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总述:核磁共振在页岩气及煤层气中的运用

发布时间:2022-08-01 22:10:10 来源:亚博软件

  本期相同为我们共享一篇中国地质大学(北京)刘大锰教授团队宣布在International Journal of Coal Geology上的总述核磁共振技能的运用文章,本篇文章不只全面涵盖了现在核磁共振在页岩气及煤层气储层的运用方向,还结合详细事例展现了运用核磁共振技能所取得的突破性发展。

  核磁共振技能是表征页岩、煤等非惯例储层岩石物理性质和流体活动特征的重要试验办法。比较传统试验办法如压汞法会损坏部分孔隙结构,气体吸附宽和吸法孔径测验规模限制,核磁共振技能已被证明是一种快速、活络、无损的表征办法。

  以往,依据高场强的波谱核磁共振法在煤中的运用首要会集在研讨煤的分子结构、类型、等级和组成上。近年来,低场强时域核磁已被广泛运用于非惯例储层孔隙特征、浸透率猜测、潮湿性测定和流体特征等研讨方向(注:以下评论的均为低场核磁共振技能)。

  页岩和煤具有杂乱的孔隙网络,孔隙度和孔径散布是点评资源潜力的最重要参数。煤或页岩中发育微米级到纳米级不同规范的孔隙,因而需求更高精度的试验测验办法。比较于传统的孔隙表征办法,核磁共振技能被证明是一种无损的定量表征煤和页岩孔隙特征的有用手法,能反映岩样悉数孔隙信息,此外还用于研讨孔隙特征的影响要素。

  核磁共振丈量的起伏与孔隙空间中的含氢量成正比,因而,经过标定得到核磁信号与孔隙度的相关联系能够获取待测岩样核磁孔隙度。此外,依据孔隙中的流体能否经过离心试验排出,可将孔隙流体分为自在流体和捆绑流体,样品在离心试验前后用核磁共振测验两次,即可取得自在流体孔隙度和捆绑流体孔隙度。

  为了检验核磁法测验孔隙度的准确性,现已有学者进行了核磁法与其他办法的比照(表1)。此外63组试验数据标明核磁法与气测法成果高度一致(图2),相对差错操控在15%以内(这是由于核磁共振技能与氦孔法丈量了煤和页岩一切类型的孔隙空间,而压汞法以及氮气吸附法仅取得部分孔隙空间的体积)。

  孔径散布是研讨气体含量,气体吸附宽和吸机理、分散,浸透率,压裂反排和进步油气采收率的重要要素。经过核磁共振T2谱能够反映煤和页岩储层孔径散布状况。假定孔隙几许形状为圆柱形,能够将总弛豫率方程转化为关于T2和孔径之间的等式。

  只需确认横向外表弛豫率即可将T2时刻转化为孔径。此外,还能够经过其他试验树立孔径与T2之间的等效联系式。例如依据核磁共振模型与毛管曲线相结合,经过核磁共振取得的T2谱将其等效成压汞曲线,完结孔径转化,该类办法在砂岩储层中适用性较高,在煤与页岩的研讨中适用性有待进一步优化。

  部分学者依据离心试验,树立了适用于煤与页岩储层的孔径转化办法。如下所示,T2c为T2截止值;r为离心试验中最大离心力所对应的最小孔径下限,即T2c对应的孔径巨细;rci对应于任一驰豫时刻T2i的孔径巨细。

  有学者运用分形理论,将核磁T2谱与压汞法所取得的孔径散布分红两个部分,T2c1为微孔及中大孔分界所对应的核磁弛豫时刻阈值,75.6nm为压汞法孔径散布所取得的微孔及中大孔分界,即T2c1对应的孔径。r对应于任一弛豫时刻T2的孔径巨细。

  除了运用T2弛豫剖析测验孔径之外,核磁共振低温纳米孔隙剖析技能运用饱满流体凝结前后信号差异核算取得孔隙尺度,避免了外表弛豫强度丈量和顺磁物质对核磁信号的影响,该办法表征的孔隙规模较广,从4nm-1400nm之间,可是该办法对饱满液体性质有必定要求。

  将传统办法与NMR的T2弛豫法和NMRC低温冻融法进行比较,证明NMR和NMRC技能表征孔径散布准确牢靠,如图3-图4所示。

  如图5所示,在100%饱满条件下的T2散布可分为单峰,双峰和三峰型,反映了单孔隙类型和多孔隙类型。页岩样品中的孔隙首要为吸附孔,因而大多数页岩样品具有单峰型T2谱,而煤样多为多孔隙类型。

  煤样的核磁共振T2谱散布显现,T2散布的各种峰反映了煤中的多种孔隙类型。0.5-2.5ms、20-50ms和 100ms的峰别离对应于气体吸附( 0.1μm)孔隙、气体运送( 0.1μm)孔隙、裂缝。

  页岩弛豫时刻规模为0.02-1ms、1-10ms、10-100ms和100-1000 ms,别离对应于微孔(2-100 nm)、小孔(0.1-1μm)、中孔(1-10μm)和大孔(10-100μm)。由于NMR核算孔径的办法不同,因而不同的研讨人员具有不同的分类计划,依据经过NMR法取得的孔隙类型的一致区别规范没有一致。

  孔隙特征受煤阶,温度,应力,有机质成熟度等不同要素的影响。温度对孔隙度影响研讨标明,跟着处理温度的升高,三种不同等级煤的NMR孔隙度都有添加的趋势,并以不同的起伏添加。

  跟着温度的升高,代表微孔的T2峰增大,而大孔的峰位消失,这标明在加热进程中产生了更多的微孔。煤的T2散布具有接连的双峰或三峰特征,在中低阶煤中,主峰坐落高T2值段,而在高阶煤中,T2散布具有两个独立峰的特征,主峰坐落在低T2值。这意味着在中低阶煤中,大孔隙和微裂缝更发育,而在高阶煤中,微孔发育。

  此外,经过核磁共振研讨了不同等级煤孔隙的应力敏感性,由于存在较大的运送空间,低等级煤应力敏感性较高,而高、中等级煤的应力敏感性较低。如图6所示,一些学者剖析了不同孔径的敏感性,并结合应力敏感性试验和NMR办法提出了一种核算孔隙压缩性的新模型。

  许多学者现已研讨了一些影响孔隙测验的NMR丈量参数,总的来看,回波时刻(TE)和等待时刻(TW)被以为是核磁共振试验的两个要害参数,它们对所得孔隙度值的影响如图7所示,回波时刻越长,得到的孔隙度越小,回波时刻对页岩核磁共振孔隙度精度的影响大于等待时刻,由于页岩是一种细密岩石,微孔含量高,均匀孔径在纳米级,较小的回波时刻更能反映微孔的孔径和含量,较长的等待时刻则能够更好地提醒页岩中大孔的散布。

  浸透率是操控多孔介质中流体传输的基本参数。其巨细和空间散布在剖析地下流体运移和改进资源开发方面起着重要作用。NMR办法是一种依据孔隙特性和流体特征来预算浸透率的直接技能之一,也能够与GR测井曲线结合起来预算地层的储层浸透率。现在运用NMR弛豫数据猜测非惯例油气储层的浸透率首要有两种经历模型:Timur-Coates模型(自在流体模型)和SDR模型(均匀T2模型)。

  这两个模型被用来猜测煤或页岩样品的浸透率。但是,关于两种模型中哪种方式对煤层更好,不同的研讨者有不同的观点。

  部分学者以为Timur-Coates模型比SDR模型更适合用于煤样品,由于T2g可能会遭到NMR试验之前未充沛排放的烃的影响,但由于煤的浸透率与碳氢化合物的相关性更大,因而会导致较大的差错。

  而SDR模型能够比Timur-Coates模型更好地评价处理温度升高后的浸透率,由于该模型能够代表煤的基质浸透率,这两种模型能否用于猜测煤和页岩的浸透率仍需进一步评论。下列表2罗列了依据不同理论的针对不同区域的一些新的浸透率模型。

  在含有两种或多种不混溶流体的煤或页岩储层中,潮湿性的丈量对确认一种流体的原始散布,流体活动功能,相对浸透率,毛细管压力,以及油气的采收率至关重要。许多学者采用了不同的办法表征页岩的潮湿性。

  一些学者经过运用核磁共振监测页岩自发渗吸来揣度页岩的潮湿性。有学者还开发了一种特别的流体注入设备来替代流体的吸胀,然后缩短测验时刻,而且具有吸胀测验相同的作用。为定量表征页岩岩心的潮湿性,有学者给出NMR潮湿指数(Iw)核算方程:

  Sdo是十二烷潮湿外表分数,经过将NMR孔隙流体体积(吸收的十二烷的实践量)除以氦气孔隙度而取得。

  有学者运用NMR丈量的成果评论了矿藏学和总有机碳含量(TOC)对页岩潮湿性的影响。页岩小孔隙( 5ms)中的水添加量与粘土矿藏含量没有相关性,而油的添加量与有机碳含量高度相关,标明页岩中存在很多偏油湿的小有机孔隙。

  NMR办法首要用于检测含氢流体,对判别流体类型,量化流体含量以及表征惯例储层中流体在孔隙空间中的活动性有较高的实用性。近年来,NMR已在试验室和户外条件中广泛用于研讨非惯例油气储层。

  页岩中的水以自在水,捆绑水以及结构水的方式存在,而甲烷首要经过吸附到页岩的内外表存储。NMR能够检测含氢分子,因而能够运用NMR区别流体赋存状况。

  煤中的水分为吸附水、毛细管水和自在水,能够经过其散布来检测和区别,其间最快的弛豫部分( 5ms)由吸附水奉献,中心部分(5-200ms)来自小毛细管空间中的水,而长弛豫部分( 200ms)来自自在水。

  煤的甲烷吸附核磁共振呼应标明,“吸附甲烷”、“结合甲烷”和“自在甲烷”别离对应于 7ms、7-240ms和 240ms的T2区间/峰值。此外,经过不同办法树立T2临界值,可准确区别黏土水和可采出水。如图8所示,饱满水和捆绑水状况下别离进行核磁共振测验,然后获取煤的T2截止值(T2c),大于该T2时刻的孔隙中的水为可采出水。

  在此基础上,提出了岩心驱替和低场核磁共振技能相结合的办法,处理了水和井底压差对甲烷状况的影响,能够模仿煤层气出产进程中甲烷状况的动态改变,图9所示的核磁共振散布提醒的甲烷状况标明,吸附气体和游离气体的含量跟着气体压力的添加而逐步添加。

  一维NMR法(杂乱页岩孔隙体系中的T1或T2弛豫)由于水信号与油气信号堆叠,难以独自从T2谱中别离出不同的流体。而二维NMR法能够显着区别页岩储层中的不同流体类型,运用T1/T2比以及不同的T2截止值能够区别辨认富有机质页岩中的不同赋存状况的油气和水(图10)。

  NMR技能是表征流体行为,如水的运移,甲烷吸附宽和吸以及CO2置换的有用办法。许多学者现已在流体运移方面做了很多作业。核磁共振试验成果显现,煤的吸水量随停留时刻的改变能够反映水分的改变状况,其间结合水随停留时刻的添加而添加,毛管水和自在水随停留时刻的添加而削减。煤的核磁共振CO2驱替气水交流试验标明,注入CO2后,小毛管水的散布峰值逐步减小,而大毛管水和自在水的散布峰值随时刻添加(图11)。

  经过监测页岩自发渗吸驱替进程,结合核磁共振试验解说了关井一段时刻后页岩储层主动缓解水锁机制。如图12,页岩样品自发渗吸进程标明,水首要进入微孔,然后进入更大的孔隙,然后进步页岩储层的产能。

  此外,页岩的吸附才能可经过高温高压核磁共振在线检测体系进行定量剖析,页岩中吸附气T2谱在低压时增加缓慢,在高压时增加敏捷,这是由于低压时渗流和分散通道遭到限制,经过压降试验,在大约4000 psi的压力下,有学者经过NMR试验核算出孔隙中游离和吸附的甲烷气量。

  在页岩气、煤层气范畴,除了以上所展现的运用,纽迈剖析的核磁共振成像剖析仪供给更为丰厚的运用处理计划。详细如下:

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