利用在线核磁共振技术（NMR）对高压条件下页岩油动态吸水机制及其生产特性进行研究

《Fuel》：Investigation on the mechanisms and production characteristics of dynamic imbibition at high pressures of shale oil with online NMR

　　

魏建国|卢秋雨|李江涛|杨颖|商德淼|王安伦|周晓峰|梁双

中国黑龙江省大庆市，东北石油大学大陆页岩油国家重点实验室，163318

摘要

在页岩油 reservoirs 中，动态吸水过程对于提高石油采收率（EOR）起着关键作用。本研究开发了一种创新的在线核磁共振（NMR）动态吸水物理模拟方法。通过结合二维（2D）NMR T₁-T₂光谱，建立了一个定量识别模型，以表征各种原油组分的分布。在吸水过程中，实时监测了多相流动和原油迁移行为，并在不同吸水系统的不同岩相页岩上系统地进行了高压动态吸水实验。可视化并量化分析了不同存在状态下石油的微观产生产量和其对采收率的贡献。结果表明，具有不同岩相的页岩 reservoirs 在吸水发展特性上存在显著差异。在长石质页岩中，大孔隙中游离油的产量与吸水体积呈正相关。低粘度滑水、高粘度滑水和 CO₂ 系统的总采收率分别为 12.60%、12.67% 和 15.12%。采收率的主要贡献来自中孔隙和大孔隙，提高吸水压力有利于增强毛细吸水作用并实现更高的 EOR。在混合页岩中，低粘度和高粘度滑水的总采收率分别为 8.21% 和 8.73%。除了中孔隙和大孔隙的显著贡献外，粘土层间孔隙和微孔也显示出相当大的采收潜力。高粘度滑水通过调节油-水界面性质和改变岩石润湿性来提高石油采收率，从而改善了各种孔隙类型之间的流体交换。对于灰质白云岩页岩，低粘度和高粘度滑水下的总采收率分别为 7.84% 和 8.06%。在这种情况下，采收率主要由粘土层间孔隙和微孔驱动，而中孔隙和大孔隙的贡献有限。值得注意的是，“吸水-脱附-位移”行为激活了毛细吸水力，导致被困分散原油从基质中聚集和释放。应将动态吸水系统视为一个有机体，这意味着最大化小孔隙的石油采收率同时提高大孔隙的采收率对于实现最佳整体采收率至关重要。这些发现为基质-裂缝吸水和位移之间的相互作用提供了理论见解，并为页岩油 reservoirs 的高效开发提供了指导。

引言

页岩油是指被困在微米到纳米级富有机质页岩 reservoirs 中的石油资源，作为一种非常规石油和天然气勘探与开发的潜在领域，已受到广泛关注 [1]、[2]、[3]。到 2022 年底，北美的页岩油产量达到了 3.78 × 10⁸ 吨，占原油总产量的 50% 以上 [4]、[5]、[6]。中国拥有丰富的陆源页岩油资源，在储量方面全球排名第三。这些资源主要分布在准噶尔、鄂尔多斯、渤海湾、柴达木和松辽盆地。然而，中国的页岩油 reservoirs 主要为陆源性质，其特征是具有发达的微米到纳米级孔隙以及显著的异质性 [7]、[8]、[9]。由于基质渗透率极低，初始采收率通常较低。在水平井中成功实施的大规模水力压裂技术使得主要通过吸水机制从基质微孔中回收石油成为可能 [10]、[11]。吸水对于提高基质结合原油的采收率至关重要，因此研究其动态发展特性对于优化压裂策略和提高页岩油资源的有效开发至关重要。

近年来，许多研究集中于吸水过程的实验研究，以阐明石油位移的机制。这些研究进一步探讨了控制吸水效率的微观因素，并确定了影响石油采收率的关键参数 [9]、[12]、[13]。以往的研究考察了热力学条件、 reservoir 物理性质和流体参数对吸水行为和提高采收率（EOR）的影响 [14]、[15]、[16]。然而，许多这些研究依赖于传统的实验方法，这限制了吸水过程中石油产量的准确量化，并且容易受到测量不确定性的影响。为了解决这些问题，越来越多地采用数值模拟和微流控实验来探索孔隙级别的吸水机制 [17]、[18]。凭借其非破坏性监测能力和实时可视化功能，核磁共振技术已成为定量评估孔隙流体分布和微观产生产量的关键工具 [11]、[19]。以往基于 NMR 的研究揭示了孔隙喉部结构、应力条件和吸水模式在控制石油采收率中的作用，强调了大孔隙、裂缝和渗流相关孔隙系统的贡献 [20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。此外，李等人 [26] 开发了一种结合动态位移和吸水的在线物理模拟方法，利用 NMR 分形分析来量化这两种过程的贡献并阐明动态吸水特征。此外，还采用了其他研究方法，如热解和分子动力学模拟来研究页岩油的存在特性。Minh 等人 [27] 使用 2D NMR 光谱将原油存在状态分为凝固汽油油结合、游离和吸附相，而 Du 等人 [28] 建立了一个 NMR 吸水实验平台，用于分析岩心吸水过程中游离油和吸附油的迁移性。Chhatre 等人 [29] 使用 NMR 开发了一种吸水物理模拟方法，证明微裂缝显著增强了基质与吸水流体之间的接触面积，从而提高了吸附油和有机物的采收率。

总之，尽管大多数研究已经从宏观尺度转向微观尺度，重点关注吸水动力学和注入-生产参数的优化，但关于页岩 reservoirs 中微米级孔隙的生产特性以及吸水增强石油采收率机制的定量研究仍存在不足。特别是，对于 2D NMR 揭示的不同孔隙类型中原油的存在和生产特性关注有限，对于页岩 reservoirs 中各种外部流体介质的微观吸水行为的系统研究也缺乏。为了解决这些不足，本研究介绍了一种创新的在线 NMR 动态吸水物理模拟方法。通过进行一系列在线 NMR 实验，研究了不同吸水系统下页岩 reservoirs 中微米级孔隙的吸水行为。通过实时监测 NMR T₁-T₂ 光谱，定量和可视化评估了微米级孔隙的动态吸水特性。该研究系统地阐明了不同孔隙类型对原油采收率的贡献以及提高石油采收率的根本机制。这项研究的关键创新在于揭示了页岩油 reservoirs 中不同流体介质的动态吸水响应机制，为微米级孔隙的量化和可视化提供了新的见解。这项工作旨在为优化页岩油压裂过程、理解复杂的流体迁移机制以及实现高效页岩油开发提供科学基础。

章节摘录

在线 NMR 吸水实验方法

不同化学吸水介质下微米级孔隙的动态吸水行为对页岩油的高效回收至关重要。然而，传统技术在定量表征岩心孔隙系统中多尺度原油的吸水性能方面面临挑战。为克服这一限制，开发了一种基于核磁共振（NMR）的实验方法来评估页岩微米级孔隙中的动态吸水过程 [24]。

2D NMR T₁-T₂ 存在信号解释模型的重建

传统的页岩油存在状态研究方法往往无法准确区分不同类型的原油，尤其是在提高生产过程中流体迁移性的方面。为了解决这一限制，本研究结合了 T₁ 光谱和传统的一维 NMR T₂ 光谱，从而实现了页岩油存在状态的定量表征。所提出的方法采用了二维 NMR 实验。

结论

本研究在页岩油 reservoirs 上进行了一系列动态吸水物理模拟实验，以阐明多相流动特性和原油迁移行为。

结合 2D NMR T₁-T₂ 光谱，从可视化和定量的角度分析了不同存在状态下的微观产生产量和动态吸水过程中的演变机制。本研究的主要结论如下：

• (1)
  显著的

数据可用性

支持本研究发现的数据包含在文章中。

CRediT 作者贡献声明

魏建国：撰写 – 原始草稿、方法论、调查、概念化。卢秋雨：调查、正式分析。李江涛：方法论、调查、数据管理。杨颖：调查。商德淼：撰写 – 审稿与编辑、调查。王安伦：撰写 – 审稿与编辑、项目管理。周晓峰：撰写 – 审稿与编辑、资源管理。梁双：撰写 – 审稿与编辑、调查、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了 中国国家自然科学基金（项目编号：U24B6004）、黑龙江“公开竞赛”项目（授权编号：2023ZXJ06A02）、中国国家自然科学基金的青年基金（授权编号：52304028）以及 黑龙江省新一轮“双一流”学科协同创新成就项目（LJGXCG2024-P13）的支持。