低場核磁優(yōu)化CO?競爭吸附解析，實現(xiàn)煤層氣提高采收率

在我國的能源戰(zhàn)略中，煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，其商業(yè)化開發(fā)意義重大。然而，煤層氣開采長期面臨“采出率低、效益差”的困境。要實現(xiàn)高效的煤層氣提高采收率，必須攻克儲層低滲透、強非均質(zhì)性和改造效果評估滯后三大核心痛點。在這一背景下，低場核磁共振技術(shù) 以其獨特的無損、精準(zhǔn)、動態(tài)監(jiān)測能力，正成為解鎖煤層氣藏潛能、優(yōu)化增產(chǎn)措施的革命性工具，尤其是在指導(dǎo)二氧化碳競爭吸附解析 等前沿增采技術(shù)方面，展現(xiàn)出無可-比擬的優(yōu)勢。

一、應(yīng)用背景：煤層氣開采為何呼喚新技術(shù)？

傳統(tǒng)的煤層氣開采依賴于降壓解吸，但煤儲層獨特的“雙孔隙結(jié)構(gòu)”（基質(zhì)孔隙和裂隙系統(tǒng)）帶來了巨大挑戰(zhàn)：

氣體解吸困難：超過90%的煤層氣以吸附態(tài)存在于煤基質(zhì)的微納米孔隙中。這些孔隙連通性差，導(dǎo)致氣體難以解吸并流向井筒。

儲層“看不清”：煤儲層非均質(zhì)性極-強，裂隙網(wǎng)絡(luò)分布如同錯綜復(fù)雜的“地下迷宮”。常規(guī)測井和巖心分析難以精準(zhǔn)描繪出流體的有效運移通道。

措施“盲目性”：注水壓裂等儲層改造措施的效果評估嚴(yán)重滯后，無法實時獲知壓裂裂縫的延伸情況和氣體解吸動態(tài)，導(dǎo)致開發(fā)方案調(diào)整猶如“盲人摸象”。

因此，行業(yè)亟需一種能夠“直視”煤孔隙內(nèi)部、動態(tài)追蹤氣體運移、并科學(xué)評估增產(chǎn)效果的技術(shù)。低場核磁共振技術(shù) 的引入，恰好填-補了這一空白。

二、技術(shù)原理：低場核磁共振如何“看清”煤層氣？

低場核磁共振技術(shù)的核心在于利用氫原子核（1H）在磁場中的弛豫特性來探測物質(zhì)內(nèi)部信息。在煤層氣研究中，氫原子存在于水、甲烷（CH?）等流體中。

其基本原理是：
當(dāng)煤巖樣品或儲層處于一個穩(wěn)定的主磁場中，其中的氫原子核會被極化。施加一個特定的射頻脈沖后，氫核會發(fā)生共振，吸收能量。當(dāng)脈沖停止，氫核會逐漸釋放能量并恢復(fù)到初始狀態(tài)，這個過程稱為“弛豫”。弛豫過程包含兩個時間常數(shù)：橫向弛豫時間（T?）和縱向弛豫時間（T?）。

對于煤層氣研究而言，T?弛豫譜是關(guān)鍵的診斷工具：

小孔隙對應(yīng)短T?：束縛在煤基質(zhì)微小孔隙中的水或吸附氣，受孔壁作用強，弛豫很快，T?時間短。

大孔隙/裂隙對應(yīng)長T?：存在于大孔隙或裂隙中的自由水或游離氣，受束縛小，弛豫慢，T?時間長。

通過解析T?弛豫譜的分布，研究人員可以：

精準(zhǔn)識別吸附氣與游離氣的含量與分布。

定量表征煤巖的孔隙結(jié)構(gòu)，區(qū)分微孔、中孔、大孔和裂隙，并計算滲透率。

無損、動態(tài)地監(jiān)測氣體解吸、驅(qū)替的整個過程。

三、核心應(yīng)用：在二氧化碳競爭吸附解析中的精準(zhǔn)導(dǎo)航

二氧化碳競爭吸附解析 是當(dāng)前最-具潛力的煤層氣提高采收率 技術(shù)之一。其原理是向煤層注入CO?，利用CO?與CH?在煤基質(zhì)上的吸附能力差異（CO?的吸附能力通常是CH?的2-4倍），將CH?“置換”出來，同時還能實現(xiàn)CO?的地質(zhì)封存，一舉兩得。

然而，這一過程在微觀尺度如何發(fā)生？注入的CO?如何與CH?競爭？置換效率如何？這些問題傳統(tǒng)技術(shù)無法解答。低場核磁共振技術(shù) 在此扮演了“實時CT”的角色：

可視化競爭過程：通過持續(xù)監(jiān)測注入CO?前后煤巖樣品的T?譜變化，可以清晰看到代表吸附CH?的信號峰（主要在短T?區(qū)域）如何衰減，而代表CO?吸附或游離態(tài)流體的信號如何增強，直觀展示“競爭吸附”的動態(tài)過程。

量化置換效率：通過譜圖積分計算，可以精確量化在不同壓力、溫度條件下，單位CO?注入量所能置換出的CH?量，為優(yōu)化注入?yún)?shù)提供直接數(shù)據(jù)支撐。

揭示機理與路徑：核磁共振成像（MRI）功能可以二維/三維可視化CO?-CH?的驅(qū)替前沿，揭示氣體是均勻推進(jìn)還是優(yōu)勢通道竄流，從而指導(dǎo)如何優(yōu)化注入策略以避免CO?過早突破，提高波及效率和采收率。

CO2置換過程中甲烷T2譜和含量圖的變化

面對煤層氣提高采收率 的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，低場核磁共振技術(shù) 憑借其在對孔隙結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)刻畫、對流體動態(tài)的無損監(jiān)測，特別是在優(yōu)化二氧化碳競爭吸附解析 工藝中的卓-越表現(xiàn)，正成為推動煤層氣產(chǎn)業(yè)降本增效的核心科技驅(qū)動力。