頁巖氣藏納米孔隙的凍融核磁共振測量表征方法

蘇紹明, 鄒 珍

(中國冶金地質(zhì)總局 中南地質(zhì)勘查院,湖北 武漢 430081)

頁巖氣藏納米孔隙的凍融核磁共振測量表征方法

蘇紹明, 鄒 珍

(中國冶金地質(zhì)總局 中南地質(zhì)勘查院,湖北 武漢 430081)

頁巖氣資源評價和開發(fā)的難度主要源自頁巖微細(xì)孔隙結(jié)構(gòu)。由于核磁共振(NMR)對原子、分子尺度的局域環(huán)境有著高度敏感性,相比于傳統(tǒng)的介質(zhì)孔隙表征方法如壓汞法、氣體吸附法,NMR有著無可替代的優(yōu)勢。以1H為探針,研發(fā)快速準(zhǔn)確、簡單穩(wěn)健、成本低廉、易于操作的頁巖納米孔隙凍融NMR孔隙測量表征方法。這將為頁巖氣藏資源評價和開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),并具學(xué)科交叉的優(yōu)勢。

頁巖氣;納米孔徑;凍融核磁共振

相比于傳統(tǒng)的油氣藏,頁巖氣的生氣成藏條件要寬泛許多,而且資源潛力也遠(yuǎn)大于常規(guī)油氣藏,鑒于傳統(tǒng)油氣資源日益走向枯竭,頁巖氣作為可供選擇的非常規(guī)替代能源之一,其勘探開發(fā)的戰(zhàn)略意義不言而喻?；诖?對財富的執(zhí)著渴求、冒險創(chuàng)新的文化、成熟的風(fēng)險投資體制催生了美國頁巖氣革命,美國成為唯一大規(guī)模開發(fā)頁巖(油)氣的國家。這場源于美國的頁巖氣革命正向全世界蔓延,并影響全球能源生產(chǎn)格局、國家競爭力和地緣政治版圖。中國2012年進(jìn)口石油2.7億t,對外依存度高達(dá)58%,由于世界政治局勢的復(fù)雜性,中國能源安全面臨著很大不確定性。另外,中美兩國的海相頁巖氣田存在著諸多相似性,中國廣泛分布著類似美國的海相(富有機(jī)質(zhì))頁巖層,且中國陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖氣層也具潛力,據(jù)測算,中國有著世界最大的頁巖氣儲量,預(yù)測可采頁巖氣儲量達(dá)25萬億m3?；蛟S又一個化石能源的輝煌時代才剛開始,中國在未來數(shù)年內(nèi)也應(yīng)參與并推動這么一場“能源革命”,而且中國能源重心也需從煤炭轉(zhuǎn)向天然氣(頁巖氣)等清潔能源上,如此不僅有助于緩解中國日趨嚴(yán)重的空氣污染,減少能源的對外依存度,而且全世界都將因此而受益。

不同于傳統(tǒng)意義上油氣藏,同時作為頁巖氣生、儲空間和蓋層的頁巖孔隙極小(納米級),因此有著很強(qiáng)的表面作用、較大的毛細(xì)管壓、較差的連通性和很小的滲透率。納米尺度上的頁巖孔隙結(jié)構(gòu)決定著頁巖氣藏評價和開發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)(如孔隙度、飽和度、滲透率、濕潤性等),為更好地評價和開發(fā)頁巖氣資源,就必須更深入地理解頁巖的巖石物理性質(zhì)。鑒于頁巖氣的特殊性,必須有針對性地研發(fā)有效技術(shù)手段來評價、勘探和開發(fā)頁巖氣資源。除文化和體制外,美國頁巖氣革命成功的核心啟示為技術(shù)進(jìn)步是解決能源問題的關(guān)鍵,技術(shù)進(jìn)步尤其是水平鉆探、高壓水力壓裂等技術(shù)的發(fā)明與運(yùn)用對頁巖氣革命起著極為重要的作用。所以,中國仍需耐心地從基本的地質(zhì)條件著手,研究基本的地質(zhì)學(xué)和物理化學(xué)規(guī)律,引進(jìn)和研發(fā)有效的技術(shù)手段,根據(jù)最基本的原則運(yùn)作,從而掌握核心技術(shù)、擁有核心知識產(chǎn)權(quán),而頁巖納米孔隙的測量表征、頁巖氣資源評價模型與方法則是可能的起點(diǎn)和突破口。

NMR被證明是測量油氣藏巖石工程參數(shù)的有效技術(shù)。有著較高孔隙度、較大孔徑的常規(guī)油氣藏巖石(如砂巖)特性的NMR表征方法較為成熟,但極少有頁巖的NMR表征研究,而表征頁巖整體孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最好手段則是NMR和氣體注入法[1]。在外磁場作用下,自旋原子核NMR信號對應(yīng)著該同位素所處的局域環(huán)境信息,各種NMR作用反映著短程(?)、中程(?到nm)甚至長程(10 nm以上)局域環(huán)境。微細(xì)孔隙中的受限核自旋NMR特性受到表面弛豫、擴(kuò)散運(yùn)動等孔隙結(jié)構(gòu)特征的調(diào)制,所以使用NMR 波譜、弛豫、擴(kuò)散及化學(xué)位移(δiso)等作探針可調(diào)查孔隙的幾何結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特征,且結(jié)合核磁共振成像(MRI)/定域波譜可觀測樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征的空間不均勻性。因表面弛豫對孔隙的敏感性[2-4],常使用弛豫及其分布來表征孔隙介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)(Relaxometry)。一方面,NMR Relaxometry 主要用于地球科學(xué),尤其是巖石內(nèi)孔隙的研究。另一方面,依據(jù)熱力學(xué)Gibbs-Thomson 公式,微細(xì)孔隙中液體熔點(diǎn)較體積狀態(tài)(bulk)時降低(MPD),其降低程度ΔT是孔隙尺寸(size)的函數(shù)[5-6],因此,也使用凍融NMR(Cryoporometry)來測量孔隙尺寸及其分布。液體在孔隙中的受限擴(kuò)散也將導(dǎo)致信號的衰減,NMR實(shí)驗(yàn)測量的擴(kuò)散系數(shù)也可能給出孔隙結(jié)構(gòu)的信息[7-8]。

頁巖氣孔隙結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)研究手段主要有壓汞法(MIP)、氣體吸附法(BET)、DSC,此外還有中子散射等方法的嘗試。但是,與NMR方法相比,這些傳統(tǒng)方法有著顯著的局限性,如測試時間長,基本理論依據(jù)隱含著較多的假設(shè)和近似,且壓汞法主要測量孔吼、高壓可能壓碎并改變樣品的孔隙結(jié)構(gòu),氣體吸附測量則速度慢、低壓測量難以定量等,壓汞法和氣體吸附法兩者均因涉及到物質(zhì)轉(zhuǎn)移而受孔隙連通性的限制,兩者均對封閉孔隙、飽和樣品無效。另外,介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的NMR表征方法則有著顯著優(yōu)勢,如快速、具非侵入性、非破壞性等特點(diǎn),可不涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)移,且只對分子尺度的局域環(huán)境特征敏感,還能選擇性地探測特定原子核,并可以根據(jù)需要組合多種NMR實(shí)驗(yàn),充分發(fā)揮想象力而靈活地設(shè)計合適的NMR實(shí)驗(yàn)脈沖序列、構(gòu)建不同物理量和新維度、組合不同實(shí)驗(yàn)和多維相關(guān)信息來測量表征孔隙[9-12]。

因此,NMR在頁巖氣微細(xì)孔隙幾何結(jié)構(gòu)和動力性研究中有很大的應(yīng)用前景,這樣的交叉學(xué)科方法對頁巖氣資源開發(fā)有著很大的應(yīng)用潛力,甚至是頁巖納米級孔隙表征的首選手段。

肖立志教授在地質(zhì)NMR領(lǐng)域做了開拓性的工作[13-18];鄧克俊教授等[19]對核磁共振測井作了系統(tǒng)性論述和總結(jié)。以往國內(nèi)外地質(zhì)NMR工作主要集中于礦物精細(xì)結(jié)構(gòu)、測井等領(lǐng)域,無機(jī)固體孔隙結(jié)構(gòu)NMR研究則絕大多數(shù)集中于水泥等材料[2,20-26],還有部分無機(jī)固體孔隙結(jié)構(gòu)NMR研究集中于模型孔隙材料如porous silica等[27-30]。而僅有的巖石孔隙結(jié)構(gòu)NMR研究則集中于具大孔隙的砂巖、灰?guī)r[2,31],迄今為止,作者能檢索到的頁巖氣孔隙結(jié)構(gòu)NMR研究文獻(xiàn)極少[32],且這些研究主要使用測井NMR來識別頁巖孔隙內(nèi)的天然氣特征及其含量,而不涉及頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的研究。Josh等則在孔徑分布的測量基礎(chǔ)上,試圖使用Coates和SDR模型測算頁巖的滲透率。雖然Coates模型給出的頁巖NMR滲透率結(jié)果與壓汞測量結(jié)果較接近,但是這些模型源于砂巖、灰?guī)r,顯然對頁巖的適應(yīng)性尚待進(jìn)一步研究證實(shí),或修正該模型以適應(yīng)于頁巖滲透率的測算。

目前常用的NMR Relaxometry基于表面弛豫理論,需對孔徑大小形狀、擴(kuò)散和交換速率等作出嚴(yán)格假設(shè),但通常大多數(shù)孔隙介于快、慢擴(kuò)散極限之間,而且表面弛豫深受自然樣品內(nèi)順磁物質(zhì)、強(qiáng)異向性、晶體缺陷、探針與孔壁間相互作用等因素影響(Simpson & Simpson,2014),并且Relaxometry數(shù)據(jù)處理反演的ILT法具非穩(wěn)定性和病態(tài)解特征,可能因此造成差異極大的各種孔隙介質(zhì)的孔徑分布卻雷同的奇特效果。相對而言,基于熱力學(xué)的NMR凍融方法有著理論較為穩(wěn)健、數(shù)據(jù)處理簡單可靠、解釋具確定性的優(yōu)勢。

因此,本文主要致力于研發(fā)頁巖氣藏納米孔隙的凍融NMR測量表征方法,這種方法本質(zhì)是熱力學(xué)方法,只是通過NMR信號來實(shí)現(xiàn),這種方法能克服NMR Relaxometry的局限而給出比較合理的納米孔隙孔徑分布特征。

1 介質(zhì)納米孔隙凍融NMR測量的理論基礎(chǔ)

如前述,這種方法的本質(zhì)其實(shí)是熱力學(xué)方法,熔點(diǎn)降低度(MPD,ΔTm)與納米孔徑(x)的理想對應(yīng)關(guān)系如式(1)所示(kGS是與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)):

ΔTm=kGS/x

(1)

相比于弛豫孔隙測量的反演處理,凍融NMR實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的處理方法則非常直接、簡單可靠:核磁強(qiáng)度M0主要通過居里定律來校正,ΔTm與孔徑分布間的換算則由磁化強(qiáng)度M0的溫度微分來實(shí)現(xiàn)(公式(2),其中暫取kGS=30 knm):

(2)

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置主要為紐邁公司設(shè)計搭建的凍融系統(tǒng)、低場NMR譜儀。紐邁公司凍融裝置由氣流和溫敏反饋電路來控制,使用并聯(lián)的兩臺空壓機(jī)(型號為DA7001C)來穩(wěn)定氣體壓力,溫敏電路控制溫度,該凍融系統(tǒng)最低溫能達(dá)-35℃,溫度穩(wěn)定性和變溫梯度均能控制在±0.02℃(遠(yuǎn)低于SCI文獻(xiàn)中的參數(shù)),能夠測量的孔徑在2～50 nm間。紐邁公司低場(約11 MHz)譜儀的死時間可達(dá)30 ms,而頁巖納米孔隙內(nèi)自由水的T2范圍則在33 ms以上,因此可以認(rèn)定低場譜儀能夠捕捉頁巖內(nèi)納米孔隙中絕大多數(shù)溶劑信號。為避免過冷和滯變現(xiàn)象(hysteresis),實(shí)驗(yàn)從最低溫(約225 K)逐步升溫,升溫速度不能過快,以免出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。每個溫度恒定至少15 min后才認(rèn)為達(dá)到熱平衡,同一溫度的不同CPMG實(shí)驗(yàn)的磁化強(qiáng)度M0值變化<2%的NMR數(shù)據(jù)才認(rèn)為有效。所有M0數(shù)據(jù)均經(jīng)過溫度的居里校正后,再進(jìn)行微分處理以求算樣品的孔徑分布曲線。

湖北恩施的奧陶—志留系龍馬溪組有機(jī)質(zhì)頁巖的巖心樣品經(jīng)過XRF等常規(guī)表征后,碎裂的頁巖樣品小碎塊(顆粒直徑<0.4 cm)經(jīng)抽真空后放入直徑1.5 cm的玻璃樣品管內(nèi),并使用水為溶劑來飽和樣品。然后,使用優(yōu)化的CPMG實(shí)驗(yàn)參數(shù),在11 MHz波譜上測量每個溫度下的1H CPMG信號。這些優(yōu)化的NMR實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:RFG=0.01,TW=3 s,NS=16,P2=9,SW=666.667,NECH=1 000。

為定性檢驗(yàn)頁巖孔隙凍融NMR測量表征方法的可行性、有效性和準(zhǔn)確性,使用與頁巖同樣的樣品制備流程、NMR實(shí)驗(yàn)方法和參數(shù)來測量表征標(biāo)準(zhǔn)SiO2分子篩材料(同濟(jì)大學(xué)合成的SBA,其名義平均孔徑為10 nm)孔隙結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

SiO2分子篩和頁巖的凍融NMR測量結(jié)果列于表1、表2。

表1 SiO2分子篩凍融NMR測試結(jié)果

表2 頁巖樣品凍融NMR測試結(jié)果

相應(yīng)的微分處理的孔徑解釋如圖1、圖2所示。

3.2 討論

介質(zhì)孔隙材料孔壁骨架與孔隙之間的磁化率之差,在外磁場B0作用下將導(dǎo)致樣品內(nèi)部梯度場的分布,而這種梯度場隨著孔徑減小而迅速升高。所幸的是,梯度場強(qiáng)度又與B0成正比,故介質(zhì)孔隙低場NMR研究有著明顯優(yōu)勢,頁巖孔隙結(jié)構(gòu)適于在低場中研究。雖然個別文獻(xiàn)認(rèn)為頁巖納米孔隙內(nèi)自由水的T2范圍在0.5～10 ms間,但固體結(jié)構(gòu)中羥基H的T2約9.5 ms,據(jù)此推測孔隙中自由水T2不應(yīng)<9.5 ms,所以多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為T2>33 ms。因此,鑒于紐邁儀器最短死時間(deadtime)能夠達(dá)到30 ms,筆者認(rèn)為已經(jīng)捕捉到頁巖內(nèi)絕大多數(shù)納米孔隙中的探針溶劑的1H NMR信號。

隨著溫度上升,冰從小孔到大孔開始依次融解,更多孔隙水開始融化,因此磁化強(qiáng)度M0也隨之增強(qiáng)。分子篩SBA-15和頁巖樣品其CPMGM0對應(yīng)溫度改變而變化的特征正如預(yù)期,隨著溫度的上升而緩慢增強(qiáng)直至突變(表1、表2)。因?yàn)殡S著溫度上升,較大孔徑內(nèi)的凝固水也開始逐步融化而產(chǎn)生大量水,直到所有的冰在0℃時全部融化,從而造成最終信號強(qiáng)度突變上升,而且隨著孔徑的增加,所對應(yīng)弛豫時間T2也會相應(yīng)地增加,這也是預(yù)期的變化趨勢。顯然,圖1分子篩的凍融NMR孔徑及其分布特征都很好地吻合了已知的結(jié)果。相比于幾乎雷同的NMR Relaxometry測量孔徑分布,圖2顯示的頁巖連續(xù)孔徑分布,且主要孔徑位于納米范圍的特征更加符合地質(zhì)事實(shí),更加合理。據(jù)目前所掌握的情況,這應(yīng)是首次頁巖納米孔隙凍融NMR孔隙測量結(jié)果。這是因?yàn)镹MR Relaxometry所基于的表面弛豫理論假設(shè)不適合頁巖等孔隙介質(zhì),并且其數(shù)據(jù)處理所使用的ILT為非穩(wěn)態(tài)(病態(tài))解,并可人為地指定孔徑分布峰個數(shù),而凍融NMR孔隙測量則主要基于熱力學(xué)基本原理,且數(shù)據(jù)的微分處理十分簡單穩(wěn)健,不改變信息,不產(chǎn)生額外誤差,從而其結(jié)果也就更加可靠。

圖1 水為溶劑的分子篩凍融NMR測量的納米孔徑分布解釋圖Fig.1 The poroussize distribution from freeze-thaw NMR experiments for CPG at low field with H2O as the probe molecule

圖2 水為溶劑的頁巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果的孔徑分布解釋圖Fig.2 The poroussize distribution from freeze-thaw NMR experiments for shale sample at low field with H2O as the probe molecule

合成分子篩和頁巖樣品CPMG衰減存在著較大差別。因?yàn)橄鄬τ诜肿雍Y,頁巖衰減更快、更陡,有著明顯的多T2組分疊加特征,顯然這源自兩者孔隙結(jié)構(gòu)及其孔徑分布特征的差別,合成分子篩的孔徑分布均勻、分布范圍窄,雖然頁巖的孔徑主要分布于納米范圍,但孔徑分布范圍卻遠(yuǎn)大于分子篩。因此,頁巖的凍融NMR測量揭示和表征了頁巖孔徑的細(xì)節(jié)特征(圖2)。

凍融NMR的孔徑分布測量準(zhǔn)確度和定量化在很大程度上取決于NMR信號(M0)的準(zhǔn)確測量,而溫度影響著M0、探針溶劑密度、探頭響應(yīng)和線圈調(diào)諧、弛豫時間等,這就導(dǎo)致了不同溫度下核磁信號的定量化與可比性問題,目前還沒有較成熟的校正辦法,本文主要通過M0除以溫度、調(diào)整線圈、測定T2值等來減小、消除溫度對磁化強(qiáng)度的影響。隨后的進(jìn)一步研究中,將結(jié)合標(biāo)樣(CPG)、標(biāo)準(zhǔn)頁巖樣品的NMR實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步完善M0的溫度校正方法和流程。

作為探針溶劑的水可能與頁巖內(nèi)粘土礦物產(chǎn)生相互反應(yīng)而改變孔隙結(jié)構(gòu),應(yīng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)探針溶劑如環(huán)己烷來避免這樣的水化反應(yīng)。一方面,由于有機(jī)質(zhì)中存在大量納米孔隙,有機(jī)質(zhì)中H可能干擾納米孔隙中溶劑的1H信號,為此,可考慮使用雙量子濾波(DQ NMR)來提取所需信號。另一方面,也可實(shí)驗(yàn)1H NMR來測量頁巖中TOC含量及主要組分、結(jié)構(gòu)和種類,這些有機(jī)地球化學(xué)信息對資源評價也有著重要意義。

3.3 結(jié)論

因此,由于核磁共振信號對原子、納米尺度局域環(huán)境的敏感性,頁巖氣藏納米孔隙特征的凍融NMR測量極具應(yīng)用潛力,具準(zhǔn)確可靠、快捷便利、低成本和無毒害等優(yōu)點(diǎn)。本文研究證明了使用凍融NMR測量表征頁巖納米孔隙的可行性,隨后將繼續(xù)細(xì)化、量化此法,整理出流程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并加以推廣使用?；诮橘|(zhì)納米孔隙的凍融NMR測量表征方法,下步還將研發(fā)更加準(zhǔn)確有效的頁巖氣藏特征的系統(tǒng)NMR測量表征方法,如惰性氣體129Xe NMR納米孔徑測量、地球磁場的油氣藏特征NMR測量表征,且基于這些儲層物理化學(xué)的測量表征,計算頁巖氣藏的孔隙度、毛細(xì)管壓、滲透率等關(guān)鍵參數(shù),從而為資源量評價和開發(fā)提供基礎(chǔ)信息。

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(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Characterization Methods of Freeze-thaw Nuclear Magnetic ResonanceMeasurement of Shale Gas Reservoir Nano-pore

SU Shaoming, ZOU Zhen

(CentralSouthInstituteofGeologicalExploration,ChinaGeneralBureauofMetallurgyGeology,Wuhan,Hubei430081)

As the important unconventional energy resource,the development and utilization of shale gas play a strategic role in the world.However,the very fine porous structures in gas shale pose large challenges.Because of the high sensitivity of nuclear magnetic resonance (NMR) to local environments at the atomic and molecular level,compared with conventional characterization methods for porous media such as MIP and BET,NMR possesses greater advantages and potential. In this study,using 1H as the probe,the authors will spare no efforts in developing comprehensive NMR methods to characterize nano-porous structure in shale,which will be efficient,robust,cost-saving,portable and easily operative.As a starting point,this paper has developed freeze-thaw NMR method to characterize the nano-porous structure in shale,on which more novel and suitable NMR such as 129Xe NMR method will be developed.With the NMR parameters from the NMR measurements,the reservoir parameters such as porosity,capillary pressure and permeability can be modeling and estimated,thus,a solid foundation will be laid for the evaluation and utilization of shale gas resource.

shale gas; nana bore diameter; freeze-thaw nuclear magnetic resonance

2015-05-07;改回日期:2015-05-11

湖北省國土資源廳科研項(xiàng)目——湖北頁巖氣藏參數(shù)的核磁共振(NMR)測量表征新方法研究(編號:ETZ2015A05)。

蘇紹明(1965- ),男,高級工程師,地質(zhì)礦產(chǎn)勘查專業(yè),從事地質(zhì)找礦工作。E-mail:787737567@qq.com

P618.12

A

1671-1211(2016)01-0066-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601011

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.1333.020.html 數(shù)字出版日期:2015-12-17 13:33