核磁共振横向弛豫时间谱，你用对了吗？

笔墨苍炎

本期为大家解读并推荐的文章，是2021年刚刚发表在《Energy & Fuels》上，来自中国地质调查局青岛海洋地质研究所吴能友所长团队，主要研究含天然气水合物土的低场核磁共振横向弛豫率演化规律及其对储层物性响应的影响。


在以往的研究中，通常默认假设含天然气水合物土的横向弛豫率不受天然气水合物含量及其孔隙赋存形式的影响，然而事实真的如此吗？


本文创新性的测定了不同天然气水合物含量条件下含天然气水合物土的横向弛豫率，揭示了不同孔隙赋存形式天然气水合物对横向弛豫率的影响规律，最后对渗透率预测及孔径分布表征提出了修正建议。


本文设计非常严谨，信息量很大，建议先收藏后阅读！


01
研究背景

天然气水合物是一种国际公认的潜在替代能源，也是我国第173号矿种，在南海有着广泛的分布和可观的储量。


2017年和2020年，我国先后在南海北部成功实施两轮天然气水合物试采，产气效率远超预期，但是要达到商业开采水平仍需要克服重多挑战。其中，含天然气水合物土的渗透率测定及其演化过程预测是面临的重多挑战之一，迄今为止并未得到很好的解决。


低场核磁共振技术具有快速无损测量的特点，在多孔介质孔隙结构表征与基础物性研究方面具有优势，应用于天然气水合物研究已有近20年历史，核磁测井也成为天然气水合物钻探测井的常用手段，是测定天然气水合物储层原位渗透率的有效方法。

图：水合物的检测方法（其中NMR以其快速、无损、绿色、在线、数据形式丰富等特点受到青睐）


关于核磁共振在天然气水合物中的应用，之前的文章：
天然气水合物的合成过程及分布位置研究（2019）


然而，这些工作通常假设含天然气水合物土的横向弛豫率不受天然气水合物含量及其孔隙赋存形式的影响，在生成与分解过程中是恒定不变的。

已有研究表明，多孔介质的核磁共振横向弛豫率的大小受孔隙水与骨架矿物液—固界面矿物性质控制。



天然气水合物生成与分解过程中，固相天然气水合物的聚集与消散必然引起液—固界面矿物性质的变化，进而导致横向弛豫率的变化，然而具体如何变化，尚未有研究工作加以澄清，由此导致的渗透率预测及孔隙结构表征误差也不甚清楚。


本文结论

• 本研究联合使用低场核磁共振技术与X射线计算机断层扫描技术，基于联测数据确定了含天然气水合物土的横向弛豫率，分析了天然气水合物孔隙赋存形态对横向弛豫率演化过程的影响规律。
  
  
  
• 基于此对渗透率预测及孔隙结构表征提出了修正建议，为含天然气水合物土低场核磁共振技术定量分析提供了重要的科学依据。
  

01
实验设计及方法
实验设计这一part非常重要，犹如一篇文章的灵魂，建议大家要仔细看看，从中汲取灵感。


在湿砂中生成氙气水合物，制成水饱和含氙气水合物砂样。然后逐步降压分解氙气水合物，每次降压待系统稳定后，进行一次联合测试，获得横向弛豫时间谱和灰度图像。


基于灰度图像提取孔径分布曲线，与横向弛豫时间谱进行互相关分析，进而确定不同水合物饱和度条件下含氙气水合物砂样的横向弛豫率。

▲图1 本文利用核磁共振技术涉及的应用


注：关于核磁共振测试孔隙度、孔径分布的原理部分不再赘述，了解更多请进入“纽迈分析”公众号，回复“孔径”
实验系统
本研究采用的低场核磁共振系统由青岛海洋地质研究所与苏州纽迈分析仪器股份有限公司联合研发，型号为MesoMR23-060H，能够满足天然气水合物实验测试所需的低温和高压需求。

▲图2. 中尺寸核磁共振成像分析仪（搭配低温高压系统）
附件系统未显示，详情请联系我们获取


03
实验结论分析
01
不同水合物饱和度条件下含氙气水合物砂样的横向弛豫率的变化

▲图3. 含氙气水合物土的横向弛豫率


不同水合物饱和度条件下含氙气水合物砂样的横向弛豫率实验数据如图3b中黄色圆点所示。


可以看出，随着氙气水合物饱和度的增加，含氙气水合物土的横向弛豫率先增大后减小，但是其值始终大于纯砂样的横向弛豫率大小，这说明孔隙水与氙气水合物的界面要比孔隙水与石英砂的界面对水分子的弛豫效果更好。


本研究还推导出了含颗粒表面型（GC）、孔隙中心型（PF）、颗粒接触型（GT-C/GT）或团簇型（Py）天然气水合物土的横向弛豫率演化模型，如图3b所示。基于此模型分析发现，上述横向弛豫率先增大后减小的现象是由氙气水合物的孔隙赋存形式演化行为所控制。


02
内基于核磁共振横向弛豫时间谱的SDR模型的修正

▲图4.基于核磁共振横向弛豫时间谱的SDR模型计算储层渗透率情况


在传统油气领域，SDR模型常被用来计算储层原位渗透率，该模型也在天然气水合物钻探测井中使用。


考虑横向弛豫率变化与否的渗透率计算结果如图2所示。图中黄色圆点表示横向弛豫率为常数的计算结果，而红色圆点表示采用图4中横向弛豫率实验数据的计算结果。显然，如果不考虑横向弛豫率的变化，SDR模型确定的储层渗透率存在误差，需要进行修正。


自然界粗粒储层中的天然气水合物以团簇状为主，此时的横向弛豫率可近似认为是常数，SDR模型计算结果不需要修正。但是当天然气水合物分解时（比如开采），团簇型的天然气水合物逐渐变为孔隙中心型或者其它类型的天然气水合物，那么此时的SDR模型计算结果则需要进行适当修正。

▲图5.基于核磁共振横向弛豫时间谱的孔径分布曲线与土水特征曲线转化情况


核磁共振的横向弛豫时间谱定性反应孔隙尺寸，如果要定量描述孔隙尺寸，则需要使用横向弛豫率进行换算。基于本研究实验数据，考虑横向弛豫率变化与否的孔径分布曲线及土水特征曲线如图5所示。


可以看出，横向弛豫率的变化将对孔径分布曲线及土水特征曲线造成影响，进而引起水气两相渗流行为预测的误差，这极有可能导致场地尺度下天然气水合物开采产能模拟结果的失真。


04
结论与意义
核心结论
受低温和高压实验条件的限制，直接测定含甲烷水合物土的横向弛豫率非常困难。但是本研究首次揭示了天然气水合物对及土样横向弛豫率的影响，这对于天然气水合物领域低场核磁共振技术向定量分析发展具有重要意义

• 随着氙气水合物饱和度的增加，含氙气水合物砂样的横向弛豫率先增大后减小，这种变化是由氙气水合物孔隙赋存形式演化所致；含氙气水合物砂样的横向弛豫率始终大于纯砂样品的横向弛豫率，说明孔隙水与氙气水合物的界面对水分子的弛豫效果更强。
  
• 考虑到含天然气水合物土的横向弛豫率变化，基于核磁共振图谱确定的SDR模型渗透率及孔径分布曲线等需要进行修正，但是对于自然界粗粒沉积物中团簇型天然气水合物的情况，可不做修正。
  

来源：https://www.bilibili.com/read/cv19849823
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！