【文献解读】东北石油大学潘哲君教授团队与西北大学杜艺副教授团队《Application of nuclear magnetic resonance technology in reservoir characterization and CO2 enhanced recovery for shale oil: A review》：核磁共振技术在页岩油储层表征和二氧化碳提高采收率中应用综述

研究背景

由于低孔隙度、低渗透、多尺度孔隙空间和复杂的流体成分，页岩油储层的表征和开发面临着巨大的挑战。核磁共振技术因其高分辨率、无损和快速等优势，在页岩油储层表征和开发研究中具有显著的优势。本文对近十年来核磁共振技术在页岩油勘探和开发的实验室应用进展进行了总结与展望。

摘要

目前应用于页岩油勘探和开发实验室研究的核磁共振技术主要有一维核磁共振T₂图、二维核磁共振T₁-T₂图、MRI技术和分层T₂技术。 T₂图无损表征了页岩油储层全尺寸孔径分布，可与其他实验方法结合扩展功能：
(1)结合离心和热处理，确定核磁共振T₂截止值，定量区分可动流体、毛细束缚流体和不可动流体；
(2)结合岩心夹持器，可以表征页岩基质和裂缝系统的应力敏感性；
(3)结合渗吸实验，可定量评价渗吸规律及润湿性；
(4)基于在线高温高压CO₂前驱替装置，可定量计算动态采收率。此外，二维T₁-T₂图在识别页岩油层不同赋存状态下各种流体类型和流体原位含量方面具有独特优势。在CO₂提高页岩油采收率过程中，MRI技术具有表征气液界面空间分布的巨大潜力。分层T₂技术可提供CO2驱替过程中的样品空间分辨T₂分布及气液界面分布。

应用细节与实例

（1）核磁共振T₂谱技术可实现页岩油藏全尺寸孔径分布的无损表征，但其在孔隙几何形态解析与比表面积计算方面相较低温氮气吸附法、高压压汞法存在技术盲区。

（2）通过T₂谱与离心-热处理联用技术，可建立NMR T₂截止值标定方法，实现不可动流体（束缚态）、毛细管束缚流体与可动流体（自由态）的三相定量分离。

图1 页岩样品两个T₂截止值的计算方法（Xu et al. 2022）

（3）基于可加载围压的岩心夹持器，T₂谱可动态监测不同有效应力下岩心孔隙度变化规律，定量表征储层应力敏感性。

（4）结合渗吸动力学实验，T₂谱可同步获取渗吸过程饱和度变化，并建立润湿性评价模型。

图2核磁共振自发渗吸实验过程示意图（Wang et al. 2022）
 

（5）在高温高压CO₂驱油装置中集成在线T₂谱监测系统，实现了驱替过程中流体运移的原位无损监测，显著提升采收率动态数据的可信度。

图3 CO₂吞吐实验前(a)和后(b)的油饱和度空间分布（Tang et al. 2023）

（6）二维T₁-T₂谱在页岩储层的流体定量识别具有独特优势，在定量区分储层中固体干酪根、粘性沥青和不同赋存状态（吸附和游离）的流体。

图4典型的页岩油储层组分识别T₁-T₂图版(上图：Li et al., 2018; 下图：Zhang et al., 2020)

（7）分层T₂技术通过空间分辨T₂分布解析，可重构驱替方向含油饱和度剖面，并基于CO₂前缘扩展特征评估波及效率。

图5 第1 ~ 5轮CO₂ 吞吐过程中页岩油的空间分布特征（Luo et al. 2022）

（1）二维T₁-T₂谱在页岩油储层多相流体赋存状态（吸附态/游离态）识别及原位含量定量解析方面展现显著技术优势。

（2）二维T₁-T₂谱在CO₂驱替过程油相运移监测中展现出工程应用潜力，但其现有二维序列测量耗时过长的缺陷制约了现场快速响应能力，亟需通过脉冲序列优化与硬件升级实现实时动态监测突破。

（3）核磁共振成像（MRI）技术可动态捕捉驱替过程中气液界面运移特征，然而现有毫米级空间分辨率难以满足超低渗页岩微纳孔喉系统观测需求。通过成像技术的突破有望实现页岩油储层中多相流运移剖面的在线表征，从而拓展核磁技术在非常规油气开发中的适用边界。

参考文献

Xu, J., Ge, Y., He, Y., Pu, R., Liu, L., Du, K., Li, H., He, X., Duan, L., 2022. Quantification of pore size and movable fluid distribution in Zhangjiatan shale of the Ordos Basin, China. Geofluids 2022, 1–16.

Wang, H., Yang, L., Wang, S., Guo, D., Li, M., Zhao, Z., Dong, H., Zheng, Z., 2022. Study on imbibition characteristics of glutenite with different boundary conditions based on NMR experiments. Energy & Fuels, 36: 14101-14112.

Tang W, Sheng J, Jiang T. Further discussion of CO₂ huff-n-puff mechanisms in tight oil reservoirs based on NMR monitored fluids spatial distributions[J]. Petroleum Science, 2023, 20:350-361.

Li, J., Huang, W., Lu, S., Wang, M., Chen, G., Tian, W., Guo, Z., 2018. Nuclear magnetic resonance T₁–T₂ map division method for hydrogen-bearing components in continental shale. Energy & Fuels, 32: 9043–9054.

Zhang, P., Lu, S., Li, J., Chang, X., 2020. 1D and 2D nuclear magnetic resonance (NMR) relaxation behaviors of protons in clay, kerogen and oil-bearing shale rocks. Marine Petroleum Geology, 114: 104210.

Luo, Y., Zheng, T., Xiao, H., Liu, X., Zhang, H., Wu, Z., Zhao, X., Xia, D., 2022. Identification of distinctions of immiscible CO2 huff and puff performance in Chang-7 tight sandstone oil reservoir by applying NMR, microscope and reservoir simulation. Journal of Petroleum Science and Engineering, 209: 109719.