煤儲(chǔ)層核磁共振測(cè)量參數(shù)優(yōu)化與孔隙分布精細(xì)描述

劉金立,余杰,李利,秦瑞寶,黃濤,謝嵐

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,河北燕郊065201;2.長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院,湖北武漢434023;3.中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京100028;4.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京100016)

0 引 言

煤儲(chǔ)層是一種特殊而復(fù)雜的儲(chǔ)集層,它包含孔隙(主要是納米孔隙)和裂縫(主要是微裂縫)。煤儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)天然氣的儲(chǔ)量和產(chǎn)量有重要影響[1-9]。煤儲(chǔ)層中吸附氣體占總氣體的95%。

國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)將煤孔隙分為微孔隙(孔徑<2 nm)、中孔隙(孔徑2～50 nm)和大孔隙(孔徑>50 nm)[10]。微孔隙是吸附空間,中孔隙形成氣體擴(kuò)散空間,大孔隙是氣體滲透空間[11-14]。煤儲(chǔ)層中氣、水的流動(dòng)和滲透特性取決于煤的孔隙體積空間和孔隙大小分布,因此,準(zhǔn)確描述煤儲(chǔ)層的孔隙、裂隙分布特征非常重要。最常用的孔隙分布實(shí)驗(yàn)方法是低溫氮?dú)馕椒ê蛪汗?xì)管壓力法。

這些常規(guī)方法雖然已廣泛用于石油天然氣行業(yè),但在煤儲(chǔ)層的應(yīng)用仍有一定的局限性。例如,低溫氮?dú)馕椒椒ㄖ荒軝z測(cè)到孔徑小于500 nm的小孔隙信息;壓汞毛細(xì)管壓力法只能探測(cè)孔喉尺寸,而不是孔徑。此外,由于煤的可壓縮性強(qiáng)導(dǎo)致發(fā)育裂隙,壓汞毛細(xì)管壓力法可能會(huì)改變孔隙結(jié)構(gòu)[10]。因此,需要尋找一種能夠綜合表征煤儲(chǔ)層孔隙、裂隙特征的新方法來(lái)更好地評(píng)價(jià)煤層氣儲(chǔ)層的質(zhì)量。

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)已成為巖石物理實(shí)驗(yàn)的重要手段。與常規(guī)方法不同,核磁共振測(cè)量具有快速、無(wú)損、低成本等特點(diǎn),特別是在巖性復(fù)雜、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、低孔隙度低滲透率的儲(chǔ)層中,核磁共振測(cè)量具有明顯的優(yōu)勢(shì)。低場(chǎng)核磁共振(Low Field Nuclear Magnetic Resonance,LFNMR)方法利用較低的外磁場(chǎng),探測(cè)儲(chǔ)層流體中氫核的核磁共振信號(hào),得到孔隙流體的橫向弛豫時(shí)間T2譜,用于分析儲(chǔ)層巖石的物性、孔隙分布和滲流特征[15-19]。

雖然在20世紀(jì)80年代,LFNMR方法已廣泛應(yīng)用于碎屑巖、碳酸鹽巖等常規(guī)油氣藏的研究,但很少應(yīng)用于煤的研究。利用LFNMR技術(shù)研究煤的主要理論基礎(chǔ)是:①煤的研究方法類似于砂巖的研究;②煤是弱磁性物質(zhì),在低磁場(chǎng)下,即使煤中有微量順磁性礦物,也不會(huì)影響核磁共振的測(cè)量;③在低磁場(chǎng)下,煤儲(chǔ)層固體骨架中碳核和氫核的核磁共振信號(hào)將被屏蔽,不影響煤儲(chǔ)層孔隙流體的核磁共振測(cè)量[17]。

雖然利用核磁共振T2譜描述巖石孔隙分布已成為一種常用技術(shù),但是由于煤儲(chǔ)層孔隙、裂隙分布的復(fù)雜性,選擇適用的核磁共振實(shí)驗(yàn)儀器或測(cè)井儀器、設(shè)置合適的核磁共振測(cè)量參數(shù),才能準(zhǔn)確刻畫煤儲(chǔ)層孔隙、裂隙分布特征。

本文討論低場(chǎng)核磁共振實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)煤儲(chǔ)層核磁共振測(cè)量結(jié)果的影響,通過(guò)優(yōu)化回波間隔時(shí)間TE和極化等待時(shí)間TW這2個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù),使得核磁共振能較好地表征煤儲(chǔ)層的孔隙、裂隙分布和孔隙度,進(jìn)而分析煤儲(chǔ)層納米孔隙與吸附能力的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

低場(chǎng)核磁共振是指在極低的外磁場(chǎng)中進(jìn)行核磁共振測(cè)量。在低磁場(chǎng)下,利用弛豫分布與弛豫時(shí)間的關(guān)系,可以檢測(cè)巖石孔隙流體中氫原子的數(shù)量。由此,可以確定巖石的物理性質(zhì)和孔隙流體的流動(dòng)特征[12]。

為了研究利用核磁共振分析描述煤儲(chǔ)層孔隙分布與表征吸附能力,選取鄂爾多斯盆地東北緣神府區(qū)塊9口井山西組和太原組煤儲(chǔ)層的鉆井取心,埋深約1 500～1 800 m,使用金剛石線鋸切割成18個(gè)直徑2.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)柱塞巖樣,利用這些煤巖樣進(jìn)行了核磁共振、氦氣孔隙度、低溫氮?dú)馕胶图淄榈葴匚降囊幌盗袑?shí)驗(yàn)分析。

1.1 核磁共振測(cè)量

由于煤樣品與常規(guī)砂巖樣品的孔隙特征不同,核磁共振的測(cè)量參數(shù)應(yīng)慎重選擇。在所有的測(cè)量參數(shù)中,回波間隔時(shí)間TE和極化等待時(shí)間TW都會(huì)影響T2譜和核磁共振孔隙度。

為了研究煤儲(chǔ)層的核磁共振特征,設(shè)計(jì)并進(jìn)行了2組核磁共振實(shí)驗(yàn)。為此,選取2個(gè)具有代表性的煤儲(chǔ)層樣品,改變TE和TW的T2譜和NMR孔隙度進(jìn)行測(cè)量。首先,2個(gè)煤儲(chǔ)層樣品抽真空12 h,然后加壓飽和水10 h;分別改變TE(TE=0.2、0.3、0.4、0.6、1.0 ms)和TW(TW=1、3、6、9、12 s),對(duì)每個(gè)煤樣進(jìn)行核磁共振測(cè)量,獲得了25組核磁共振T2譜和NMR孔隙度,并進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析,確定了最適合煤儲(chǔ)層的TE和TW;在最適宜的TE和TW條件下,對(duì)18個(gè)煤樣進(jìn)行了核磁共振測(cè)量。

核磁共振測(cè)量使用蘇州紐邁公司生產(chǎn)的MesoMR23-060H-I核磁共振儀器進(jìn)行,儀器的恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度為5 200 Gs、共振頻率為23 MHz。該儀器可以用最短回波間隔時(shí)間0.12 ms進(jìn)行測(cè)量,能探測(cè)到較小的孔隙,并且可以在高溫高壓驅(qū)替條件下進(jìn)行測(cè)量。

1.2 氦氣法孔隙度測(cè)量

根據(jù)中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T)5336-2006,采用常規(guī)巖心分析方法測(cè)定了煤儲(chǔ)層樣品的氦氣孔隙度。由于煤樣的孔隙很小,氣體不易通過(guò)。當(dāng)壓力升高時(shí),瓦斯可以進(jìn)入或通過(guò)一個(gè)很小的孔隙空間,提高孔隙壓力可以使煤樣的孔隙度測(cè)量更加準(zhǔn)確。同時(shí),煤質(zhì)易碎,煤樣在高壓下可能產(chǎn)生破裂。

在該實(shí)驗(yàn)中,煤樣的環(huán)境壓力設(shè)為5 MPa,氣體壓力為2 MPa。之所以使用氦,是因?yàn)樗浅７€(wěn)定,不易被煤吸附,而且分子很小,很容易進(jìn)入微孔隙。煤樣在真空烘箱中80 ℃下干燥至少24 h,使用SCMS-C3全自動(dòng)孔隙度儀進(jìn)行測(cè)量。

1.3 低溫氮?dú)馕綔y(cè)量

煤樣的孔徑分布通常采用低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。它基于毛細(xì)管冷凝和體積等效交換原理來(lái)測(cè)量孔徑分布。充入煤孔隙的液氮體積相當(dāng)于孔隙的體積。毛細(xì)管冷凝是指在一定溫度下,毛細(xì)管內(nèi)的凹面可能已達(dá)到飽和或過(guò)飽和,水平面上不飽和的蒸汽將冷凝成液體。

根據(jù)毛細(xì)管冷凝理論,不同的氣體分壓產(chǎn)生的毛細(xì)管冷凝的孔隙半徑不同。根據(jù)中國(guó)石油天然氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T)6154-1995,在-196.15 ℃下,用ASAP2020比表面積和孔隙空間儀進(jìn)行了煤樣孔隙分布測(cè)量。低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)可以測(cè)量的孔徑范圍在0.35～500.00 nm之間,大于500.00 nm的孔徑不能準(zhǔn)確測(cè)量。

1.4 甲烷等溫吸附測(cè)量

采用甲烷等溫吸附分析法測(cè)定煤樣的吸附能力。等溫吸附曲線反映了不同壓力下甲烷最大吸附量的變化規(guī)律,不同煤樣的等溫吸附特性不同。煤的等溫吸附曲線一般可用Langmuir方程表征,Langmuir體積(VL)和Langmuir壓力(pL)是2個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)中國(guó)石油天然氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T)19560-2008,在30 ℃下對(duì)煤樣進(jìn)行了甲烷等溫吸附測(cè)量分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 TE和TW的變化對(duì)T2譜和NMR孔隙度的影響

回波間隔時(shí)間TE和極化等待時(shí)間TW是核磁共振表征煤儲(chǔ)層的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。由于納米孔隙中的水具有很短的橫向弛豫時(shí)間,如果TE設(shè)置得太長(zhǎng),納米孔隙中的水在儀器工作前就已經(jīng)弛豫,無(wú)法檢測(cè)到其橫向弛豫信號(hào)。微裂隙中流體的完全極化需要較長(zhǎng)的TW。TW的選擇要求煤樣孔隙中的所有流體都能完全極化,從而保證核磁共振測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖1顯示了SM-9-4煤樣和SM-14-12煤樣的T2譜,TW固定在1、3、6、9和12 s,TE變?yōu)?.2、0.3、0.4、0.6、1.0 ms。TE值對(duì)快橫向弛豫時(shí)間(0.1～1.0 ms)的T2譜有非常明顯的影響。隨著TE的降低,短橫向弛豫時(shí)間T2譜信號(hào)明顯增大,反映了煤樣的小孔徑特征。同時(shí),隨著TE的增加,慢橫向弛豫時(shí)間(10～1 000 ms)的T2譜信號(hào)逐漸減小,T2譜起點(diǎn)逐漸向右移動(dòng),終點(diǎn)稍向左移動(dòng),T2譜峰值逐漸減小。這是因?yàn)門E被定義為采集信號(hào)的時(shí)間間隔,TE越大,核磁共振儀器的采樣間隔越長(zhǎng),氫核信號(hào)的橫向弛豫時(shí)間就越短,所以T2譜的包絡(luò)面積隨著TE的增加而減小,特別是快橫向弛豫時(shí)間的T2譜衰減非常明顯,無(wú)法檢測(cè)到完整的核磁共振信號(hào),這將導(dǎo)致煤的核磁共振孔隙度小于氦氣孔隙度。

同時(shí),TE的增加導(dǎo)致慢橫向弛豫時(shí)間的T2譜信號(hào)強(qiáng)度降低,這主要是由于流體在微裂隙中自由擴(kuò)散增強(qiáng)。TW為1 s的T2譜與其他TW有明顯不同;當(dāng)TW大于6 s時(shí),T2譜的形狀、包絡(luò)面積和各峰的信號(hào)強(qiáng)度不再發(fā)生變化,這是因?yàn)榭紫吨兴臉O化時(shí)間為2～3 s。在TW為1 s時(shí),水中的氫原子核沒(méi)有完全極化,導(dǎo)致信號(hào)采集不完全;當(dāng)TW大于6 s時(shí),水中氫原子核完全極化,其T2譜完全重疊。即使TW再次增加,T2譜也不會(huì)改變。

由表1、表2可知,改變TW(1、3、6、9、12 s)和TE(0.2、0.3、0.4、0.6、1.0 ms)時(shí),SM-9-4和SM-14-12煤樣的氦氣孔隙度與NMR孔隙度的相對(duì)誤差變化。當(dāng)TE變小,TW變大時(shí),NMR孔隙度和氦氣孔隙度的相對(duì)誤差變小。因此,為了保證T2譜和煤樣NMR孔隙度的準(zhǔn)確測(cè)量,TE應(yīng)小于等于0.2 ms,TW應(yīng)大于等于6 s。

表1 SM-9-4煤樣的變參數(shù)核磁共振孔隙度與氦氣孔隙度的相對(duì)誤差單位:%

表2 SM-14-12煤樣的變參數(shù)核磁共振孔隙度與氦氣孔隙度的相對(duì)誤差單位:%

2.2 核磁共振T2譜與低溫氮?dú)馕綔y(cè)量表征煤孔隙分布的差異

為了研究煤儲(chǔ)層的孔隙分布,在固定TE(0.2 ms)和TW(6 s)條件下,對(duì)18個(gè)煤樣進(jìn)行了T2譜和核磁共振孔隙度測(cè)定,并對(duì)相應(yīng)的18個(gè)煤樣進(jìn)行了低溫氮?dú)馕椒治?。?是核磁共振孔隙度和氦氣孔隙度的比較,相對(duì)誤差為1.1%～6.1%,平均相對(duì)誤差為3.4%。結(jié)果表明,采用優(yōu)化的TE和TW測(cè)量得到的T2譜能完全描述煤樣的孔隙分布。

圖1 SM-9-4和SM-14-12煤樣的變TE和TW核磁共振T2譜

表3 18塊煤樣的優(yōu)化參數(shù)核磁共振孔隙度與氦氣孔隙度對(duì)比

在砂巖的研究中發(fā)現(xiàn),基于核磁共振T2譜,砂巖的孔徑分布可以用不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)構(gòu)造。利用特定的線性關(guān)系[18],T2譜可以轉(zhuǎn)換成孔徑分布曲線。T2譜與低溫氮?dú)馕降目讖椒植家泊嬖诰€性關(guān)系,但這種線性關(guān)系不能用上述模型建立。主要原因是上述方法比較復(fù)雜,而且對(duì)具有特殊孔隙結(jié)構(gòu)的煤樣的適用性很差。低場(chǎng)核磁共振在孔徑研究中的應(yīng)用是基于氫原子在孔內(nèi)的橫向弛豫時(shí)間與孔徑呈正相關(guān)這一事實(shí)。這種關(guān)系可以表示為

(1)

式中,T2為由表面相互作用引起的橫向弛豫時(shí)間,ms;ρ2為表示橫向弛豫強(qiáng)度的常數(shù),μm/ms;R為所分析巖樣的孔徑,μm。

通過(guò)對(duì)核磁共振T2譜和低溫氮?dú)馕娇讖椒植嫉脑敿?xì)比較,發(fā)現(xiàn)兩者在局部極值(局部最大值和最小值)處有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)找出18個(gè)樣品的所有對(duì)應(yīng)的局部極值,建立橫向弛豫時(shí)間與孔徑之間的線性關(guān)系,也建立了核磁共振孔隙度分量與孔隙體積之間的線性關(guān)系,利用這種關(guān)系將煤樣的T2譜轉(zhuǎn)換成孔隙分布。

圖2為SM-7-22煤樣的T2譜和低溫氮?dú)馕降目紫斗植紙D,二者在孔徑小于100 nm的范圍內(nèi)孔隙分布幾乎相同,而且T2譜獲得的孔隙分布彌補(bǔ)了低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果的不足,即缺少孔徑大于100 nm的孔隙、裂隙分布。

圖2 SM-7-22煤樣的核磁共振T2譜與低溫氮?dú)馕娇紫斗植紝?duì)比

2.3 煤儲(chǔ)層微孔隙對(duì)甲烷吸附能力的影響

應(yīng)用Langmuir體積(VL)和Langmuir壓力(pL)這2個(gè)關(guān)鍵參數(shù),可以描述煤樣的甲烷吸附能力。通過(guò)研究18個(gè)煤樣的等溫吸附、低溫氮吸附和核磁共振T2譜,圖3顯示了孔徑小于10 nm的孔隙體積(對(duì)應(yīng)于T2小于17 ms)與VL和pL的相關(guān)關(guān)系,類似地,也可以得到圖4所示孔徑小于17 ms的核磁共振微孔孔隙度與VL和pL之間的關(guān)系。由此,可以利用核磁共振T2譜估計(jì)Langmuir體積和Langmuir壓力,進(jìn)而得到甲烷等溫吸附曲線來(lái)描述煤儲(chǔ)層對(duì)甲烷的吸附能力。

圖3 煤樣低溫氮?dú)馕轿⒖左w積與Langmuir體積和壓力關(guān)系

圖4 煤樣核磁共振微孔孔隙度與Langmuir體積和壓力關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)煤儲(chǔ)層孔隙由納米孔隙和微裂縫(割理)組成。為了利用核磁共振分析實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確描述煤樣孔隙分布和孔隙度,回波間隔時(shí)間TE應(yīng)小于等于0.2 ms,極化等待時(shí)間TW應(yīng)大于等于6.0 s。

(2)通過(guò)找出煤樣T2譜與低溫氮?dú)馕娇讖椒植贾g所對(duì)應(yīng)的局部極值點(diǎn),可以將T2譜轉(zhuǎn)化為孔隙分布,由T2譜獲得的煤樣孔隙分布彌補(bǔ)了低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)缺少的孔徑大于100 nm的孔隙、裂隙。

(3)煤樣甲烷等溫吸附曲線的VL和pL參數(shù)與孔徑小于10 nm或橫向馳豫時(shí)間小于17 ms的孔隙體積呈很好的相關(guān)性和關(guān)系式,由此可以利用核磁共振T2譜描述煤儲(chǔ)層對(duì)甲烷吸附能力。