用于從 nmr 確定潤濕性的方法
【專利摘要】描述了基于NMR測量的潤濕性表征的方法，所述NMR測量在孔隙尺度下對油和水的表面潤濕條件敏感。所述描述的方法利用NMR弛豫(T2)的表面弛豫效應。描述了獲得多孔介質的潤濕性變化特性的工作流程，所述多孔介質例如是天然狀態的或在實驗室內預制為某種狀態的巖石。還描述了一種用于混合潤濕及部分飽和孔隙譜的基礎正演模型。所描述的反演的輸出結果包括作為多孔介質中孔隙尺寸的函數的連續飽和度及潤濕性變化特性，以及在整個孔隙譜上飽和度及潤濕性的平均值。
【專利說明】用于從NMR確定潤濕性的方法
【技術領域】
[0001] 本發明總體上涉及用于從核磁共振（NMR)測量結果及其他數據確定潤濕性的方 法。特別地，本發明涉及基于反演的方法，用于確定在孔隙尺寸范圍上的潤濕性和飽和度。
【背景技術】
[0002] 儲油層中巖石的潤濕性影響飽和度、毛細管壓力（Pc)、電學特性、相對滲透率和最 終油氣采收。在石油工業中，基于P c曲線測量的半經驗指數被用于描述芯塞潤濕性：（1) Amott或Amott-Harvey指數Iah,以及⑵美國礦業局（USBM)指數，1_。經常地,這些指 數不符合盡管已有的行業預期。
[0003] NMR是一種顯示出對巖石/流體界面非常敏感的技術。最廣泛的應用是當所述孔 隙是單相100%飽和（例如水）時，測量孔隙尺寸的分布。在此情況下，解釋是很簡單的， 并且基于如下的事實：隨著孔隙的減小，表面和體積之比將增加，導致較短的（即改善的） T2弛豫時間。還眾所周知的是，所述NMR的T2弛豫時間對部分飽和（油和水）及混合潤濕 孔隙的存在高度敏感，例如在芯塞處于取自油帶的天然狀態的情況下。
【發明內容】
[0004] 提供本
【發明內容】
，旨在介紹一系列概念，這些概念將在以下發明詳述中進一步描 述。本
【發明內容】
并不意圖認定要求保護的主題的關鍵特征或基本特征，也不意圖用作限制 要求保護的主題的范圍的輔助。
[0005] 根據一些實施例，描述了一種用于表征多孔介質的潤濕性的方法。所述方法包括： 接收表示多孔介質內的孔隙尺寸的分布的孔隙尺寸分布數據；從體相含水流體接收NMR數 據（例如，回波鏈數據）；從體相油接收NMR數據；以及使用孔隙尺寸分布數據和體相含水 流體及體相油的NMR數據，利用用于混合潤濕條件下的潤濕性及飽和度在多個孔隙尺寸上 的孔隙水平分布的正演模型，對NMR數據執行反演，從而在多孔介質的多個孔隙尺寸上為 含水流體和/或油流體產生潤濕性變化特性。根據某些實施例，在時域中進行所述反演，并 且所述NMR數據是例如CPMG、擴散編輯、T 1-TyT2 J2-TyD-T1及D-T2類型的。所述正演模型 可以包括用于飽和度的函數，所述函數沿所述孔隙尺寸譜單調或者非單調地增加或降低， 并且所述反演可以包括在所述正演模型中數學約束多個孔隙尺寸上的飽和度值，例如基于 所述多孔介質的已知的飽和歷程。根據某些實施例，可以通過潤濕性變化特性與孔隙尺寸 分布數據的加權積分來確定總體潤濕性，和/或通過飽和度變化特性與孔隙尺寸分布數據 的加權積分來確定總體飽和度。根據某些實施例，所述反演在除時域外的域中進行（例如 在T 2域中）。
[0006] 根據某些實施例，描述了一種用于表征多孔介質的潤濕性的系統。所述系統包括： NMR測量系統，其適于并被配置為：能對體相含水流體和體相油執行NMR測量且能從NMR測 量產生NMR數據；以及處理系統，其被編程且配置為：使用多孔介質的孔隙尺寸分布和NMR 數據，利用用于混合潤濕條件下的潤濕性及飽和度在多個孔隙尺寸上的孔隙水平分布的正 演模型，對NMR數據執行反演，從而在多孔介質的多個孔隙尺寸上為含水流體產生潤濕性 變化特性。根據某些實施例，所述多孔介質是來自地下含烴地層的巖芯樣本，例如使用可 在井眼中部署的巖芯采樣工具獲取的巖芯樣本。根據某些實施例，至少部分所述NMR測量 系統適于被配置在井下，以便當所述流體處于活動狀態時，在井下對所述體相含水流體和/ 或體相油進行所述NMR測量。
[0007] 本發明描述了一種在NMR測量的基礎上基于實驗室的潤濕性表征方法，所述NMR 測量唯獨對孔隙尺度下的油和水的表面潤濕條件敏感。本發明利用了公知的NMR弛豫的表 面弛豫效應（T2)。公開了一種獲取多孔介質的NMR潤濕性的新的工作流程，所述多孔介質 例如是處于天然狀態的或在實驗室內預制為某種狀態的巖石。還公開了一種用于混合潤濕 及部分飽和T 2分布的新的基礎正演模型。在本發明的新的輸出結果中，有作為所述多孔介 質中的孔隙尺寸的函數的連續飽和度及潤濕性變化特性。我們使用多個經實驗室控制的飽 和度和潤濕性條件，以及一些巖芯清洗準備技術，通過一組儲層及露出碳酸鹽芯塞來證明 本發明的用途。本發明改進了在實驗室中使用的現有方法。
[0008] 從下面詳細的描述連同附圖，本發明進一步的特征和優勢將會變得更加顯而易 見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009] 在隨后的詳細描述中，參照提到的多張附圖通過本發明的實施例的非限制性例 子，進一步描述本發明，在本發明中的所有附圖中，相同的附圖標記代表相同的部分，其 中：
[0010] 圖1示出了根據某些實施例的Pc曲線以及用于計算^及Iusbm.的面積的定義。
[0011] 圖2示出了根據某些實施例的來自典型情況的D-T2數據的圖。
[0012] 圖3-1、3-2和3-3是根據某些實施例的不同形態的三角形孔隙的示意圖。
[0013] 圖4示出了根據某些實施例的正演模型的典型實例以及在孔隙譜數據上的Si和 Wi的反演輸出結果。
[0014] 圖5-1和5-2是根據某些實施例的來自逆拉普拉斯變換（ILT)的T2分布的、油和 水分布的以及對強烈油潤濕（W接接近于0,即大部分表面被油覆蓋）巖石示例反演得到的 潤濕性及飽和度函數的圖。
[0015] 圖6-1和6-2是根據某些實施例的來自ILT的T2分布的以及油和水分布的、和從 處于S win的強烈水潤濕塞子示例反演得到的潤濕性及飽和度度函數的圖。
[0016] 圖7-1和7-2是根據某些實施例的來自ILT的T2分布的以及油和水分布的、和從 處于S ot的水潤濕塞子示例反演得到的潤濕性及飽和度函數的圖。
[0017] 圖8是示出了根據某些實施例的用于從NMR數據確定潤濕性和飽和度變化特性的 系統的各方面的簡圖。
[0018] 圖9是示出了根據某些實施例的用于從NMR數據確定潤濕性和飽和度變化特性的 方法的各方面的框圖。
【具體實施方式】
[0019] 這里示出的具體內容僅是作為舉例和為了本發明的實施例的說明性討論的目的， 且為提供相信是本發明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而介紹。在這方面， 除對于本發明的基本理解所必需的之外，沒有致力于更詳細地示出本發明的結構細節，借 助于附圖所作的描述使得對于本領域的技術人員顯然的是：在實踐中如何可以實施本發明 的幾種形式。進一步地，在多個附圖中，類似的參考標號及標示指代相似的元件。
[0020] 潤濕性在油田開采中是一個重要的參數（E Donaldson，R D Thomas，以及P B Lorenz, "Wettability Detemination and Its Effect on Efficiency，'，SPE Journal, (1969), 9,第 13-20 頁；R A Salathiel，"Oil recovery by surface film drainage in mixed-wettability rocks"， Journal of Petroleum Technology, (1973) ；ff G Anderson, "Wettability Literature Survey-Part6: The effects of Wettability on Waterflooding，'，Journal of Petroleum Technology (1978) ；T Okasha, J Funk 以 及 H Rshidi, "Fifty Years of Measurments in the Arab-D Carbonate Reservoir，'， Proceedings of SPE Middle East Oil and Gas Show and Conference， （2007年 3 月）， 第1-12頁），然而少有方法對其進行定量。兩個最常用的方法是基于Pc曲線測量的定性指 數=(I)Amott-Harvey(AH),及（2)美國礦業局（USBM)方法。
[0021] 根據某些實施例，描述了一種反演技術，其已經在實驗室中一些受控條件下得到 驗證。傳統地，這樣的驗證已經如下被完成：通過將被研究的NMR潤濕性指數與不同的 工業標準相關聯，從而確定所述NMR方法是否有效。然而，在AH和USBM指數的定性特性 (參見 S Ma，X Zhang，N R Morrow 和 X Zhou，"Characterization of wettability from spontaneous imbibition measurements，',Journal of Canadian Petroleum Technology, (1999),38第13號，第56頁）的情況下，這樣的評量標準可能產生誤導。對多種各不相同 的芯塞，包括天然狀態、老化的以及清潔后的芯塞，其中顯示出，上文所述的NMR潤濕性指 數提供了更多的信息，并且在嚴格定義的制備方法的基礎上其與期望潤濕性更加一致。
[0022] 一些原則被用于從NMR !^數據中提取作為孔隙尺寸的函數的潤濕性和飽和度。所 述方法不需要很具體的孔隙幾何特征，而是通過所述測量的完全水飽和的弛豫（T 2)分布被 包含于所述模型中。所述方法利用NMR數據用于兩種狀態的芯塞（例如，天然狀態和完全 水飽和），以及用于兩個體相流體樣本（例如水和原生石油）。根據某些實施例，分析的一 個輸出結果是天然狀態T 2分布，這被分解成油及水的T2譜。第二個輸出結果是作為所述孔 隙尺寸譜的函數的潤濕性指數。所述指數要以在孔隙尺寸分布上平均化，以與傳統慣例一 致，為所述芯塞在提供-1到1刻度內的單一潤濕性指數。
[0023] 基礎物理中，由于表面相互作用，多孔系統中含有的流體的NMR弛豫時間T2相對 于其體積值而減短。在由單一相完全飽和及潤濕的孔隙系統中，弛豫增強的程度與孔隙直 徑d相關為T 2?d，即更小的孔隙具有更短的T2。在混合飽和孔隙系統的情況中，對于給定 體相，從表面弛豫縮短的T 2量直接成比例于被此體相潤濕的表面分數。因此，可以從在整 個孔隙系統上的潤濕性平均值得到巖石的明確的NMR潤濕性指數。在孔隙中對于給定相的 T2也依賴于在此孔隙中此體相的飽和度。這暗示了 T2同時對所述孔隙中的潤濕性及飽和 度以及其自身的孔隙尺寸分布敏感。
[0024] 為了闡明這些原理，在完全水潤濕場景中，當油滴被懸浮于充滿水的孔隙中時，油 滴被從表面隔離，并且因此表現為具有長T 2的體相流體。同時，由于懸浮油在孔隙中的存 在，對于水相的孔隙尺寸被有效地減小，從而所述水的T2被減短。類似的原理對于相反的 情況仍然成立，即水滴懸浮于油濕及油飽和孔隙中的情況。這些是組成潤濕性模型中的正 演模型的基本原理，基于此正演模型，進行所述反演。
[0025] 從2D NMR講行定件解釋。圖2示出了根據某些實施例的來自典型情況的D-T2數 據的曲線圖。在主圖200中展呈現出了三種D-T 2分布：（1)體相水峰值204,（2)沿傾斜 相關線230定位的體相脫氣原油分布202,以及（3)對于此塞子的天然狀態數據206。注 意，盡管示出了 D-T2分布，但根據某些實施例，所述反演可以只使用T2獲得。所述數據在 周圍條件中獲取。水平虛線232對應于水線，而斜虛線230對應于脫氣原油相關性，如S-W L0, G J Hirasaki, W V House 以及 R Kobayashi 的"Mixing rules and correlations of NMR relaxation time with viscosity, diffusivity, and gas/oil ratio of methane/ hydrocarbon mixtures"，SPE Journal，（2002)，7no.l，第 23-34 頁中所描述的。天然狀態 數據的兩個顯著特征是：（1)從體相水峰值204的信號的向左移位，其相應于水潤濕巖石， 以及（2)石油信號202具有類似的移位，其相應于原油潤濕所述巖石。
[0026] 圖2中還示出了 T2投影圖220及D投影圖210。T2投影圖220中的箭頭表示潤濕 如何由于表面弛豫而引起體相流體響應向左移位，即，更短的T 2。明顯地是，所有的流體被 發現向左移位，這表明所有的流體都在某種程度上潤濕了孔隙表面。因此，根據D-T 2，該天 然狀態的塞子被定性地混合潤濕，這與天然狀態潤濕性指數（1_，IAH，Iusbm.)很好地相符， 在此情況下所述天然狀態潤濕性指數的范圍在-〇. 3和-0. 2之間。
[0027] 高級解釋：潤濕件反澝-if澝樽型。為了更詳細地理解正演模型，有用的是首先定 義什么是孔隙尺度上的飽和度和潤濕性。我們定義飽和度為Si,潤濕性為Wi，其中下標i表 示第i個孔隙尺寸i。特別地，Si被定義為在第i個孔隙中的水的體積分數，具有表面弛時間 T2S, i ( Cli)，被限制為0彡Si彡1。Wi被定義為此孔隙被水潤濕的壁的表面分數，同樣被限制 為0彡Wi彡1。圖3-1、3-2和3-3是三角形孔隙的不同狀態的示意圖。特別地，圖3-1示出 了沉積后的孔隙300,圖3-2示出了油遷移后的孔隙300,圖3-3示出了由含水泥漿（WBM)濾 液侵入或注水沖洗后的孔隙300。圖3-1、3-2和3-3圖示出了在儲層巖石的地質生命周期內 在三角形孔隙*S i&Wi是如何可以變化的。在角形孔隙中流體分布及流動的系統分析由Ma 等人的"Effect of contact angle on drainage and imbibition in regular polygonal tubes，',Colloids and Surfaces A ：Physicochemical and Engineering Aspects, (1996), 117no. 3,第273-291頁。油/水界面的凹/凸起因于表面張力和粘滯力之間的平衡。
[0028] 在NMR T2反演后，整個塞子的總體水飽和度Snmk以及潤濕性指數Inme根據S i以及 Wi在孔隙譜P(T2Sii)(即，孔隙尺寸分布）上的平均值被確定。總體飽和度簡單地是由所述 孔隙尺寸分布加權的S i平均值，而潤濕性指數被換算為傳統的-1到1區間。
【權利要求】
1. 一種用于表征多孔介質的潤濕性的方法，所述方法包括： 接收表示多孔介質內的孔隙尺寸的分布的孔隙尺寸分布數據； 從體相含水流體接收NMR數據； 從體相油接收NMR數據；以及 使用孔隙尺寸分布數據和體相含水流體及體相油的NMR數據，利用用于混合潤濕條 件下的潤濕性及飽和度在多個孔隙尺寸上的孔隙水平分布的正演模型，對NMR數據執行反 演，從而在多孔介質的多個孔隙尺寸上為含水流體和/或油流體產生相對于孔隙譜的潤濕 性變化特性。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，所述NMR數據是NMR回波鏈數據，且在時域中執行 所述反演。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，所述NMR數據是選自以下的組的類型：CPMG、擴散 編輯、TfL、T2、T 2-T2、D-I\ 以及 D-T2。
4. 如權利要求1所述的方法，其中，所述正演模型包括用于飽和度的函數，所述函數沿 孔隙尺寸的譜非單調地增加或減小。
5. 如權利要求1所述的方法，其中，反演的執行包括對所述反演使用網格搜索方法。
6. 如權利要求1所述的方法，其中，反演的執行包括在正演模型中數學約束在多個孔 隙尺寸上的飽和度值。
7. 如權利要求6所述的方法，其中，至少部分基于多孔介質的已知的飽和歷程約束所 述飽和度值。
8. 如權利要求7所述的方法，其中，多孔介質最初被強烈油潤濕，然后被含水流體沖 洗，所述水飽和度被約束為隨著孔隙尺寸的增大而單調地增大。
9. 如權利要求7所述的方法，其中，多孔介質最初被強烈水潤濕，然后被油沖洗，所述 水飽和度被約束為隨著增孔隙尺寸的增大而單調地減小。
10. 如權利要求7所述的方法，其中，多孔介質已經經歷油沖洗和水沖洗事件后，所述 水飽和度被約束為高斯分布。
11. 如權利要求7所述的方法，其中，借助于選自如下組中的飽和技術獲知所述飽和歷 程：巖芯驅替、巖芯離心、儲層管理、水驅歷史以及產量歷史。
12. 如權利要求7所述的方法，其中，從獨立測量獲取飽和度指數，并且總體水飽和度 S_被約束成處于所述獨立測量的固定范圍內。
13. 如權利要求6所述的方法，其中，通過向多孔介質內注入順磁性流體獲知飽和度。
14. 如權利要求1所述的方法，其中，反演的執行包括使用從NMR數據推導的數據數學 約束正演模型。
15. 如權利要求14所述的方法，其中，使用梅林變換推導數據。
16. 如權利要求1所述的方法，其中，在執行反演中，進一步產生相對于孔隙譜的飽和 度變化特性。
17. 如權利要求16所述的方法，進一步包括：通過潤濕性變化特性與孔隙尺寸分布數 據的加權積分來確定總體潤濕性；以及通過飽和度變化特性與孔隙尺寸分布數據的加權積 分來確定總體飽和度。
18. 如權利要求16所述的方法，進一步包括：向用戶顯示作為孔隙尺寸分布的函數的 所述潤濕性和飽和度變化特性。
19. 如權利要求1所述的方法，其中，所述多孔介質是來自地下含烴巖層的巖芯樣本。
20. 如權利要求1所述的方法，其中，使用選自如下組的技術獲取所述孔隙尺寸分布數 據：NMR T2孔隙尺寸分布；壓汞法；以及X-射線斷層成像方法。
21. -種用于表征多孔介質的潤濕性的系統，所述系統包括： NMR測量系統，其適于并被配置為：能對體相含水流體和體相油執行NMR測量且能從 NMR測量產生NMR數據；以及 處理系統，其被編程且配置為：使用多孔介質的孔隙尺寸分布和NMR數據，利用用于混 合潤濕條件下的潤濕性及飽和度在多個孔隙尺寸上的孔隙水平分布的正演模型，對NMR數 據執行反演，從而在多孔介質的多個孔隙尺寸上為含水流體產生相對于孔隙譜的潤濕性變 化特性。
22. 如權利要求21所述的系統，其中，所述NMR數據是回波鏈數據，且在時域中執行所 述反演。
23. 如權利要求21所述的系統，其中，所述多孔介質是來自地下含烴地層的巖芯樣本。
24. 如權利要求23所述的系統，進一步包括可部署于井眼中且被配置為從地下地層獲 取巖芯樣本的巖芯米樣工具。
25. 如權利要求21所述的系統，其中，所述NMR測量系統的至少一部分適于部署于井 下，以便當流體處于活動狀態時在井下進行體相含水流體和/或體相油的NMR測量。
26. 如權利要求21所述的系統，其中，對NMR數據的反演進一步產生相對于孔隙譜的飽 和度變化特性，且所述處理系統被進一步配置為向用戶顯示作為孔隙尺寸分布的函數的所 述潤濕性和飽和度變化特性。
27. -種用于表征有第二流體存在時被第一流體潤濕的多孔介質的潤濕性的方法，所 述方法包括： 從第一和第二體相流體接收NMR數據； 接收表示多孔介質內的孔隙尺寸的分布的孔隙尺寸分布數據；以及 使用孔隙尺寸分布數據和NMR回波鏈數據，利用用于混合潤濕條件下的潤濕性及飽和 度在多個孔隙尺寸上的孔隙水平分布的正演模型，使用NMR數據在時域中執行反演過程， 從而在多孔介質的多個孔隙尺寸上為第一流體產生相對于孔隙譜的潤濕性變化特性。
28. 如權利要求27所述的方法，其中，所述NMR數據是NMR回波鏈數據，且在時域中執 行所述反演。
29. 如權利要求27所述的方法，其中，所述NMR數據是選自以下的組的類型：CPMG、擴 散編輯、W T2、T2-T2、D-I\ 以及 d-t2。
30. 如權利要求27所述的方法，其中，反演的執行包括在正演模型中數學約束在多個 孔隙尺寸上的飽和度值。
31. 如權利要求27所述的方法，其中，反演的執行包括使用梅林變換。
32. 如權利要求31所述的方法，其中，反演的執行包括：至少部分基于多孔介質的已知 的飽和歷程在正演模型中數學約束在多個孔隙尺寸上的飽和度值。
33. 如權利要求32所述的方法，其中，通過向多孔介質內注入順磁性流體獲知飽和度。
34. 如權利要求31所述的方法，其中，在執行反演中，進一步產生相對于孔隙譜的飽和 度變化特性。
35.如權利要求31所述的方法，其中，所述多孔介質是來自地下含烴地層的巖石樣本， 所述第一流體是含水的，第二流體是油。
【文檔編號】G01N24/08GK104246484SQ201380018378
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年4月2日 優先權日:2012年4月2日
【發明者】A·穆薩納, G·胡爾尚, S·馬, P·M·辛格, B·尼科特, A·瓦洛里, F·阿里, H·N·巴克曼 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司, 沙特阿拉伯石油公司