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核磁揭示动态自渗过程
发布时间:2020-04-03   点击次数:603次

【油气专栏】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:

表1 样品的基本参数

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

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

核磁气水分析系统装置图

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3:渗吸过程核磁谱变化

图,4:不同孔隙类型渗吸量变化

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,等于是最大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

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

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

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,而气体则在孔隙中心处流动,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.

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