利用核磁共振技术评价煤层吸附能力

孙建孟, 刘海山, 宗成林, 秦瑞宝, 余杰

(1.中国石油大学地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580; 2.中海油研究总院, 北京 100027)

0 引 言

煤层气作为一种新型的天然气能源,在我国非常规油气勘探开发中具有重要地位[1]。煤的工业组分变化大、物性差、流体性质难以识别,尤其是吸附解析特性认识不清和孔隙结构复杂,严重影响了煤层气的勘探开发[2]。煤的吸附能力在一定程度上决定了煤层的含气量,因此,开展煤的吸附能力研究具有重要的现实意义。

关于煤层气吸附能力在国内外都有大量研究,早在1977年,KIM[3]根据等温吸附实验结果与岩心分析提出定量评价煤层吸附能力的KIM方程,KIM方程主要根据煤的工业组分建立与含气量之间的关系,计算结果误差较大,并且需要已知煤的工业组分。张超谟等根据压汞孔喉半径谱与核磁共振T2谱对比分析,研究结果表明,核磁共振在煤层气储层评价中可以有效地反映孔隙结构,能够对储层参数进行有效评价[4-9]。王有智等采用扫描电镜与低温氮吸附对煤岩孔隙结构进行研究,结果显示,煤岩孔隙类型主要包括屑间孔、残余组织孔、角砾孔和气孔,其中气孔的广泛发育表明了煤岩可以大量生烃,又可以为煤层气储存富集提供优质的储集空间[10-11]。王玥等[12]利用室内等温吸附与现场解吸实验,研究了煤层气的储层参数对煤层吸附能力的影响。综上,前人一般利用等温吸附、低温液氮吸附实验和煤的储层特性评价煤的吸附能力。这些方法的影响因素很多,实验条件苛刻,具有很大的局限性。目前,国内外学者一致认为煤的孔隙特性决定了煤的吸附能力。核磁共振技术可以反映煤层的微观孔隙特征,可利用该技术对煤的吸附能力进行评价,但这方面研究很少。

本文利用核磁共振技术与低温液氮吸附实验的相关性,得到转化系数的经验公式[13],将T2谱转换为孔隙结构谱,评价煤层微观孔隙结构,进一步研究煤的吸附能力与微孔隙体积之间的定量关系,确定煤层的含气量。

1 核磁共振与低温液氮吸附实验方法、参数及结果

核磁共振技术具有快速测量岩石孔隙结构且测量的孔隙直径范围宽等优点,可以识别从毫米级到纳米级孔隙。低温液氮吸附实验可以直接反映孔隙半径分布情况,也可以直接评价煤层孔隙结构。对同一煤样做核磁共振与低温液氮吸附实验,既可以检验核磁共振对煤层孔隙结构的评价结果准确性,也可以将T2谱转换为孔隙结构谱。

实验煤样主要取自沁水盆地神府区块。仪器使用纽迈MesoMR23-060H-1核磁仪进行T2谱测量,使用美国麦克公司ASAP2020比表面积及孔隙分析仪进行低温液氮吸附测量。

核磁共振测量原理:外界静磁场与原子核发生相互作用,使得氢核1H的核磁矩产生能量分级,再外加一个特定频率垂直静磁场方向的射频磁场,核磁矩就会吸收能量,发生能级跃迁,产生核磁共振。核磁共振主要测量恢复到平衡状态的弛豫时间,分为纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2[14]。横向弛豫时间T2与孔隙半径R的关系成线性

R=3ρT2

(1)

式中,R为孔隙半径;ρ为岩石横向表面弛豫率。

低温液氮实验原理:氮气在标准大气压p0下冷却至沸点温度(-195.8 ℃)变成液体。在相同温度下,而毛细管内低于p0的压力下,氮气就凝结成液体,这种现象称为毛细管冷凝。压力p/p0与发生冷凝的孔直径一一对应[15],孔径越小,产生冷凝所需的压力也越小,根据这一原理,孔隙半径R可以表示为凯尔文方程[16]

(2)

式中,R为孔隙半径;p为测量压力;p0为标准大气压。

核磁共振实验主要参数:共振频率2 MHz回波数1 024,TE=0.2 ms,TW=6 s,信噪比大于30∶1,T2谱拟合点数64。

低温液氮吸附实验主要参数:孔径分析范围0.35～500 nm,微孔区段的分辨率为0.02 nm,孔体积最小检测0.000 1 cm3/g。

部分实验结果见图1、图2。

图1 SM-14井部分岩心核磁共振T2谱

图2 SM-14井部分岩心液氮吸附图

2 煤岩核磁共振T2谱与低温液氮孔隙结构对比

核磁共振T2谱与低温液氮吸附实验都是对岩石孔隙结构分布的反映,因此,可以通过对比两者特征差异,将T2谱转化为孔隙结构谱。从图1、图2可以明显看出核磁共振T2谱的第2个峰与低温液氮吸附1～100 nm之间的峰相对应,利用特殊点的相关性,可以建立两者之间定量转换关系(见图3)。

图3 利用相关点法建立T2与孔隙直径之间的关系

该地区煤岩的横向弛豫时间T2与孔隙直径之间的关系大致呈线性关系

D=0.91212T2

(3)

式中,D为孔隙直径,nm;T2为横向弛豫时间,ms。

式(3)本质上反映了式(1)的关系,该地区煤岩横向弛豫率大约0.152 nm/ms。核磁共振T2谱纵坐标为孔隙度分量,而岩心质量体积和岩心总孔隙度可以很容易测得,所以岩样总的孔隙体积可以计算得到,进而每个T2时间对应的孔隙体积可以求得。再利用式(3)的T2与孔隙直径间的关系可以将核磁共振T2谱转换为孔隙直径谱(见图4)。

图4 SM-14-17岩心液氮吸附与核磁共振对应转换图

从图4中可以看出核磁共振与低温液氮吸附在微孔隙和中孔隙方面有较好的对应关系,但是在反映大孔隙方面,核磁共振比低温液氮吸附更有优势,这部分压汞曲线可以与核磁共振谱有较好对应关系。

3 核磁共振T2谱评价煤的吸附能力

常规利用等温吸附体积法评价煤层吸附能力,主要是测量煤岩的兰氏压力与兰氏体积,这个实验过程耗时比较长。煤岩的吸附能力主要与煤岩的微孔隙和中孔隙发育情况有关,因此,可以通过核磁共振技术测量微、中孔隙发育大小,研究与吸附能力的关系。

张锟、李相方等[17-18]研究发现,按照十进制孔隙分类标准,可以将孔径结构按照大小分为大孔(>1 000 nm)、中孔(1 000～100 nm)、过渡孔(100～10 nm)、微孔(<10 nm)。在此,采用孔隙直径以10 nm为标准[通过式(3)中转换关系得T2为16 ms],对直径小于10 nm的微孔体积与等温吸附实验测量得到的吸附参数VL和pL建立关系,结果见图5、图6。

由图5可以看出,随着微孔隙体积的增加,煤样的最大吸附能力VL逐渐增大,主要是因为微孔的孔径较小,对甲烷分子有较强束缚能力,且微孔能提供较大的比表面积,对煤层气吸附能力起到决定性作用。

图5 VL与小于10 nm的微孔体积关系图

图6 pL与小于10 nm的微孔体积关系图

从图6可以看出随着微孔隙体积的增加pL逐渐减小,表明微孔隙体积对低压段的吸附作用起到决定作用。这主要是由于在压力较低时,孔径很小,尤其当孔隙直径与甲烷分子大小相当时,极易将甲烷分子吸附在煤孔隙表面,使得气体吸附量在低压段迅速增长。因此,孔径小于10 nm的微小孔隙是影响pL的主要因素。

通过图5、图6可以看出利用微中孔隙大小与吸附能力有良好的相关关系,因此,将小于10 nm的孔隙体积填充甲烷气的空间,再利用微孔容积法[见式(3)]将其转化为标准状况下的体积

(4)

式中,V1为小于10 nm的微孔隙体积;ρ为甲烷气的密度;M为甲烷的摩尔质量;V为转换为标准况下的微孔隙空间。

在此,将小于10 nm标准状况下的微孔隙空间定义为核磁共振计算含气量,将其与煤岩解析的含气量进行对比(见图7)。从图7中可以看出利用核磁共振谱计算的含气量与煤心解析出的含气量有一定差异,大部分都处于45°线附近,只有占少数的2个点偏离较大。因此,核磁共振实验对于评价煤层吸附能力在一定精度范围内比较可靠。

4 核磁共振测井评价煤层吸附能力

在实验室核磁共振评价吸附能力的基础上,将计算方法推广到核磁共振测井,考虑到核磁共振测井存在微孔隙丢失现象,分别尝试采用10、13 nm和16 nm分别对应16、24 ms和33 ms,计算含气量,再与煤心解析结果进行对应比较(见图8)。从图8对比分析可看出,以13 nm计算效果最好,进一步对多块岩心进行实验计算对比(见表1)。

图7 解析测得的含气量与小于10 nm的孔隙体积的对比关系

从表1可以看出核磁共振计算的含气量与煤心测得的含气量有部分差异,有少部分岩心差异比较大,但大部分误差都在20%以内(平均误差17.619%,去除差异较大的4块后平均误差为12.68%)。这一结果基本验证了核磁共振测井评价煤层吸附能力的准确性。

表1 多块岩心计算结果对比结果数据表

*误差=(计算含气量-实测含气量)/实测含气量

图8 SM-10以10 nm为标准核磁共振测井计算含气量与岩心结果对比图

5 结 论

(1) 利用核磁共振T2谱测得孔径小于10 nm的煤层微孔隙体积与等温吸附参数之间的良好的线性关系,应用低温氮吸附与核磁共振孔隙对应关系首先找到纳米孔对应T2谱的截止值约16 ms。

(2) 评价了实验室核磁共振谱评价煤吸附能力的应用效果和精度,进一步递推分析应用到核磁测井,发现适当增大该截止值到24 ms。

(3) 计算的吸附气含量与岩心分析结果具有较好的一致性,说明依据煤层微、中孔隙体积研究煤的吸附能力是可行的,有推广应用前景。

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