Применению метода ЯМР для исследования коллекторов нефти и газа посвящено много работ [1, 2, 4]. Определение пористости не встречает особых трудностей, а определение остаточной воды и фильтрационных свойств пород, как правило, носит неоднозначный и полуколичественный характер. Это объясняется как большой сложностью изучаемой дисперсной многокомпонентной многофазной системы и изменением объектов этой системы по разрезу и простиранию пласта, так и недостаточной информацией о роли различных факторов, влияющих на релаксацию протонов в дисперсной системе.

Для решения второго круга вопросов ряд авторов [3, 5] исследовали зависимости релаксационных характеристик на упрощенных модельных системах, состоящих из стеклянной и мраморной крошки, песка, силикагеля, шариков из фторопласта. Было установлено, что свойства полярной жидкости, насыщающей поровое пространство указанных модельных систем, отличаются от свойств жидкостей в свободном объеме. Недостаток этих исследований состоял в том, что, во-первых, использовались насыпные модели, где контролировался только порядок размера частиц системы и, во-вторых, незначительно изменялся диапазон размеров пор и свойств поверхности.

В связи с этим целью настоящей работы было изучение релаксационных характеристик протонов воды в различных по конфигурации системах, моделирующих сцементированные породы-коллекторы, и установление связи релаксационных характеристик с параметрами структуры порового пространства и свойствами поверхности.

Были приготовлены модели трех типов: капиллярные, щелевые и стержневые. Стеклянные капилляры с внутренним радиусом от 7 до 150 мкм получали при горячей вытяжке тонкостенной трубки, затем их сортировали по размерам диаметров с помощью микроскопа МБС-9-2. Из набора каждой отсортированной по размерам группы капилляров длиной 22 мм изготавливали образец модели, состоящий из 200-500 отдельных капилляров. Щелевая модель состояла из набора плоскопараллельных пластин размером 20X10 мм, зазор между которыми фиксировался с помощью фторопластовых прокладок и изменялся от 10 до 200 мкм. Для предотвращения вытеснения жидкости прокладки имели форму окна. Плоскими поверхностями служили в одном случае стеклянные полированные, и в другом - матовые поверхности, а также фторопласт. Насыщение проводили под вакуумом в течение 0,5 ч.

Третья модель состояла из плотноупакованных, сплошных стеклянных стержней строго определенного размера; она отличалась от капиллярной тем, что зазоры между стержнями имели узкие устья и центральную часть - “поры”.

Времена спин-решеточной релаксации измеряли на импульсном спектрометре “Миниспек Р-20” на частоте 20 МГц, точность измерения времени Т₁ 5-7 %. Кривые спин-решеточной релаксации в модельных системах наблюдались после серии сдвоенных (90°) импульсов и фиксировались на самописце Н 306. Каждый образец был приготовлен и измерен 2-4 раза. Капиллярные модели были изготовлены из простого и молибденового стекла.

На рис. 1 приведены зависимости lg(1/T₁) =f(S/V). В качестве структурного параметра различных по конфигурации пор выбрано отношение площади контакта воды к объему. Это объясняется тем, что влияние поверхности на изменение релаксационных характеристик в дисперсной системе пропорционально величине поверхности контакта и обратно пропорционально объему находящейся в поре жидкости. Щелевые и стержневые модели трудно описывать эквивалентными радиусами поровых каналов, тогда как отношение S/V для них оценивается легко. Кроме того, переход к реальным системам может быть произведен через независимо измеряемые удельную поверхность и пористость.

Большинство результатов, наблюдаемых в процессе исследований, объясняется с позиций известных представлений о механизме поведения молекул жидкости в объемах, ограниченных твердой поверхностью. Различные свойства поверхности вызывают соответствующее взаимодействие с определенной частью молекул жидкости, заполняющей поровое пространство. При этом возможно образование двух фаз: связанные молекулы - долгоживущая фаза (пристеночный слой) и свободные молекулы с более коротким временем корреляции их подвижности. Естественно, что между этими фазами существует обмен молекулами, благодаря которому для большинства образцов рассмотренных моделей наблюдается одно усредненное время спин-решеточной релаксации. Оно сокращается по мере увеличения структурного параметра образцов в связи с тем, что наряду с обменом уменьшается доля свободной фазы и в результате ограничивается общая подвижность молекул воды в порах.

Из рис. 1 следует, что релаксационные характеристики протонов воды в капиллярах одного размера, но из стекла с различными свойствами различны. Релаксационные процессы в капиллярной модели описываются одной компонентой Т₁ при изменении S/V от 0,02 до 0,4 мкм^-1 (r=5-80 мкм).

Существенное влияние химических свойств поверхности на релаксационные кривые видно также на рис. 2, на котором приведены данные по щелевым моделям. Менее всего изменяется время Т₁ модели из фторопластовых пластин, затем из полированных стеклянных и, наконец, матовых пластинок. Последние изготовлены из полированных с помощью абразивного порошка. Такое воздействие приводило к созданию большого числа микронеоднородностей при неизменных химических свойствах поверхности, что могло повлиять на величину структурного параметра S/V при увеличении 5.

Характерно, что в щелевых моделях из полированного и матового стекла при определенных S/V появляется двухфазность T₁. В щелях с матовой поверхностью две фазы T₁ возникают с зазора около 100 мкм (S/V =0.02 мкм^-1), а на полированной поверхности стекла - при зазоре 25 мкм (S/V = 0,08 мкм^-1). На моделях с фторопластовыми пластинами при диапазоне изменения S/V от 0,001 до 0,2 мкм^-1 присутствует одна фаза T₁, а величина спин-решеточного времени релаксации много больше, чем на стеклянных щелевых моделях.

Спин-решеточное время релаксации T₁ третьей модели, состоящей из сплошных стержней, при всех изученных значениях S/V от 0,15 до 4 мкм^-1 двухфазно и значительно меньше, чем T₁ капиллярной и щелевой моделей. В этом случае четко проявляется причина двухфазности T₁ заключающаяся в том, что относительно большая доля общего количества воды в устьях пор модели отличается по состоянию от воды в центральной части пор. По-видимому, это является и причиной двухфазности щелевой модели, когда уменьшается зазор и повышается относительная доля воды в поверхностном слое стекла, имеющем вследствие абразивной обработки значительную микро-неоднородность.

Сопоставление с реальными коллекторами (рис. 3) показывает, что в интервале эквивалентных радиусов 1-15 мкм зависимости T₁=f(r_экв) третьей модели и терригенных пород лежат практически в одной области.

Полученные на модельных системах релаксационные данные позволяют, в частности, объяснить различие в величинах T1 остаточной воды песчаников и карбонатов. Двух- и трехфазность (по данным ЯМР) воды в порах пород связана с ее неэквивалентным состоянием в различных по размерам порах, каналах и других участках сложной дисперсной системы. Различие во временах T₁ терригенных пород и известняков обусловлено в первую очередь разной химической природой их поверхности. В песчаниках остаточная вода связана с глинистым цементом контактного, пленочного или порового типа. Действительно, времена спин-решеточного времени релаксации воды в образцах аргиллита и остаточной воды (по методу капилляриметрии) в терригенных породах оказались одного порядка.

В карбонатах, поверхность которых гидрофобнее, остаточная вода обусловлена главным образом структурными факторами, она слабее связана с подложной, поэтому времена спин-решеточной релаксации в этом случае значительно больше. Так, по результатам измерения релаксационных характеристик терригенных и карбонатных пород (всего более 100 образцов) установлено, что средние времена спин-решеточной релаксации всех фаз раствора в карбонатах больше, чем соответственные времена в терригенных образцах: T_1а - в 1,9, Т_1в - в 1,6 и T_1с -в 1,3 раза.

Отметим, что построение надежных зависимостей вида T₁=f(S/V) позволяет в дальнейшем по релаксационной характеристике (T₁) и пористости образца (V) определять величину S, пропорциональную удельной поверхности, которая тесно связана с такими важными параметрами пород-коллекторов, как их проницаемость, остаточная вода и глинистость. Выводы

На трех различных, по строению и свойствам поверхности модельных системах пород-коллекторов установлено, что величина и компонентный состав спин-решеточного времени релаксации T₁ определяются для каждой из них двумя факторами: структурным параметром, равным отношению площади контакта воды с поверхностью к объему (S/V), и химическими свойствами поверхности.

На изученных модельных системах вид зависимости Ig(1/T₁) =f(S/V) одинаков.

Релаксационные характеристики насыщенной водой модели из сплошных стержней ближе всего подходят к аналогичным показателям для реальных терригенных пород.

1. Белорай Я.Л., Неретин В.Д. Изучение коллекторских свойств горных пород методом ЯМР. - Разведочная геофизика,1977, вып. 77, с. 153-157.
2. Веденин С.В., Винокуров В.М. Определение проницаемости гранулярных коллекторов нефти импульсным методом ЯМР. - В кн.: Магнитная и оптическая спектроскопия минералов и горных пород. Казань, 1974, с. 72-77.
3. Квливидзе В.И., Курзаев А.Б. Свойства тонких слоев воды по данным метода ЯМР. В кн.: Поверхностные силы в тонких пленках. М., 1979, с. 211.
4. Кибрик Г.Е., Розенберг Ю.И., Тульбович Б.И. Импульсный ядерный резонанс и определение водонефтенасыщенности коллекторов. - Геология нефти и газа, 1976,№ 12, с. 62-66.
5. Манк В.В. Радиоспектрические исследования гидрофильности дисперсных минералов. - В кн.: Физ.-хим. механизм и лиофильность дисперсных систем, № 14. Киев, 1979, с. 91-102.

Рис. 1. Зависимость скорости спин-решеточной релаксации 1/Т1 от структурного параметра S/V для моделей: стержневой (1, 2), щелевой из простого стекла (3, 4, 5) и капиллярных из простого (6) и молибденового (7) стекол.

Фазы: 1,3 - сильносвязанная; 2, 4 - слабосвязанная

Рис. 2. Взаимосвязь скорости спин-решеточной релаксации 1/T1 и структурного параметра S/V для щелевых моделей с различными химическими свойствами поверхностей.

Поверхность: 1, 4. 6- матовая стеклянная, 2. 3, 7 - полированная стеклянная, 5 - фторопластовая. Фазы: 1, 2 - сильносвязанная. 3 - слабосвязанная

Рис. 3. Зависимость спин-решеточного времени релаксации Т1а от среднего эквивалентного радиуса поровых каналов r для терригенных пород (1) и модели, состоящей из стеклянных стержней (2)