的每个压力下，向沿着所述储集岩样品的纵轴分布的所述多个多孔区域施加自旋回波单点成像(SE-SPI)脉冲序列；
响应于施加所述多个压力以及在所述多个压力的每个压力下向沿着所述储集岩样品的纵轴分布的所述多个多孔区域施加所述SE-SPI脉冲序列，来构建所述储集岩样品的核磁共振(NMR)气体等温曲线；
基于所述NMR气体等温曲线来确定所述多个多孔区域的多种润湿性，所述多种润湿性中的每种润湿性包括代表所述每个多孔区域吸收气体的特性的值；
基于所述多种润湿性来确定所述储集岩样品的空间润湿性分布；以及
对所述储集岩样品提供所述空间润湿性分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述NMR气体吸附等温曲线包括NMR烃气体吸附等温曲线，并且用水将所述岩样品饱和至期望的水饱和度。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
确定所述NMR气体等温曲线是凸曲线；和
确定所述储集岩样品包括的亲水性表面比疏水性表面更多。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
确定所述NMR气体等温曲线是凹曲线；和
确定所述储集岩样品包括的疏水性表面比亲水性表面更多。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述储集岩样品的空间润湿性包括基于所述储集岩样品是包括更多的亲水性表面还是包括更多非疏水性表面来确定所述空间润湿性。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个多孔区域的孔隙度在介于小于1微米和大于1微米的范围内，并且其中确定所述岩样品的空间润湿性包括：
确定孔隙度小于1微米的所述储集岩样品的第一多孔区域的第一润湿性；和
确定孔隙度大于或等于1微米的所述储集岩样品的第二多孔区域的第二润湿性。
7.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述NMR气体等温曲线来确定所述多个多孔区域的多种润湿性包括：将所述储集岩样品气体吸附的NMR气体等温曲线与用于疏水性样品的第一标准NMR气体等温曲线和用于亲水性样品的第二标准NMR气体等温曲线进行比较，其中所述多种润湿性中的每种润湿性包括代表每个多孔区域吸收气体的特性的值。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：
构建所述疏水性样品的核磁共振(NMR)气体等温曲线；和
构建所述亲水性样品的核磁共振(NMR)气体等温曲线。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述疏水性样品包括涂覆有疏水性涂层的珠，并且其中所述亲水性样品包括涂覆有亲水性涂层的珠。
10.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述NMR气体等温曲线来确定所述多个多孔区域的多种润湿性包括：
确定孔隙度在小于1微米范围内的第一多孔区域的第一定量值；和
确定孔隙度在大于或等于1微米范围内的第二多孔区域的第二定量值，
其中所述多种润湿性中的每种润湿性包括代表每个多孔区域吸收气体的特性的值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述第一定量值包括确定所述第一多孔区域的在所述NMR气体等温曲线下方的归一化面积。
12.根据权利要求11所述的方法，其中确定所述第一定量值包括：响应于确定在所述曲线下方的归一化面积为在0和大致0.5之间来确定所述储集岩样品是油湿性的；响应于确定在所述曲线下方的归一化面积为大致等于0.5来确定所述储集岩样品是中间湿性的；或者响应于确定在所述曲线下方的归一化面积为在大致0.5和1之间来确定所述储集岩样品是水湿性的。
13.根据权利要求11所述的方法，其中确定所述第二定量值包括：确定在所述储集岩样品的烃气体吸附量和所述疏水性样品的烃气体吸附量之间的差与在所述亲水性样品的烃气体吸附量和所述疏水性样品的烃气体吸附量之间的差的比率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中确定所述第二定量值包括：响应于确定所述比率为在0和大致0.5之间来确定所述储集岩样品是油湿性的；响应于确定所述比率为大致等于0.5来确定所述储集岩样品是中间湿性的；或者响应于确定所述比率为在大致0.5和1之间来确定所述储集岩样品是水湿性的。
15.根据权利要求11所述的方法，其中确定所述第二定量值包括：确定在所述储集岩样品的烃气体吸附与所述亲水性样品的烃气体吸附之间的比率。
16.根据权利要求1所述的方法，其中在所述多个压力的每个压力下，向沿着所述储集岩样品的纵轴分布的所述多个多孔区域施加SE-SPI脉冲序列包括：在施加每个压力的同时：
向所述储集岩样品中的所述多个多孔区域施加所述SE-SPI脉冲序列；和
对于每个多孔区域，测量响应于所施加压力的T2衰减时间。
17.一种系统，所述系统包括：
核磁共振(NMR)样品池，所述核磁共振(NMR)样品池被配置成接收储集岩样品，所述储集岩样品包括沿着所述储集岩样品的纵轴分布的多个多孔区域，其中所述多个多孔区域具有相应的多种润湿性，每种润湿性代表每个多孔区域吸收气体的特性；
与所述NMR样品池连接的压力递送系统，所述压力递送系统被配置成向在所述NMR样品池中的所述储集岩样品施加多个压力；
与所述NMR样品池连接的NMR控制系统，所述NMR控制系统被配置成在所述多个压力的每个压力下向沿着所述储集岩样品的纵轴分布的所述多个多孔区域施加自旋回波单点成像(SE-SPI)脉冲序列；以及
与所述NMR控制系统和所述压力递送系统连接的计算机系统，所述计算机系统包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储导致所述计算机系统执行操作的可执行指令，所述操作包括：
响应于施加所述多个压力以及在所述多个压力的每个压力下向沿着所述储集岩样品的纵轴分布的所述多个多孔区域施加所述SE-SPI脉冲序列，来构建所述储集岩样品的核磁共振(NMR)气体等温曲线；
基于所述NMR气体等温曲线来确定所述多个多孔区域的多种润湿性，所述多种润湿性中的每种润湿性包括代表每个多孔区域吸收气体的特性的值；
基于所述多种润湿性来确定所述储集岩样品的空间润湿性分布；和
对所述储集岩样品提供所述空间润湿性分布。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述压力递送系统被配置成使用烃气体来施加所述多个压力，所述NMR气体吸附等温曲线包括NMR烃气体吸附等温曲线，并且用水将所述岩样品饱和至期望的水饱和度。
19.根据权利要求17所述的系统，其中基于所述NMR气体等温曲线来确定所述多个多孔区域的多种润湿性包括：
确定孔隙度在小于1微米范围内的第一多孔区域的第一定量值，其中确定所述第一定量值包括：响应于确定在所述曲线下方的归一化面积为在0和大致0.5之间来确定所述储集岩样品是油湿性的；响应于确定在所述曲线下方的归一化面积为大致等于0.5来确定所述储集岩样品是中间湿性的；或者响应于确定在所述曲线下方的归一化面积为在大致0.5和1之间来确定所述储集岩样品是水湿性的，
其中所述多种润湿性中的每种润湿性包括代表每个多孔区域吸收气体的特性的值。
20.根据权利要求17所述的系统，其中基于所述NMR气体等温曲线来确定所述多个多孔区域的多种润湿性包括：
确定孔隙度在大于或等于1微米范围内的第二多孔区域的第二定量值，其中响应于确定所述比率为在0和大致0.5之间来确定所述储集岩样品是油湿性的，响应于确定所述比率为大致等于0.5来确定所述储集岩样品是中间湿性的，或者响应于确定所述比率为在大致0.5和1之间来确定所述储集岩样品是水湿性的，
其中所述多种润湿性中的每种润湿性包括代表每个多孔区域吸收气体的特性的值。
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