T2一維分布在非常規油氣巖芯分析中的“盲區”

非常規油氣資源(包括頁巖油氣、致密砂巖油氣、煤層氣、天然氣水合物等)的勘探、開發和分析技術已成為國際上油氣領域研究的熱點。非常規油氣巖芯具有低孔隙度(<10%)和低滲透率(<0.1mD)的特點，并含有的各種重油或固體有機質以及有機孔隙，使巖芯分析在各方面變得更加復雜。

??核磁共振弛豫技術作為一種無損的、非侵入式的、高靈敏度且快速的檢測手段，已經在常規油氣巖芯分析中大放異彩。其中，T2一維分布作為巖芯孔徑和流體分布的有效分析手段，已經為廣大研究人員所認同。傳統的核磁共振分析手段通常是對巖芯樣本進行清洗、干燥、然后用地層水或油將其飽和后測量弛豫時間并反演后獲得T2一維分布，進而獲得樣本的總孔隙度以及孔徑大小分布。對巖芯樣本離心后，甩去可移動液體，再測弛豫時間分布，對照飽和樣本的數據，從而獲得可動與不可動液體體積和T2截止值(Cut-off)的確定等。注意，這種分析手段的是，巖芯樣本中只有一種液體。

??這些傳統分析手段在非常規巖芯分析中遇到了嚴峻挑戰。由于非常規油氣巖芯的致密性和滲透性，巖芯樣本的清洗就是一項極其耗時的任務，對一個一寸直徑的小柱塞樣采用諸如Dean Stark化學萃取方法清洗，耗時可達數周甚至數月。如果再對巖芯樣本進行飽和，將要花費的幾乎同樣長的時間。同時，清洗過程本身也會對巖芯樣本造成破壞，無法進行后續的實驗檢測。 因此，在非常規巖芯規程中，國際上都是直接分析原始巖芯。換言之，我們必須接受巖芯樣本中油、水及固體有機質共存的現實。

??除此之外，面對非常規油氣巖芯的各種“刁難”，T2一維分布是否依然能夠從容不迫?

??在核磁共振當中，T2一維分布只是巖芯樣本在橫向弛豫尺度上的觀測結果。正如我們很難通過單個方向的投影去識別復雜結構的全貌一樣，T2一維分布也有它無法窺探的“盲區”。

??“盲區”一：T2一維分布無法準確區分非常規油氣巖芯中的水、油與有機質

??核磁共振的大*性之一是弛豫時間T2直接反映的是分子的運動性，分子運動越劇烈，T2就越長。如粘滯系數較低輕質油的T2比水或重油的T2長，固體有機質的T2就很短。相反，分子運動如果受到約束，T2就短。這也就是為什么T2分布可以看作是巖芯孔徑大小的分布1，關系如下：

??   其中ρ2是表面弛豫率，與樣本本身的材料有關，Spore/Vpore是樣本的比表面積。當我們規定孔的模型(板狀孔、圓柱孔、球形孔)時，比表面積便可以反映樣本孔徑大小的信息。當樣本結構簡單，填充流體單一時，這個映射關系能給我們帶來很多檢測上的便利。

??但是在受限情況下，T2的變化會復雜很多。非常規油氣巖芯中，不僅存在多種受限流體(水、輕質油、重油)，同時還存在固體有機質(干酪根)。它們的T2弛豫時間分布常常會“重合”在一起，難以區分。

??正如需要借助其他方向的投影來描述結構的全貌一樣，核磁共振也需要借助除T2一維分布以外的觀測角度。核磁共振的弛豫中，除了T2橫向弛豫外，還有T1縱向弛豫。T1-T2 map二維分布(如圖 1(A))能夠不僅能夠獲取T2一維弛豫分布(如圖 1 (B))的全部信息，同時也可以獲取與T1一維弛豫分布(如圖 1 (C))以及兩者的關聯情況。從圖 1中也可以看出不同組分的T2一維弛豫分布的“重合”情況，實際中觀測到的T2一維弛豫分布實際上是這些成分疊加在一起的包絡。

圖 1 巖芯樣本的T1-T2map

??T1-T2 map如何正確解讀? T1與T2的比值對于不同組分有明顯不同(如圖 2)，在23MH磁場中的參考如下3：

??(1) 對于自由水(bulk water)，根據BPP理論，水的T1/T2始終為1，與溫度和共振頻率無關。

??(2) 對于孔介質中的水分，T1/T2會略大于1(≈1.4，23MHz)，與拉莫爾頻率相關，但隨頻率變化不大。對于束縛水，T2值要明顯更小，在1ms以下。

??(3) 對于孔介質中的油成分，T1/T2分布相對較廣(4~100，23MHz)，這與油本身成分不均一以及油在多孔介質中的T2和T1呈現多指數分布有關。T1/T2與拉莫爾頻率相關，磁場場強越高，T1/T2比值越大。

??(4) 對于固體有機質或是重油，T1/T2要比油成分要高(>100, 23MHz)，其中T1值大于10ms，T2值要小于油成分的T2值。T1/T2與拉莫爾頻率相關，磁場場強越高，T1/T2比值越大，這與BPP理論趨勢一致。

??(5) 對于羥基化合物，T2小于0.1ms，T1分布大致處于重油與束縛水之間。

圖 2 巖芯不同組分在T1-T2map 中的分布

??“盲區”二：T2一維分布在非常規油氣巖芯孔徑大小分布檢測中“力不從心”

??T2一維分布與孔徑大小分布的映射關系已經被廣大研究人員認同。我們不妨把T2與孔徑大小的關系再做一次詳細展開，具體如下：

??其中ρ2是表面弛豫率，α是形狀因子(α=1，2，3分別對應板狀孔、圓柱孔、球形孔)。

??實際上1/T2與多孔介質的比表面積有著更直接的關系，為了解釋這個映射關系的適用性，我們不妨回歸一開始的弛豫理論1。

??首先是兩相快速交換弛豫(Biphasic fast-exchange relations)。兩相快速交換弛豫理論主要描述的是：在孔隙中，流體的弛豫主要有兩部分，一部分來自于遠離表面的分子間和分子內的長弛豫部分1/Tbulk;另一部分來自于靠近固體表面的薄層中的分子弛豫部分1/Tsurf。由于分子擴散，這兩部分發生交換。在交換速率遠遠大于這兩項的弛豫速率時，1/T2可以被簡化為：

??其中，Nsurf/N為靠近固體表面薄層與總體的自旋體數目之比，Nsurf/N的值與比孔隙的表面積相關：

??其中ε為靠近固體表面薄層的厚度，至此，建立了1/T2 與孔隙比表面積的關系。

??那么表面弛豫率ρ2可以根據以下公式推導：

??這里需要提醒非常重要的幾點：

??(1) 在納米孔中，測量的弛豫時間可能不能給出孔徑大小的信息，因為NMR中分子相互作用的長度尺度與厚度ε相當，此模型不能夠適用。

??(2) 兩相快速交換弛豫是在封閉孔中提出的，對于存在很多連通孔的介質，由于擴散孔耦合效應，測量的弛豫時間可能無法給出孔徑大小的信息，而可能是一個平均的比表面積信息，然而并不能證明沒有更小孔徑的存在。同樣，使用T2-cutoff來推導毛細孔的束縛水對于這種情況也不適用。

??(3) 影響表面弛豫率ρ2的因素有很多，流體的類型(油，水)，以及順磁性雜質(Fe3+, Mn2+)的表面密度，以及材料的潤濕性(無機孔，有機孔)。同時ρ2還會受拉莫爾頻率的影響。對于不均勻材料，ρ2常是一個平均值。所以單一的流體飽和的情況下，T2一維分布才滿足與孔徑大小的映射關系。不同流體飽和下，ρ2的理論值應有所差別。不同樣本之間對比T2一維分布以獲取孔徑分布的對比時，應小心使用。

??(4) 與其他孔徑分布測量方法對比時，請考慮以上幾點，確定T2一維分布表征孔徑大小分布的適用性。

??可以看到，對非常規油氣巖芯使用T2一維分布表征孔徑大小的模型時，會觸及不少“雷區”。非常規油氣巖芯中的固體有機質在樣本飽和水的T2一維分布檢測中，會給孔徑信息帶來誤判。同時無機孔與有機孔潤濕性的不同，以及微孔的連通性，也會造成孔徑信息的誤解。可見，對于非常規油氣巖芯，常規實驗條件下的T2一維分布與孔徑大小分布的對應關系，并不可靠。

??總結以上，面對非常規油氣巖芯，無論是孔徑分布還是流體組分區分，T2一維分布都顯得十分“捉襟見肘”。相比之下，面對非常規油氣巖芯的各種“刁難”，T1-T2map更為值得信賴。

參考文獻

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