文献解读|西安石油大学高辉教授团队：基于二维核磁共振数据差谱分析的致密砂岩气藏水锁伤害机理研究

摘要

致密砂岩气藏开发过程中，水锁伤害已成为制约天然气产能提升的关键因素，其伤害程度与储层的微观孔隙结构密切相关。本文基于二维核磁共振技术，结合差谱分析方法，系统研究了三类典型致密砂岩气藏储层（Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型）的水锁伤害特征及其作用机理。研究结果表明，水锁伤害程度与储层初始渗透率呈负相关性，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类储层的水锁伤害程度分别为45.17%、69.43%与80.45%；核磁共振测试结果显示，微孔和中孔是束缚水滞留的主要孔隙空间，其中Ⅲ类储层微孔束缚水滞留率高达91.60%，显著高于Ⅰ类储层的65.06%；储层微孔含量的增加导致束缚水占比上升，从而加剧水锁伤害程度。从Ⅰ类到Ⅲ类储层，微孔比例逐渐增大，孔隙内束缚水含量增加，水锁伤害程度显著增强。研究成果为致密砂岩气藏的高效开发提供了重要理论依据。

研究方法

2.1  岩心样品

选取鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气藏三类典型岩心开展水锁伤害研究。

图1 三类储层类型典型孔隙类型

2.2  核磁共振测试

采用纽迈PQ001型核磁共振仪进行核磁共振测试，磁场强度为0.28±0.03 T，射频脉冲范围为1 MHz至30 MHz。采用CPMG序列采集T₂谱，等待时间2500 ms，累加次数64次，回波时间0.06 ms，回波个数8000次。采用SR-CPMG序列采集T₁-T₂谱，等待时间10 ms，累加次数32次，回波时间0.06 ms，回波个数5000次。实验测试流程如图2所示。

图2  水锁伤害实验装置及流程

2.3  分析方法

通过差谱分析方法对比水锁伤害前后二维核磁共振测试结果，进而明确水锁伤害孔隙空间。将束缚水状态下获得T₁-T₂数据矩阵A与饱和水状态获得T₁-T₂数据矩阵B做差，得到差谱矩阵P，以此表征水锁伤害。计算方法见式（1）：

P中元素大于0的部分反映束缚水赋存空间，元素小于0部分反映自由水赋存空间。通过计算P中束缚水孔隙空间所占面积的比值，进一步定量分析水锁伤害特征，计算方法见式（2）：

式中，Q_b表征束缚水孔隙空间面积占比，%；S_f为自由水孔隙空间面积；S_b为束缚水孔隙空间面积。

实验结果

3.1  渗透伤害结果

随着含水饱和度的增加，岩心渗透率逐渐降低，储层水锁伤害程度逐渐增加。从Ⅰ类储层到Ⅲ类储层，束缚水饱和度逐渐增加，水锁伤害程度逐渐增强。

图3  三类储层渗透率伤害特征

3.2  T₂谱测试结果

Ⅲ类储层水锁伤害最为显著，地层水滞留率最高。地层水主要滞留在小孔孔内，其次是中孔，大孔内的地层水最先排出。

图4  不同类型储层水锁伤害T₂谱

3.3  T₁-T₂谱测试结果

T₁-T₂谱测试结果表明，I、II类储层地层水集中在中孔，随饱和度降低向小孔迁移；III类储层地层水始终滞留在小孔，难以排出，水锁伤害最显著。

图5  不同含水饱和度下二维核磁共振T₁-T₂谱

3.4  差谱分析

如图6所示，图中红色区为束缚水滞留空间，蓝色区为地层水的主要渗流通道；III类储层红色区域的分布范围最广，且信号幅度较大，束缚水主要聚集在小孔内，水锁伤害最为严重。

图6  不同孔隙空间水锁伤害特征

实验结果分析

本研究基于二维核磁共振差谱分析技术，揭示了致密砂岩气藏水锁伤害的微观机制。实验分析表明，水锁伤害程度与储层初始渗透率呈负相关，从I类到III类储层，伤害率分别为45.17%、69.43%和80.45%；微孔是束缚水滞留的主要场所，其滞留率在III类储层中高达91.60%，显著降低有效孔隙度与渗透率；微孔比例与束缚水滞留及地层伤害呈强正相关。二维核磁共振差谱分析方法可定量表征束缚水分布特征，量化其对渗透率损失的贡献，为储层伤害评价与治理提供了新手段。

结论：

（1）渗透率是影响水锁伤害的关键因素。初始渗透率越低水锁伤害越显著，从Ⅰ类储层到Ⅲ类储层，渗透率值不断减小，水锁伤害程度逐步加剧。

（2）微孔是束缚水滞留的主要场所，显著降低了有效孔隙度和渗透率。在III类储层中，微孔束缚水滞留率高达91.60%，远高于I类（65.06%）和II类（70.93%）。

（3）微孔比例与束缚水滞留及整体地层伤害呈显著正相关，为进一步建立孔隙结构与储层伤害之间的预测模型提供了依据。

（4）二维核磁共振差谱分析方法实现地层水孔隙尺度滞留的定量评价，可以有效用于评价水锁伤害。为减少微孔中的束缚水滞留，建议适当调整开发方式，优化注采方案。

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参考资料

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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