基于NMR 与CT 的煤储层孔裂隙结构及渗透性研究进展

2020-11-30刘恺德李晓龙李姝佳

科学技术创新 2020年34期

郑涵刘恺德李晓龙李姝佳

（1、西京学院土木工程学院，陕西西安710123 2、西京学院陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，陕西西安710123 3、中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

1 概述

我国作为煤炭资源大国，煤层气资源也十分丰富，约占世界总量的14%。据国土资源部煤层气资源评价结果可知，全国42 个主要的含气盆地埋深2000m 以浅的煤层气地质资源量为36.81×1012m3，与国内目前常规天然气的资源量38.04×1012m3基本相当。

其中，1500m 以浅煤层气可采资源量为10.87×1012m3[1]。煤层气是在煤化作用过程中形成，蕴藏于煤层中，以甲烷为主的混合气体，也称煤层吸附气、煤层甲烷或煤层瓦斯[2]。煤层气是我国重要的能源，常被作为化工原料和清洁的气态燃料，且能够起到积极保护环境的作用。

因此，加快我国煤层气开发，在很大程度上可改善我国能源安全局势、煤矿安全条件及提升环境保护。

但是，我国的煤层具有渗透率低、压力小、低饱和的特征，使得煤层气抽采难度增大[3]。

其中，煤储层的孔裂隙结构和渗透特征是影响煤层气开采的重要因素。

学者们在煤储层孔裂隙结构及渗透性特征方面已经开展了大量的研究。王福军等[4]对大佛寺低阶煤的瓦斯储层渗透性和关键受控因素进行了分析；杜敬国等[5]开展了高阶煤的煤层气储层裂缝发育程度及其渗透性定量评价研究；梁霄等[6]对我国煤储层渗透性开展了核磁实验分析及测井评价研究；Zhou S等[7]利用低场核磁共振技术表征了煤岩孔裂隙的分形特征；郑贵强等[8]利用核磁共振实验技术进行了煤孔径分析的应用研究；Golsanami N 等[9]通过岩石物理反演和核磁共振数据进行了裂缝与基质孔隙识别；姚艳斌等[10]开展了基于NMR 和X-CT 的煤的孔裂隙精细定量表征研究；Shi X 等[11]基于微CT 扫描和分形理论分析了煤的微米级孔裂隙特征；贾小宝等[12]基于微焦点显微CT 技术开展了不同煤体结构煤的孔裂隙定量表征研究；Wang G 等[13]利用CT 技术与分形理论构建三维模型分析了煤的孔裂隙结构；Yao Y 等[14]使用微焦点CT 扫描技术对煤样进行无损表征。

上述研究工作，为煤储层孔裂隙结构及渗透性研究奠定了重要基础。因此，为了做好基于低场NMR 与CT 技术的煤储层孔裂隙结构及渗透性评价工作，文章将分别从低场NMR 与CT技术原理及其对孔裂隙结构表征和渗透性分析方法以及研究者们对孔裂隙结构及渗透性的研究进展，进行煤储层孔裂隙结构及渗透性综合分析，以为我国煤层气勘探开发提供一定的参考依据。

2 低场NMR 技术在孔裂隙和渗透性方面的应用研究

低场核磁共振技术的应用，主要是根据不同原子核的不同共振频率获得氢原子的信息。饱水后的煤样中，含氢核流动体始终存在于煤样固体骨架之间。

因此，根据氢核的磁性与外加磁场的叠加原理，获取煤样孔隙中流体氢核核磁共振弛豫信号的弛豫速率与强度，从而获得煤样孔隙结构特征和流体信息[15]。

2.1 NMR T2 对孔裂隙结构特征的表征方法

利用低场NMR 技术测量煤孔隙结构中含氢原子流体的T2谱，从中获取煤的孔隙度、连通性、孔径的分布特征以及煤的各种物性参数。T2谱中T2截止值的选取，通常是通过实验室内离心实验获得，不同煤的岩性和孔隙结构数值不同，且与T2谱图中拐点的位置无关。它将T2谱划分为两个部分，分别为可动流体和束缚流体，大于T2截止值的为可动流体，而小于T2截止值的为束缚流体，也可称为不可动流体[10，16]。对于煤中大小不同的孔隙，其NMR 产生的衰减时间也就不同，对于小孔隙的NMR产生的衰减时间一般短，T2弛豫时间也就短，T2几何均值也就小。

因此，随着煤的孔隙的增大，NMR 产生的衰减时间增长，T2弛豫时间也就变长，T2几何均值也就变大。

由于煤的不同孔隙的横向弛豫时间T2不同，其分布在T2谱上的位置也就不同。

因此，根据T2谱的内容可以进行孔隙和裂隙不同级别的划分[6]。T2峰分布在0.5-2.5ms 之间为微小孔；T2峰分布在20-50ms 之间为中大孔，且一般小于微小孔峰；T2峰分布在大于1000ms 段为裂隙，通常在部分裂隙发育的煤[8，10]。

2.2 渗透性特征

2.2.1 NMR T2谱峰值表征方法

利用NMR T2谱中的不同峰的分布位置，可分析煤的孔隙、裂隙结构的特征。NMR T2谱中，峰值一般越靠近左侧，表明煤的孔隙、孔径越小，弛豫的速度快、时间短，微孔隙越发育，可动流体部分越少，流体大部分为束缚状态，反映了煤层的微孔隙为差储集层特征。峰值靠近右侧，产生的弛豫时间较大，弛豫的速度较慢、时间长，中、大孔隙越发育，流体大部分为可动状态，反映煤层的裂缝为好储集层特征，它含的可动流体多，渗透性好[8]。

2.2.2 NMR T2谱峰的连续性表征方法

T2谱峰之间大小分布连续性好，孔隙和裂隙（割理）相差较小，则孔隙间的连通性好，T2谱峰之间大小分布连续性差，孔隙间的连通性则差[10]。T2谱中的两峰型和三峰型，一般以弛豫时间10ms 左右，作为两谱峰之间的分割点，进行T2谱峰连续性的特征分析[10，12]。

2.3 核磁共振渗透率模型

煤储层渗透率表现为允许流体通过煤结构的能力，它与煤岩的孔隙度、孔隙的表面积与体积的比值有关。且煤岩的NMR T2截止值与孔隙的表面积与体积的比值相关，因此通过NMR T2截止值的选取，可以计算煤岩可动流体、束缚流体的体积，最终利用NMR 的Coates、SDR 渗透率模型估算煤岩渗透率[17]。

2.3.1 Coates 模型与SDR 模型

式（1）中，φNMR为盐水饱和岩心样品的NMR 孔隙度（%），FFI 为T2截止法求得的可动水体积；BVI 为T2截止法求得的束缚水体积；Cn1为模型参数，具有地区经验性，与地层类型有关[18]。

式（2）中，利用盐水饱和岩样的NMR 孔隙度φNMR以及T2加权法求得的可动水体积φNMRb和束缚水体积φNMRb计算渗透率，模型参数为Cn2[17]。

Coates 两个模型的主要区别在于确定束缚流体体积的方法不同。

Coates-cutoff 模型使用的是T2截止值计算可动和不可动流体体积比，即在离心脱水前的T2谱中，T2截止值前面的T2谱面积与T2总面积之比。

Coates-sbvi 模型使用的是T2加权法，即T2谱的每一个分量T2i都包含束缚水的贡献，只是贡献的大小不同，但贡献率的大小通过加权的方法求束缚水饱和度[18]。

式（3）中，φNMR为盐水饱和岩心样品的NMR 孔隙度，T2g为T2谱的几何平均值，模型参数为Cn1。该模型以平均弛豫时间为参数，不受束缚水模型的影响。但对测量孔隙中流体的性质很灵敏，当岩石孔隙中含有烃（油或天然气）时，T2谱的几何平均值会发生变化[19]。

2.3.2 Coates 与SDR 模型对比分析

Coates 渗透率模型相对SDR 渗透率模型更灵活，由岩芯刻度可知，不同地层的渗透率计算，可以采用Coates 渗透率模型[18]。计算含烃地层的渗透率时，BVI 中不包括烃的贡献，BVI 也不受其它流体的影响[17]。

Coates、SDR 两个渗透率模型计算结果都表示骨架渗透率，因此在裂缝性地层，渗透率值普遍都偏小[19]。

3 CT 技术在孔裂隙和渗透性方面的应用研究

CT 技术是应用计算机断层扫描技术对煤样的内部结构进行无损探测的一种方法，它的原理是利用X 射线穿透煤样，从而收集煤中物质的吸收而衰减的射线强度，其值的大小采用CT数表示，且它可以表现出煤体结构内部的孔裂隙结构信息[20]。

3.1 CT 技术表征孔裂隙结构特征的方法

煤中气体吸附和运移的场所是孔隙裂隙，作为支撑骨架的矿物、机组分，密度差异明显。煤的孔隙、裂隙发育程度以及矿物质种类、含量与密度都对煤的CT 数大小产生影响。相同条件的情况下，煤样的CT 数较高，其一般具有较高矿物质含量[10]。不同的煤岩样品，相同CT 数，CT 像素频数曲线也具有不同的特征[20]。

CT 数的大小，用二元黑白图像像素的大小来表示，CT 数较低的是表现为深黑色为空隙部分，CT 数较高的表现为亮白色为矿物部分，而表现为灰色其CT 数介于煤基质二者之间[21]。

CT 数分布特征中表现无裂隙时，CT 数直方图具有单峰曲线的特点。CT 数分布特征中表现有裂隙、空间发育时，CT 数直方图呈现多峰曲线的特点[22]。煤的三元介质中矿物CT 数为3000HU 左右、有机组分CT 数小于600HU、孔裂隙CT 数为1000～1800HU[10]。

3.2 渗透性特征

近年来，学者们采用多种手段对煤储层的渗透性特征进行了研究。本文将着重从基于CT 技术采用分形维数、三维数字煤心进行煤储层渗透性特征分析，以期为煤储层渗透性研究提供参考价值[23]。

3.2.1 利用分形维数表征渗透特征的方法

煤中非均质性的孔径结构可以采用分形维数定量表征，它的变化与孔隙分布特征密切相关。煤中不均匀的分布着各种孔隙，随着孔隙的增多，分形维数也逐渐增大。分形维数的大小反映了煤的渗透率的高低，孔隙率、渗透率与分形维数呈现显著的幂指数正相关关系，因此基于CT 切片的煤孔隙分形维数可作为煤储层孔隙特征和渗透性评价的定量指标之一[23]。

3.2.2 三维数字煤心表征渗透性特征的方法

基于CT 技术的三维重构可进行三维可视化定量精细表征煤的孔裂隙结构，相对精细地表征煤的孔裂隙形态特征、孔裂隙尺度及空间分布特征的演化趋势，且定量反映煤岩渗透性能。

从构建的三维数字煤心中提取孔裂隙网络模型，分析孔裂隙的发育程度和各孔裂隙之间的关系，可以很直观地展现孔裂隙和矿物在煤的内部立体空间的分布形态[22]。

4 NMR 与CT 技术的对比分析

4.1 NMR 与CT 技术的不同

低场NMR 与CT 技术为目前最常用的先进的无损检测方法，两者在形式上有相似之处，但两者的核心原理完全不同。CT技术是利用X 射线对煤样进行照射，获得衰减系数进行无损探测煤样的内部结构，它的图像反映的是煤样密度或原子数的三维空间分布。

NMR 技术是对煤样中的含氢原子流动体以及含氢原子流动体与煤样表面的相互作用进行无损探测，NMR 技术的图像表现的是含氢原子流动体在煤样中的分布和聚集形态，以及反映含氢原子流体之间以及含氢原子流体与煤样固体骨架之间的相互作用，可以为多相、多场耦合渗流力学研究提供良好的研究基础。

CT 在分辨率上存在局限性，CT 分为工业CT、微焦点CT 和纳米CT，不同的CT 分辨率不同，可观察的样品的清晰程度也就不同，纳米级CT 分辨率＞微焦点CT＞工业CT。然而，低场NMR 对饱水后煤样的孔隙和裂缝的识别精度可直接达纳米级。

4.2 NMR 与CT 技术结合的优点

低场NMR 在区分煤的有效孔隙度与束缚水孔隙度，以及确定煤的孔隙结构方面具有优势，而微焦点CT 技术在全方位表征煤的孔裂隙信息方面具有优势，两者都是先进的实验手段，然而再先进方法也存在不可避免的局限性，如果我们在进行单一实验时辅以另一先进手段，那么由于单一方法所带来局限性或将大为降低。将二者相结合可实现对煤的孔裂隙类型、有效孔隙度、孔径结构分布和孔裂隙的空间配置的精细定量化表征以及对煤层气吸附- 渗流规律的深刻认识带来巨大的进步。

4.3 NMR 与CT 技术综合研究现状

黄家国等用低场NMR 测量孔隙度，进行孔隙大小分布，孔隙连通性和可动流体分析，配合CT 扫描重构样品的三维模型，观察孔裂隙的空间配置特征，以得到更完善的页岩储层孔隙结构资料。

徐晓萌[18]等应用NMR 技术对煤样孔隙类型、连通性、孔径分布等特性进行分析，结合CT 扫描测试结果探究了煤样的物相组成、矿物质成分及表观形貌特征。

其中NMR 的测试结果与CT 扫描的三维可视化分析结果相吻合，证实样品具有较高的非均质性。且NMR 技术能较好弥补CT 扫描在微孔观测中的不足，呈现出更为具体的煤样内部微观孔隙特征。

因此，鉴于CT 技术空间分辨率的限制，可结合NMR 微观方法进一步精细描述不同变质变形等环境中煤岩孔裂隙结构的特征及其对煤岩渗透性的分析。

5 结论与展望

5.1 结论

（1）低场NMR 技术虽然较多的应用到了煤层气领域，具有快速、无损、测量准确等优点，在一定程度上弥补了现有测试方法的不足。其受煤岩骨架的影响也较小，可更为精细地表征煤岩的孔隙大小分布，测试孔隙度，进行孔隙连通性和可动流体分析，反映煤岩的总体情况，但是与CT 相比，低场NMR 对样品的孔裂隙结构三维可视化的表达仍有很大研究空间。

（2）CT 扫描能够快速、无损的实现对煤的三维可视化精细表征，可较为准确的测定孔裂隙的尺度、孔裂隙间相互关系，以及孔裂隙的空间发育和展布特征等精细化信息。但是，在不同的CT 仪中依然存在分辨率的局限性、以及无法快速反映流体之间以及流体与固体骨架之间的相互作用。