基于低場核磁技術(shù)的二氧化碳泡沫壓裂與碳封存研究

近年來，全球能源需求持續(xù)增長，天然氣作為更清潔的化石燃料地位日益重要，而致密氣作為一種關(guān)鍵的非常規(guī)天然氣資源，在中國鄂爾多斯、四川和松遼盆地廣泛分布。然而，致密氣藏滲透率通常較低，不經(jīng)過增產(chǎn)措施難以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)開采。傳統(tǒng)水力壓裂不僅耗水量巨大，在缺水地區(qū)面臨挑戰(zhàn)，而且在水敏性地層中易引發(fā)黏土膨脹和水鎖效應(yīng)，導(dǎo)致儲層傷害和產(chǎn)量下降。因此，研究者致力于開發(fā)無水壓裂技術(shù)。CO?泡沫壓裂作為一種先進的CO?基壓裂技術(shù)，因其增強支撐劑輸運能力、降低濾失量等優(yōu)勢，在致密氣藏應(yīng)用中極具前景。此外，該技術(shù)還具備地下CO?封存的潛力，有助于減少碳排放。

盡管該技術(shù)潛力巨大，但關(guān)于CO?泡沫壓裂后壓裂液的返排行為和CO?封存潛力的研究仍然不足。本案例正是結(jié)合物理驅(qū)替實驗與低場核磁共振技術(shù)，研究了泡沫質(zhì)量對壓裂液返排效率、微觀滯留特性及CO?封存效率的影響，考察了現(xiàn)場尺度下泡沫質(zhì)量、注入速率、注入體積和浸泡時間等參數(shù)的作用。

低場核磁（LF-NMR）技術(shù)在本案例中的應(yīng)用主要體現(xiàn)了以下優(yōu)勢：

非破壞性表征：該技術(shù)可在不破壞巖心樣品的前提下，通過測量橫向弛豫時間 T_2? 來研究孔隙結(jié)構(gòu)和流體分布。

區(qū)分不同尺寸孔隙中的流體：由于 T₂? 主要受表面弛豫控制，與孔隙比表面積相關(guān)，因此可依據(jù) T₂? 值大小區(qū)分小孔隙和大孔隙，評估不同孔隙中氫流體的含量變化。

定量獲取微觀滯留信息：通過比較飽和狀態(tài)與返排后 T₂譜的積分面積，能定量計算壓裂液在小孔隙、大孔隙及所有孔隙中的滯留百分比，為研究二氧化碳泡沫壓裂及碳封存機理提供幫助。

科研案例：CO₂?foam-assisted fracturing fluid flowback and CO₂?sequestration in tight sandstone gas reservoirs: Experimental and numerical study^[1]：

實驗方案：

1.巖心加工與物性測試：將制備好的巖心在110 ℃烘干24 h，測量干重、長度、直徑，采用氣體滲透率測試法測定滲透率。

2.巖心飽和與NMR測試：模擬地層水真空飽和48 h，測量濕重并計算孔隙度；對飽和巖心進行核磁共振測試，獲取初始T?譜。

3.CO?泡沫制備與注入：使用泡沫發(fā)生器制備指定泡沫質(zhì)量的CO?泡沫壓裂液（先加入壓裂液，再注入指定體積的CO?）。在15 MPa、120 °C條件下，以0.01 mL/min的恒定速率將CO?泡沫注入巖心夾持器。注入過程中詳細記錄壓力變化；注入結(jié)束后關(guān)閉入口，使整個系統(tǒng)處于關(guān)井狀態(tài)。

4.壓裂液返排：關(guān)井結(jié)束后，逐步打開入口開始返排。返排流體進入氣液分離器，分離壓裂液與CO?。詳細記錄返排壓裂液質(zhì)量和CO?體積，直至無液滴出現(xiàn)。返排結(jié)束后稱量巖心質(zhì)量并進行NMR測試，計算壓裂液返排效率和CO?封存效率。

5.不同泡沫質(zhì)量實驗：分別制備泡沫質(zhì)量為50%、60%、70%的CO?泡沫壓裂液，重復(fù)步驟（2）至（4），研究泡沫質(zhì)量對返排效率和CO?封存效率的影響。

實驗結(jié)論：

本文基于低場核磁技術(shù)，研究了CO?泡沫壓裂在致密砂巖氣藏中的應(yīng)用，重點評估壓裂液返排效率、壓裂液微觀滯留特征以及過程中的CO?封存潛力。

圖一：CO₂泡沫壓裂液返排前后弛豫譜

圖一：通過對比巖心在初始水飽和狀態(tài)（紅色實線）與壓裂液返排后狀態(tài)（黑色虛線）的核磁共振弛豫譜，來表征壓裂液的滯留情況。分析表明，壓裂液返排后，小孔隙區(qū)域（對應(yīng)弛豫時間較短處）的曲線幅度（S?）仍顯著高于水飽和狀態(tài)（S?），說明大量壓裂液滯留在小孔隙中。信號面積可用于計算不同孔隙中壓裂液滯留的比例，定量評估返排效果。

圖二：不同CO₂泡沫質(zhì)量壓裂液返排前后弛豫譜

圖二：在不同CO?泡沫質(zhì)量下（50%、60%和70%），壓裂液在巖心中的微觀滯留特征。隨著CO?泡沫質(zhì)量從50%增至70%，返排后的T?譜曲線幅度下降得更為明顯，說明提高泡沫質(zhì)量有助于減少壓裂液在各種孔隙中的滯留。

低場核磁共振技術(shù)，可以表征壓裂液的微觀滯留特征，根據(jù)T?譜面積，可以分別計算壓裂液在小孔隙和大孔隙中的滯留百分比，從而定量評估其微觀滯留行為。通過對比不同CO?泡沫質(zhì)量下返排前后的T?譜曲線變化，可以評估工藝參數(shù)對滯留的影響，同時評價CO?封存潛力。

推薦設(shè)備：

大口徑核磁共振成像分析儀

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[1] Bo Han, Hui Gao, Yuanxiang Xiao, et al. CO₂ foam-assisted fracturing fluid flowback and CO₂ sequestration in tight sandstone gas reservoirs: Experimental and numerical study[J]. Geoenergy Science and Engineering, 2026.