基于NMR 與CT 的煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)及滲透性研究進(jìn)展

鄭 涵 劉愷德 李曉龍 李姝佳

（1、西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安710123 2、西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710123 3、中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

1 概述

我國作為煤炭資源大國，煤層氣資源也十分豐富，約占世界總量的14%。據(jù)國土資源部煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果可知，全國42 個(gè)主要的含氣盆地埋深2000m 以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為36.81×1012m3，與國內(nèi)目前常規(guī)天然氣的資源量38.04×1012m3基本相當(dāng)。

其中，1500m 以淺煤層氣可采資源量為10.87×1012m3[1]。煤層氣是在煤化作用過程中形成，蘊(yùn)藏于煤層中，以甲烷為主的混合氣體，也稱煤層吸附氣、煤層甲烷或煤層瓦斯[2]。煤層氣是我國重要的能源，常被作為化工原料和清潔的氣態(tài)燃料，且能夠起到積極保護(hù)環(huán)境的作用。

因此，加快我國煤層氣開發(fā)，在很大程度上可改善我國能源安全局勢、煤礦安全條件及提升環(huán)境保護(hù)。

但是，我國的煤層具有滲透率低、壓力小、低飽和的特征，使得煤層氣抽采難度增大[3]。

其中，煤儲(chǔ)層的孔裂隙結(jié)構(gòu)和滲透特征是影響煤層氣開采的重要因素。

學(xué)者們在煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)及滲透性特征方面已經(jīng)開展了大量的研究。王福軍等[4]對(duì)大佛寺低階煤的瓦斯儲(chǔ)層滲透性和關(guān)鍵受控因素進(jìn)行了分析；杜敬國等[5]開展了高階煤的煤層氣儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度及其滲透性定量評(píng)價(jià)研究；梁霄等[6]對(duì)我國煤儲(chǔ)層滲透性開展了核磁實(shí)驗(yàn)分析及測井評(píng)價(jià)研究；Zhou S等[7]利用低場核磁共振技術(shù)表征了煤巖孔裂隙的分形特征；鄭貴強(qiáng)等[8]利用核磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了煤孔徑分析的應(yīng)用研究；Golsanami N 等[9]通過巖石物理反演和核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行了裂縫與基質(zhì)孔隙識(shí)別；姚艷斌等[10]開展了基于NMR 和X-CT 的煤的孔裂隙精細(xì)定量表征研究；Shi X 等[11]基于微CT 掃描和分形理論分析了煤的微米級(jí)孔裂隙特征；賈小寶等[12]基于微焦點(diǎn)顯微CT 技術(shù)開展了不同煤體結(jié)構(gòu)煤的孔裂隙定量表征研究；Wang G 等[13]利用CT 技術(shù)與分形理論構(gòu)建三維模型分析了煤的孔裂隙結(jié)構(gòu)；Yao Y 等[14]使用微焦點(diǎn)CT 掃描技術(shù)對(duì)煤樣進(jìn)行無損表征。

上述研究工作，為煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)及滲透性研究奠定了重要基礎(chǔ)。因此，為了做好基于低場NMR 與CT 技術(shù)的煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)及滲透性評(píng)價(jià)工作，文章將分別從低場NMR 與CT技術(shù)原理及其對(duì)孔裂隙結(jié)構(gòu)表征和滲透性分析方法以及研究者們對(duì)孔裂隙結(jié)構(gòu)及滲透性的研究進(jìn)展，進(jìn)行煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)及滲透性綜合分析，以為我國煤層氣勘探開發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

2 低場NMR 技術(shù)在孔裂隙和滲透性方面的應(yīng)用研究

低場核磁共振技術(shù)的應(yīng)用，主要是根據(jù)不同原子核的不同共振頻率獲得氫原子的信息。飽水后的煤樣中，含氫核流動(dòng)體始終存在于煤樣固體骨架之間。

因此，根據(jù)氫核的磁性與外加磁場的疊加原理，獲取煤樣孔隙中流體氫核核磁共振弛豫信號(hào)的弛豫速率與強(qiáng)度，從而獲得煤樣孔隙結(jié)構(gòu)特征和流體信息[15]。

2.1 NMR T2 對(duì)孔裂隙結(jié)構(gòu)特征的表征方法

利用低場NMR 技術(shù)測量煤孔隙結(jié)構(gòu)中含氫原子流體的T2譜，從中獲取煤的孔隙度、連通性、孔徑的分布特征以及煤的各種物性參數(shù)。T2譜中T2截止值的選取，通常是通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)離心實(shí)驗(yàn)獲得，不同煤的巖性和孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)值不同，且與T2譜圖中拐點(diǎn)的位置無關(guān)。它將T2譜劃分為兩個(gè)部分，分別為可動(dòng)流體和束縛流體，大于T2截止值的為可動(dòng)流體，而小于T2截止值的為束縛流體，也可稱為不可動(dòng)流體[10，16]。對(duì)于煤中大小不同的孔隙，其NMR 產(chǎn)生的衰減時(shí)間也就不同，對(duì)于小孔隙的NMR產(chǎn)生的衰減時(shí)間一般短，T2弛豫時(shí)間也就短，T2幾何均值也就小。

因此，隨著煤的孔隙的增大，NMR 產(chǎn)生的衰減時(shí)間增長，T2弛豫時(shí)間也就變長，T2幾何均值也就變大。

由于煤的不同孔隙的橫向弛豫時(shí)間T2不同，其分布在T2譜上的位置也就不同。

因此，根據(jù)T2譜的內(nèi)容可以進(jìn)行孔隙和裂隙不同級(jí)別的劃分[6]。T2峰分布在0.5-2.5ms 之間為微小孔；T2峰分布在20-50ms 之間為中大孔，且一般小于微小孔峰；T2峰分布在大于1000ms 段為裂隙，通常在部分裂隙發(fā)育的煤[8，10]。

2.2 滲透性特征

2.2.1 NMR T2譜峰值表征方法

利用NMR T2譜中的不同峰的分布位置，可分析煤的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)的特征。NMR T2譜中，峰值一般越靠近左側(cè)，表明煤的孔隙、孔徑越小，弛豫的速度快、時(shí)間短，微孔隙越發(fā)育，可動(dòng)流體部分越少，流體大部分為束縛狀態(tài)，反映了煤層的微孔隙為差儲(chǔ)集層特征。峰值靠近右側(cè)，產(chǎn)生的弛豫時(shí)間較大，弛豫的速度較慢、時(shí)間長，中、大孔隙越發(fā)育，流體大部分為可動(dòng)狀態(tài)，反映煤層的裂縫為好儲(chǔ)集層特征，它含的可動(dòng)流體多，滲透性好[8]。

2.2.2 NMR T2譜峰的連續(xù)性表征方法

T2譜峰之間大小分布連續(xù)性好，孔隙和裂隙（割理）相差較小，則孔隙間的連通性好，T2譜峰之間大小分布連續(xù)性差，孔隙間的連通性則差[10]。T2譜中的兩峰型和三峰型，一般以弛豫時(shí)間10ms 左右，作為兩譜峰之間的分割點(diǎn)，進(jìn)行T2譜峰連續(xù)性的特征分析[10，12]。

2.3 核磁共振滲透率模型

煤儲(chǔ)層滲透率表現(xiàn)為允許流體通過煤結(jié)構(gòu)的能力，它與煤巖的孔隙度、孔隙的表面積與體積的比值有關(guān)。且煤巖的NMR T2截止值與孔隙的表面積與體積的比值相關(guān)，因此通過NMR T2截止值的選取，可以計(jì)算煤巖可動(dòng)流體、束縛流體的體積，最終利用NMR 的Coates、SDR 滲透率模型估算煤巖滲透率[17]。

2.3.1 Coates 模型與SDR 模型

式（1）中，φNMR為鹽水飽和巖心樣品的NMR 孔隙度（%），F(xiàn)FI 為T2截止法求得的可動(dòng)水體積；BVI 為T2截止法求得的束縛水體積；Cn1為模型參數(shù)，具有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)性，與地層類型有關(guān)[18]。

式（2）中，利用鹽水飽和巖樣的NMR 孔隙度φNMR以及T2加權(quán)法求得的可動(dòng)水體積φNMRb和束縛水體積φNMRb計(jì)算滲透率，模型參數(shù)為Cn2[17]。

Coates 兩個(gè)模型的主要區(qū)別在于確定束縛流體體積的方法不同。

Coates-cutoff 模型使用的是T2截止值計(jì)算可動(dòng)和不可動(dòng)流體體積比，即在離心脫水前的T2譜中，T2截止值前面的T2譜面積與T2總面積之比。

Coates-sbvi 模型使用的是T2加權(quán)法，即T2譜的每一個(gè)分量T2i都包含束縛水的貢獻(xiàn)，只是貢獻(xiàn)的大小不同，但貢獻(xiàn)率的大小通過加權(quán)的方法求束縛水飽和度[18]。

式（3）中，φNMR為鹽水飽和巖心樣品的NMR 孔隙度，T2g為T2譜的幾何平均值，模型參數(shù)為Cn1。該模型以平均弛豫時(shí)間為參數(shù)，不受束縛水模型的影響。但對(duì)測量孔隙中流體的性質(zhì)很靈敏，當(dāng)巖石孔隙中含有烴（油或天然氣）時(shí)，T2譜的幾何平均值會(huì)發(fā)生變化[19]。

2.3.2 Coates 與SDR 模型對(duì)比分析

Coates 滲透率模型相對(duì)SDR 滲透率模型更靈活，由巖芯刻度可知，不同地層的滲透率計(jì)算，可以采用Coates 滲透率模型[18]。計(jì)算含烴地層的滲透率時(shí)，BVI 中不包括烴的貢獻(xiàn)，BVI 也不受其它流體的影響[17]。

Coates、SDR 兩個(gè)滲透率模型計(jì)算結(jié)果都表示骨架滲透率，因此在裂縫性地層，滲透率值普遍都偏小[19]。

3 CT 技術(shù)在孔裂隙和滲透性方面的應(yīng)用研究

CT 技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)煤樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損探測的一種方法，它的原理是利用X 射線穿透煤樣，從而收集煤中物質(zhì)的吸收而衰減的射線強(qiáng)度，其值的大小采用CT數(shù)表示，且它可以表現(xiàn)出煤體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔裂隙結(jié)構(gòu)信息[20]。

3.1 CT 技術(shù)表征孔裂隙結(jié)構(gòu)特征的方法

煤中氣體吸附和運(yùn)移的場所是孔隙裂隙，作為支撐骨架的礦物、機(jī)組分，密度差異明顯。煤的孔隙、裂隙發(fā)育程度以及礦物質(zhì)種類、含量與密度都對(duì)煤的CT 數(shù)大小產(chǎn)生影響。相同條件的情況下，煤樣的CT 數(shù)較高，其一般具有較高礦物質(zhì)含量[10]。不同的煤巖樣品，相同CT 數(shù)，CT 像素頻數(shù)曲線也具有不同的特征[20]。

CT 數(shù)的大小，用二元黑白圖像像素的大小來表示，CT 數(shù)較低的是表現(xiàn)為深黑色為空隙部分，CT 數(shù)較高的表現(xiàn)為亮白色為礦物部分，而表現(xiàn)為灰色其CT 數(shù)介于煤基質(zhì)二者之間[21]。

CT 數(shù)分布特征中表現(xiàn)無裂隙時(shí)，CT 數(shù)直方圖具有單峰曲線的特點(diǎn)。CT 數(shù)分布特征中表現(xiàn)有裂隙、空間發(fā)育時(shí)，CT 數(shù)直方圖呈現(xiàn)多峰曲線的特點(diǎn)[22]。煤的三元介質(zhì)中礦物CT 數(shù)為3000HU 左右、有機(jī)組分CT 數(shù)小于600HU、孔裂隙CT 數(shù)為1000～1800HU[10]。

3.2 滲透性特征

近年來，學(xué)者們采用多種手段對(duì)煤儲(chǔ)層的滲透性特征進(jìn)行了研究。本文將著重從基于CT 技術(shù)采用分形維數(shù)、三維數(shù)字煤心進(jìn)行煤儲(chǔ)層滲透性特征分析，以期為煤儲(chǔ)層滲透性研究提供參考價(jià)值[23]。

3.2.1 利用分形維數(shù)表征滲透特征的方法

煤中非均質(zhì)性的孔徑結(jié)構(gòu)可以采用分形維數(shù)定量表征，它的變化與孔隙分布特征密切相關(guān)。煤中不均勻的分布著各種孔隙，隨著孔隙的增多，分形維數(shù)也逐漸增大。分形維數(shù)的大小反映了煤的滲透率的高低，孔隙率、滲透率與分形維數(shù)呈現(xiàn)顯著的冪指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，因此基于CT 切片的煤孔隙分形維數(shù)可作為煤儲(chǔ)層孔隙特征和滲透性評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)之一[23]。

3.2.2 三維數(shù)字煤心表征滲透性特征的方法

基于CT 技術(shù)的三維重構(gòu)可進(jìn)行三維可視化定量精細(xì)表征煤的孔裂隙結(jié)構(gòu)，相對(duì)精細(xì)地表征煤的孔裂隙形態(tài)特征、孔裂隙尺度及空間分布特征的演化趨勢，且定量反映煤巖滲透性能。

從構(gòu)建的三維數(shù)字煤心中提取孔裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，分析孔裂隙的發(fā)育程度和各孔裂隙之間的關(guān)系，可以很直觀地展現(xiàn)孔裂隙和礦物在煤的內(nèi)部立體空間的分布形態(tài)[22]。

4 NMR 與CT 技術(shù)的對(duì)比分析

4.1 NMR 與CT 技術(shù)的不同

低場NMR 與CT 技術(shù)為目前最常用的先進(jìn)的無損檢測方法，兩者在形式上有相似之處，但兩者的核心原理完全不同。CT技術(shù)是利用X 射線對(duì)煤樣進(jìn)行照射，獲得衰減系數(shù)進(jìn)行無損探測煤樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它的圖像反映的是煤樣密度或原子數(shù)的三維空間分布。

NMR 技術(shù)是對(duì)煤樣中的含氫原子流動(dòng)體以及含氫原子流動(dòng)體與煤樣表面的相互作用進(jìn)行無損探測，NMR 技術(shù)的圖像表現(xiàn)的是含氫原子流動(dòng)體在煤樣中的分布和聚集形態(tài)，以及反映含氫原子流體之間以及含氫原子流體與煤樣固體骨架之間的相互作用，可以為多相、多場耦合滲流力學(xué)研究提供良好的研究基礎(chǔ)。

CT 在分辨率上存在局限性，CT 分為工業(yè)CT、微焦點(diǎn)CT 和納米CT，不同的CT 分辨率不同，可觀察的樣品的清晰程度也就不同，納米級(jí)CT 分辨率＞微焦點(diǎn)CT＞工業(yè)CT。然而，低場NMR 對(duì)飽水后煤樣的孔隙和裂縫的識(shí)別精度可直接達(dá)納米級(jí)。

4.2 NMR 與CT 技術(shù)結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)

低場NMR 在區(qū)分煤的有效孔隙度與束縛水孔隙度，以及確定煤的孔隙結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢，而微焦點(diǎn)CT 技術(shù)在全方位表征煤的孔裂隙信息方面具有優(yōu)勢，兩者都是先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，然而再先進(jìn)方法也存在不可避免的局限性，如果我們在進(jìn)行單一實(shí)驗(yàn)時(shí)輔以另一先進(jìn)手段，那么由于單一方法所帶來局限性或?qū)⒋鬄榻档汀⒍呦嘟Y(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤的孔裂隙類型、有效孔隙度、孔徑結(jié)構(gòu)分布和孔裂隙的空間配置的精細(xì)定量化表征以及對(duì)煤層氣吸附- 滲流規(guī)律的深刻認(rèn)識(shí)帶來巨大的進(jìn)步。

4.3 NMR 與CT 技術(shù)綜合研究現(xiàn)狀

黃家國等用低場NMR 測量孔隙度，進(jìn)行孔隙大小分布，孔隙連通性和可動(dòng)流體分析，配合CT 掃描重構(gòu)樣品的三維模型，觀察孔裂隙的空間配置特征，以得到更完善的頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)資料。

徐曉萌[18]等應(yīng)用NMR 技術(shù)對(duì)煤樣孔隙類型、連通性、孔徑分布等特性進(jìn)行分析，結(jié)合CT 掃描測試結(jié)果探究了煤樣的物相組成、礦物質(zhì)成分及表觀形貌特征。

其中NMR 的測試結(jié)果與CT 掃描的三維可視化分析結(jié)果相吻合，證實(shí)樣品具有較高的非均質(zhì)性。且NMR 技術(shù)能較好彌補(bǔ)CT 掃描在微孔觀測中的不足，呈現(xiàn)出更為具體的煤樣內(nèi)部微觀孔隙特征。

因此，鑒于CT 技術(shù)空間分辨率的限制，可結(jié)合NMR 微觀方法進(jìn)一步精細(xì)描述不同變質(zhì)變形等環(huán)境中煤巖孔裂隙結(jié)構(gòu)的特征及其對(duì)煤巖滲透性的分析。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

（1）低場NMR 技術(shù)雖然較多的應(yīng)用到了煤層氣領(lǐng)域，具有快速、無損、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有測試方法的不足。其受煤巖骨架的影響也較小，可更為精細(xì)地表征煤巖的孔隙大小分布，測試孔隙度，進(jìn)行孔隙連通性和可動(dòng)流體分析，反映煤巖的總體情況，但是與CT 相比，低場NMR 對(duì)樣品的孔裂隙結(jié)構(gòu)三維可視化的表達(dá)仍有很大研究空間。

（2）CT 掃描能夠快速、無損的實(shí)現(xiàn)對(duì)煤的三維可視化精細(xì)表征，可較為準(zhǔn)確的測定孔裂隙的尺度、孔裂隙間相互關(guān)系，以及孔裂隙的空間發(fā)育和展布特征等精細(xì)化信息。但是，在不同的CT 儀中依然存在分辨率的局限性、以及無法快速反映流體之間以及流體與固體骨架之間的相互作用。

5.2 展望

（1）針對(duì)我國煤儲(chǔ)層的“三低”特征現(xiàn)象，煤層氣在開采中可綜合利用低場NMR 與CT 技術(shù)對(duì)煤巖系統(tǒng)中的孔裂隙進(jìn)行研究，更加精細(xì)準(zhǔn)確的分析煤儲(chǔ)層孔裂隙結(jié)構(gòu)和滲透性。

（2）仍然需進(jìn)一步研發(fā)可視化、高精度的低場NMR 儀；完善CT 分辨率的局限性、加快圖像重構(gòu)算法；拓展基于多因素共存的低場NMR 與CT 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多因素影響條件下的模擬，將是低場NMR 與CT 技術(shù)在煤儲(chǔ)層研究領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。綜上將會(huì)為我國地面煤層氣抽采和井下瓦斯災(zāi)害防治提供參考依據(jù)。