基于核磁共振弛豫谱的煤储层岩石物理与流体表征

发布时间：2019-08-27 07:58

【摘要】：为了揭示与煤层气高效开发中储层多相流作用等科学问题,需要探索一种针对性的煤储层特性无损分析新技术。从理论和技术2个角度讨论了核磁共振弛豫时间分析技术在煤储层岩石物理及流体分析中的应用,研究建立了基于低场核磁共振的煤的孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性、甲烷等温吸附曲线的精细定量综合表征技术体系;论证了采用核磁共振弛豫分析来有效识别煤中"多态甲烷"(游离态、吸附态和孔束缚态)和"多态水"(表面吸附态、孔内毛管束缚态和自由态水)的理论与方法;提出了注CO_2置换煤层流体效率的理论评价模型。为进一步开展煤层气开发过程中气、水多相介质相互作用与储层综合动态研究提供了技术保障。
【图文】：

核磁共振,核磁共振弛豫,煤储层,三相介质

透率、孔隙结构表征，在煤中的多态甲烷识别及甲烷吸附能力定量，以及在CO2注入煤层永久埋存应用等方面所取得的成果，探讨了该技术在煤储层相关研究中应用的优势及存在的问题，并对相关方向的研究发展趋势进行了初步展望预测。1煤储层三相介质系统与低场核磁共振原位煤储层通常是由气、水、煤组成的三相介质系统，其中煤又可看成是由煤基质块和宏观裂隙、显微裂隙、大孔隙、微孔隙等组成的多元结构系统［3］。为简便起见，将煤储层系统定义为，是由煤骨架、孔裂隙、储层流体组成的固－液－气三相综合系统(图1)。在煤储层系统中存在多相流体的多种作用过程，，主要有煤的吸附/解吸作用、煤的气/水润湿性作用、煤储层中气/水的扩散与渗流等。因此，可将煤层气产出的实质定义为，在压力场(或应力场)、温度尝化学场变化环境下，气、水多相流体在煤储层孔裂隙系统中的作用过程(图1)。图1煤储层三相介质系统与核磁共振弛豫时间分析Fig.1Coal－matrix，pore－fracturesandfluidsystemofcoalreservoirandNMＲrelaxationtimeanalysis核磁共振弛豫时间分析技术是低场核磁共振工业应用中最重要的一项技术，所研究对象是原子核(如氢核)在不同共振频率下发生的弛豫行为。在煤储层中，氢核存在于煤基块骨架和储层流体中，在这2种环境下氢核的核磁共振特性有很大差别。研究中通过选择适当的测量参数，可观测仅来自孔隙流体而与煤基块骨架无关的信号［13］。通过对煤储层流体系统中的自旋氢核1H(如甲烷和水中的氢核)在均匀分布的静磁场及射频场的作用下的核磁共振弛豫行为的检测，可实现对煤储层物性及其他流体特性的定量表征，原理与流程如图1所示。一般通过测量1H的横向弛豫时间T2来分析含氢流体在多孔介质中弛豫?

自然蒸发,煤样,含水,水分

水分析，而有关多态水的研究相对较少。低场核磁共振弛豫谱技术为分析煤中多态水及其变化研究提供了技术可能性。文献［26］标定了煤中各级别孔隙与“三态水”分布的对应关系，并建立了一种基于低场核磁共振的煤中不同状态水分的测定方法:煤中吸附水、毛细管水和自由水的谱峰分别分布于0.1～1.0ms，100ms左右和大于100ms这3个弛豫时间段，谱峰的大小和形态决定了“三态”水的分布。文献［24］采用该方法对系列不同煤阶的块煤样在自然蒸发过程中多态水的变化规律进行了研究，总结了多态水在煤中的扩散和渗流规律。如图2a所示，蒸发经历3个过程:前1h内为中－大图2含水煤样在自然蒸发过程中水分的变化Fig.2Ｒeleasedmoisturecontentversustimeforspontaneousevaporationexperimentsofcoal孔孔隙内的宏毛管水的散失，表现为图中前4个T2谱右峰逐级减小而左峰不变;1～24h内发现图中的T2谱右峰消失、左峰开始迅速减少，说明小－中孔孔隙内的微毛管水开始蒸发;而24h之后，煤样的T2谱保持不变，说明煤样已达到平衡水状态，此时煤中的水分主要为微—小孔内的吸附水。由图2b可知，宏毛管水、微毛管水和吸附水经历了3个扩散过程，其扩散系数对应为图2b中3个线段的斜率(a1、a2、a3)。也就是，水分在煤中的蒸发扩散从大孔开始，依次经历自由水扩散、大毛管束缚水扩散和微毛管束缚水扩散3个过程。此外，通过对多个煤样的分析发现，煤中宏毛管水与微毛管水的扩散速率主要与样品的孔隙度与孔隙结构有关，而自由水扩散与孔隙发育几乎没有相关关系［24］。值得指出的是，上述研究仅是核磁共振弛豫时间分析煤中水运移的一个典型的实例。事实上，低场核磁共振弛豫时间分析技术可实现对原位煤储层中温度尝应力尝化学场?
【作者单位】：中国地质大学(北京)能源学院;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(41472137) 全国优秀博士学位论文作者专项资助项目(201253)
【分类号】：TE37;TE311

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