含油致密砂岩孔径分布特征的测量方法与流程

本发明涉及地质领域，尤其涉及致密砂岩领域,具体涉及一种含油致密砂岩孔径分布特征的测量方法。

背景技术：

近年来，随着油气勘探开发的不断深入发展，国内外油气资源研究的重点逐渐由浅层转向深层，由常规油气藏转向非常规油气藏，致密气、页岩气、煤层气、致密油等非常规油气在现有经济技术条件下展示了巨大的潜力，中国常规油气资源相对贫乏，但非常规油气资源量丰富，尤其是致密油气开发利用潜力巨大。因此致密砂岩油气对于我们国家具有重要的意义。致密砂岩油气勘探开发的快速发展，已经突破了传统意义上常规储层物性下限，发现了致密砂岩的纳米孔也可储集丰富的油气资源。因此，对致密砂岩的纳米孔隙结构的研究对致密油气勘探开发至关重要。

常规储层的孔隙一般在毫米-微米级，而致密砂岩的孔隙是以纳米级孔隙为主体。纳米级孔隙的物理性质明显不同于微米级以上孔隙，使得常规储层孔隙的表征技术方法对非常规储层适用性低。对致密砂岩储层纳米孔隙特征表征的技术手段很多，包括压汞法、气体等温吸附以及核磁共振t2谱等技术方法。其中以压汞法和气体吸附法应用的最为广泛。但是压汞法和气体吸附法在对于致密砂岩的表征中还是存在很多局限。压汞法使用的washburn公式对大于50nm孔隙的分析比较准确，但是对小于50nm的孔隙分析就存在较大误差。同时压汞法测量纳米级孔隙时因所需压力过大可能对致密砂岩孔隙有破坏作用。气体吸附对于材料孔径的表征，依赖于计算模型。同一样品，利用不同计算模型，所得的孔径分布特征相差较大。同时气体吸附测试时间较长,精确表征的主要是0.4-100nm范围内的孔隙。这些方法都不能完整地刻画致密砂岩纳米级孔隙结构特征。因此，如何准确定量分析致密砂岩纳米级孔隙成为致密砂岩储层评价的难点。

含油致密砂岩的孔径分布特征的测定，较成熟的方法有两种，第一种，利用有机试剂洗掉致密砂岩中的残余油，然后利用压汞法进行测定，该方法存在的问题是一方面使用简单的有机试剂不能把半开孔，部分开孔中的残余油气彻底清洗干净，使得利用压汞法测定时，会导致测试结果偏小；另一方面压汞法测试致密砂岩纳米孔隙时所需注汞压力过大，会改变部分孔隙结构，从而使得测试结果偏离真实值。第二种，利用有机溶剂萃取掉致密砂岩中的残余油，然后利用气体吸附法测定，该方法同样存在类似于第一种方法的局限性，同时由于受限于气体吸附法的测定范围，导致不能完整的测定含油致密砂岩纳米孔径分布。这两种方法都存在一定的缺陷和应用局限性，且都会导致测定的孔径含量偏小。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种含油致密砂岩孔径分布特征的测量方法，使用八甲基环四硅氧烷作为探针液体，能够完整定量刻画含油致密砂岩纳米级孔隙，提高含油致密砂岩孔径分布数值表征的精确度。

本发明提供了一种含油致密砂岩孔径分布特征的测量方法，包括如下步骤：

对含油致密砂岩样品进行预处理；利用核磁共振冻融法测试含油致密砂岩原样；对含油致密砂岩原样饱和八甲基环四硅氧烷，利用核磁共振冻融法测试饱和样品；通过上述含油致密砂岩原样和含油致密砂岩饱和样品的数据计算含油致密砂岩的孔径分布。

作为优选的技术方案，所述对含油致密砂岩样品进行预处理的步骤包括：对含油致密砂岩样品进行机械粉碎，取过20-35目的样品烘干，称重，记录质量m后将样品装入色谱瓶。

作为更优选的技术方案，所述机械粉碎为使用玛瑙研钵粉碎，所述烘干为真空箱中烘干。

作为优选的技术方案，利用核磁共振冻融法测试含油致密砂岩原样的步骤包括：利用核磁信号强的样品确定永磁体的中心频率，矫正射频信号频率，确定射频脉宽；利用核磁共振冻融法测试酒精，确定核磁共振信号强度温度修正系数λ；确定核磁共振信号强度与八甲基环四硅氧烷含量的关系；确定含油致密砂岩的核磁共振实验参数，设定温度计划，利用核磁共振冻融法测定含油致密砂岩原样。

作为更优选的技术方案，利用核磁共振冻融法测试酒精，确定核磁共振信号强度温度修正系数λ为测试酒精在-30℃～20℃范围内不同温度下标样的信号强度，根据公式(1)，计算得出λ，所述公式(1)为

式(1)中si为核磁共振信号强度，t为温度，α与β为电阻率参数，λ为核磁共振信号强度温度修正系数。

作为优选的技术方案，对含油致密砂岩原样饱和八甲基环四硅氧烷的步骤为利用真空饱和装置进行处理，将待测样品放置于真空箱内，抽真空12h；向放置有抽真空后含油致密砂岩原样的色谱瓶中加入八甲基环四硅氧烷，平衡6h；将色谱瓶离心2h

作为优选的技术方案，利用核磁共振冻融法测试饱和样品时设定与测试原样相同的实验参数和相同的温度计划。

作为优选的技术方案，所述计算含油致密砂岩的孔径分布的具体步骤包括：

利用饱和样品每个温度点的数据减去原样修正后对应温度点的数据；将核磁共振信号强度，利用核磁共振信号强度温度修正系数λ，进行修正；利用饱和样品每个温度点修正后的数据减去原样修正后对应温度点的数据；利用核磁共振信号强度与八甲基环四硅氧烷含量之间的关系，将信号强度换算成八甲基环四硅氧烷的液体体积；利用吉布斯托马斯方程将温度换算孔径大小，得到孔体积与孔径的相互关系；根据孔体积与孔径的关系，计算并绘制样品的微分孔径分布曲线以及对数微分孔径分布曲线。

作为更优选的技术方案，所述微分孔径分布和对数微分孔径分布的计算公式为：

式(2)-(3)中v为孔隙体积；d为孔径；t为温度；kgt为吉布斯托马斯常数，与探针液体的热力学性质相关的常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的测量方法采用核磁共振冻融法具有以下的优势：

①核磁共振冻融法法的理论基础为gibbs-thomson方程，可以直接揭示了熔点与孔体积之间的关系，含油致密砂岩复杂的孔隙结构对其影响不大；

②核磁共振冻融法测试得到的孔径分布曲线的信息更加丰富，更加细腻；与常规核磁共振t2法相比，核磁共振冻融法可以对含油致密砂岩纳米孔径实现精确检测，可测试的有效孔径范围可达4-1500nm；

③核磁共振冻融法不仅在致密砂岩的“全孔隙”定量识别方面较压汞法拥有独特的技术优势，而且还具有不污染样品，不破坏样品结构，测试方便快速；

2、本发明的测量方法采用八甲基环四硅氧烷作为核磁共振探针液体，其具有双亲性，既有利于进入有机质孔隙，也有利于进入无机矿物孔隙，可以溶解残余在孔隙中的油、沥青等有机物，更好的饱和孔隙；有利于核磁共振冻融法实验精度的提高；在测试的过程中不会冻伤待测样品，不会改变样品原有的孔隙结构；相比与常用的探针液体水和环已烷针对含油致密砂岩更有利于测试。

附图说明

图1为本发明的测量方法的流程示意图；

图2a.温度与信号强度的关系图；b.与-siktk的关系图；

图3为标样质量与信号强度的线性关系图；

图4为原始的核磁共振信号强度以及修正后的信号强度与温度的关系图；

图5为含油致密砂岩样品累计孔体积与孔径的关系图；

图6为含油致密砂岩样品孔径分布曲线图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种含油致密砂岩孔径分布特征的测量方法，参见图1，图1是本发明的测量方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：

s101、对含油致密砂岩样品的预处理；

s102、利用核磁共振冻融法测试含油致密砂岩原样；

s103、对含油致密砂岩原样饱和八甲基环四硅氧烷，利用核磁共振冻融法测试饱和样品；

s104、通过上述含油致密砂岩原样和含油致密砂岩饱和样品的数据计算含油致密砂岩的孔径分布。

具体地，在实际测试之前，从含油致密砂岩储层中选取若干样品，从这些岩心样品中确定最能代表该含油致密砂岩储层物性的样品为最优样品，从而可以避免含油致密砂岩非均质性造成测试结果不能感应真实储层物性。

作为优选的实施例，在步骤s101中，对含油致密砂岩原样进行预处理的步骤包括：对含油致密砂岩样品进行机械粉碎，取过20-35目的样品烘干，利用分析天平进行称重，记录质量m后将样品装入色谱瓶。

本实施例中，对待测的含油致密砂岩样品进行机械粉碎时，优选的使用玛瑙研钵，不能使用铜钵、不锈钢钵等金属研磨体，避免金属对待测样品的测试结果的影响。样品粉碎后，使用筛子进行分选，选取20-35目的待测样品。一般来说，样品颗粒的大小的选取是根据待测样品的矿物组成以及致密砂岩胶结程度等性质来确定，本发明实施例中使用20-35目的样品。如果样品选择过大，不利于后期饱和探针液体，从而影响测试结果；样品颗粒太小会堆积产生大量微米-纳米颗粒之间的孔隙，也会影响测试结果。

本实施例中，对于烘干的过程，优选的是选取的样品放置于真空箱中，设定温度为100℃，烘干24小时。如果不是真空环境，有可能会出现部分矿物会氧化等现象，从而改变原始样品。烘干后的样品，利用分析天平称重，可以选择0.5-1.5g左右的样品，具体的质量和体积根据色谱平的大小可以调整，记录测试样品的质量m。

本实施例中，将称量的待测样品装入色谱瓶为下一步的测试做准备，优选的，核磁共振仪器线圈内径大小为10mm，因而使用2.5ml的玻璃色谱瓶盛装样品，但是可以理解的是，根据使用仪器的不同，可以使用不同的大小或者材质的色谱瓶。

作为优选的实施例，在步骤s102中，利用核磁共振冻融法测试含油致密砂岩原样的步骤包括：利用核磁信号强的样品确定永磁体的中心频率，矫正射频信号频率，确定射频脉宽；利用核磁共振冻融法测试酒精，确定核磁共振信号强度温度修正系数λ；确定核磁共振信号强度与八甲基环四硅氧烷含量的关系；确定含油致密砂岩的核磁共振实验参数，设定温度计划，利用核磁共振冻融法测定含油致密砂岩原样。

本实施例中，核磁共振设备使用的磁体是永磁体，具有固有磁场强度b0，根据ω＝γb0，对应氢核一个固有频率。只有在射频脉冲频率与永磁体固有频率相同的条件下，放在磁体内的样品才会发生核磁共振现象，该固有频率称为共振频率，也称作中心频率。永磁体对温度等外界环境变化较敏感，磁体固有频率可能会产生微小漂移，所以需要调整射频脉冲频率使其与当前的磁体固有频率一致，也就是寻找中心频率，进行实验测试之前需要调整。本发明利用植物油等核磁信号强的样品，确定永磁体的中心频率，矫正射频信号频率。

此外，要得到核磁信号离不开射频脉冲激励，由于射频线圈的尺寸以及射频功放的功率不同，所以激发样品所需的脉冲能量也不同。脉冲能量由脉冲幅度和脉冲宽度来决定，因此，改变硬脉冲宽度其本质就是在改变硬脉冲能量。在脉冲序列中较为常用的是90度硬脉冲和180度硬脉冲。同样利用核磁共振仪器测试植物油等信号强的物质，可以确定射频脉宽。

核磁共振信号对温度的变化是非常敏感的，在进行核磁信号对液体体积的换算之前，必须对信号强度进行修正。对信号强度的影响主要表现在两个方面：塞曼能级粒子数分布随温度的变化和探头线圈的质量因子随温度的变化。综合考虑温度对粒子占有数分布和探头线圈的质量因子的影响，将某个温度下的信号强度换算成标准温度信号强度的公式为：

式(1)中si为核磁共振信号强度，t为温度，α与β为电阻率参数，λ为核磁共振信号强度温度修正系数，在实验之前进行测定。

本发明测试的温度范围为-30℃～20℃，采用凝固点低的液体标样进行测定，本发明采用的是酒精，测试酒精在-30℃～20℃范围内不同温度下标样的信号强度。从而根据公式(1)，可以计算得出λ。

核磁信号强度si与探针液体的体积v成正比关系。核磁共振冻融法测量样品内不同温度下的探针含量，即八甲基环四硅氧烷的含量。所以首先应当利用标样标定八甲基环四硅氧烷含量和核磁信号之间的关系。在测试样品时，通过拟合的线性方程，可以每个温度点的核磁共振信号强度换算成八甲基环四硅氧烷的含量。

核磁参数设置是进行实验的前提，参数设置的好，实验结果就接近实际情况，参数设置的差，实验结果可能就偏离了测量样品本来的性质，甚至得不到实验结果。因此需要确定含油致密砂岩的核磁共振实验最优的参数。确定好参数后设定温度计划，利用核磁共振冻融法测定含油致密砂岩原样。

作为优选的实施例，在步骤s103中，对含油致密砂岩原样饱和八甲基环四硅氧烷的步骤为利用真空饱和装置进行处理，将待测样品放置于真空箱内，抽真空12h；向放置有抽真空后含油致密砂岩样品的色谱瓶中加入八甲基环四硅氧烷，平衡6h；将色谱瓶离心2h。

本实施例中，对含油致密砂岩利用真空饱和装置进行处理简单便捷，操作方便，具体的步骤优选为，将待测样品放置于真空箱内，抽真空12h；向放置有抽真空后含油致密砂岩样品的2.5ml色谱瓶中加入八甲基环四硅氧烷液体，平衡6h，可以使得含油致密砂岩原样充分饱和八甲基环四硅氧烷。作为优选的实施例，离心的步骤为将2.5ml色谱瓶利用离心机以5000r/min的速度离心2h，保证充分离心。但是可以理解的是，上述抽真空和平衡以及离心的时间可以根据实际试验的需要进行常规的调整。

作为优选的实施例，利用核磁共振冻融法测试饱和样品时设定与测试原样相同的实验参数和相同的温度计划。本实施例中，在相同的实验参数和相同的温度计划下得到的数据用于后续分析更具有严谨性和可用性。

作为优选的实施例，在步骤s104中，所述计算并绘制含油致密砂岩原样的微分孔径分布曲线以及对数微分孔径分布曲线的具体步骤包括：

利用饱和样品每个温度点的数据减去原样修正后对应温度点的数

据；将核磁共振信号强度，利用核磁共振信号强度温度修正系数λ，进行修正；利用饱和样品每个温度点修正后的数据减去原样修正后对应温度点的数据；利用核磁共振信号强度与八甲基环四硅氧烷含量之间的关系，将信号强度换算成八甲基环四硅氧烷的液体体积；利用吉布斯托马斯方程将温度换算孔径大小，得到孔体积与孔径的相互关系；根据孔体积与孔径的关系，计算样品的微分孔径分布曲线以及对数微分孔径分布曲线，从而测量含油致密砂岩孔径分布特征。

本实施例中，实验的直接数据是样品的信号强度对温度的变化，首先利用饱和样品每个温度点的数据减去原样修正后对应温度点的数据；将核磁共振信号强度，利用核磁共振信号强度温度修正系数λ，进行修正；利用核磁共振信号强度与八甲基环四硅氧烷含量之间的关系，将信号强度换算成八甲基环四硅氧烷的液体体积；利用吉布斯托马斯方程将温度换算孔径大小，从而得到了累积孔体积与孔径的相互关系；根据孔体积与孔径的关系，计算并绘制样品的微分孔径分布曲线以及对数微分孔径分布曲线，

其中，样品的微分孔径分布pd(d)的计算方式为

样品的对数微分孔径分布plog(d)的计算方式为

式(2)-(3)中v为孔隙体积；d为孔径；t为温度；kgt为吉布斯托马斯常数，与探针液体的热力学性质相关的常数。

为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的含油致密砂岩孔径分布特征的测量方法，以下将结合具体实施例进行说明。

选定一块含油致密砂岩的样品。

对含油致密砂岩样品在玛瑙研钵中进行机械粉碎，取过20-35目的样品真空箱中烘干，利用分析天平称重，记录质量m为0.607g；将称量的待测样品装入2.5ml的色谱瓶。

利用核磁共振冻融法测试含油致密砂岩原样的步骤包括：利用核磁信号强的样品确定永磁体的中心频率，矫正射频信号频率，确定射频脉宽；利用核磁共振冻融法测试酒精，确定核磁共振信号强度温度修正系数λ；确定核磁共振信号强度与八甲基环四硅氧烷含量的关系；确定含油致密砂岩的核磁共振实验参数，设定温度计划，利用核磁共振冻融法测定含油致密砂岩原样。

利用植物油确定永磁体的中心频率，矫正射频信号频率，利用植物油确定射频脉宽，p1为3.2μs，p2为6.6μs；

利用核磁共振冻融法测试酒精，确定核磁共振信号强度温度修正系数λ，设定从253.15k开始，293.15k结束，每隔10k,测试一个cpmg序列，得到信号强度与温度的关系，参见图2a，结合sik与-siktk的关系，通过线性拟合可以计算出λ为507.38，参见图2b；

利用标样标定八甲基环四硅氧烷含量和核磁信号之间的关系，参见图3，在测试样品时，通过拟合的线性方程，可以把每个温度点的cpmg信号强度换算成八甲基环四硅氧烷的含量。

用八甲基环四硅氧烷作为探针液体，利用核磁共振冻融法测定含油致密砂岩孔径分布时，cpmg序列参数为等待时间tw为2500ms，回波时间te为1ms，回波个数为2000。温度计划为250.55～280.55k以下温度间隔2k；280.55～285.55k温度间隔1k；285.55～288.55k，温度间隔0.5k；288.55～289.55k，温度间隔0.2k；289.55～290.55k，温度间隔0.1k。每个温度点等待时间20分钟后利用cpmg序列采集数据。然后利用核磁共振冻融法测试含油致密砂岩原样。

利用真空饱和装置，将待测样品放置于真空箱内，抽真空12h；向放置有抽真空后含油致密砂岩样品的色谱瓶中加入八甲基环四硅氧烷，平衡6h；将色谱瓶离心2h。利用核磁共振冻融法测试饱和样品，设定与测试原样相同的实验参数和相同的温度计划。

通过上述含油致密砂岩原样和含油致密砂岩饱和样品的数据计算含油致密砂岩的孔径分布：

利用饱和样品每个温度点的数据减去原样修正后对应温度点的数

据；将核磁共振信号强度，利用核磁共振信号强度温度修正系数λ，利用上述公式(1)进行温度修正。将所有温度点的核磁共振信号强度修正到290.15k，修正后的数据见图4。再进行后续的计算。可以发现温度越低，原始信号强度与修正后的信号强度偏差越多。

利用核磁共振信号强度与八甲基环四硅氧烷含量之间的关系，将信号强度换算成八甲基环四硅氧烷的液体体积，利用吉布斯托马斯方程将温度换算孔径大小，从而得到了累积孔体积与孔径的相互关系见图5。从累积孔体积与孔径的关系中，根据公式(2)和(3)，可以计算和绘制得出样品的对数微分孔径分布曲线见图6。通过图6可以看出含油致密砂岩的孔隙是以纳米级孔隙为主，致密砂岩纳米级孔隙中富含大量原油。因此，本发明的测量方法可以更准确的对含油致密砂岩的孔径分布特征进行测定，更有利于致密砂岩的油气研究。