核磁揭示动态自渗过程

1.背景介绍：

       气水渗流能力对煤层气井的产量具有重要影响，气水两相流动过程伴随着煤层气开发的各个环节，而自发渗吸几乎是所有亲水煤储层都会发生的情况。然而对于渗吸后造成了储层渗透率损害及其影响因素研究并不系统，并未给出明确的结论。

       这是由于渗吸一方面可以促进煤层气体解吸，这是对气藏开发有利的一面；另一方面，渗吸过程增加了储层含水饱和度使得气相渗透率大幅下降，这是不利的一面。因此本文研究目的就是探究煤岩的渗吸规律及其对渗透率的影响。

2.样品特征：

       渗吸实验的样品取自三个盆地，沁水盆地，鄂尔多斯盆地和塔里木盆地，覆盖了从低阶煤到高阶煤。样品的基本参数如下表所示：

       在钻取煤岩岩心过程中，尽量减少对岩心原始润湿性的影响。岩心的尺寸大约为长50mm，直径25mm，这样大小的岩心便于核磁检测。岩心的外围均用砂质打磨光滑，确保气体驱替过程中气体不会从岩心边部流动。

3.实验方法与装置：

       整体的实验流程包括实验准备阶段，润湿性评价阶段，自发渗吸实验阶段，和气体驱替测渗透率阶段。

01.自发渗吸实验

       首先将样品在105°C的烘干箱中干燥24小时，干燥完全的样品首先进行一次核磁测试作为基底信号。渗吸实验中，将岩心用细线悬挂在封闭的容器中，容器中盛有去离子水作为渗吸的流体，通过调整细线的高度使得煤岩底表面恰好与水的表面接触，水从煤岩底部吸入（同向渗吸）如图1。

       在进行核磁测量时，为了防止核磁线圈放热造成的水分蒸发，将岩心置于长颈玻璃试管中进行测量。实验在室温的环境下进行，温度约为26度。煤岩自吸的水的量通过核磁共振T2谱检测，考虑到自吸速率先快后慢，因此在自吸初期，每10分钟进行一次测量，在自吸后期，约2小时进行一次测量。

图1：煤岩自发渗吸与气体驱替测试

02.气体驱替实验

       为了探究自吸后水分对气体渗流能力的影响，还进行了气体驱替实验。气体驱替选用氦气，这是由于氦气属于非吸附性气体，不会由于气体吸附而使得孔径变化。为了模拟地层条件，对低阶煤施加2.8MPa的围压，对高阶煤施加3.2MPa的围压，该数值是从采样深度估算出来。气体驱替实验的测量装置如图2所示，主体为岩心驱替装置，核磁测量装置和数据采集系统三部分构成。核磁共振仪器为纽迈分析的Meso23-060H-I中尺寸核磁共振成像分析仪。

图2：核磁气水分析系统装置图

4.实验结果与讨论：

01.渗吸过程核磁谱特征

       根据图3，低阶煤具有明显的两个连续的谱峰，左边的峰大致位于弛豫时间0.1~1ms之间，代表小孔中水的表面弛豫；右边的峰大致位于5~100ms，主要来自于中大孔中的表面弛豫。谱峰显示其孔隙的连通性较好。高阶煤样品只展现了一个位于0.1~1ms 的小孔的谱峰。对于高阶煤样品SYQ，在弛豫时间大于100ms处出现了第二个较小的核磁谱峰，并且与小孔的谱峰并不连通，这是由于微裂隙中水的弛豫信号造成的。在渗吸过程中，各级孔裂隙水的信号都是随着时间增加的，但是不同孔隙增加幅度不同（图4）。

图3：渗吸过程核磁谱变化

图4：不同孔隙类型渗吸量变化

02.煤级对渗吸的影响

       自吸能力C值可以用来评价煤级对自发渗吸的影响程度。它是用来表征自吸程度强弱的参数，等于是Zda自吸体积与孔隙体积的比值。图5为不同样品的自吸能力C值分布，低阶煤的C值平均值为0.81，高阶煤的C值平均值为0.46，这体现低阶煤相比于高阶煤，具有更强的自吸能力，在自吸平衡后，几乎八成的孔隙都被水占据。同时发现C值等于0.65可以大致作为通过自吸实验来区分低阶煤与高阶煤的分界线。

图5：不同样品的自吸能力C值分布

03.润湿性对渗吸的影响

       通过润湿角测试获得了不同煤岩的亲水能力，亲水性越强的样品，水更容易在其表面与内部铺展，从而驱替非润湿相流体。煤岩的润湿性受到煤岩组分，流体性质，测试环境与压力等诸多因素影响。图6展示低阶煤的自吸速率明显快于高阶煤，这与润湿性的测试结果也是对应的。通过C值与润湿角的关系，也得出结论，润湿角越小（亲水性越强），自吸能力C值越大。

图6：自吸能力C值与润湿角的关系

04.渗吸对气测渗透率的影响

       图7给出了渗透率损害指数与润湿角的关系，二者呈现正相关关系。图中左侧的四个数据点属于低阶煤，它们的润湿角均小于70度，由于较强的亲水性和较好的孔隙连通性，低阶煤的C值要更大，即吸入体积与孔隙体积的比值更大。但是相对于高阶煤，低阶煤的渗透率损害却较小。

图7：渗吸造成渗透率损害与润湿角的关系

是什么原因导致低阶煤自吸的量多而渗透率损害反而小呢？

       分析认为，低阶煤的渗透率将近为高阶煤的两个数量级，这意味这水分入侵在高阶煤中更容易形成水锁效应和贾敏效应。大约九成的渗透率损害对应于高阶煤中45%的含水饱和度。然而对于低阶煤来说，其本身孔隙空间较大，当水分在毛管力作用下渗入岩心时，水分倾向于沿着孔隙内壁侵入，而气体则在孔隙ZX处流动，因此水分并没有完全堵住孔隙，水锁效应和贾敏效应并不明显，因此低阶煤还保留了一部分渗透性。

5.对气藏开发的指导意义：

       实验结果流体与煤层的自吸作用对于不同储层类型是不同的，这对于实际水力压裂以及生产制度的选择具有一定指导意义。具体来说，对于低阶煤储层，其较强的亲水性是大量流体渗吸进入煤层的关键，因此可以通过润湿反转的方法降低储层的亲水性，从而减小流体自吸量；而对于高阶煤储层，其本身并不是很亲水，制约生产的主要因素是其较低的渗透性，因此在开发过程中要尽量减少储层伤害来提高产气量。

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.