核磁共振实验技术在煤孔径分析中的应用

2014-03-19郑贵强凌标灿郑德庆连会青朱雪征

华北科技学院学报 2014年4期

郑贵强，凌标灿，郑德庆，连会青，朱雪征

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 101601)

煤层气是一种在煤化作用过程中形成的、并赋存在煤层中的以甲烷为主的混合气体，在煤矿中俗称瓦斯。长期以来，煤层气一直被作为煤矿生产的一种主要灾害对待，直到美国在20世纪70年代煤层气地面开采实验的成功人们才逐步意识到煤层气的重要性。煤层气是一种清洁的能源，对其开发利用可弥补常规能源的不足，同时可有效降低或杜绝煤矿生产过程中的瓦斯灾害，可谓一举多得［1］。

目前，应用于煤的孔、裂隙表征的常规方法主要有两类，一类是将煤岩样品制作成煤砖、薄片或光片等，然后用光学显微镜或扫描电镜对孔裂隙进行观察和定量统计;另一类即常规的液氮法和压汞法。虽然这些常规方法都已取得工业化的应用，但它们在煤的应用上仍旧存在一定的局限性。例如，液氮法仅能探测部分微小孔的信息。又如压汞法必须考虑高压对煤的弹性压缩效应问题，而且“平行毛管束孔隙模型理论”对煤的孔裂隙适应性较差。另外，各种光学电子显微镜方法仅能观察到孔裂隙在样品某个剖面的局部信息，无法认识其空间分布规律。更重要的是，所有传统方法均存在一个共同的缺点，即这些方法在样品制备过程中或者会破坏煤的原生的孔裂隙系统，或者会产生一些人为的二次破坏裂隙，造成较大的误差。总体上，传统方法在表征孔裂隙“原位性”和“完整性”方面存在局限性，而以快速和无损检测为特点的核磁共振技术可弥补这些不足［2］。

核磁共振成像 —— Nuclear Magnetic Resource Imaging(简称NMRI)，是一种先进的实时成像无损检测技术。利用核磁共振成像技术研究煤层气赋存和运移规律，可以避免常规实验的一些不确定性;核磁共振成像技术只对煤岩体中的流动相以及流动相与煤岩体表面的相互作用进行探测，对煤样无破坏作用;采用该技术不仅可以测到地层孔径分布、孔隙度、渗透率和可动流体百分数的重要物性参数，还可以识别油、气、水层，是进行石油、天然气和煤层气勘探的一种新方法。

唐山矿、望峰岗矿、赵各庄矿三座煤矿开采历史悠久，开采深度较深，开采最深均超过1000 m;除此之外，此三座煤矿还有一个共同点，那就是瓦斯含量较高，即煤层气储量丰富。选这三座煤矿的煤样做核磁共振实验，一方面有利于得出正确的实验结果，获得理想的效果;另一方面，对这三座煤矿煤样的研究，有利于这三座煤矿煤层气的开采。因此，选定此三座煤矿为实验对象，对其煤样进行核磁共振实验。

1 原理

核磁共振是利用自然界的普遍现象——核子自旋运动，只有具有奇数核子的原子核在自旋中能产生核磁矩或磁场。因氢原子是自然界各种物质中广泛存在且数量最多的原子，其原子核中只含有一个质子而不含中子，最易受外加磁场的影响而发生核磁共振现象，所以氢原子就成为了核磁共振成像的关键成像涉及因子(以下均以氢原子为例论述)。

核磁共振中，“核”是指核磁共振成像主要涉及到原子核;“磁”有两个含义，磁共振过程发生在一个巨大外磁体的孔腔内，它能产生一个恒定不变的强大的静磁场(B0)，如图1所示。在静磁场上按时叠加另外一个小的射频磁场以进行核激励并诱发核磁振(B1);还要叠加一个小的梯度磁场以进行空间描记并控制成像。氢质子在外加磁场B0作用下磁矩将重新定向(图2)，多数与B0磁力线同向(处于低能级)，少数与B0磁力线逆向(处于高能级)，最后达到动态平衡，通过施加射频磁场，受检部位氢质子吸收能量向XY平面偏转，射频磁场中断后，氢质子释放能量回到Z轴自旋方向上，这样在接受线圈中感应到一个核磁共振(NMR)信号，它包含有频率、相位和振幅等信息。核磁共振成像是在静磁场中叠加一个梯度磁场，从而建立NMR信号的共振频率与核所在位置的关系，在利用快速傅立叶变换、图像重建等技术获取核磁共振图像。当被激励的氢质子释放能量并回返原先排列方位的过程就称为弛豫［3－7］。弛豫是磁化矢量在受到射频场的激发下发生核磁共振时偏离平衡态后又恢复到平衡态的过程。弛豫速度的快慢由岩石物性和流体特征决定，对于同一种流体，弛豫速度只取决于岩石物性。对于接受到的一个幅值随时间以指数函数衰减的信号，可用两个参数描述该信号衰减的快慢:纵向驰豫时间(反映弛豫速度快慢的常数)T1和横向驰豫时间T2，即T1弛豫时间和T2弛豫时间。尽管T1弛豫时间和T2弛豫时间均可以反映煤岩物性和流体特征，但由于T1弛豫时间测量时花费时间长，因此在煤岩体核磁共振测量中，一般采用T2弛豫时间测量法［8－9］。通常，核磁共振成像测试技术对处于束缚状态的氢核不敏感，因此它主要反映煤岩体孔隙中流体的情况。地层的核磁特征是有氢流体的物理性质及其与岩石骨架相互作用的情况来决定的。

图1 静磁场B0与射频磁场B1

图2 进入磁体前后氢原子核状态变化情况

对纯净物质样品(如纯水)，每个氢核的周围环境及原子核相互作用均相同，其T1等于T2，因此可用一个弛豫时间T2描述样品的物性。而对于煤层气藏的岩石多孔介质样品而言，情况要复杂得多，储层岩石中矿物组成和孔隙结构非常复杂，流体存在于多孔介质中，被许多界面分割包围，孔道形状、大小不一，原子核与固体表面上顺磁杂质接触的机会不一致等，使得各个原子核弛豫得到加强的几率不等，所以岩石流体系统中原子核弛豫不能以单个弛豫时间来描述，而应当是一个分布。不同岩石流体系统的物性决定了它们具有不同的T2分布，因此反过来获得了它们的T2分布就可以确定它们的物理性质。

根据核磁共振快扩散表面弛豫模型，单个孔道内的原子核弛豫可用一个弛豫时间来描述，此时，T2可表示为:

式中:D为扩散系数;G为内磁场不均匀性;与外加磁场成正比;τ为回波间隔;ρ2为表面弛豫强度，取决于孔隙表面性质和矿物组成;S/V为单个孔隙的比表面，与孔隙半径成反比。右边第一项称作体弛豫项T2B的大小取决于饱和流体性质，因此该项容易去掉;右边第三项称作扩散弛豫项，通过采用所建立的核磁共振去扩散测量实验技术，该项也可以被去掉。去掉右边第一项和第三项后，公式变为:

因此弛豫时间分布反映了岩石介质内比表面的分布及其对展布在内表面上流体作用力的强弱。

煤储层系由煤基质块(被裂隙切割的最小基质单元)、气、水(油)三相物质组成的三维地质体，同时也是由孔隙、裂隙组成的双重结构系统。因此煤试样中含有丰富的水或甲烷气，当加以选定频率的外加射频磁场时，就会产生核磁共振，通过适当的探测和接收线圈就可以观察到核磁共振现象，探测到核磁共振信号，我们根据收到的信号就可以绘制出T2弛豫时间与信号幅度关系曲线，根据T2驰豫时间谱的T2峰分布及信号值的大小即可以对岩石的孔隙度、孔隙结构、渗透率及流体特征等进行分析。

2 分析方法

在对核磁共振谱进行分析前，先了解一下煤孔、裂隙系统的分类。国内研究者多采用苏联学者霍多特(1966)的孔径分类方案，即将煤孔隙分成大孔(孔径＞1000 nm)、中孔(孔径100－1000 nm)、过渡孔或小孔(孔径10－100 nm)、微孔(孔径＜10 nm)四级。在这个分类方法的基础上，考虑到气体在大、中孔中主要以层流或紊流方式渗透，而在小孔、微孔中以毛细管凝结、物理吸附及扩散的方式存在，所以将孔径大于100 nm的孔隙归为渗流孔隙，将孔径小于100 nm的孔隙归为吸附孔隙。吸附孔隙主要影响煤层气的吸附和解吸，而渗流孔隙主要影响煤层气的解吸、扩散和渗流。

由核磁共振弛豫机制可知，岩石中不同类型孔隙中的流体具有不同的弛豫时间，将分别出现在T2分布的不同位置上，据此可将各个级别的孔隙和裂隙区分开来。孔隙越大，驰豫时间越长;而孔隙越小，驰豫时间越短，若将煤中孔裂隙按照孔径大小分为＜0.1 μm的微小空隙(吸附孔隙)、＞0.1 μm的中大孔和裂隙(渗流孔隙)，则在典型的T2谱中可识别这3类孔裂隙类型。此外，根据T2谱图各核磁信号峰值的分布特征可判断煤样的孔隙和裂隙结构特征，峰值一般越靠近低T2处代表煤的孔隙孔径越小，峰的面积反映了某类孔隙或裂隙的数量多少，峰的宽度反映了某类孔隙的分选情况，峰的个数则反映了孔隙大小的连续情况［10－11］。

核磁共振T2谱中横坐标表示弛豫时间，纵坐标表示相应的T2幅值。T2弛豫谱形态靠左，即弛豫速度快，弛豫时间短，微孔隙发育，可动流体少，大部分流体为束缚状态，为差储集层特征。T2弛豫谱形态靠右，即弛豫速度较慢，驰豫时间长，中、大孔隙发育，大部分流体为可动状态，为好储集层特征。前峰表征的流体处于束缚状态(不可流动状态)，主要反映煤层的微孔隙特征。后峰表征的流体处于可动状态，主要反映煤层的裂缝(割理)特征。通常情况下，煤层裂缝(割理)越发育，储集层物性越好，在弛豫谱上表现为后峰发育，可动流体含量高，渗透性好。

T2弛豫谱有双峰型，单峰型和三峰型(图3)。单峰型在煤样中较少见，有些岩石的T2谱为单峰型，如:泥岩(图4)，当为三峰型时，煤层T2弛豫谱以双峰型为主。从驰豫时间由小到大可依次识别出微小孔、中大孔和裂隙3个峰及孔径不同的峰值对应不同弛豫时间的含义:

(1)微小孔的峰主要分布在 T2=0.5～2.5 ms之间。

(2)中大孔的峰主要分布在 T2=20～50 ms之间，其峰值一般较微小孔峰要小。

(3)裂隙峰主要分布在T2＞1000 ms段，该峰仅见于部分裂隙发育的样品。

图3 煤样核磁共振T2弛豫时间谱图

图4 1240.0 m深度泥岩T2弛豫谱图

对于两峰型和三峰型，若两谱峰间连续性差，一般以弛豫时间10.0 ms左右为两峰的分割点，则反映了孔径和裂缝(割理)相差较大，大小分布不连续，不有利于煤层气的富集和运移;两峰连续则反映了孔径和裂缝(割理)相差较小，大小分布连续，有利于煤层气的富集及运移。

核磁共振T2谱分析技术可区分不同的孔隙类型。在一个典型的T2谱中，必然存在一个分界值，这个值将T2谱划分为可动流体部分和束缚流体部分:大于该值部分的T2谱代表了可动流体，而小于该值部分的T2谱代表了束缚流体，或称为不可动流体。该值叫做T2截止值，T2截止值的选取是通过实验室离心实验获得的，不同的岩性和孔隙结构的岩石其数值不同，与谱图拐点位置无关。煤的T2C值较低，一般都在2～30 ms之间，个别样品可能具备较高的T2C值，有时候会超过100 ms。高煤级煤的T2C值相对较低，而低煤级煤较高。一般情况下，由于煤样的孔裂隙结构复杂，因此T2C值的高低并不能反映煤的可动孔隙度的高度，从而并不能反映渗透性的好坏。然而，煤样的T2谱图存在一个普遍的规律，即当煤样的T2C值较低(一般小于10 ms)，同时T2谱中又不存在或存在很小的可动流体峰时，这样的煤一般以吸附孔发育为主，渗透率一般很低;而当煤样的T2C值较高(一般大于10 ms)，同时T2谱中存在明显的可动流体峰，尤其是裂隙水峰时，这样的煤以大孔和裂隙发育为主，渗透率一般较高。

3 唐山矿实例分析

不同的煤样有不同的核磁共振T2图谱，不同的T2核磁共振图谱则反映煤样(储集层)的不同物性，我们对得到的不同T2图谱进行定性分析，就可以得到煤样的孔、裂隙(割理)的发育特征，孔、裂隙(割理)的连续性，渗透性等物性。进而可以了解煤层中煤层气的赋存情况，现对所采不同井深的部分煤样(表1核磁共振检测报告，图5 TS－5－1T2弛豫特征曲线;表2核磁共振检测报告，图6，TS－4－2T2弛豫特征曲线)的核磁共振T2图谱进行分析。

图5 煤样TS－5－1核磁共振T2弛豫特征曲线

图6 煤样TS－4－2核磁共振T2弛豫特征曲线

TS－5－1煤样为典型的三峰型T2核磁共振图谱，T2谱呈连续的三峰分布且靠近高T2区，说明该样各级孔裂隙系统均有效发育，其前峰(微小孔峰)和中峰(中、大孔峰)不发育，即峰值处所对应的信号幅度较小，裂隙峰(后峰)较发育(裂隙弛豫时间T2＞100 ms)，即峰值处所对应的信号幅度较大，说明该样裂隙发育，且流体信号以裂隙为主，并含有部分渗流孔(中间的峰)和吸附孔(最右侧的峰)。有利于流体的运移，且可动流体含量相对较高，物性相对好。同时也可以从图上看出该样的三个峰之间的连续性较好，即各级孔裂隙的峰值明显，且两个孔隙峰的连续性好，则孔径和裂缝(割理)相差较小，大小分布连续，三类孔隙的连通性好。煤层中裂隙发育不仅能够提供储集空间，更主要的是起到沟通孔隙的作用，增大渗流通道、改善储集层物性。因此由T2图谱分析可以得出结论，该储集层物性较好。

表1 TS－5－1煤样核磁共振检测报告

TS－4－2煤样是双峰型T2核磁共振图谱，该样的两峰值靠近低驰豫时间处，微小孔峰(前峰)和中大孔峰(后峰)较发育，峰值处所对应的信号幅度较大，即煤样的微小孔隙和中大孔隙较发育;该曲线没有裂隙峰，即煤样中裂隙几乎不发育。以吸附孔为主，含有较少的渗流孔，微小孔峰和中大孔峰之间连续性较差，则微小孔和中大孔之间连通性较差。通过对T2图谱的分析可以知道，该煤样微小孔和中大孔发育，裂隙不发育，且孔之间的连通性较差，即储集层物性较差，不适合煤层气的富集。

表2 TS－4－2煤样核磁共振检测报告

实验所计算的煤样T2截止值取16 ms，划分出了可动流体和不可动流体。同时计算出了可动流体饱和度和不可动流体饱和度，不同煤样的可动流体饱和度和不可动流体饱和度不同。我们对煤样的可动流体饱和度及不可动流体饱和度与孔隙之间的关系进行分析，可以得出一个普遍结论，当煤样中的可动流体饱和度较大时，则煤样的T2核磁共振曲线后峰发育;当煤样中的不可动流体饱和度较大时，则煤样T2核磁共振曲线的前峰或中峰发育，后峰不发育。即煤样中可动流体饱和度越大，其中的裂隙越发育，可动流体含量越高，渗透性越好，有利于煤层气的富集;反之，当煤样中不可动流体饱和度越大，其中的不可动流体含量越高，渗透性越差，不利于煤层气的富集。

4 煤样储层物性对比

我们对赵各庄煤矿、唐山煤矿、望峰岗矿三个矿所采27个煤样进行核磁共振实验，得到不同的核磁共振T2曲线，现以赵各庄煤矿、唐山煤矿、望峰岗矿有代表性的煤样为例进行说明，见图7、8、9。赵各庄矿煤样T2核磁共振曲线后峰较发育，前峰或者中峰不发育，即煤样以裂隙为主，裂隙较发育，其中也含有部分微小孔隙和中、大孔隙，但是都不发育，峰之间的连续性好，即孔隙和裂缝大小分布连续，各类孔隙的连通性好，可动流体饱和度较大，煤样的渗透性较好，渗透率较大，有利于煤层气富集;而唐山矿和望峰岗矿煤样后峰对应的信号幅度较小，前峰或者中峰较发育，即煤样的空隙中微小空隙和大、中孔隙占了很大一部分，裂隙只占了一部分，从而煤样的渗透性变差，望峰岗煤矿裂隙较发育，但连通性较差，同样不利于煤层气富集，而唐山矿不但裂隙不发育，且峰之间的连续性不好，则空隙之间相差较大，煤样的连通性不好，不利于流体的运移，相应的可动流体饱和度较小，渗透率较小，不利于煤层气富集。

通过比较可以得出结论:赵各庄矿更适合煤层气富集，望峰岗矿次之，唐山矿较差。

图7 赵各庄矿煤样典型T2核磁共振曲线

图8 唐山矿煤样典型T2核磁共振曲线

图9 望峰岗矿煤样典型T2核磁共振曲线

5 结论

1)孔径大于100 nm的孔隙归为渗流孔隙，将孔径小于100nm的孔隙归为吸附孔隙。根据T2谱图各核磁信号峰值的分布特征可判断煤样的孔隙和裂隙结构特征，峰值一般越靠近低T2处代表煤的孔隙孔径越小，峰的面积反映了某类孔隙或裂隙的数量多少，峰的宽度反映了某类孔隙的分选情况，峰的个数则反映了孔隙大小的连续情况。

2)在煤的核磁共振驰豫时间(T2)谱中，T2为0.5～2.5ms，20～50 ms和＞100 ms的3个峰值段分别对应于煤的微小孔、中大孔和裂隙。

3)峰与峰之间连续性好，则反映了孔径和裂缝(割理)相差较小，大小分布连续，即孔隙间的连通性好;峰之间连续性差，则表明孔隙间的连通性差。

4)煤层T2弛豫谱以双峰型为主，两谱峰间连续性差，一般以弛豫时间10.0 ms左右为两峰的分割点。前峰表征的流体处于束缚状态，主要反映煤层的微孔隙特征。后峰表征的流体处于可动状态，主要反映煤层的裂缝(割理)特征。

5)结合煤层气储层特征，可以看出煤层气储层测试的可动流体饱和度主要反映煤层的裂缝(割理)特征。核磁共振T2弛豫时间谱的右峰越大，其煤层裂缝(割理)越发育，储集层物性越好。

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