基于NMR和X-CT的不同煤階煤儲(chǔ)層物性定量表征

2020-12-28 12:45:54郭廣山邢力仁

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查 2020年6期

郭廣山，邢力仁，李昊

(中海油研究總院新能源研究中心，北京 100028)

0 引言

煤儲(chǔ)層是一種雙孔隙介質(zhì)的特殊儲(chǔ)集體，其孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑大小、流體特征和滲流條件等儲(chǔ)層物性參數(shù)直接關(guān)系到煤層氣富集高產(chǎn)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層物性參數(shù)對(duì)于煤層氣田的勘探開發(fā)至關(guān)重要。對(duì)比國(guó)外商業(yè)化開發(fā)煤層氣田，我國(guó)煤層氣田儲(chǔ)層普遍具有低孔低滲的特征，大大增加了煤儲(chǔ)層物性定量化評(píng)價(jià)難度，也對(duì)評(píng)價(jià)技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)[1-6]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于煤儲(chǔ)層孔裂隙評(píng)價(jià)主要有2種: 一種是常規(guī)評(píng)價(jià)方法，包括顯微光度計(jì)法、液氮吸附法和壓汞測(cè)試法，這些傳統(tǒng)方法存在的弊端主要是在樣品制備過程中會(huì)破壞煤的原生孔隙系統(tǒng)，或者產(chǎn)生一些人為的二次破壞，造成較大的測(cè)試誤差，同時(shí)3種測(cè)試方法都存在測(cè)試尺度的局限性；第二種是相對(duì)先進(jìn)的無(wú)損表征評(píng)價(jià)技術(shù)，主要包括核磁共振技術(shù)(Nuclear Magnetic Resonance Technology，NMR)和計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(Computed Tomography，X-CT)，這2種技術(shù)可以對(duì)任意形狀和大小的巖樣進(jìn)行分析檢測(cè)，而且用量少，速度快，巖樣無(wú)損，準(zhǔn)確性高，克服了常規(guī)檢測(cè)方法對(duì)樣品要求高、破壞樣品、特定低孔低滲樣品無(wú)法測(cè)量等缺點(diǎn)，可以快速、準(zhǔn)確、定量地提供地層的孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率等重要物性參數(shù)，為儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)提供定量參數(shù)[7-9]。

本文依托鄂爾多斯盆地東緣神府區(qū)塊和沁水盆地南部柿莊南區(qū)塊不同煤階樣品，分別進(jìn)行了核磁共振和CT掃描實(shí)驗(yàn)，獲得了煤巖孔隙類型、孔徑分布、孔隙連通性、有效孔隙度及孔裂隙空間配置等參數(shù)，為揭示不同煤階煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征并進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

神府區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶北段，整體呈一西傾的單斜構(gòu)造，煤層埋深總體呈東淺西深的分布特征。主力含煤地層為二疊系山西組和石炭系太原組，其中山西組4+5號(hào)煤層和太原組8+9號(hào)煤層是區(qū)內(nèi)煤層氣的主要開發(fā)層位。山西組4+5號(hào)煤層厚度基本上大于5 m；太原組8+9號(hào)煤層厚度較大，單層厚度一般在8 m以上。煤巖變質(zhì)程度整體較低，鏡質(zhì)組反射率主要介于0.65%～1.0%，處于長(zhǎng)焰煤—肥煤階段，屬典型的中低階煤層氣田[10]。

柿莊南區(qū)塊位于沁水盆地南端，具有東西分帶的構(gòu)造格局，斷層以NE走向?yàn)橹?。上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組是主要含煤地層。山西組3號(hào)煤層是主力開發(fā)煤層，埋深一般為400～1 200 m，平均為900 m；厚度為5.0～8.0 m，平均6.0 m；含氣量為5.0～20.0 m3/t，平均為14.5 m3/t；煤類以無(wú)煙煤為主，是典型的高階煤層氣田[11]。

2 測(cè)試原理與樣品采集

2.1 測(cè)試原理

核磁共振分析技術(shù)的理論基礎(chǔ)是巖石所含流體中的自旋氫核1H在均勻的靜磁場(chǎng)及射頻場(chǎng)的作用下發(fā)生的核磁共振弛豫行為。在巖石實(shí)驗(yàn)測(cè)試中一般采用核磁掃描時(shí)域時(shí)間簡(jiǎn)稱T2測(cè)量法，T2譜曲線主要來自于對(duì)弛豫信號(hào)的反演。根據(jù)T2弛豫時(shí)間譜的T2峰分布及信號(hào)值的大小即可以對(duì)巖石的孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率及流體特征等進(jìn)行分析。

X-CT對(duì)巖心分析的基本原理是：透過物體后的X射線的強(qiáng)度與該物體的密度有關(guān)，當(dāng)X射線光子量I0通過任何一個(gè)具有線性衰減系數(shù)μ的體積元時(shí)光子量變?yōu)镮，其過程遵循比爾定律。通過對(duì)掃描圖像的像素?cái)?shù)或CT數(shù)進(jìn)行分析，即可獲得巖石中各種物質(zhì)組成和孔裂隙的基本信息，并可開展進(jìn)一步的精細(xì)描述和定量研究。

2.2 樣品采集與測(cè)試

實(shí)驗(yàn)煤樣采自鄂爾多斯盆地神府區(qū)塊和沁水盆地柿莊南區(qū)塊。神府區(qū)塊煤樣采自山西組、太原組和本溪組主力煤層，鏡質(zhì)組最大反射率為0.97%～1.11%，煤類以氣煤、肥煤為主；柿莊南區(qū)塊煤樣采自山西組3號(hào)煤層，鏡質(zhì)組最大反射率為2.48%～2.78%，煤類以無(wú)煙煤為主(表1)。實(shí)驗(yàn)涉及到中低階煤到高階煤儲(chǔ)層物性的測(cè)試與表征。為了實(shí)現(xiàn)多種煤儲(chǔ)層物性綜合表征技術(shù)在不同煤階中的應(yīng)用，研究分別設(shè)計(jì)了煤巖核磁共振測(cè)試實(shí)驗(yàn)、煤巖CT掃描測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)采集樣品基本信息

本次核磁共振技術(shù)(NMR)實(shí)驗(yàn)設(shè)備選用的是MicroMR 02型核磁共振儀。選取神府區(qū)塊和柿莊南區(qū)塊具有代表性的23塊煤巖巖樣進(jìn)行核磁共振測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)步驟具體為：①樣品抽真空飽和水；②運(yùn)用核磁共振技術(shù)來確定巖心的飽和水狀態(tài)T2譜線；③計(jì)算束縛水飽和度、可動(dòng)流體飽和度。

煤巖X-CT掃描測(cè)試選用MicroXCT-400型掃描設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)。首先將選定的樣品鉆取直徑25 mm、長(zhǎng)度25～50 mm的圓柱煤樣，并平整煤樣兩端面。按照CT機(jī)操作規(guī)程在室溫下對(duì)柱狀樣品從-180°～180°進(jìn)行360°掃描，得到每個(gè)樣品的CT數(shù)據(jù)，最后利用CT重建軟件對(duì)掃描圖像進(jìn)行重構(gòu)，得到二維或三維圖像，對(duì)圖像和CT值進(jìn)行處理與分析。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 孔徑結(jié)構(gòu)和連通性

核磁共振T2譜代表視弛豫時(shí)間，也就是測(cè)量得到的孔隙流體的弛豫時(shí)間，其波峰個(gè)數(shù)、分布、連續(xù)性和形態(tài)等可反映煤中各級(jí)孔裂隙的發(fā)育特征。T2譜由小到大分別代表微孔—小孔—中孔—大孔—裂隙。依據(jù)研究成果，按照T2譜為0.5～2.5 ms、20～50 ms和大于100 ms所對(duì)應(yīng)的3個(gè)譜峰分別代表了吸附孔、滲流孔和裂隙進(jìn)行煤儲(chǔ)層物性分析，譜峰越大則該峰代表的孔裂隙越發(fā)育。不同煤階巖樣T2譜特征表現(xiàn)出明顯的差異性[9]。中低階煤樣品測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)出具有多元化孔裂隙結(jié)構(gòu)，反映出中低階煤儲(chǔ)層物性的強(qiáng)均質(zhì)性和復(fù)雜性，對(duì)比測(cè)試巖樣可將中低階煤T2譜大致分為4類：①T2譜表現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，煤巖樣品在吸附空間核磁信號(hào)較強(qiáng)，在滲流空間核磁信號(hào)次之，而且這兩類孔隙間的連通性不好，該類樣品吸附空間極為發(fā)育，滲流條件較弱(圖1(a))；②T2譜表現(xiàn)出明顯的單峰結(jié)構(gòu)，滲流空間核磁信號(hào)強(qiáng)度最高，吸附空間核磁信號(hào)明顯減弱，且這兩類孔隙間連通性較好，說明該類型滲流條件較好，吸附能力較差(圖1(b))；③T2譜表現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，吸附空間和滲流空間核磁信號(hào)均較強(qiáng)，且兩類孔隙間連通性較好，說明該類型具有較好的吸附能力和滲流條件(圖1(c))；④該類型表現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，滲流空間核磁信號(hào)較強(qiáng)，具有一定的吸附空間核磁信號(hào)，兩類孔隙間連通性較差，說明該類型滲流條件較好，有一定的吸附能力(圖1(d))。

(a)吸附孔為主，滲流孔次之 (b)滲流孔為主，吸附孔次之

對(duì)比中低煤階樣品核磁共振T2譜特征，高階煤樣品T2譜特征表現(xiàn)出明顯的一致性。高階煤樣品吸附孔隙核磁信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中低階煤，而滲流空間核磁信號(hào)強(qiáng)度非常弱，且兩類孔隙間連通性較差，說明高階煤樣品以吸附孔為主，滲流孔隙、裂隙均不發(fā)育(圖2)。

圖2 高階煤樣品核磁共振T2譜特征

3.2 核磁共振孔隙度

煤的有效孔隙度是指煤中有利于可動(dòng)流體(包括氣和水)流動(dòng)的那部分連通性孔隙的孔隙度。為了獲得煤樣有效孔隙度值，需要對(duì)同一煤樣先后進(jìn)行飽和水和殘余水兩種狀態(tài)下的T2譜分析[12-15]。

神府區(qū)塊中低階煤樣品核磁共振測(cè)試結(jié)果表明：核磁測(cè)試孔隙度主要為0.66%～4.35%，平均2.15%；核磁測(cè)試束縛水飽和度主要為12.99%～70.39%，平均47.78%；核磁測(cè)試可動(dòng)流體飽和度主要為29.61%～87.01%，平均52.22%。測(cè)試數(shù)據(jù)說明中低階煤樣品儲(chǔ)層大孔喉較少，主要發(fā)育納米級(jí)微細(xì)孔喉，飽和巖樣部分流體可以被動(dòng)用。

柿莊南區(qū)塊高階煤樣品核磁共振測(cè)試結(jié)果表明：核磁測(cè)試孔隙度主要為0.17%～4.06%，平均1.05%；核磁測(cè)試束縛水飽和度主要為66.29%～98.90%，平均85.20%；核磁測(cè)試可動(dòng)流體飽和度主要為1.10%～33.71%，平均14.80%。測(cè)試數(shù)據(jù)說明高階煤樣品主要以發(fā)育納米級(jí)微細(xì)孔喉為主，飽和巖樣中極少流體可被動(dòng)用。

核磁共振測(cè)試結(jié)果顯示，煤巖巖樣的束縛水飽和度與孔隙度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，可動(dòng)流體飽和度與孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系。中低階煤樣品孔隙度明顯高于高階煤，說明高階煤相對(duì)中低階煤更加致密，孔滲條件更差；由于高階煤束縛水飽和度相對(duì)較高，在生產(chǎn)過程中高階煤排水降壓由于受到孔滲條件的限制更加困難。

3.3 CT孔隙度

煤巖CT掃描測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試煤巖的內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。Micro-CT技術(shù)是一種非破壞性的X-光射線技術(shù)。該技術(shù)可對(duì)巖石樣品截面切片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，這種成像是借助于物質(zhì)的X-光衰減系數(shù)的再現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)的。掃描結(jié)果每塊巖樣可獲得二維灰度切片圖，在二維灰度切片圖中，黑色為孔隙，灰色為基質(zhì)，高亮色代表巖石中高密度組分(如方解石、黃鐵礦)，由此可以換算出該巖樣不同孔徑的孔隙個(gè)數(shù)與頻率[16]。

神府區(qū)塊中低階煤樣品CT測(cè)試結(jié)果顯示，孔徑為0～50 μm的孔隙占32.95%，孔徑為50～100 μm的孔隙占35.17%，孔徑為100～150 μm的孔隙占17.67%，孔徑為150～200 μm的孔隙占7.00%，孔徑為200～300 μm的孔隙占4.40%，孔徑>300 μm的孔隙占2.82%。該測(cè)試結(jié)果說明神府區(qū)塊中低階煤煤巖儲(chǔ)層的微米級(jí)基質(zhì)孔隙以及割理系統(tǒng)主要集中在0～50 μm和50～100 μm的區(qū)間，其他孔隙略有發(fā)育(圖3(a))。

柿莊南區(qū)塊高階煤樣品CT測(cè)試結(jié)果顯示，孔徑為0～50 μm的孔隙占49.24%，孔徑為50～100 μm的孔隙占35.24%，孔徑為100～500 μm的孔隙占14.92%，孔徑>500 μm的孔隙僅占0.59%。該測(cè)試結(jié)果說明柿莊南區(qū)塊高階煤煤巖儲(chǔ)層的微米級(jí)基質(zhì)孔隙以及割理系統(tǒng)同樣主要集中在0～50 μm和50～100 μm的區(qū)間，但大孔及裂隙幾乎不發(fā)育(圖3(b))。

(a)中低階煤CT掃描結(jié)果 (b)高階煤CT掃描結(jié)果

3.4 煤巖體可視化與三維重構(gòu)

根據(jù)礦物和孔裂隙各自的CT數(shù)分布空間，分別在空間建立二者獨(dú)立模型，將二者結(jié)合在一個(gè)三維坐標(biāo)里，即可實(shí)現(xiàn)煤巖體的三維重構(gòu)，清楚地識(shí)別煤巖體的孔裂隙發(fā)育形態(tài)和連通性、孔裂隙尺度、礦物形態(tài)等空間發(fā)育特征[17-18]。

對(duì)于煤儲(chǔ)層來講，煤中的礦物和孔裂隙對(duì)煤層氣富集高產(chǎn)意義較大，是煤儲(chǔ)層物性的研究重點(diǎn)。模擬煤巖體的孔裂隙、煤基質(zhì)和礦物等在空間的展布特征及相互接觸關(guān)系，并進(jìn)行了三維重構(gòu)。為了易于顯示，其中灰白色部分表示煤基質(zhì)，紅色部分表示孔裂隙，黃色為礦物。

圖4為高階煤SZN010-1樣的表面模型和立體模型結(jié)果。CT成像特征顯示：孔隙總體較發(fā)育，在空間上分布較均勻，呈層狀或片狀分布，孔隙之間多由微裂隙溝通，具有較好的連通性(圖4(a)，(b))；發(fā)育2組近垂直的裂隙，形成不規(guī)則裂隙網(wǎng)絡(luò)，裂隙部分被方解石填充(圖4(b))；礦物在空間上呈層片狀分布，與孔裂隙交錯(cuò)發(fā)育(圖4(c)，(d))。

(a)煤基質(zhì)表面(b)孔裂隙

圖5為高階煤SZN020-2樣的表面模型和立體模型結(jié)果。CT成像特征顯示：孔隙在三維空間上發(fā)育較多且分布均勻，孔隙之間連通性好，形成大的孔隙團(tuán)且孔隙團(tuán)之間相互連通，在垂直層理方向上發(fā)育多條裂隙，形成多個(gè)裂隙面，溝通了孔隙團(tuán)，裂隙被礦物部分填充(圖5(a)，(b))；礦物在空間主要呈條帶狀，少量呈層片狀與條帶狀礦物正交，彼此之間孤立(圖5(c))；孔隙與礦物呈條帶狀交錯(cuò)發(fā)育，孔裂隙在空間上分布較均勻(圖5(d))。