利用核磁共振技術(shù)評價煤層吸附能力

孫建孟, 劉海山, 宗成林, 秦瑞寶, 余杰

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580; 2.中海油研究總院, 北京 100027)

0 引 言

煤層氣作為一種新型的天然氣能源,在我國非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中具有重要地位[1]。煤的工業(yè)組分變化大、物性差、流體性質(zhì)難以識別,尤其是吸附解析特性認(rèn)識不清和孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,嚴(yán)重影響了煤層氣的勘探開發(fā)[2]。煤的吸附能力在一定程度上決定了煤層的含氣量,因此,開展煤的吸附能力研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)于煤層氣吸附能力在國內(nèi)外都有大量研究,早在1977年,KIM[3]根據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果與巖心分析提出定量評價煤層吸附能力的KIM方程,KIM方程主要根據(jù)煤的工業(yè)組分建立與含氣量之間的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果誤差較大,并且需要已知煤的工業(yè)組分。張超謨等根據(jù)壓汞孔喉半徑譜與核磁共振T2譜對比分析,研究結(jié)果表明,核磁共振在煤層氣儲層評價中可以有效地反映孔隙結(jié)構(gòu),能夠?qū)訁?shù)進(jìn)行有效評價[4-9]。王有智等采用掃描電鏡與低溫氮吸附對煤巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,煤巖孔隙類型主要包括屑間孔、殘余組織孔、角礫孔和氣孔,其中氣孔的廣泛發(fā)育表明了煤巖可以大量生烴,又可以為煤層氣儲存富集提供優(yōu)質(zhì)的儲集空間[10-11]。王玥等[12]利用室內(nèi)等溫吸附與現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn),研究了煤層氣的儲層參數(shù)對煤層吸附能力的影響。綜上,前人一般利用等溫吸附、低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)和煤的儲層特性評價煤的吸附能力。這些方法的影響因素很多,實(shí)驗(yàn)條件苛刻,具有很大的局限性。目前,國內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)為煤的孔隙特性決定了煤的吸附能力。核磁共振技術(shù)可以反映煤層的微觀孔隙特征,可利用該技術(shù)對煤的吸附能力進(jìn)行評價,但這方面研究很少。

本文利用核磁共振技術(shù)與低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性,得到轉(zhuǎn)化系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[13],將T2譜轉(zhuǎn)換為孔隙結(jié)構(gòu)譜,評價煤層微觀孔隙結(jié)構(gòu),進(jìn)一步研究煤的吸附能力與微孔隙體積之間的定量關(guān)系,確定煤層的含氣量。

1 核磁共振與低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)方法、參數(shù)及結(jié)果

核磁共振技術(shù)具有快速測量巖石孔隙結(jié)構(gòu)且測量的孔隙直徑范圍寬等優(yōu)點(diǎn),可以識別從毫米級到納米級孔隙。低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)可以直接反映孔隙半徑分布情況,也可以直接評價煤層孔隙結(jié)構(gòu)。對同一煤樣做核磁共振與低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn),既可以檢驗(yàn)核磁共振對煤層孔隙結(jié)構(gòu)的評價結(jié)果準(zhǔn)確性,也可以將T2譜轉(zhuǎn)換為孔隙結(jié)構(gòu)譜。

實(shí)驗(yàn)煤樣主要取自沁水盆地神府區(qū)塊。儀器使用紐邁MesoMR23-060H-1核磁儀進(jìn)行T2譜測量,使用美國麥克公司ASAP2020比表面積及孔隙分析儀進(jìn)行低溫液氮吸附測量。

核磁共振測量原理:外界靜磁場與原子核發(fā)生相互作用,使得氫核1H的核磁矩產(chǎn)生能量分級,再外加一個特定頻率垂直靜磁場方向的射頻磁場,核磁矩就會吸收能量,發(fā)生能級躍遷,產(chǎn)生核磁共振。核磁共振主要測量恢復(fù)到平衡狀態(tài)的弛豫時間,分為縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2[14]。橫向弛豫時間T2與孔隙半徑R的關(guān)系成線性

R=3ρT2

(1)

式中,R為孔隙半徑;ρ為巖石橫向表面弛豫率。

低溫液氮實(shí)驗(yàn)原理:氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)大氣壓p0下冷卻至沸點(diǎn)溫度(-195.8 ℃)變成液體。在相同溫度下,而毛細(xì)管內(nèi)低于p0的壓力下,氮?dú)饩湍Y(jié)成液體,這種現(xiàn)象稱為毛細(xì)管冷凝。壓力p/p0與發(fā)生冷凝的孔直徑一一對應(yīng)[15],孔徑越小,產(chǎn)生冷凝所需的壓力也越小,根據(jù)這一原理,孔隙半徑R可以表示為凱爾文方程[16]

(2)

式中,R為孔隙半徑;p為測量壓力;p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

核磁共振實(shí)驗(yàn)主要參數(shù):共振頻率2 MHz回波數(shù)1 024,TE=0.2 ms,TW=6 s,信噪比大于30∶1,T2譜擬合點(diǎn)數(shù)64。

低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)主要參數(shù):孔徑分析范圍0.35～500 nm,微孔區(qū)段的分辨率為0.02 nm,孔體積最小檢測0.000 1 cm3/g。

部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 SM-14井部分巖心核磁共振T2譜

圖2 SM-14井部分巖心液氮吸附圖

2 煤巖核磁共振T2譜與低溫液氮孔隙結(jié)構(gòu)對比

核磁共振T2譜與低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)都是對巖石孔隙結(jié)構(gòu)分布的反映,因此,可以通過對比兩者特征差異,將T2譜轉(zhuǎn)化為孔隙結(jié)構(gòu)譜。從圖1、圖2可以明顯看出核磁共振T2譜的第2個峰與低溫液氮吸附1～100 nm之間的峰相對應(yīng),利用特殊點(diǎn)的相關(guān)性,可以建立兩者之間定量轉(zhuǎn)換關(guān)系(見圖3)。

圖3 利用相關(guān)點(diǎn)法建立T2與孔隙直徑之間的關(guān)系

該地區(qū)煤巖的橫向弛豫時間T2與孔隙直徑之間的關(guān)系大致呈線性關(guān)系

D=0.91212T2

(3)

式中,D為孔隙直徑,nm;T2為橫向弛豫時間,ms。

式(3)本質(zhì)上反映了式(1)的關(guān)系,該地區(qū)煤巖橫向弛豫率大約0.152 nm/ms。核磁共振T2譜縱坐標(biāo)為孔隙度分量,而巖心質(zhì)量體積和巖心總孔隙度可以很容易測得,所以巖樣總的孔隙體積可以計(jì)算得到,進(jìn)而每個T2時間對應(yīng)的孔隙體積可以求得。再利用式(3)的T2與孔隙直徑間的關(guān)系可以將核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換為孔隙直徑譜(見圖4)。

圖4 SM-14-17巖心液氮吸附與核磁共振對應(yīng)轉(zhuǎn)換圖

從圖4中可以看出核磁共振與低溫液氮吸附在微孔隙和中孔隙方面有較好的對應(yīng)關(guān)系,但是在反映大孔隙方面,核磁共振比低溫液氮吸附更有優(yōu)勢,這部分壓汞曲線可以與核磁共振譜有較好對應(yīng)關(guān)系。

3 核磁共振T2譜評價煤的吸附能力

常規(guī)利用等溫吸附體積法評價煤層吸附能力,主要是測量煤巖的蘭氏壓力與蘭氏體積,這個實(shí)驗(yàn)過程耗時比較長。煤巖的吸附能力主要與煤巖的微孔隙和中孔隙發(fā)育情況有關(guān),因此,可以通過核磁共振技術(shù)測量微、中孔隙發(fā)育大小,研究與吸附能力的關(guān)系。

張錕、李相方等[17-18]研究發(fā)現(xiàn),按照十進(jìn)制孔隙分類標(biāo)準(zhǔn),可以將孔徑結(jié)構(gòu)按照大小分為大孔(>1 000 nm)、中孔(1 000～100 nm)、過渡孔(100～10 nm)、微孔(<10 nm)。在此,采用孔隙直徑以10 nm為標(biāo)準(zhǔn)[通過式(3)中轉(zhuǎn)換關(guān)系得T2為16 ms],對直徑小于10 nm的微孔體積與等溫吸附實(shí)驗(yàn)測量得到的吸附參數(shù)VL和pL建立關(guān)系,結(jié)果見圖5、圖6。

由圖5可以看出,隨著微孔隙體積的增加,煤樣的最大吸附能力VL逐漸增大,主要是因?yàn)槲⒖椎目讖捷^小,對甲烷分子有較強(qiáng)束縛能力,且微孔能提供較大的比表面積,對煤層氣吸附能力起到?jīng)Q定性作用。

圖5 VL與小于10 nm的微孔體積關(guān)系圖

圖6 pL與小于10 nm的微孔體積關(guān)系圖

從圖6可以看出隨著微孔隙體積的增加pL逐漸減小,表明微孔隙體積對低壓段的吸附作用起到?jīng)Q定作用。這主要是由于在壓力較低時,孔徑很小,尤其當(dāng)孔隙直徑與甲烷分子大小相當(dāng)時,極易將甲烷分子吸附在煤孔隙表面,使得氣體吸附量在低壓段迅速增長。因此,孔徑小于10 nm的微小孔隙是影響pL的主要因素。

通過圖5、圖6可以看出利用微中孔隙大小與吸附能力有良好的相關(guān)關(guān)系,因此,將小于10 nm的孔隙體積填充甲烷氣的空間,再利用微孔容積法[見式(3)]將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積

(4)

式中,V1為小于10 nm的微孔隙體積;ρ為甲烷氣的密度;M為甲烷的摩爾質(zhì)量;V為轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)況下的微孔隙空間。

在此,將小于10 nm標(biāo)準(zhǔn)狀況下的微孔隙空間定義為核磁共振計(jì)算含氣量,將其與煤巖解析的含氣量進(jìn)行對比(見圖7)。從圖7中可以看出利用核磁共振譜計(jì)算的含氣量與煤心解析出的含氣量有一定差異,大部分都處于45°線附近,只有占少數(shù)的2個點(diǎn)偏離較大。因此,核磁共振實(shí)驗(yàn)對于評價煤層吸附能力在一定精度范圍內(nèi)比較可靠。

4 核磁共振測井評價煤層吸附能力

在實(shí)驗(yàn)室核磁共振評價吸附能力的基礎(chǔ)上,將計(jì)算方法推廣到核磁共振測井,考慮到核磁共振測井存在微孔隙丟失現(xiàn)象,分別嘗試采用10、13 nm和16 nm分別對應(yīng)16、24 ms和33 ms,計(jì)算含氣量,再與煤心解析結(jié)果進(jìn)行對應(yīng)比較(見圖8)。從圖8對比分析可看出,以13 nm計(jì)算效果最好,進(jìn)一步對多塊巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)算對比(見表1)。

圖7 解析測得的含氣量與小于10 nm的孔隙體積的對比關(guān)系

從表1可以看出核磁共振計(jì)算的含氣量與煤心測得的含氣量有部分差異,有少部分巖心差異比較大,但大部分誤差都在20%以內(nèi)(平均誤差17.619%,去除差異較大的4塊后平均誤差為12.68%)。這一結(jié)果基本驗(yàn)證了核磁共振測井評價煤層吸附能力的準(zhǔn)確性。

表1 多塊巖心計(jì)算結(jié)果對比結(jié)果數(shù)據(jù)表

*誤差=(計(jì)算含氣量-實(shí)測含氣量)/實(shí)測含氣量

圖8 SM-10以10 nm為標(biāo)準(zhǔn)核磁共振測井計(jì)算含氣量與巖心結(jié)果對比圖

5 結(jié) 論

(1) 利用核磁共振T2譜測得孔徑小于10 nm的煤層微孔隙體積與等溫吸附參數(shù)之間的良好的線性關(guān)系,應(yīng)用低溫氮吸附與核磁共振孔隙對應(yīng)關(guān)系首先找到納米孔對應(yīng)T2譜的截止值約16 ms。

(2) 評價了實(shí)驗(yàn)室核磁共振譜評價煤吸附能力的應(yīng)用效果和精度,進(jìn)一步遞推分析應(yīng)用到核磁測井,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大該截止值到24 ms。

(3) 計(jì)算的吸附氣含量與巖心分析結(jié)果具有較好的一致性,說明依據(jù)煤層微、中孔隙體積研究煤的吸附能力是可行的,有推廣應(yīng)用前景。

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