核磁共振分析技术的理论基础是岩石所含流体中的自旋氢核¹H在均匀的静磁场及射频场的作用下发生的核磁共振弛豫行为。在岩石实验测试中一般采用核磁扫描时域时间简称T₂测量法, T₂谱曲线主要来自于对弛豫信号的反演。根据T₂弛豫时间谱的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。

X-CT对岩心分析的基本原理是: 透过物体后的X射线的强度与该物体的密度有关, 当X射线光子量I₀通过任何一个具有线性衰减系数μ 的体积元时光子量变为I, 其过程遵循比尔定律。通过对扫描图像的像素数或CT数进行分析, 即可获得岩石中各种物质组成和孔裂隙的基本信息, 并可开展进一步的精细描述和定量研究。

实验煤样采自鄂尔多斯盆地神府区块和沁水盆地柿庄南区块。神府区块煤样采自山西组、太原组和本溪组主力煤层, 镜质组最大反射率为0.97%~1.11%, 煤类以气煤、肥煤为主; 柿庄南区块煤样采自山西组3号煤层, 镜质组最大反射率为2.48%~2.78%, 煤类以无烟煤为主(表1)。实验涉及到中低阶煤到高阶煤储层物性的测试与表征。为了实现多种煤储层物性综合表征技术在不同煤阶中的应用, 研究分别设计了煤岩核磁共振测试实验、煤岩CT扫描测试实验。

本次核磁共振技术(NMR)实验设备选用的是MicroMR 02型核磁共振仪。选取神府区块和柿庄南区块具有代表性的23块煤岩岩样进行核磁共振测试分析。实验步骤具体为: ①样品抽真空饱和水; ②运用核磁共振技术来确定岩心的饱和水状态T₂谱线; ③计算束缚水饱和度、可动流体饱和度。

煤岩X-CT扫描测试选用MicroXCT-400型扫描设备开展实验。首先将选定的样品钻取直径25 mm、长度25~50 mm的圆柱煤样, 并平整煤样两端面。按照CT机操作规程在室温下对柱状样品从-180° ~180° 进行360° 扫描, 得到每个样品的CT数据, 最后利用CT重建软件对扫描图像进行重构, 得到二维或三维图像, 对图像和CT值进行处理与分析。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 实验采集样品基本信息 Tab.1 List of basic information of experimental samples 盆地 煤层气 区块 样品号 地层 煤层 镜质组 反射率 Ro/% 鄂尔 多斯 盆地 神府 区块 SF-04井2号 本溪组 8+9号 1.11 SF-07井8号 太原组 4+5号 1.05 SF-14井26号 本溪组 8+9号 1.06 SF-04井50号 本溪组 8+9号 1.01 SF-08井51号 太原组 4+5号 1.06 SF-12井52号 山西组 3号 1.08 SF-07井53号 太原组 4+5号 1.07 SF-18井54号 本溪组 8+9号 0.98 SF-20井55号 山西组 3号 1.05 SF-17井36号 本溪组 8+9号 1.07 沁水 盆地 柿庄南 区块 SZN010-1 山西组 3号 2.52 SZN001-3 山西组 3号 2.75 SZN017-1 山西组 3号 2.59 SZN56-02-2 山西组 3号 2.59 SZN003-1 山西组 3号 2.48 SZN020-2 山西组 3号 2.59 SZN020-3 山西组 3号 2.72 SZN14-3-1 山西组 3号 2.78 SZN003-2 山西组 3号 2.71 SZN001-2 山西组 3号 2.51 SZN-004 山西组 3号 2.72 SZN005-1 山西组 3号 2.78 SZN16-2 山西组 3号 2.56

表1 实验采集样品基本信息 Tab.1 List of basic information of experimental samples

核磁共振T₂谱代表视弛豫时间, 也就是测量得到的孔隙流体的弛豫时间, 其波峰个数、分布、连续性和形态等可反映煤中各级孔裂隙的发育特征。T₂谱由小到大分别代表微孔— 小孔— 中孔— 大孔— 裂隙。依据研究成果, 按照T₂谱为0.5~2.5 ms、20~50 ms和大于100 ms所对应的3个谱峰分别代表了吸附孔、渗流孔和裂隙进行煤储层物性分析, 谱峰越大则该峰代表的孔裂隙越发育。不同煤阶岩样T₂谱特征表现出明显的差异性^[9]。中低阶煤样品测试结果表现出具有多元化孔裂隙结构, 反映出中低阶煤储层物性的强均质性和复杂性, 对比测试岩样可将中低阶煤T₂谱大致分为4类: ①T₂谱表现出明显的双峰结构, 煤岩样品在吸附空间核磁信号较强, 在渗流空间核磁信号次之, 而且这两类孔隙间的连通性不好, 该类样品吸附空间极为发育, 渗流条件较弱(图1(a)); ②T₂谱表现出明显的单峰结构, 渗流空间核磁信号强度最高, 吸附空间核磁信号明显减弱, 且这两类孔隙间连通性较好, 说明该类型渗流条件较好, 吸附能力较差(图1(b)); ③T₂谱表现出明显的双峰结构, 吸附空间和渗流空间核磁信号均较强, 且两类孔隙间连通性较好, 说明该类型具有较好的吸附能力和渗流条件(图1(c)); ④该类型表现出明显的双峰结构, 渗流空间核磁信号较强, 具有一定的吸附空间核磁信号, 两类孔隙间连通性较差, 说明该类型渗流条件较好, 有一定的吸附能力(图1(d))。

图1

Fig.1

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	图1 中低阶煤样品核磁共振T2谱特征Fig.1 T2 NMR characteristics of low and middle rank coal samples

对比中低煤阶样品核磁共振T₂谱特征, 高阶煤样品T₂谱特征表现出明显的一致性。高阶煤样品吸附孔隙核磁信号远远高于中低阶煤, 而渗流空间核磁信号强度非常弱, 且两类孔隙间连通性较差, 说明高阶煤样品以吸附孔为主, 渗流孔隙、裂隙均不发育(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 高阶煤样品核磁共振T2谱特征Fig.2 T2 NMR characteristics of high rank coal samples

煤的有效孔隙度是指煤中有利于可动流体(包括气和水)流动的那部分连通性孔隙的孔隙度。为了获得煤样有效孔隙度值, 需要对同一煤样先后进行饱和水和残余水两种状态下的T₂谱分析^{[12, 13, 14, 15]}。

神府区块中低阶煤样品核磁共振测试结果表明: 核磁测试孔隙度主要为0.66%~4.35%, 平均2.15%; 核磁测试束缚水饱和度主要为12.99%~70.39%, 平均47.78%; 核磁测试可动流体饱和度主要为29.61%~87.01%, 平均52.22%。测试数据说明中低阶煤样品储层大孔喉较少, 主要发育纳米级微细孔喉, 饱和岩样部分流体可以被动用。

柿庄南区块高阶煤样品核磁共振测试结果表明: 核磁测试孔隙度主要为0.17%~4.06%, 平均1.05%; 核磁测试束缚水饱和度主要为66.29%~98.90%, 平均85.20%; 核磁测试可动流体饱和度主要为1.10%~33.71%, 平均14.80%。测试数据说明高阶煤样品主要以发育纳米级微细孔喉为主, 饱和岩样中极少流体可被动用。

核磁共振测试结果显示, 煤岩岩样的束缚水饱和度与孔隙度呈现负相关关系, 可动流体饱和度与孔隙度呈正相关关系。中低阶煤样品孔隙度明显高于高阶煤, 说明高阶煤相对中低阶煤更加致密, 孔渗条件更差; 由于高阶煤束缚水饱和度相对较高, 在生产过程中高阶煤排水降压由于受到孔渗条件的限制更加困难。

煤岩CT扫描测试分析实验的实验目的是测试煤岩的内部微观孔隙结构特征。Micro-CT技术是一种非破坏性的X-光射线技术。该技术可对岩石样品截面切片的内部结构成像, 这种成像是借助于物质的X-光衰减系数的再现来实现的。扫描结果每块岩样可获得二维灰度切片图, 在二维灰度切片图中, 黑色为孔隙, 灰色为基质, 高亮色代表岩石中高密度组分(如方解石、黄铁矿), 由此可以换算出该岩样不同孔径的孔隙个数与频率^[16]。

神府区块中低阶煤样品CT测试结果显示, 孔径为0~50 μ m的孔隙占32.95%, 孔径为50~100 μ m的孔隙占35.17%, 孔径为100~150 μ m的孔隙占17.67%, 孔径为150~200 μ m的孔隙占7.00%, 孔径为200~300 μ m的孔隙占4.40%, 孔径＞300 μ m的孔隙占2.82%。该测试结果说明神府区块中低阶煤煤岩储层的微米级基质孔隙以及割理系统主要集中在0~50 μ m和50~100 μ m的区间, 其他孔隙略有发育(图3(a))。

柿庄南区块高阶煤样品CT测试结果显示, 孔径为0~50 μ m的孔隙占49.24%, 孔径为50~100 μ m的孔隙占35.24%, 孔径为100~500 μ m的孔隙占14.92%, 孔径＞500 μ m的孔隙仅占0.59%。该测试结果说明柿庄南区块高阶煤煤岩储层的微米级基质孔隙以及割理系统同样主要集中在0~50 μ m和50~100 μ m的区间, 但大孔及裂隙几乎不发育(图3(b))。

图3

Fig.3

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	图3 不同煤阶样品CT扫描结果 (a) 中低阶煤CT扫描结果 (b) 高阶煤CT扫描结果Fig.3 CT scan results of different coal rank samples

根据矿物和孔裂隙各自的CT数分布空间, 分别在空间建立二者独立模型, 将二者结合在一个三维坐标里, 即可实现煤岩体的三维重构, 清楚地识别煤岩体的孔裂隙发育形态和连通性、孔裂隙尺度、矿物形态等空间发育特征^{[17, 18]}。

对于煤储层来讲, 煤中的矿物和孔裂隙对煤层气富集高产意义较大, 是煤储层物性的研究重点。模拟煤岩体的孔裂隙、煤基质和矿物等在空间的展布特征及相互接触关系, 并进行了三维重构。为了易于显示, 其中灰白色部分表示煤基质, 红色部分表示孔裂隙, 黄色为矿物。

图4为高阶煤SZN010-1样的表面模型和立体模型结果。CT成像特征显示: 孔隙总体较发育, 在空间上分布较均匀, 呈层状或片状分布, 孔隙之间多由微裂隙沟通, 具有较好的连通性(图4(a), (b)); 发育2组近垂直的裂隙, 形成不规则裂隙网络, 裂隙部分被方解石填充(图4(b)); 矿物在空间上呈层片状分布, 与孔裂隙交错发育(图4(c), (d))。

图4

Fig.4

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	图4 SZN010-1 CT样品孔裂隙、煤基质和矿物三维重建Fig.4 The three-dimensional reconstruction of pore, fissure, coal matrix and minerals of CT Sample SZN010-1

图5为高阶煤SZN020-2样的表面模型和立体模型结果。CT成像特征显示: 孔隙在三维空间上发育较多且分布均匀, 孔隙之间连通性好, 形成大的孔隙团且孔隙团之间相互连通, 在垂直层理方向上发育多条裂隙, 形成多个裂隙面, 沟通了孔隙团, 裂隙被矿物部分填充(图5(a), (b)); 矿物在空间主要呈条带状, 少量呈层片状与条带状矿物正交, 彼此之间孤立(图5(c)); 孔隙与矿物呈条带状交错发育, 孔裂隙在空间上分布较均匀(图5(d))。

图5

Fig.5

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	图5 SZN020-2 CT样品孔裂隙、煤基质和矿物三维重建Fig.5 The three-dimensional reconstruction of pore fissure, coal matrix and minerals of CT Sample SZN020-2