用于从nmr确定润湿性的方法

用于从 nmr 确定润湿性的方法
【专利摘要】描述了基于NMR测量的润湿性表征的方法，所述NMR测量在孔隙尺度下对油和水的表面润湿条件敏感。所述描述的方法利用NMR弛豫(T2)的表面弛豫效应。描述了获得多孔介质的润湿性变化特性的工作流程，所述多孔介质例如是天然状态的或在实验室内预制为某种状态的岩石。还描述了一种用于混合润湿及部分饱和孔隙谱的基础正演模型。所描述的反演的输出结果包括作为多孔介质中孔隙尺寸的函数的连续饱和度及润湿性变化特性，以及在整个孔隙谱上饱和度及润湿性的平均值。
【专利说明】用于从NMR确定润湿性的方法

【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及用于从核磁共振（NMR)测量结果及其他数据确定润湿性的方 法。特别地，本发明涉及基于反演的方法，用于确定在孔隙尺寸范围上的润湿性和饱和度。

【背景技术】
[0002] 储油层中岩石的润湿性影响饱和度、毛细管压力（Pc)、电学特性、相对渗透率和最 终油气采收。在石油工业中，基于P c曲线测量的半经验指数被用于描述芯塞润湿性：（1) Amott或Amott-Harvey指数Iah,以及⑵美国矿业局（USBM)指数，1_。经常地,这些指 数不符合尽管已有的行业预期。
[0003] NMR是一种显示出对岩石/流体界面非常敏感的技术。最广泛的应用是当所述孔 隙是单相100%饱和（例如水）时，测量孔隙尺寸的分布。在此情况下，解释是很简单的， 并且基于如下的事实：随着孔隙的减小，表面和体积之比将增加，导致较短的（即改善的） T2弛豫时间。还众所周知的是，所述NMR的T2弛豫时间对部分饱和（油和水）及混合润湿 孔隙的存在高度敏感，例如在芯塞处于取自油带的天然状态的情况下。


【发明内容】

[0004] 提供本
【发明内容】
，旨在介绍一系列概念，这些概念将在以下发明详述中进一步描 述。本
【发明内容】
并不意图认定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用作限制 要求保护的主题的范围的辅助。
[0005] 根据一些实施例，描述了一种用于表征多孔介质的润湿性的方法。所述方法包括： 接收表示多孔介质内的孔隙尺寸的分布的孔隙尺寸分布数据；从体相含水流体接收NMR数 据（例如，回波链数据）；从体相油接收NMR数据；以及使用孔隙尺寸分布数据和体相含水 流体及体相油的NMR数据，利用用于混合润湿条件下的润湿性及饱和度在多个孔隙尺寸上 的孔隙水平分布的正演模型，对NMR数据执行反演，从而在多孔介质的多个孔隙尺寸上为 含水流体和/或油流体产生润湿性变化特性。根据某些实施例，在时域中进行所述反演，并 且所述NMR数据是例如CPMG、扩散编辑、T 1-TyT2 J2-TyD-T1及D-T2类型的。所述正演模型 可以包括用于饱和度的函数，所述函数沿所述孔隙尺寸谱单调或者非单调地增加或降低， 并且所述反演可以包括在所述正演模型中数学约束多个孔隙尺寸上的饱和度值，例如基于 所述多孔介质的已知的饱和历程。根据某些实施例，可以通过润湿性变化特性与孔隙尺寸 分布数据的加权积分来确定总体润湿性，和/或通过饱和度变化特性与孔隙尺寸分布数据 的加权积分来确定总体饱和度。根据某些实施例，所述反演在除时域外的域中进行（例如 在T 2域中）。
[0006] 根据某些实施例，描述了一种用于表征多孔介质的润湿性的系统。所述系统包括： NMR测量系统，其适于并被配置为：能对体相含水流体和体相油执行NMR测量且能从NMR测 量产生NMR数据；以及处理系统，其被编程且配置为：使用多孔介质的孔隙尺寸分布和NMR 数据，利用用于混合润湿条件下的润湿性及饱和度在多个孔隙尺寸上的孔隙水平分布的正 演模型，对NMR数据执行反演，从而在多孔介质的多个孔隙尺寸上为含水流体产生润湿性 变化特性。根据某些实施例，所述多孔介质是来自地下含烃地层的岩芯样本，例如使用可 在井眼中部署的岩芯采样工具获取的岩芯样本。根据某些实施例，至少部分所述NMR测量 系统适于被配置在井下，以便当所述流体处于活动状态时，在井下对所述体相含水流体和/ 或体相油进行所述NMR测量。
[0007] 本发明描述了一种在NMR测量的基础上基于实验室的润湿性表征方法，所述NMR 测量唯独对孔隙尺度下的油和水的表面润湿条件敏感。本发明利用了公知的NMR弛豫的表 面弛豫效应（T2)。公开了一种获取多孔介质的NMR润湿性的新的工作流程，所述多孔介质 例如是处于天然状态的或在实验室内预制为某种状态的岩石。还公开了一种用于混合润湿 及部分饱和T 2分布的新的基础正演模型。在本发明的新的输出结果中，有作为所述多孔介 质中的孔隙尺寸的函数的连续饱和度及润湿性变化特性。我们使用多个经实验室控制的饱 和度和润湿性条件，以及一些岩芯清洗准备技术，通过一组储层及露出碳酸盐芯塞来证明 本发明的用途。本发明改进了在实验室中使用的现有方法。
[0008] 从下面详细的描述连同附图，本发明进一步的特征和优势将会变得更加显而易 见。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 在随后的详细描述中，参照提到的多张附图通过本发明的实施例的非限制性例 子，进一步描述本发明，在本发明中的所有附图中，相同的附图标记代表相同的部分，其 中：
[0010] 图1示出了根据某些实施例的Pc曲线以及用于计算^及Iusbm.的面积的定义。
[0011] 图2示出了根据某些实施例的来自典型情况的D-T2数据的图。
[0012] 图3-1、3-2和3-3是根据某些实施例的不同形态的三角形孔隙的示意图。
[0013] 图4示出了根据某些实施例的正演模型的典型实例以及在孔隙谱数据上的Si和 Wi的反演输出结果。
[0014] 图5-1和5-2是根据某些实施例的来自逆拉普拉斯变换（ILT)的T2分布的、油和 水分布的以及对强烈油润湿（W接接近于0,即大部分表面被油覆盖）岩石示例反演得到的 润湿性及饱和度函数的图。
[0015] 图6-1和6-2是根据某些实施例的来自ILT的T2分布的以及油和水分布的、和从 处于S win的强烈水润湿塞子示例反演得到的润湿性及饱和度度函数的图。
[0016] 图7-1和7-2是根据某些实施例的来自ILT的T2分布的以及油和水分布的、和从 处于S ot的水润湿塞子示例反演得到的润湿性及饱和度函数的图。
[0017] 图8是示出了根据某些实施例的用于从NMR数据确定润湿性和饱和度变化特性的 系统的各方面的简图。
[0018] 图9是示出了根据某些实施例的用于从NMR数据确定润湿性和饱和度变化特性的 方法的各方面的框图。

【具体实施方式】
[0019] 这里示出的具体内容仅是作为举例和为了本发明的实施例的说明性讨论的目的， 且为提供相信是本发明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而介绍。在这方面， 除对于本发明的基本理解所必需的之外，没有致力于更详细地示出本发明的结构细节，借 助于附图所作的描述使得对于本领域的技术人员显然的是：在实践中如何可以实施本发明 的几种形式。进一步地，在多个附图中，类似的参考标号及标示指代相似的元件。
[0020] 润湿性在油田开采中是一个重要的参数（E Donaldson，R D Thomas，以及P B Lorenz, "Wettability Detemination and Its Effect on Efficiency，'，SPE Journal, (1969), 9,第 13-20 页；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页），然而少有方法对其进行定量。两个最常用的方法是基于Pc曲线测量的定性指 数=(I)Amott-Harvey(AH),及（2)美国矿业局（USBM)方法。
[0021] 根据某些实施例，描述了一种反演技术，其已经在实验室中一些受控条件下得到 验证。传统地，这样的验证已经如下被完成：通过将被研究的NMR润湿性指数与不同的 工业标准相关联，从而确定所述NMR方法是否有效。然而，在AH和USBM指数的定性特性 (参见 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号，第56页）的情况下，这样的评量标准可能产生误导。对多种各不相同 的芯塞，包括天然状态、老化的以及清洁后的芯塞，其中显示出，上文所述的NMR润湿性指 数提供了更多的信息，并且在严格定义的制备方法的基础上其与期望润湿性更加一致。
[0022] 一些原则被用于从NMR !^数据中提取作为孔隙尺寸的函数的润湿性和饱和度。所 述方法不需要很具体的孔隙几何特征，而是通过所述测量的完全水饱和的弛豫（T 2)分布被 包含于所述模型中。所述方法利用NMR数据用于两种状态的芯塞（例如，天然状态和完全 水饱和），以及用于两个体相流体样本（例如水和原生石油）。根据某些实施例，分析的一 个输出结果是天然状态T 2分布，这被分解成油及水的T2谱。第二个输出结果是作为所述孔 隙尺寸谱的函数的润湿性指数。所述指数要以在孔隙尺寸分布上平均化，以与传统惯例一 致，为所述芯塞在提供-1到1刻度内的单一润湿性指数。
[0023] 基础物理中，由于表面相互作用，多孔系统中含有的流体的NMR弛豫时间T2相对 于其体积值而减短。在由单一相完全饱和及润湿的孔隙系统中，弛豫增强的程度与孔隙直 径d相关为T 2?d，即更小的孔隙具有更短的T2。在混合饱和孔隙系统的情况中，对于给定 体相，从表面弛豫缩短的T 2量直接成比例于被此体相润湿的表面分数。因此，可以从在整 个孔隙系统上的润湿性平均值得到岩石的明确的NMR润湿性指数。在孔隙中对于给定相的 T2也依赖于在此孔隙中此体相的饱和度。这暗示了 T2同时对所述孔隙中的润湿性及饱和 度以及其自身的孔隙尺寸分布敏感。
[0024] 为了阐明这些原理，在完全水润湿场景中，当油滴被悬浮于充满水的孔隙中时，油 滴被从表面隔离，并且因此表现为具有长T 2的体相流体。同时，由于悬浮油在孔隙中的存 在，对于水相的孔隙尺寸被有效地减小，从而所述水的T2被减短。类似的原理对于相反的 情况仍然成立，即水滴悬浮于油湿及油饱和孔隙中的情况。这些是组成润湿性模型中的正 演模型的基本原理，基于此正演模型，进行所述反演。
[0025] 从2D NMR讲行定件解释。图2示出了根据某些实施例的来自典型情况的D-T2数 据的曲线图。在主图200中展呈现出了三种D-T 2分布：（1)体相水峰值204,（2)沿倾斜 相关线230定位的体相脱气原油分布202,以及（3)对于此塞子的天然状态数据206。注 意，尽管示出了 D-T2分布，但根据某些实施例，所述反演可以只使用T2获得。所述数据在 周围条件中获取。水平虚线232对应于水线，而斜虚线230对应于脱气原油相关性，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 页中所描述的。天然状态 数据的两个显著特征是：（1)从体相水峰值204的信号的向左移位，其相应于水润湿岩石， 以及（2)石油信号202具有类似的移位，其相应于原油润湿所述岩石。
[0026] 图2中还示出了 T2投影图220及D投影图210。T2投影图220中的箭头表示润湿 如何由于表面弛豫而引起体相流体响应向左移位，即，更短的T 2。明显地是，所有的流体被 发现向左移位，这表明所有的流体都在某种程度上润湿了孔隙表面。因此，根据D-T 2，该天 然状态的塞子被定性地混合润湿，这与天然状态润湿性指数（1_，IAH，Iusbm.)很好地相符， 在此情况下所述天然状态润湿性指数的范围在-〇. 3和-0. 2之间。
[0027] 高级解释：润湿件反澝-if澝樽型。为了更详细地理解正演模型，有用的是首先定 义什么是孔隙尺度上的饱和度和润湿性。我们定义饱和度为Si,润湿性为Wi，其中下标i表 示第i个孔隙尺寸i。特别地，Si被定义为在第i个孔隙中的水的体积分数，具有表面弛时间 T2S, i ( Cli)，被限制为0彡Si彡1。Wi被定义为此孔隙被水润湿的壁的表面分数，同样被限制 为0彡Wi彡1。图3-1、3-2和3-3是三角形孔隙的不同状态的示意图。特别地，图3-1示出 了沉积后的孔隙300,图3-2示出了油迁移后的孔隙300,图3-3示出了由含水泥浆（WBM)滤 液侵入或注水冲洗后的孔隙300。图3-1、3-2和3-3图示出了在储层岩石的地质生命周期内 在三角形孔隙*S i&Wi是如何可以变化的。在角形孔隙中流体分布及流动的系统分析由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页。油/水界面的凹/凸起因于表面张力和粘滞力之间的平衡。
[0028] 在NMR T2反演后，整个塞子的总体水饱和度Snmk以及润湿性指数Inme根据S i以及 Wi在孔隙谱P(T2Sii)(即，孔隙尺寸分布）上的平均值被确定。总体饱和度简单地是由所述 孔隙尺寸分布加权的S i平均值，而润湿性指数被换算为传统的-1到1区间。

【权利要求】
1. 一种用于表征多孔介质的润湿性的方法，所述方法包括： 接收表示多孔介质内的孔隙尺寸的分布的孔隙尺寸分布数据； 从体相含水流体接收NMR数据； 从体相油接收NMR数据；以及 使用孔隙尺寸分布数据和体相含水流体及体相油的NMR数据，利用用于混合润湿条 件下的润湿性及饱和度在多个孔隙尺寸上的孔隙水平分布的正演模型，对NMR数据执行反 演，从而在多孔介质的多个孔隙尺寸上为含水流体和/或油流体产生相对于孔隙谱的润湿 性变化特性。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述NMR数据是NMR回波链数据，且在时域中执行 所述反演。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述NMR数据是选自以下的组的类型：CPMG、扩散 编辑、TfL、T2、T 2-T2、D-I\ 以及 D-T2。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述正演模型包括用于饱和度的函数，所述函数沿 孔隙尺寸的谱非单调地增加或减小。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，反演的执行包括对所述反演使用网格搜索方法。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，反演的执行包括在正演模型中数学约束在多个孔 隙尺寸上的饱和度值。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，至少部分基于多孔介质的已知的饱和历程约束所 述饱和度值。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，多孔介质最初被强烈油润湿，然后被含水流体冲 洗，所述水饱和度被约束为随着孔隙尺寸的增大而单调地增大。
9. 如权利要求7所述的方法，其中，多孔介质最初被强烈水润湿，然后被油冲洗，所述 水饱和度被约束为随着增孔隙尺寸的增大而单调地减小。
10. 如权利要求7所述的方法，其中，多孔介质已经经历油冲洗和水冲洗事件后，所述 水饱和度被约束为高斯分布。
11. 如权利要求7所述的方法，其中，借助于选自如下组中的饱和技术获知所述饱和历 程：岩芯驱替、岩芯离心、储层管理、水驱历史以及产量历史。
12. 如权利要求7所述的方法，其中，从独立测量获取饱和度指数，并且总体水饱和度 S_被约束成处于所述独立测量的固定范围内。
13. 如权利要求6所述的方法，其中，通过向多孔介质内注入顺磁性流体获知饱和度。
14. 如权利要求1所述的方法，其中，反演的执行包括使用从NMR数据推导的数据数学 约束正演模型。
15. 如权利要求14所述的方法，其中，使用梅林变换推导数据。
16. 如权利要求1所述的方法，其中，在执行反演中，进一步产生相对于孔隙谱的饱和 度变化特性。
17. 如权利要求16所述的方法，进一步包括：通过润湿性变化特性与孔隙尺寸分布数 据的加权积分来确定总体润湿性；以及通过饱和度变化特性与孔隙尺寸分布数据的加权积 分来确定总体饱和度。
18. 如权利要求16所述的方法，进一步包括：向用户显示作为孔隙尺寸分布的函数的 所述润湿性和饱和度变化特性。
19. 如权利要求1所述的方法，其中，所述多孔介质是来自地下含烃岩层的岩芯样本。
20. 如权利要求1所述的方法，其中，使用选自如下组的技术获取所述孔隙尺寸分布数 据：NMR T2孔隙尺寸分布；压汞法；以及X-射线断层成像方法。
21. -种用于表征多孔介质的润湿性的系统，所述系统包括： NMR测量系统，其适于并被配置为：能对体相含水流体和体相油执行NMR测量且能从 NMR测量产生NMR数据；以及 处理系统，其被编程且配置为：使用多孔介质的孔隙尺寸分布和NMR数据，利用用于混 合润湿条件下的润湿性及饱和度在多个孔隙尺寸上的孔隙水平分布的正演模型，对NMR数 据执行反演，从而在多孔介质的多个孔隙尺寸上为含水流体产生相对于孔隙谱的润湿性变 化特性。
22. 如权利要求21所述的系统，其中，所述NMR数据是回波链数据，且在时域中执行所 述反演。
23. 如权利要求21所述的系统，其中，所述多孔介质是来自地下含烃地层的岩芯样本。
24. 如权利要求23所述的系统，进一步包括可部署于井眼中且被配置为从地下地层获 取岩芯样本的岩芯米样工具。
25. 如权利要求21所述的系统，其中，所述NMR测量系统的至少一部分适于部署于井 下，以便当流体处于活动状态时在井下进行体相含水流体和/或体相油的NMR测量。
26. 如权利要求21所述的系统，其中，对NMR数据的反演进一步产生相对于孔隙谱的饱 和度变化特性，且所述处理系统被进一步配置为向用户显示作为孔隙尺寸分布的函数的所 述润湿性和饱和度变化特性。
27. -种用于表征有第二流体存在时被第一流体润湿的多孔介质的润湿性的方法，所 述方法包括： 从第一和第二体相流体接收NMR数据； 接收表示多孔介质内的孔隙尺寸的分布的孔隙尺寸分布数据；以及 使用孔隙尺寸分布数据和NMR回波链数据，利用用于混合润湿条件下的润湿性及饱和 度在多个孔隙尺寸上的孔隙水平分布的正演模型，使用NMR数据在时域中执行反演过程， 从而在多孔介质的多个孔隙尺寸上为第一流体产生相对于孔隙谱的润湿性变化特性。
28. 如权利要求27所述的方法，其中，所述NMR数据是NMR回波链数据，且在时域中执 行所述反演。
29. 如权利要求27所述的方法，其中，所述NMR数据是选自以下的组的类型：CPMG、扩 散编辑、W T2、T2-T2、D-I\ 以及 d-t2。
30. 如权利要求27所述的方法，其中，反演的执行包括在正演模型中数学约束在多个 孔隙尺寸上的饱和度值。
31. 如权利要求27所述的方法，其中，反演的执行包括使用梅林变换。
32. 如权利要求31所述的方法，其中，反演的执行包括：至少部分基于多孔介质的已知 的饱和历程在正演模型中数学约束在多个孔隙尺寸上的饱和度值。
33. 如权利要求32所述的方法，其中，通过向多孔介质内注入顺磁性流体获知饱和度。
34. 如权利要求31所述的方法，其中，在执行反演中，进一步产生相对于孔隙谱的饱和 度变化特性。
35.如权利要求31所述的方法，其中，所述多孔介质是来自地下含烃地层的岩石样本， 所述第一流体是含水的，第二流体是油。
【文档编号】G01N24/08GK104246484SQ201380018378
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年4月2日 优先权日:2012年4月2日
【发明者】A·穆萨纳, G·胡尔尚, S·马, P·M·辛格, B·尼科特, A·瓦洛里, F·阿里, H·N·巴克曼 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司, 沙特阿拉伯石油公司