水力壓裂孔隙損傷機理揭秘：低場核磁共振技術(shù)如何成為“洞察之眼”

在油氣田勘探開發(fā)領(lǐng)域，水力壓裂 技術(shù)是提高非常規(guī)油氣藏采收率的關(guān)鍵手段。該技術(shù)通過向地下巖層注入高壓壓裂液，迫使巖石產(chǎn)生并延伸新的裂縫，或?qū)⒃锌p隙撐開，從而有效擴大儲層的孔隙度和連通性，構(gòu)建起油氣高效流動的“高速公路”。然而，這一過程的本質(zhì)是對巖石介質(zhì)的一種損傷和改造，如何精準表征孔隙損傷的動態(tài)過程與內(nèi)在損傷機理，一直是優(yōu)化壓裂方案、最-大化提高采收率的核心難題。

傳統(tǒng)檢測方法的局限與痛點

在低場核磁共振技術(shù) 應(yīng)用之前，研究人員通常依賴聲發(fā)射技術(shù)、電阻率法或應(yīng)變計等傳統(tǒng)手段來監(jiān)測壓裂過程。這些方法雖然各有所長，但存在一個共同的痛點：它們難以無損、實時、定量地捕捉到流體滲透所誘導的微觀孔隙結(jié)構(gòu)損傷累積過程。

例如，聲發(fā)射技術(shù)能定位宏觀破裂的發(fā)生，卻無法揭示破裂前微裂隙的萌生與擴展；應(yīng)變計能測量宏觀變形，但對巖石內(nèi)部納米-微米尺度的孔隙變化無能為力。這種“只見森林，不見樹木”的局限，使得我們對水力壓裂過程中巖石內(nèi)部的損傷機理認知始終隔著一層“面紗”。

低場核磁共振技術(shù)：無損量化流體分布與孔隙損傷的利器

低場核磁共振技術(shù) 的引入，徹-底改變了這一局面。它是一種能夠無損、定量、可視化地表征流體（如水、油）在巖石復(fù)雜孔隙/裂隙網(wǎng)絡(luò)中三維分布與運移狀態(tài)的尖-端技術(shù)。其核心優(yōu)勢在于，它不破壞巖樣，就能實現(xiàn)對同一塊巖樣在整個壓裂或滲流實驗中全過程的連續(xù)監(jiān)測，從而同步量化流體滲透過程與最終的損傷演化結(jié)果。

技術(shù)原理簡介：
該技術(shù)基于氫原子核（如水體中的氫核）在磁場中的弛豫特性。流體在不同大小的孔隙中具有不同的弛豫時間（通常用T?表示）。大孔隙或裂縫中的流體自由度大，T?弛豫時間長；而小孔隙（如基質(zhì)孔隙）中的流體受孔壁束縛強，T?弛豫時間短。

通過分析T?譜，我們可以清晰地區(qū)分不同類型的孔隙空間：

T? < 10 ms： 通常對應(yīng)巖石的基質(zhì)孔隙，是流體的原始儲集空間。

T? > 10 ms： 則指示微裂隙或大孔隙，是壓裂改造后形成的主要滲流通道。

低場核磁共振在水力壓裂孔隙損傷研究中的應(yīng)用

精準表征孔隙損傷動態(tài)過程：
在水力壓裂模擬實驗中，研究人員可以持續(xù)對巖樣進行核磁掃描。通過對比壓裂前后T?譜的變化，能夠直觀地“看到”孔隙結(jié)構(gòu)的演變：原有的小孔隙（T?小峰）是如何合并、擴展，新的微裂隙（T?大峰）是如何萌生、貫通。這個過程就是孔隙損傷 最直接的證據(jù)。T?譜整體向右（即向弛豫時間增大的方向）移動，是孔隙系統(tǒng)整體變大的典型特征。

揭示深層損傷機理：
通過分析不同壓力階段、不同壓裂液性質(zhì)下的T?譜演化規(guī)律，可以深入揭示損傷機理。例如，可以研究是剪切損傷主導還是拉伸損傷主導；壓裂液的濾失效應(yīng)是如何先水化、弱化基質(zhì)，再通過壓力撐開裂隙的。這為理解“水力壓裂如何從微觀上改造巖石”提供了前所-未有的細節(jié)。

科學評估壓裂效果與指導優(yōu)化：
低場核磁共振技術(shù) 不單單可以在線評價造縫效果（通過T? > 10 ms的信號幅度和范圍判斷裂縫發(fā)育程度），更能表征后續(xù)的滲流機制。通過核磁共振成像，可以可視化評估壓裂后形成的復(fù)雜縫網(wǎng)中流體的波及效率與滯留情況，從而直接指導工程師調(diào)整壓裂參數(shù)（如排量、砂比、液性），以形成導流能力更強、波及體積更大的最-優(yōu)縫網(wǎng)，最終實現(xiàn)提高采收率的目標。

實驗案例：

NMR揭示損傷空間分布特征

在不同水力壓裂注入速率下，沿HF方向和垂直于HF的歸一化MRI信號強度的變化

水力壓裂巖石損傷核磁圖

低場核磁共振技術(shù) 憑借其無損、定量、能區(qū)分孔隙類型的獨特能力，成功彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足，成為研究水力壓裂過程中孔隙損傷與損傷機理的“洞察之眼”。它不僅讓我們從微觀尺度上清晰地解讀了巖石在水力作用下的破裂密碼，更為優(yōu)化壓裂設(shè)計、最-大化挖掘儲層潛力提供了堅實的數(shù)據(jù)支持和科學依據(jù)，是推動非常規(guī)油氣資源高效開發(fā)的一項革命性工具。