孔隙流体的核磁特性.ppt

2.1.1 多孔介质的饱和流体 4、钻井泥浆滤液：会侵入油藏，或驱替油藏流体， 或与油藏流体混合在一起，影响测井信号及储层评 价。 1、孔隙水：矿化度范围从纯水到饱和盐水（ NaCl）。 2、天然气：自由气，主要是甲烷，也就是气体状 态，而不是溶解在油中的气。 3、原油：可以是脱气的（脱气原油）或者是饱和 气体的（含气原油）。含气原油可存在于一定的 高温和压力下，其溶解在油中的气低于其泡点。 含氢指数定义为单位体积流体的氢原子总数除以标 准条件下相同单位体积纯水所含氢原子总数， （2.1） 2.1.2含氢指数 低矿化度盐水含氢 指数接近1，而高 矿化度盐水含氢指 数可减小达10%， 这是由于一小部分 盐水的体积被溶解 的盐所占据。 含氢指数与测量方法无关。但当测量方法受限时，测到 的只是“视含氢指数”而非真正的含氢指数。 大部分“脱气原油”的含氢指数接近1，但气体的含氢指 数和压力有很大的关系。当密度（r），化学式中氢原 子数目（nH），以及油或气的分子量（Mw）已知时， 就可以用下面的公式来计算室温条件下的含氢指数。 式中，水的分子量（18克）与水分子中所含氢原子数 （2）的比值是9，水的密度是1 g/cm3。 （2.2） ，所以 己烷（C6H14）分子量为86，密度为0.6597 g/cm3，算得 HI = 0.9665。 癸烷（C10H22）分子量为142，密度为0.7287 g/cm3， 由公式（2.2）算得 HI = 1.016。 含氢指数（HI）与API标准比重关系图（实线引自Kleinberg和 Vinegar（1996），数据点引自LaTorraca等（1997） 原油的API标准比 重与它们的密度（单 位：g/cm3）有如下 关系 原油的密度大约是 1.01到0.75 g/cm3。 因此其对应的API标 准比重大约是8到37 。 它是一种尺度（API或美国石油协会尺度），经常用于石油工 业中表示原油的质量，API愈大，表示原油的质量愈好。 低密度原油（高API），HI大约是1。 当API小于20时，HI随API的减小而减小。HI的减小 是由于没有测量到重油中的短成分，因此所测量到的 含氢指数可能为视含氢指数而非真正的含氢指数。 中-高 密度原 油，在 室温下 粘度的 范围从 1000 cp 到 100,000 cp。 （1）用燃烧的方法，只有粘度大于10,000 cp的原油HI值 小于1。 （2）只有两个低粘度的原油样品，使用NMR法和燃烧方 法测量结果一致。 （3）其他样品NMR法明显的比燃烧法小，这是因为用 NMR低磁场T2值的测量无法测准粘度大原油的HI。 （4）在一定的测井条件下，根据NMR孔隙度与密度 孔隙度之间的差别，往往能够估算出原油的粘度。 不同回波 间隔（TE ）下， 低 磁场NMR 的HI估算 值与粘度 的关系图 。（引自 LaTorrac a等（ 1999） （1）在2MHz的拉莫尔频率下，不同回波间隔下HI的 估算值，视HI与回波间隔关系密切。 （2）由于高粘度原油中的快T2弛豫成分衰减太快，低 磁场NMR仪器测不到，使所有回波间隔下测得的视HI 都偏低，而且回波间隔愈大，其视HI 愈低。 （1）对于含气原油，溶解气会显著地降低原油的密 度，使其HI小于1。图中所示含气原油的HI在0.80.9 之间。 根据PVT数 据所计算或 常压常温下 测量结果的 含气原油的 HI。（引自 Zhang 等（ 1998） （3）K D是流体的自扩散系数， g是旋磁比，G是磁场梯度（假定为常数），TE是回 波间隔。 扩散系数D、磁场梯度G和回波间隔TE都对T2D有确 定有影响。 当扩散局限在孔隙介质中时，扩散系数可能会因为 大的TE而必须用受限扩散系数来代替。 而 2.3.1 水 水的扩散系数对压力不是很敏感，但与温度关系密切， 如图2.13所示。 图 2.13 水的扩散系数是温度的函数 注意，这幅图是根据D = a(TK/h) 公式画出的，其中 a是在20oC下，D = 2.0105 cm2/s，粘度h = 1.002 cp时所推算得到的 。温度与粘度h 之间的关 系是Sengers和Watson (1986) 给出的。这张D与T 的关系图，可以用经验公 式：D = 1.0413 + 0.039828T + 0.00040318T2来拟合，温 度范围为0到100oC，其中 T的单位为摄氏温度，D为 105cm2/s。 图2.14 水的视T2弛豫时间与固有T2弛豫时间的关系，其中磁场 梯度为固定的不同常数，单位为Gauss/cm，上图的TE为1.2ms， 下图的TE为3.6ms。D = 2.5 105 cm2/sec （1）扩散项1/T2D的 影响是使原来无梯度 场的T2弛豫时间（即 固有的弛豫时间）向 更短的“视弛豫时间” 移动。 （2）回波间隔TE越大 ，视T2值的变化也就 越大，上下两图对比 可说明了这一点。加 大TE，可加强扩散项 的影响。 （3）当TE为3.6ms ：固有T2为1s： 磁场梯度为 10Gauss/cm时， 视T2为340ms； 磁场梯度为 20Gauss/cm时，其 视T2为115ms； 固有T2为10ms： 在同样的磁场梯度 处其视T2却几乎很 少有改变。 固有T2大的成分受 扩散影响大。 图2.15 四个扩散系数下，视T2弛豫时间与固有的T2弛豫时间的关系图，其中 磁场梯度为20 Gauss/cm，TE为3.6ms。 大多数油的扩散 系数与顶部曲线 相近，而水的扩 散系数与底部曲 线接近。因此， 由于磁场梯度的 原因，油的弛豫 时间有轻微的偏 移，而水的偏移 却是非常明显的 。在NMR测井中 ，我们经常利用 这个非常重要的 属性来区分油和 水。 2.3.2 油 2.3.3 气 天然气的扩散系数比水要大得多。甲烷的体（非受限 ）扩散系数由以下公式（Oosting and Trappeniers, 1971; Harris, 1978）给出： 其中，TK是绝对温度，开尔文，r 是密度，g/cm3。甲 烷的密度与温度的关系如图2.16，它的扩散系数与温 度的关系如图2.17。甲烷扩散系数D值是103cm2/s数量 级，T2B的数量级是秒，这就使1/T2D在式（2.6） 的右端项中成为主 导项。因此，对于 气体有： （2.9） 图2.16 各种压力条件下，甲烷的密度与温度的关系图。（引自Amyx等（ 1988）中的图4.17） 图2.17 各种压力条件下，甲烷的扩散系数与温度的关系图（引自 Kleinberg和Vinegar（1996） 图 2.18 计算的甲烷视T2与非受限扩散系数D的关系，磁场梯度 为20 Gauss/cm。 假设甲烷的T2B为6s，并利用式（2.6）来计算。这样 的假设对于TE为1.2ms还是3.6ms来说都是无关紧要的 ，式（2.9）所作的近似是合理有效的。然而TE为 0.2ms时，则有必要用式（2.6）来做计算。 （2.6） （2.9） 2.4 油的粘度与扩散系数 油的一个很重要的NMR性质就是它的T1或T2与粘 度和扩散系数有关。这个关系可用于NMR测井中 得到的T2值，从而估算油的粘度。 2.4.1 粘度相关性 早期，根据Vinegar（1995）和Morris等（1994）所测 量的脱气原油的T2弛豫时间，在对数对数坐标系下 建立了T2对数平均值与粘度之间的线性关系 （含溶解氧气） （2.10） 其中，T2,LM单位为秒，TK是绝对温度，单位为开尔文 ，h是粘度，单位为厘泊。如果样品中含有不同程度 的溶解氧，由于后者是顺磁物质，可以加速弛豫， 就会减小弛豫时间。 后来由LaTorraca等（1998a, 1999）在2MHz下对稠油的 测量表明，视T2,LM与回波间隔有关。回波间隔较大时 ，稠油丢失的信号会导致较高的视T2,LM，他们建立了 一个经验公式来校正这种影响： (2.11) 其中,tE(TE)和T2LM的单位为ms。图2.20和2.21给出了他 们的实验结果。 注意，此处式(2.10)，(2.12)，及(2.13)都是室温下 的测量，因此，式中与温度的关系是理论的假设。 图中最好的拟合关系是T2,LM = 1200/h 0.9，其中T2,LM的 单位为ms。后来，给出了公式（2.10）的更一般的形 式。（引自Morriss等（1994） 图2.19 T2,LM与原油粘度的关系 图2.20 2MHz时，不同回波间隔下测量的稠油的 T2分布。注意，随回波间隔的增加，幅度降低，波 峰移向长弛豫时间（引自LaTorraca et al., 1999） 。 图 2.21 2MHz下，变TE时测量的稠油的T2对数平均值与粘度的 关系图（引自LaTorraca et al., 1999） 图2.22 室温下，由式（2.10），（2.12）和（2.13 ）给出的T1,2与粘度的关系图 注意，此处式(2.10)，(2.12)，及(2.13)都是室温下的 测量，因此，式中与温度的关系是理论的假设。 由Zega等（1990）和Zhang等（1998）对脱氧的纯 烷烃和烷烃混合物的测量，同样在对数-对数坐标系 下建立了T1,2和粘度之间的线性关系 （2.12） 后来Lo等（1998, 2000）的工作对拟合系数做了修正： （无氧） （2.13） （无氧） 其中T1,2的单位为秒，TK是绝对温度，单位为开尔文， h是粘度，单位为厘泊。脱氧处理使T1,2弛豫时间更大 ，可见早期测量（即公式（2.10）样品中可能含有 溶解氧。式（2.10），（2.12）和（2.13）给出的T1,2 与粘度之间的关系见图2.22。 2.4.2 油的扩散系数 利用脉冲磁场梯度自旋回波（PFGSE）方法（图2.9） ，Lo等（1998）测量了液态甲烷和葵烷混合物的扩散 系数。测量的PFGSE幅度可以用下式来表达： （2.14 ） 其中，D-扩散时间, g-脉冲磁场梯度,和d-脉冲宽度, g和d的值 是可变化的，假设扩散系数Di有个分布fj，且有 由此得到自扩散系数的分布，其结果（见图2.23）。扩散系数的 分布中有两种组分，每种都与它们在纯状态时的值不一样，然 而它们的幅度与相关组成成分的摩尔分子数是一致的。 图2.23 液态甲烷和葵烷混合物扩散系数的分布。甲烷的质子 分数为0.187，葵烷的为0.813；而分布中的相对幅度分别为 0.189和0.811，与各自质子的分数颇为相符。（引自Lo et al., 1998） 图 2.24 纯甲烷，纯烷烃和甲烷-烷烃混合物的扩散系数与粘度 /温度的关系（引自Lo et al., 2000） 2.4.3 含气原油的校正 前面所讨论的在双对数坐标系下，T2，LM与h/TK之间的 线性关系是针对脱气原油的。 Lo等人（2000）发现，含气原油的这种关系不再是线 性的。基于对纯甲烷，纯烷烃和三种甲烷-烷烃混合物 （甲烷-已烷，甲烷-癸烷和甲烷-十六烷）的T1弛豫时 间的实验室测量，他们发现，T1与粘度/温度之间的依 赖关系偏离了线性关系，如图2.25所示。 GOR定义为： 他们所研究的不同气油比（GOR）的系统的T1与其 扩散系数的依赖关系见图2.26。 其中，标准条件为60F和1个大气压。 图2.25 纯甲烷，纯烷烃和三种甲烷-烷烃的混合物的T1弛豫时间。它们与 粘度/温度之间的依赖关系偏离了线性关系（引自Lo et al., 2000） T1与TK/h 和T1与D是在同样的气油比下作出的， 横坐标可以是D（单位为cm2/sec）也可以是： 图2.27 在对数坐 标下同线性关系 之间的偏差（上 图）， 偏差与气油比的 关系图（下图） ， 对于含气原油可 以用一个拟合的 二次函数来校正 （引自Lo et al., 2000）。 图2.27给出了对数坐标下，同线性关系之间的偏差与气油比的 关系图，按下面的方法确定了一个偏差的二次拟合函数： 式中，T1，linear由前面的公式给出。所以，一旦原油的GOR和T1 已知，就可以用下面的公式来估算粘度： （2.17） 前边曾用式（2.13），T1，2=0.009558TK/h，描述T1与TK/h之 间的线性关系。 参考文献： Amyx, J.W., Bass, D.M., Jr., and Whiting, R.L., 1988, Petroleum Reservoir Engineering. McGraw-Hill. Brown, R.J.S., 1961, Nature, 189, No.4762, 387. Coolidge, J.E., Ritchie, I., Gamson, B.W., and Shane, L., 1962, SPWLA 3rd Annual Logging Symposium, Paper 11, Houston, TX. Gaymard, R. and Poupon, A., 1968, The Log Analyst, 9, 3. Gerritsma, C.J., Oosting, P.H., and Trappeniers, N.J., 1971, Physica, 51, 381. Harris, K.R., 1978, Physica 94A, 448. Horkowitz, J.P., Hartman, D.E., Clerke, E.A., Vinegar, H.J., and Coates, G.R., 1995, SPWLA 36th Annual Logging Symposium, Paper Q, June 26-29; also in 1997, The Log Analyst, 38, 73. Kleinberg, R.L. and Vinegar, H.J., 1996, The Log Analyst, Nov.-Dec., 20. LaTorraca, G.A., Webber, P.R., Dunn, K.-J., and Carlson, R.M.,1997, in Nuclear Magnetic Resonance, Petrophysical and Logging Applications by Dunn, Bergman, and LaTorraca, Pergamon, 2002, Figure 3.2. LaTorraca, G.A., Dunn, K.-J., Webber, P.R., and Carlson, R.M., 1998a, Mag. Res. Imaging, 16, 659. LaTorraca, G.A., Webber, P.R., and Dunn, K.-J., 1998b, in Nuclear Magnetic Resonance, Petrophysical and Logging Applications by Dunn, Bergman, and LaTorraca, Pergamon, 2002, Figure 3.12. LaTorraca, G.A., Stonard, S.W., Webber, P.R., Carlson, R.M., and Dunn, K.-J., 1999, SPWLA 40th Annual Logging Symposium, Paper PPP, Oslo, Norway, May 30 - June 3. Lo, S-W., Hirasaki, G.J., Kobayashi, R., and House, W.V., 1998, The Log Analyst, Nov.-Dec. 43. Lo, S-W., Hirasaki, G.J., House, W.V., and Kobayashi, R., 2000, SPE Paper 63217, Society of Petroleum Engineers, Dallas, TX. Morriss, C.E., Freedman, R., Straley, C., Johnston, M., Vinegar, H.J., and Tutunjian, P.N., 1994, SPWLA 35th Annual Logging Symposium, Paper C, June 19-22; 1997, The Log Analyst, 38, 4