CN113588704B - 岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，利用非混溶流体各自完全饱和岩心样品时测得的核磁共振T2谱信号曲线中包含的丰富信息，从理论上推导得到岩心中非混溶流体共存时各自的核磁共振T2谱信号幅度分量计算方法。本方法操作简便，克服了采用核磁共振技术研究非混溶流体饱和岩心时无法直接分离不同类型流体核磁共振T2谱信号的难题，同时本方法的实施可以极大地降低此类实验成本，可以产生显著的经济效益。此外，本方法除了可用于油气田开发技术领域中分离岩心中的非混溶流体核磁共振信号外，还可用于其他领域中分离多孔介质中的非混溶流体核磁共振信号，具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开发技术领域，尤其涉及岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法。
背景技术
社会经济的高速发展带来化石能源消费量的逐年攀升，常规油气资源难以满足需求。与此同时，优质油气资源的不断采出导致新的油气勘探开发工作难度越来越大，提高油气采收率以及加快推进非常规油气资源开发得到广泛关注。
非常规油气藏储层岩石致密、孔喉结构复杂、应力敏感突出，导致流体采出困难；经过长时间的开采后，常规油气藏剩余油气资源动用难度大。研究者们开始从岩心尺度探索提高采收率手段，室内岩心流动评价实验越来越受到重视。研究者们通过各种室内实验手段研究岩心中非混溶流体分布及其流动规律，如注水驱替原油过程原油在不同孔径通道中的滞留规律或者焖井过程压裂液与原油的置换规律等，相关工作可为提高油气资源采收率以及制定油气藏经济高效开发方案提供重要理论指导和启发。
受实验仪器设备限制，常规实验方法只能从整体上计量岩心中非混溶流体体积，无法进一步明确不同孔径通道中流体的具体分布情况。核磁共振技术在岩心流动评价实验中的应用解决了这一难题。核磁共振仪器发射的磁场只对流体中的氢核有响应，并且核磁共振T2谱信号与流体所处孔径相关，利用上述特性可以获取岩心孔径分布、不同孔径通道中流体分布等信息，极大地加深了人们对岩心内部孔隙结构特征及流体分布规律的认识。
值得注意的是，通常非混溶流体中均含有氢核，因此非混溶流体在岩心中共存时所测得的核磁共振T2谱信号为不同流体信号的叠加，难以直接识别不同孔径中不同流体的具体分布情况。有研究表明，在水中添加MnCl2溶液可以使得水中氢核响应的弛豫时间减小，从而有可能实现水和原油核磁共振T2谱信号的完全分离。然而，这样的处理方式可能导致流体性质发生改变。目前应用更多的是使用重水代替地层水或注入水，使用氟油代替原油，因为它们在磁场中无核磁信号响应。重水和氟油的市场售价高昂，限制了相关实验的开展，并且重水和氟油可能无法真实反映原始流体性质。
发明内容
为解决前述问题，本发明提出了岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，该方法不改变所研究流体性质，不使用其他无核磁信号响应流体代替研究流体，操作简便且具有严格的理论推导支撑。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：将所要研究的岩心样品进行清洗处理；
S2：将步骤S1中清洗后得到的岩心放置在恒温箱中，至少连续烘干24小时后，每隔8小时利用电子天平称量一次，直到相邻两次称量岩心质量变化小于2％为止，此步骤的目的是去除岩心清洗后残留在其中的清洗剂；
S3：使用分子泵将步骤S2中得到的岩心连续抽真空，利用真空条件进一步去除岩心中吸附的杂质气体和水分；
S4：将步骤S3中处理得到的岩心进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，所得信号作为基底信号；
S5：将所研究非混溶流体分别标记为流体A和流体B，用流体A完全饱和岩心后进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，将所得信号减去步骤S4中获得的基底信号，即得到流体A在岩心中完全饱和时的核磁共振T2谱信号曲线；
S6：重复步骤S1至S3，将步骤S5中的岩心进行清洗、烘干和抽真空处理，然后用流体B完全饱和岩心后进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，将所得信号减去步骤S4中获得的基底信号，即得到流体B在岩心中完全饱和时的核磁共振T2谱信号曲线；
S7：重复步骤S1至S3，将步骤S6中的岩心进行清洗、烘干和抽真空处理，然后开展岩心中非混溶流体A和流体B共存实验(如地层水驱替原油、压裂液置换原油等，具体实验根据实际需要开展，这里只是将其作为一种应用场景，并非对其进行限定)，进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，将所得信号减去步骤S4中获得的基底信号，即得到非混溶流体A和流体B在岩心中共存时的核磁共振T2谱信号曲线；
S8：根据步骤S5、S6和S7中获得的不同条件下的核磁共振T2谱信号曲线，计算得到非混溶流体A和流体B在岩心中共存时各自的核磁共振T2谱信号曲线。
进一步的，所述步骤S1中清洗岩心样品的操作方法可以参照SY/T5336-1996标准。
进一步的，所述步骤S2中恒温箱中的温度设置为80℃，所述步骤S3中连续抽真空的时间为24小时。
进一步的，所述步骤S4、S5、S6和S7中在不同条件下进行核磁共振T2谱信号检测时仪器参数设置保持一致。
进一步的，所述步骤S8中非混溶流体A和流体B在岩心中共存时各自的核磁共振T2谱信号曲线分离计算方法推导如下：
如图1所示，记流体A完全饱和岩心时测得的核磁共振T2谱信号曲线的起止弛豫时间分别为T2(a)和T2(b)，流体B完全饱和岩心时测得的核磁共振T2谱信号曲线的起止弛豫时间分别为T2(c)和T2(d)，其中a、b、c和d为实验仪器采集数据点编号，并且a＜c＜b＜d。记流体A完全饱和岩心时在第n个数据采集点处的核磁共振T2谱信号幅度为YA(n)，流体B完全饱和岩心时在第n个数据采集点处的核磁共振T2谱信号幅度为YB(n)，流体A和流体B共存时在第n个数据采集点处的核磁共振T2谱信号幅度为YAB(n)，其中流体A的核磁共振T2谱信号幅度分量为流体B的核磁共振T2谱信号幅度分量为/>且满足关系a≤n≤d。
核磁共振T2谱弛豫时间与其对应的孔隙半径间满足关系：
r＝T2C (1)
上式中，T2表示弛豫时间，ms；r表示弛豫时间T2下对应的孔隙半径，m；C为转换系数，m/ms。C的取值与流体类型和岩心有关。
在同一岩心中，不同流体的核磁共振T2谱信号曲线的起止弛豫时间存在差别。虽然不同流体的核磁共振T2谱弛豫时间与其对应的孔隙半径间转换系数C不同，但是岩心孔隙结构并未发生改变，因此不同流体的核磁共振T2谱信号曲线弛豫时间转换后得到的孔隙半径分布应该是一致的。
以非混溶流体A和流体B分别完全饱和岩心时得到的核磁共振T2谱信号曲线终止值为例，此时对应岩心最大孔隙半径，满足：
rmax＝T2(b)CA (2)
rmax＝T2(d)CB (3)
上式中，CA和CB分别表示流体A和流体B的转换系数，m/ms。
由此推得：
同理，对于岩心最小孔隙半径满足：
由公式(4)和公式(5)可得：
在核磁共振T2谱信号曲线测试数据中，相邻弛豫时间点间满足关系：
上式中，n表示核磁共振T2谱信号数据点编号；T2(n)表示数据点编号n下的弛豫时间，ms；R表示相邻弛豫时间的比值。
由公式(6)和公式(7)不难发现如下关系：
上式中，m表示流体A和流体B分别完全饱和岩心时测得的核磁共振T2谱信号曲线的有效数据点数；这里的有效数据点指核磁共振T2谱信号幅度大于0的点。
根据上述分析可知，存在关系：
b-a＝d-c (9)
并且满足：
T2(a+x)CA＝T2(c+x)CB (10)
上式中，0≤x≤m-1，且x为整数。此外，称T2(a+x)和T2(c+x)为非混溶流体A和流体B的对应弛豫时间点。
从图1中可以看出，当流体A和流体B共存时，弛豫时间介于T2(a)～T2(c)以及T2(b)～T2(d)之间的核磁共振T2谱信号分别单独来自流体A和流体B，两种流体间信号不存在相互干扰，即分别满足和/>然而，当弛豫时间介于T2(c)～T2(b)时，由于流体A和流体B的弛豫时间响应范围存在叠加，此时/>导致无法区分岩心中不同流体各自的核磁共振T2谱信号情况。
在核磁共振T2谱信号曲线中，某弛豫时间下给定组分流体的信号幅度与对应孔径下该流体含量成正比。从前面的分析可知，弛豫时间介于T2(a)～T2(c)和T2(b)～T2(d)之间的核磁共振T2谱信号分别单独来自流体A和流体B，在这两个弛豫时间范围内分别满足和/>因此，利用T2(a)～T2(c)和T2(b)～T2(d)之间的核磁共振T2谱信号(图1中区域Ⅰ和区域Ⅲ中的实线部分)，结合流体A和流体B分别完全饱和岩心时测得的核磁共振T2谱信号曲线(图1中区域Ⅰ和区域Ⅲ中的虚线部分)，可以计算得到弛豫时间介于T2(a)～T2(c)以及T2(b)～T2(d)内对应孔径下流体A和流体B的饱和度。由此，可以进一步计算得到区域Ⅱ中流体A和流体B各自的核磁共振T2谱信号幅度分量。
本方法针对T2(c)≤T2(b)的情况，即流体A和流体B各自完全饱和岩心后获得的核磁共振T2谱信号曲线存在重叠。当T2(c)＞T2(b)时，无需进行处理即可区分不同流体各自的核磁共振T2谱信号幅度分量。
以区域Ⅱ中某一弛豫时间点T2(e)为例(c≤e≤b)，其对应弛豫时间点T2(f)为：
T2(f)＝T2(a+(e-c)) (11)
在T2(f)处，非混溶流体中流体A的核磁共振T2谱信号幅度分量为岩心被流体A完全饱和时测得的核磁共振T2谱信号幅度为YA(f)，由此可得在孔隙半径为T2(f)CA下流体A的饱和度为：
在此孔隙中流体B的饱和度为：
其中，T2(f)CA＝T2(e)CB，f＝a+e-c。
由此可知，在区域Ⅱ中弛豫时间点T2(e)处对应的流体B的核磁共振T2谱信号幅度分量应为：
流体A的核磁共振T2谱信号幅度分量可表示为：
综上可得，非混溶流体A和流体B在岩心中共存时二者的核磁共振T2谱信号幅度分量分别为：
可以看出，在a≤n≤d范围内，公式(16)和(17)中的YA(n)、YB(n)和YAB(n)均为已知的。公式中存在按照n从小到大的顺序依次求解/>和/>时，显然也是已知的。
本发明所提供的岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，利用非混溶流体各自完全饱和岩心样品时测得的核磁共振T2谱信号曲线中包含的丰富信息，从理论上推导得到岩心中非混溶流体共存时各自的核磁共振T2谱信号幅度分量计算方法。本方法操作简便，克服了采用核磁共振技术研究非混溶流体饱和岩心时无法直接分离不同类型流体核磁共振T2谱信号的难题，同时本方法的实施可以极大地降低此类实验成本，可以产生显著的经济效益。此外，本方法除了可用于油气田开发技术领域中分离岩心中的非混溶流体核磁共振信号外，还可用于其他领域中分离多孔介质中的非混溶流体核磁共振信号，具有广泛的应用价值。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
利用非混溶流体各自完全饱和岩心样品时测得的核磁共振T2谱信号曲线中包含的丰富信息，从理论上推导得到岩心中非混溶流体共存时各自的核磁共振T2谱信号幅度分量计算方法。本方法操作简便，克服了采用核磁共振技术研究非混溶流体饱和岩心时无法直接分离不同类型流体核磁共振T2谱信号的难题，同时本方法的实施可以极大地降低此类实验成本，可以产生显著的经济效益。此外，本方法除了可用于油气田开发技术领域中分离岩心中的非混溶流体核磁共振信号外，还可用于其他领域中分离多孔介质中的非混溶流体核磁共振信号，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法推导示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，具体的方法包括以下步骤：
S1：将所要研究的岩心样品进行清洗处理，操作方法可以参照SY/T5336-1996标准；
S2：将步骤S1中清洗后得到的岩心放置在恒温箱中，将恒温箱中的温度设置为80℃，至少连续烘干24小时后，每隔8小时利用电子天平称量一次，直到相邻两次称量岩心质量变化小于2％为止，此步骤的目的是去除岩心清洗后残留在其中的清洗剂；
S3：使用分子泵将步骤S2中得到的岩心连续抽真空24小时，利用真空条件进一步去除岩心中吸附的杂质气体和水分；
S4：将步骤S3中处理得到的岩心进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，所得信号作为基底信号，仪器参数设置保持不变；
S5：将所研究非混溶流体分别标记为流体A和流体B，用流体A完全饱和岩心后进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，将所得信号减去步骤S4中获得的基底信号，即得到流体A在岩心中完全饱和时的核磁共振T2谱信号曲线，仪器参数设置保持不变；
S6：重复步骤S1至S3，将步骤S5中的岩心进行清洗、烘干和抽真空处理，然后用流体B完全饱和岩心后进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，将所得信号减去步骤S4中获得的基底信号，即得到流体B在岩心中完全饱和时的核磁共振T2谱信号曲线，仪器参数设置保持不变；
S7：重复步骤S1至S3，将步骤S6中的岩心进行清洗、烘干和抽真空处理，然后开展岩心中非混溶流体A和流体B共存实验(如地层水驱替原油、压裂液置换原油等，具体实验根据实际需要开展，这里只是将其作为一种应用场景，并非对其进行限定)，进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，将所得信号减去步骤S4中获得的基底信号，即得到非混溶流体A和流体B在岩心中共存时的核磁共振T2谱信号曲线，仪器参数设置保持不变；
S8：根据步骤S5、S6和S7中获得的不同条件下的核磁共振T2谱信号曲线，计算得到非混溶流体A和流体B在岩心中共存时各自的核磁共振T2谱信号曲线；
所述步骤S8中非混溶流体A和流体B在岩心中共存时各自的核磁共振T2谱信号曲线分离计算方法推导如下：
如图1所示，记流体A完全饱和岩心时测得的核磁共振T2谱信号曲线的起止弛豫时间分别为T2(a)和T2(b)，流体B完全饱和岩心时测得的核磁共振T2谱信号曲线的起止弛豫时间分别为T2(c)和T2(d)，其中a、b、c和d为实验仪器采集数据点编号，并且a＜c＜b＜d。记流体A完全饱和岩心时在第n个数据采集点处的核磁共振T2谱信号幅度为YA(n)，流体B完全饱和岩心时在第n个数据采集点处的核磁共振T2谱信号幅度为YB(n)，流体A和流体B共存时在第n个数据采集点处的核磁共振T2谱信号幅度为YAB(n)，其中流体A的核磁共振T2谱信号幅度分量为流体B的核磁共振T2谱信号幅度分量为/>且满足关系a≤n≤d。
核磁共振T2谱弛豫时间与其对应的孔隙半径间满足关系：
r＝T2C (1)
上式中，T2表示弛豫时间，ms；r表示弛豫时间T2下对应的孔隙半径，m；C为转换系数，m/ms。C的取值与流体类型和岩心有关。
在同一岩心中，不同流体的核磁共振T2谱信号曲线的起止弛豫时间存在差别。虽然不同流体的核磁共振T2谱弛豫时间与其对应的孔隙半径间转换系数C不同，但是岩心孔隙结构并未发生改变，因此不同流体的核磁共振T2谱信号曲线弛豫时间转换后得到的孔隙半径分布应该是一致的。
以非混溶流体A和流体B分别完全饱和岩心时得到的核磁共振T2谱信号曲线终止值为例，此时对应岩心最大孔隙半径，满足：
rmax＝T2(b)CA (2)
rmax＝T2(d)CB (3)
上式中，CA和CB分别表示流体A和流体B的转换系数，m/ms。
由此推得：
同理，对于岩心最小孔隙半径满足：
由公式(4)和公式(5)可得：
在核磁共振T2谱信号曲线测试数据中，相邻弛豫时间点间满足关系：
上式中，n表示核磁共振T2谱信号数据点编号；T2(n)表示数据点编号n下的弛豫时间，ms；R表示相邻弛豫时间的比值。
由公式(6)和公式(7)不难发现如下关系：
上式中，m表示流体A和流体B分别完全饱和岩心时测得的核磁共振T2谱信号曲线的有效数据点数；这里的有效数据点指核磁共振T2谱信号幅度大于0的点。
根据上述分析可知，存在关系：
b-a＝d-c (9)
并且满足：
T2(a+x)CA＝T2(c+x)CB (10)
上式中，0≤x≤m-1，且x为整数。此外，称T2(a+x)和T2(c+x)为非混溶流体A和流体B的对应弛豫时间点。
从图1中可以看出，当流体A和流体B共存时，弛豫时间介于T2(a)～T2(c)以及T2(b)～T2(d)之间的核磁共振T2谱信号分别单独来自流体A和流体B，两种流体间信号不存在相互干扰，即分别满足和/>然而，当弛豫时间介于T2(c)～T2(b)时，由于流体A和流体B的弛豫时间响应范围存在叠加，此时/>导致无法区分岩心中不同流体各自的核磁共振T2谱信号情况。
在核磁共振T2谱信号曲线中，某弛豫时间下给定组分流体的信号幅度与对应孔径下该流体含量成正比。从前面的分析可知，弛豫时间介于T2(a)～T2(c)和T2(b)～T2(d)之间的核磁共振T2谱信号分别单独来自流体A和流体B，在这两个弛豫时间范围内分别满足和/>因此，利用T2(a)～T2(c)和T2(b)～T2(d)之间的核磁共振T2谱信号(图1中区域Ⅰ和区域Ⅲ中的实线部分)，结合流体A和流体B分别完全饱和岩心时测得的核磁共振T2谱信号曲线(图1中区域Ⅰ和区域Ⅲ中的虚线部分)，可以计算得到弛豫时间介于T2(a)～T2(c)以及T2(b)～T2(d)内对应孔径下流体A和流体B的饱和度。由此，可以进一步计算得到区域Ⅱ中流体A和流体B各自的核磁共振T2谱信号幅度分量。
本方法针对T2(c)≤T2(b)的情况，即流体A和流体B各自完全饱和岩心后获得的核磁共振T2谱信号曲线存在重叠。当T2(c)＞T2(b)时，无需进行处理即可区分不同流体各自的核磁共振T2谱信号幅度分量。
以区域Ⅱ中某一弛豫时间点T2(e)为例(c≤e≤b)，其对应弛豫时间点T2(f)为：
T2(f)＝T2(a+(e-c)) (11)
在T2(f)处，非混溶流体中流体A的核磁共振T2谱信号幅度分量为岩心被流体A完全饱和时测得的核磁共振T2谱信号幅度为YA(f)，由此可得在孔隙半径为T2(f)CA下流体A的饱和度为：
在此孔隙中流体B的饱和度为：
其中，T2(f)CA＝T2(e)CB，f＝a+e-c。
由此可知，在区域Ⅱ中弛豫时间点T2(e)处对应的流体B的核磁共振T2谱信号幅度分量应为：
流体A的核磁共振T2谱信号幅度分量可表示为：
综上可得，非混溶流体A和流体B在岩心中共存时二者的核磁共振T2谱信号幅度分量分别为：
可以看出，在a≤n≤d范围内，公式(16)和(17)中的YA(n)、YB(n)和YAB(n)均为已知的。公式中存在按照n从小到大的顺序依次求解/>和/>时，显然也是已知的。
本发明所提供的岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，利用非混溶流体各自完全饱和岩心样品时测得的核磁共振T2谱信号曲线中包含的丰富信息，从理论上推导得到岩心中非混溶流体共存时各自的核磁共振T2谱信号幅度分量计算方法。本方法操作简便，克服了采用核磁共振技术研究非混溶流体饱和岩心时无法直接分离不同类型流体核磁共振T2谱信号的难题，同时本方法的实施可以极大地降低此类实验成本，可以产生显著的经济效益。此外，本方法除了可用于油气田开发技术领域中分离岩心中的非混溶流体核磁共振信号外，还可用于其他领域中分离多孔介质中的非混溶流体核磁共振信号，具有广泛的应用价值。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将所要研究的岩心样品进行清洗处理；
S2：将步骤S1中清洗后得到的岩心放置在恒温箱中，至少连续烘干24小时后，每隔8小时利用电子天平称量一次，直到相邻两次称量岩心质量变化小于2％为止，此步骤的目的是去除岩心清洗后残留在其中的清洗剂；
S3：使用分子泵将步骤S2中得到的岩心连续抽真空，利用真空条件进一步去除岩心中吸附的杂质气体和水分；
S4：将步骤S3中处理得到的岩心进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，所得信号作为基底信号；
S5：将所研究非混溶流体分别标记为流体A和流体B，用流体A完全饱和岩心后进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，将所得信号减去步骤S4中获得的基底信号，即得到流体A在岩心中完全饱和时的核磁共振T2谱信号曲线；
S6：重复步骤S1至S3，将步骤S5中的岩心进行清洗、烘干和抽真空处理，然后用流体B完全饱和岩心后进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，将所得信号减去步骤S4中获得的基底信号，即得到流体B在岩心中完全饱和时的核磁共振T2谱信号曲线；
S7：重复步骤S1至S3，将步骤S6中的岩心进行清洗、烘干和抽真空处理，然后开展岩心中非混溶流体A和流体B共存实验，进行核磁共振T2谱信号检测并记录数据，将所得信号减去步骤S4中获得的基底信号，即得到非混溶流体A和流体B在岩心中共存时的核磁共振T2谱信号曲线；
S8：根据步骤S5、S6和S7中获得的不同条件下的核磁共振T2谱信号曲线，计算得到非混溶流体A和流体B在岩心中共存时各自的核磁共振T2谱信号曲线。
2.如权利要求1中所述的岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，其特征在于，所述步骤S1中清洗岩心样品的操作方法参照SY/T 5336-1996标准。
3.如权利要求1中所述的岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，其特征在于，所述步骤S2中恒温箱中的温度设置为80℃，所述步骤S3中连续抽真空的时间为24小时。
4.如权利要求1中所述的岩心中非混溶流体核磁共振信号分离方法，其特征在于，所述步骤S4、S5、S6和S7中在不同条件下进行核磁共振T2谱信号检测时仪器参数设置保持一致。
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