基于NMR 與CT 的煤儲層孔裂隙結構及滲透性研究進展

鄭 涵 劉愷德 李曉龍 李姝佳

（1、西京學院 土木工程學院，陜西 西安710123 2、西京學院 陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安710123 3、中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

1 概述

我國作為煤炭資源大國，煤層氣資源也十分豐富，約占世界總量的14%。據國土資源部煤層氣資源評價結果可知，全國42 個主要的含氣盆地埋深2000m 以淺的煤層氣地質資源量為36.81×1012m3，與國內目前常規天然氣的資源量38.04×1012m3基本相當。

其中，1500m 以淺煤層氣可采資源量為10.87×1012m3[1]。煤層氣是在煤化作用過程中形成，蘊藏于煤層中，以甲烷為主的混合氣體，也稱煤層吸附氣、煤層甲烷或煤層瓦斯[2]。煤層氣是我國重要的能源，常被作為化工原料和清潔的氣態燃料，且能夠起到積極保護環境的作用。

因此，加快我國煤層氣開發，在很大程度上可改善我國能源安全局勢、煤礦安全條件及提升環境保護。

但是，我國的煤層具有滲透率低、壓力小、低飽和的特征，使得煤層氣抽采難度增大[3]。

其中，煤儲層的孔裂隙結構和滲透特征是影響煤層氣開采的重要因素。

學者們在煤儲層孔裂隙結構及滲透性特征方面已經開展了大量的研究。王福軍等[4]對大佛寺低階煤的瓦斯儲層滲透性和關鍵受控因素進行了分析；杜敬國等[5]開展了高階煤的煤層氣儲層裂縫發育程度及其滲透性定量評價研究；梁霄等[6]對我國煤儲層滲透性開展了核磁實驗分析及測井評價研究；Zhou S等[7]利用低場核磁共振技術表征了煤巖孔裂隙的分形特征；鄭貴強等[8]利用核磁共振實驗技術進行了煤孔徑分析的應用研究；Golsanami N 等[9]通過巖石物理反演和核磁共振數據進行了裂縫與基質孔隙識別；姚艷斌等[10]開展了基于NMR 和X-CT 的煤的孔裂隙精細定量表征研究；Shi X 等[11]基于微CT 掃描和分形理論分析了煤的微米級孔裂隙特征；賈小寶等[12]基于微焦點顯微CT 技術開展了不同煤體結構煤的孔裂隙定量表征研究；Wang G 等[13]利用CT 技術與分形理論構建三維模型分析了煤的孔裂隙結構；Yao Y 等[14]使用微焦點CT 掃描技術對煤樣進行無損表征。

上述研究工作，為煤儲層孔裂隙結構及滲透性研究奠定了重要基礎。因此，為了做好基于低場NMR 與CT 技術的煤儲層孔裂隙結構及滲透性評價工作，文章將分別從低場NMR 與CT技術原理及其對孔裂隙結構表征和滲透性分析方法以及研究者們對孔裂隙結構及滲透性的研究進展，進行煤儲層孔裂隙結構及滲透性綜合分析，以為我國煤層氣勘探開發提供一定的參考依據。

2 低場NMR 技術在孔裂隙和滲透性方面的應用研究

低場核磁共振技術的應用，主要是根據不同原子核的不同共振頻率獲得氫原子的信息。飽水后的煤樣中，含氫核流動體始終存在于煤樣固體骨架之間。

因此，根據氫核的磁性與外加磁場的疊加原理，獲取煤樣孔隙中流體氫核核磁共振弛豫信號的弛豫速率與強度，從而獲得煤樣孔隙結構特征和流體信息[15]。

2.1 NMR T2 對孔裂隙結構特征的表征方法

利用低場NMR 技術測量煤孔隙結構中含氫原子流體的T2譜，從中獲取煤的孔隙度、連通性、孔徑的分布特征以及煤的各種物性參數。T2譜中T2截止值的選取，通常是通過實驗室內離心實驗獲得，不同煤的巖性和孔隙結構數值不同，且與T2譜圖中拐點的位置無關。它將T2譜劃分為兩個部分，分別為可動流體和束縛流體，大于T2截止值的為可動流體，而小于T2截止值的為束縛流體，也可稱為不可動流體[10，16]。對于煤中大小不同的孔隙，其NMR 產生的衰減時間也就不同，對于小孔隙的NMR產生的衰減時間一般短，T2弛豫時間也就短，T2幾何均值也就小。

因此，隨著煤的孔隙的增大，NMR 產生的衰減時間增長，T2弛豫時間也就變長，T2幾何均值也就變大。

由于煤的不同孔隙的橫向弛豫時間T2不同，其分布在T2譜上的位置也就不同。

因此，根據T2譜的內容可以進行孔隙和裂隙不同級別的劃分[6]。T2峰分布在0.5-2.5ms 之間為微小孔；T2峰分布在20-50ms 之間為中大孔，且一般小于微小孔峰；T2峰分布在大于1000ms 段為裂隙，通常在部分裂隙發育的煤[8，10]。

2.2 滲透性特征

2.2.1 NMR T2譜峰值表征方法

利用NMR T2譜中的不同峰的分布位置，可分析煤的孔隙、裂隙結構的特征。NMR T2譜中，峰值一般越靠近左側，表明煤的孔隙、孔徑越小，弛豫的速度快、時間短，微孔隙越發育，可動流體部分越少，流體大部分為束縛狀態，反映了煤層的微孔隙為差儲集層特征。峰值靠近右側，產生的弛豫時間較大，弛豫的速度較慢、時間長，中、大孔隙越發育，流體大部分為可動狀態，反映煤層的裂縫為好儲集層特征，它含的可動流體多，滲透性好[8]。

2.2.2 NMR T2譜峰的連續性表征方法

T2譜峰之間大小分布連續性好，孔隙和裂隙（割理）相差較小，則孔隙間的連通性好，T2譜峰之間大小分布連續性差，孔隙間的連通性則差[10]。T2譜中的兩峰型和三峰型，一般以弛豫時間10ms 左右，作為兩譜峰之間的分割點，進行T2譜峰連續性的特征分析[10，12]。

2.3 核磁共振滲透率模型

煤儲層滲透率表現為允許流體通過煤結構的能力，它與煤巖的孔隙度、孔隙的表面積與體積的比值有關。且煤巖的NMR T2截止值與孔隙的表面積與體積的比值相關，因此通過NMR T2截止值的選取，可以計算煤巖可動流體、束縛流體的體積，最終利用NMR 的Coates、SDR 滲透率模型估算煤巖滲透率[17]。

2.3.1 Coates 模型與SDR 模型

式（1）中，φNMR為鹽水飽和巖心樣品的NMR 孔隙度（%），FFI 為T2截止法求得的可動水體積；BVI 為T2截止法求得的束縛水體積；Cn1為模型參數，具有地區經驗性，與地層類型有關[18]。

式（2）中，利用鹽水飽和巖樣的NMR 孔隙度φNMR以及T2加權法求得的可動水體積φNMRb和束縛水體積φNMRb計算滲透率，模型參數為Cn2[17]。

Coates 兩個模型的主要區別在于確定束縛流體體積的方法不同。

Coates-cutoff 模型使用的是T2截止值計算可動和不可動流體體積比，即在離心脫水前的T2譜中，T2截止值前面的T2譜面積與T2總面積之比。

Coates-sbvi 模型使用的是T2加權法，即T2譜的每一個分量T2i都包含束縛水的貢獻，只是貢獻的大小不同，但貢獻率的大小通過加權的方法求束縛水飽和度[18]。

式（3）中，φNMR為鹽水飽和巖心樣品的NMR 孔隙度，T2g為T2譜的幾何平均值，模型參數為Cn1。該模型以平均弛豫時間為參數，不受束縛水模型的影響。但對測量孔隙中流體的性質很靈敏，當巖石孔隙中含有烴（油或天然氣）時，T2譜的幾何平均值會發生變化[19]。

2.3.2 Coates 與SDR 模型對比分析

Coates 滲透率模型相對SDR 滲透率模型更靈活，由巖芯刻度可知，不同地層的滲透率計算，可以采用Coates 滲透率模型[18]。計算含烴地層的滲透率時，BVI 中不包括烴的貢獻，BVI 也不受其它流體的影響[17]。

Coates、SDR 兩個滲透率模型計算結果都表示骨架滲透率，因此在裂縫性地層，滲透率值普遍都偏小[19]。

3 CT 技術在孔裂隙和滲透性方面的應用研究

CT 技術是應用計算機斷層掃描技術對煤樣的內部結構進行無損探測的一種方法，它的原理是利用X 射線穿透煤樣，從而收集煤中物質的吸收而衰減的射線強度，其值的大小采用CT數表示，且它可以表現出煤體結構內部的孔裂隙結構信息[20]。

3.1 CT 技術表征孔裂隙結構特征的方法

煤中氣體吸附和運移的場所是孔隙裂隙，作為支撐骨架的礦物、機組分，密度差異明顯。煤的孔隙、裂隙發育程度以及礦物質種類、含量與密度都對煤的CT 數大小產生影響。相同條件的情況下，煤樣的CT 數較高，其一般具有較高礦物質含量[10]。不同的煤巖樣品，相同CT 數，CT 像素頻數曲線也具有不同的特征[20]。

CT 數的大小，用二元黑白圖像像素的大小來表示，CT 數較低的是表現為深黑色為空隙部分，CT 數較高的表現為亮白色為礦物部分，而表現為灰色其CT 數介于煤基質二者之間[21]。

CT 數分布特征中表現無裂隙時，CT 數直方圖具有單峰曲線的特點。CT 數分布特征中表現有裂隙、空間發育時，CT 數直方圖呈現多峰曲線的特點[22]。煤的三元介質中礦物CT 數為3000HU 左右、有機組分CT 數小于600HU、孔裂隙CT 數為1000～1800HU[10]。

3.2 滲透性特征

近年來，學者們采用多種手段對煤儲層的滲透性特征進行了研究。本文將著重從基于CT 技術采用分形維數、三維數字煤心進行煤儲層滲透性特征分析，以期為煤儲層滲透性研究提供參考價值[23]。

3.2.1 利用分形維數表征滲透特征的方法

煤中非均質性的孔徑結構可以采用分形維數定量表征，它的變化與孔隙分布特征密切相關。煤中不均勻的分布著各種孔隙，隨著孔隙的增多，分形維數也逐漸增大。分形維數的大小反映了煤的滲透率的高低，孔隙率、滲透率與分形維數呈現顯著的冪指數正相關關系，因此基于CT 切片的煤孔隙分形維數可作為煤儲層孔隙特征和滲透性評價的定量指標之一[23]。

3.2.2 三維數字煤心表征滲透性特征的方法

基于CT 技術的三維重構可進行三維可視化定量精細表征煤的孔裂隙結構，相對精細地表征煤的孔裂隙形態特征、孔裂隙尺度及空間分布特征的演化趨勢，且定量反映煤巖滲透性能。

從構建的三維數字煤心中提取孔裂隙網絡模型，分析孔裂隙的發育程度和各孔裂隙之間的關系，可以很直觀地展現孔裂隙和礦物在煤的內部立體空間的分布形態[22]。

4 NMR 與CT 技術的對比分析

4.1 NMR 與CT 技術的不同

低場NMR 與CT 技術為目前最常用的先進的無損檢測方法，兩者在形式上有相似之處，但兩者的核心原理完全不同。CT技術是利用X 射線對煤樣進行照射，獲得衰減系數進行無損探測煤樣的內部結構，它的圖像反映的是煤樣密度或原子數的三維空間分布。

NMR 技術是對煤樣中的含氫原子流動體以及含氫原子流動體與煤樣表面的相互作用進行無損探測，NMR 技術的圖像表現的是含氫原子流動體在煤樣中的分布和聚集形態，以及反映含氫原子流體之間以及含氫原子流體與煤樣固體骨架之間的相互作用，可以為多相、多場耦合滲流力學研究提供良好的研究基礎。

CT 在分辨率上存在局限性，CT 分為工業CT、微焦點CT 和納米CT，不同的CT 分辨率不同，可觀察的樣品的清晰程度也就不同，納米級CT 分辨率＞微焦點CT＞工業CT。然而，低場NMR 對飽水后煤樣的孔隙和裂縫的識別精度可直接達納米級。

4.2 NMR 與CT 技術結合的優點

低場NMR 在區分煤的有效孔隙度與束縛水孔隙度，以及確定煤的孔隙結構方面具有優勢，而微焦點CT 技術在全方位表征煤的孔裂隙信息方面具有優勢，兩者都是先進的實驗手段，然而再先進方法也存在不可避免的局限性，如果我們在進行單一實驗時輔以另一先進手段，那么由于單一方法所帶來局限性或將大為降低。將二者相結合可實現對煤的孔裂隙類型、有效孔隙度、孔徑結構分布和孔裂隙的空間配置的精細定量化表征以及對煤層氣吸附- 滲流規律的深刻認識帶來巨大的進步。

4.3 NMR 與CT 技術綜合研究現狀

黃家國等用低場NMR 測量孔隙度，進行孔隙大小分布，孔隙連通性和可動流體分析，配合CT 掃描重構樣品的三維模型，觀察孔裂隙的空間配置特征，以得到更完善的頁巖儲層孔隙結構資料。

徐曉萌[18]等應用NMR 技術對煤樣孔隙類型、連通性、孔徑分布等特性進行分析，結合CT 掃描測試結果探究了煤樣的物相組成、礦物質成分及表觀形貌特征。

其中NMR 的測試結果與CT 掃描的三維可視化分析結果相吻合，證實樣品具有較高的非均質性。且NMR 技術能較好彌補CT 掃描在微孔觀測中的不足，呈現出更為具體的煤樣內部微觀孔隙特征。

因此，鑒于CT 技術空間分辨率的限制，可結合NMR 微觀方法進一步精細描述不同變質變形等環境中煤巖孔裂隙結構的特征及其對煤巖滲透性的分析。

5 結論與展望

5.1 結論

（1）低場NMR 技術雖然較多的應用到了煤層氣領域，具有快速、無損、測量準確等優點，在一定程度上彌補了現有測試方法的不足。其受煤巖骨架的影響也較小，可更為精細地表征煤巖的孔隙大小分布，測試孔隙度，進行孔隙連通性和可動流體分析，反映煤巖的總體情況，但是與CT 相比，低場NMR 對樣品的孔裂隙結構三維可視化的表達仍有很大研究空間。

（2）CT 掃描能夠快速、無損的實現對煤的三維可視化精細表征，可較為準確的測定孔裂隙的尺度、孔裂隙間相互關系，以及孔裂隙的空間發育和展布特征等精細化信息。但是，在不同的CT 儀中依然存在分辨率的局限性、以及無法快速反映流體之間以及流體與固體骨架之間的相互作用。

5.2 展望

（1）針對我國煤儲層的“三低”特征現象，煤層氣在開采中可綜合利用低場NMR 與CT 技術對煤巖系統中的孔裂隙進行研究，更加精細準確的分析煤儲層孔裂隙結構和滲透性。

（2）仍然需進一步研發可視化、高精度的低場NMR 儀；完善CT 分辨率的局限性、加快圖像重構算法；拓展基于多因素共存的低場NMR 與CT 技術，實現對多因素影響條件下的模擬，將是低場NMR 與CT 技術在煤儲層研究領域的主要發展趨勢。綜上將會為我國地面煤層氣抽采和井下瓦斯災害防治提供參考依據。