【油氣專欄】核磁揭示動態自滲過程

1.背景介紹：

氣水滲流能力對煤層氣井的產量具有重要影響，氣水兩相流動過程伴隨著煤層氣開發的各個環節，而自發滲吸幾乎是所有親水煤儲層都會發生的情況。然而對于滲吸后造成了儲層滲透率損害及其影響因素研究并不系統，并未給出明確的結論。
這是由于滲吸一方面可以促進煤層氣體解吸，這是對氣藏開發有利的一面；另一方面，滲吸過程增加了儲層含水飽和度使得氣相滲透率大幅下降，這是不利的一面。因此本文研究目的就是探究煤巖的滲吸規律及其對滲透率的影響。

2.樣品特征：

滲吸實驗的樣品取自三個盆地，沁水盆地，鄂爾多斯盆地和塔里木盆地，覆蓋了從低階煤到高階煤。樣品的基本參數如下表所示：

在鉆取煤巖巖心過程中，盡量減少對巖心原始潤濕性的影響。巖心的尺寸大約為長50mm，直徑25mm，這樣大小的巖心便于核磁檢測。巖心的外圍均用砂質打磨光滑，確保氣體驅替過程中氣體不會從巖心邊部流動。

3.實驗方法與裝置：

整體的實驗流程包括實驗準備階段，潤濕性評價階段，自發滲吸實驗階段，和氣體驅替測滲透率階段。

01.自發滲吸實驗

首先將樣品在105°C的烘干箱中干燥24小時，干燥*的樣品首先進行一次核磁測試作為基底信號。滲吸實驗中，將巖心用細線懸掛在封閉的容器中，容器中盛有去離子水作為滲吸的流體，通過調整細線的高度使得煤巖底表面恰好與水的表面接觸，水從煤巖底部吸入（同向滲吸）如圖1。
在進行核磁測量時，為了防止核磁線圈放熱造成的水分蒸發，將巖心置于長頸玻璃試管中進行測量。實驗在室溫的環境下進行，溫度約為26度。煤巖自吸的水的量通過核磁共振T2譜檢測，考慮到自吸速*快后慢，因此在自吸初期，每10分鐘進行一次測量，在自吸后期，約2小時進行一次測量。

圖1：煤巖自發滲吸與氣體驅替測試

02.氣體驅替實驗

為了探究自吸后水分對氣體滲流能力的影響，還進行了氣體驅替實驗。氣體驅替選用氦氣，這是由于氦氣屬于非吸附性氣體，不會由于氣體吸附而使得孔徑變化。為了模擬地層條件，對低階煤施加2.8MPa的圍壓，對高階煤施加3.2MPa的圍壓，該數值是從采樣深度估算出來。氣體驅替實驗的測量裝置如圖2所示，主體為巖心驅替裝置，核磁測量裝置和數據采集系統三部分構成。核磁共振儀器為紐邁分析的Meso23-060H-I中尺寸核磁共振成像分析儀。

圖2：核磁氣水分析系統裝置圖

4.實驗結果與討論：

01.滲吸過程核磁譜特征

根據圖3，低階煤具有明顯的兩個連續的譜峰，左邊的峰大致位于弛豫時間0.1~1ms之間，代表小孔中水的表面弛豫；右邊的峰大致位于5~100ms，主要來自于中大孔中的表面弛豫。譜峰顯示其孔隙的連通性較好。高階煤樣品只展現了一個位于0.1~1ms 的小孔的譜峰。對于高階煤樣品SYQ，在弛豫時間大于100ms處出現了第二個較小的核磁譜峰，并且與小孔的譜峰并不連通，這是由于微裂隙中水的弛豫信號造成的。在滲吸過程中，各級孔裂隙水的信號都是隨著時間增加的，但是不同孔隙增加幅度不同（圖4）。

圖3：滲吸過程核磁譜變化

圖,4：不同孔隙類型滲吸量變化

02.煤級對滲吸的影響

自吸能力C值可以用來評價煤級對自發滲吸的影響程度。它是用來表征自吸程度強弱的參數，等于是大自吸體積與孔隙體積的比值。圖5為不同樣品的自吸能力C值分布，低階煤的C值平均值為0.81，高階煤的C值平均值為0.46，這體現低階煤相比于高階煤，具有更強的自吸能力，在自吸平衡后，幾乎八成的孔隙都被水占據。同時發現C值等于0.65可以大致作為通過自吸實驗來區分低階煤與高階煤的分界線。

圖5：不同樣品的自吸能力C值分布

03.潤濕性對滲吸的影響

通過潤濕角測試獲得了不同煤巖的親水能力，親水性越強的樣品，水更容易在其表面與內部鋪展，從而驅替非潤濕相流體。煤巖的潤濕性受到煤巖組分，流體性質，測試環境與壓力等諸多因素影響。圖6展示低階煤的自吸速率明顯快于高階煤，這與潤濕性的測試結果也是對應的。通過C值與潤濕角的關系，也得出結論，潤濕角越小（親水性越強），自吸能力C值越大。

圖6：自吸能力C值與潤濕角的關系

04.滲吸對氣測滲透率的影響

圖7給出了滲透率損害指數與潤濕角的關系，二者呈現正相關關系。圖中左側的四個數據點屬于低階煤，它們的潤濕角均小于70度，由于較強的親水性和較好的孔隙連通性，低階煤的C值要更大，即吸入體積與孔隙體積的比值更大。但是相對于高階煤，低階煤的滲透率損害卻較小。

圖7：滲吸造成滲透率損害與潤濕角的關系

是什么原因導致低階煤自吸的量多而滲透率損害反而小呢？
分析認為，低階煤的滲透率將近為高階煤的兩個數量級，這意味這水分入侵在高階煤中更容易形成水鎖效應和賈敏效應。大約九成的滲透率損害對應于高階煤中45%的含水飽和度。然而對于低階煤來說，其本身孔隙空間較大，當水分在毛管力作用下滲入巖心時，水分傾向于沿著孔隙內壁侵入，而氣體則在孔隙中心處流動，因此水分并沒有*堵住孔隙，水鎖效應和賈敏效應并不明顯，因此低階煤還保留了一部分滲透性。

5. 對氣藏開發的指導意義：

實驗結果流體與煤層的自吸作用對于不同儲層類型是不同的，這對于實際水力壓裂以及生產制度的選擇具有一定指導意義。具體來說，對于低階煤儲層，其較強的親水性是大量流體滲吸進入煤層的關鍵，因此可以通過潤濕反轉的方法降低儲層的親水性，從而減小流體自吸量；而對于高階煤儲層，其本身并不是很親水，制約生產的主要因素是其較低的滲透性，因此在開發過程中要盡量減少儲層傷害來提高產氣量。

Yuan X, Yao Y, Liu D, et al. Spontaneous imbibition in coal: Experimental and model analysis[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2019, 67, 108-121.