文獻解讀|西安石油大學高輝教授團隊：基于二維核磁共振數(shù)據(jù)差譜分析的致密砂巖氣藏水鎖傷害機理研究

摘要

致密砂巖氣藏開發(fā)過程中，水鎖傷害已成為制約天然氣產能提升的關鍵因素，其傷害程度與儲層的微觀孔隙結構密切相關。本文基于二維核磁共振技術，結合差譜分析方法，系統(tǒng)研究了三類典型致密砂巖氣藏儲層（Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型）的水鎖傷害特征及其作用機理。研究結果表明，水鎖傷害程度與儲層初始滲透率呈負相關性，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類儲層的水鎖傷害程度分別為45.17%、69.43%與80.45%；核磁共振測試結果顯示，微孔和中孔是束縛水滯留的主要孔隙空間，其中Ⅲ類儲層微孔束縛水滯留率高達91.60%，顯著高于Ⅰ類儲層的65.06%；儲層微孔含量的增加導致束縛水占比上升，從而加劇水鎖傷害程度。從Ⅰ類到Ⅲ類儲層，微孔比例逐漸增大，孔隙內束縛水含量增加，水鎖傷害程度顯著增強。研究成果為致密砂巖氣藏的高效開發(fā)提供了重要理論依據(jù)。

研究方法

2.1  巖心樣品

選取鄂爾多斯盆地盒8段致密砂巖氣藏三類典型巖心開展水鎖傷害研究。

圖1 三類儲層類型典型孔隙類型

2.2  核磁共振測試

采用紐邁PQ001型核磁共振儀進行核磁共振測試，磁場強度為0.28±0.03 T，射頻脈沖范圍為1 MHz至30 MHz。采用CPMG序列采集T₂譜，等待時間2500 ms，累加次數(shù)64次，回波時間0.06 ms，回波個數(shù)8000次。采用SR-CPMG序列采集T₁-T₂譜，等待時間10 ms，累加次數(shù)32次，回波時間0.06 ms，回波個數(shù)5000次。實驗測試流程如圖2所示。

圖2  水鎖傷害實驗裝置及流程

2.3  分析方法

通過差譜分析方法對比水鎖傷害前后二維核磁共振測試結果，進而明確水鎖傷害孔隙空間。將束縛水狀態(tài)下獲得T₁-T₂數(shù)據(jù)矩陣A與飽和水狀態(tài)獲得T₁-T₂數(shù)據(jù)矩陣B做差，得到差譜矩陣P，以此表征水鎖傷害。計算方法見式（1）：

P中元素大于0的部分反映束縛水賦存空間，元素小于0部分反映自由水賦存空間。通過計算P中束縛水孔隙空間所占面積的比值，進一步定量分析水鎖傷害特征，計算方法見式（2）：

式中，Q_b表征束縛水孔隙空間面積占比，%；S_f為自由水孔隙空間面積；S_b為束縛水孔隙空間面積。

實驗結果

3.1  滲透傷害結果

隨著含水飽和度的增加，巖心滲透率逐漸降低，儲層水鎖傷害程度逐漸增加。從Ⅰ類儲層到Ⅲ類儲層，束縛水飽和度逐漸增加，水鎖傷害程度逐漸增強。

圖3  三類儲層滲透率傷害特征

3.2  T₂譜測試結果

Ⅲ類儲層水鎖傷害最為顯著，地層水滯留率最高。地層水主要滯留在小孔孔內，其次是中孔，大孔內的地層水最先排出。

圖4  不同類型儲層水鎖傷害T₂譜

3.3  T₁-T₂譜測試結果

T₁-T₂譜測試結果表明，I、II類儲層地層水集中在中孔，隨飽和度降低向小孔遷移；III類儲層地層水始終滯留在小孔，難以排出，水鎖傷害最顯著。

圖5  不同含水飽和度下二維核磁共振T₁-T₂譜

3.4  差譜分析

如圖6所示，圖中紅色區(qū)為束縛水滯留空間，藍色區(qū)為地層水的主要滲流通道；III類儲層紅色區(qū)域的分布范圍最廣，且信號幅度較大，束縛水主要聚集在小孔內，水鎖傷害最為嚴重。

圖6  不同孔隙空間水鎖傷害特征

實驗結果分析

本研究基于二維核磁共振差譜分析技術，揭示了致密砂巖氣藏水鎖傷害的微觀機制。實驗分析表明，水鎖傷害程度與儲層初始滲透率呈負相關，從I類到III類儲層，傷害率分別為45.17%、69.43%和80.45%；微孔是束縛水滯留的主要場所，其滯留率在III類儲層中高達91.60%，顯著降低有效孔隙度與滲透率；微孔比例與束縛水滯留及地層傷害呈強正相關。二維核磁共振差譜分析方法可定量表征束縛水分布特征，量化其對滲透率損失的貢獻，為儲層傷害評價與治理提供了新手段。

結論：

（1）滲透率是影響水鎖傷害的關鍵因素。初始滲透率越低水鎖傷害越顯著，從Ⅰ類儲層到Ⅲ類儲層，滲透率值不斷減小，水鎖傷害程度逐步加劇。

（2）微孔是束縛水滯留的主要場所，顯著降低了有效孔隙度和滲透率。在III類儲層中，微孔束縛水滯留率高達91.60%，遠高于I類（65.06%）和II類（70.93%）。

（3）微孔比例與束縛水滯留及整體地層傷害呈顯著正相關，為進一步建立孔隙結構與儲層傷害之間的預測模型提供了依據(jù)。

（4）二維核磁共振差譜分析方法實現(xiàn)地層水孔隙尺度滯留的定量評價，可以有效用于評價水鎖傷害。為減少微孔中的束縛水滯留，建議適當調整開發(fā)方式，優(yōu)化注采方案。

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參考資料

Luo K, Gao H, Wang X, et al. Mechanism of water blocking damage in tight sandstone gas reservoirs: Novel insights from differential spectrum analysis of 2D NMR data[J]. Measurement, 2025: 119360.

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