前沿應用|基于低場核磁技術的壓裂液礦化度對深部煤層氣解吸機理的研究

深部煤層氣作為清潔能源，其戰(zhàn)略價值日益凸顯，開發(fā)深部資源對于保障能源安全和推進“雙碳”目標具有必要性。然而，深部煤層通常具有高地層水礦化度、高儲層壓力與溫度等特征，這導致傳統(tǒng)壓裂液侵入后易引發(fā)復雜的離子遷移、潤濕性改變及氣體解吸效率波動，造成壓裂液濾失率高、氣井產(chǎn)能衰減快等開發(fā)難點。

針對這些挑戰(zhàn)，低場核磁共振技術發(fā)揮了關鍵作用：它能夠動態(tài)監(jiān)測壓裂液在煤基質(zhì)孔隙中的自發(fā)滲吸過程，通過分析橫向弛豫時間（T?）譜來定量表征不同尺度孔隙（如微孔、中孔、大孔）內(nèi)的滲吸體積變化；同時，該技術還能原位區(qū)分并監(jiān)測吸附態(tài)與游離態(tài)甲烷（CH?）的含量與賦存狀態(tài)演化，從而揭示流體滲吸對氣體置換與解吸過程的影響。

低場核磁共振技術對實際工程具有重要指導意義：不但可以調(diào)控水力壓裂注入策略，研究深部煤層氣解吸擴散機理，還可以監(jiān)測不同礦化度流體對CH?解吸的促進效應及對擴散路徑的阻滯效應，為進一步優(yōu)化壓裂液配方、平衡濾失與返排效率以及確定合理的燜井時間提供了理論依據(jù)，最終有助于實現(xiàn)“壓得開、燜得好、排得穩(wěn)、產(chǎn)得高”的工程目標。

科研案例：深部煤層壓裂液滲吸調(diào)控煤層氣解吸增效機制^[1]：

樣品信息：原始鉆井取心樣品：25 mm×50 mm。

樣品前處理：在105 ℃下干燥48 h，然后置于蒸餾水中開展自發(fā)滲吸實驗。

實驗方案：

1）設計三組物理模擬實驗來研究壓裂液在煤儲層中的滲吸—返排行為。通過核磁共振T?譜實時監(jiān)測滲吸體積變化，以揭示不同礦化度梯度條件下流體的動態(tài)遷移規(guī)律。

2）設計四組“壓裂液-煤-氣”體系耦合實驗，模擬水力壓裂全生命周期的液-煤-氣作用。這些實驗在核磁夾持器中完成，先進行CH?吸附，再注入不同礦化度的重水溶液模擬壓裂液滲吸置換過程，最后進行降壓解吸，并利用核磁共振實時監(jiān)測CH?含量和賦存狀態(tài)的變化

實驗結(jié)論：

1.流體濃度差決定滲透壓差的方向性：當壓裂液礦化度低于儲層水時，滲透壓差表現(xiàn)為正向驅(qū)動力，可強化滲吸與CH?置換；當壓裂液礦化度高于儲層水時，則表現(xiàn)為反向阻力，可抑制濾失并提高返排能力。

1）A組實驗（低礦化度壓裂液侵入高礦化度儲層）的T?譜顯示，隨著濃度差增大，P1峰的信號幅度持續(xù)增加，滲吸量增幅顯著。

圖1?蒸餾水侵入含高礦化度溶解煤樣弛豫譜

2）B組實驗（高礦化度壓裂液侵入低礦化度儲層）則表明，當?shù)V化度差極大時，微孔中的滲吸體積明顯下降。

圖2 高礦化度壓裂液侵入含低礦化度溶液煤樣弛豫譜

3）C組置換驗證實驗進一步表明，對于含高礦化度溶液儲層，滲吸體積會經(jīng)歷“先減后增”的雙階段變化。

圖3 重水侵入含高礦化度重水溶液煤樣弛豫譜

2.流體礦化度通過潤濕性、滲吸/返排、孔隙水膜結(jié)構多級耦合機制，控制CH?由吸附態(tài)向游離態(tài)的轉(zhuǎn)化效率：注入階段礦化度越低置換效應越強；返排階段礦化度越高擴散受阻越弱。核磁共振監(jiān)測顯示，注入純重水、中礦化度重水溶液和高礦化度重水溶液后，CH?的置換率分別為23.13%、11.05%和2.46%。

圖4?不同礦化度流體驅(qū)替平衡后降壓解吸過程中甲烷核磁共振弛豫譜

降壓解吸實驗表明，含高礦化度重水溶液的煤樣與干燥煤樣類似，CH?解吸量在初期出現(xiàn)快速增加階段，而含純重水煤樣則存在明顯的阻滯效應。具體而言，含純重水煤樣在解吸初期（200分鐘前）沒有出現(xiàn)快速增加階段，至解吸平衡時其CH?解吸信號量最低（130.767），而干燥煤樣解吸量最多（信號量325.138）。這表明礦化度越低對氣體解吸的阻滯效應越強。其機理在于，礦化度越低，流體親水性越強，越容易進入微孔并形成水橋，從而顯著堵塞CH?擴散的有效路徑；反之，高礦化度誘導的疏水性增強可減少孔隙水膜對
CH?擴散的阻隔，同時壓縮雙電層釋放更多吸附位點，更易形成有利的氣相滲流通道。

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