前沿應(yīng)用|基于低場(chǎng)核磁水力壓裂技術(shù)提高煤層氣采收率的研究

隨著全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，煤炭與非常規(guī)油氣資源的開(kāi)發(fā)成為保障能源安全的關(guān)鍵。我國(guó)煤層氣資源豐富，但煤層普遍具有低滲透率、高吸附性、復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的特征，導(dǎo)致瓦斯抽采效率低、采收率較低。水力壓裂技術(shù)作為提高油氣采收率的關(guān)鍵手段，自上世紀(jì)年發(fā)展以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于低滲、致密儲(chǔ)層，通過(guò)創(chuàng)建人工裂縫網(wǎng)絡(luò)來(lái)增強(qiáng)流體流動(dòng)能力，從而顯著提升采收率。

水力壓裂提高采收率的本質(zhì)在于改造儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)，有以下方式：裂縫擴(kuò)展：高壓流體撐開(kāi)天然裂隙，形成主裂縫并衍生分支裂縫；孔隙活化：壓裂液滲入煤基質(zhì)微納米孔隙，解除瓦斯吸附束縛，增強(qiáng)解吸-擴(kuò)散能力；連通性提升：裂縫貫通孤立孔隙，構(gòu)建流體運(yùn)移高速通道等。

傳統(tǒng)巖心分析或微CT掃描等方法存在破壞性強(qiáng)、效率低等局限，難以原位、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)壓裂過(guò)程中的微觀孔隙變化。尤其壓裂過(guò)程中孔隙-裂隙動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；多尺度孔隙的定量區(qū)分；瓦斯/水相態(tài)在孔隙內(nèi)的賦存與運(yùn)移行為解析等難以表征。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)填補(bǔ)了這一空白，進(jìn)行溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等多場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)“近原位、高仿真”的地層環(huán)境模擬，無(wú)損、快速測(cè)量流體弛豫信號(hào)，實(shí)現(xiàn)孔隙大小分布（如微孔、中孔和大孔的變化）、識(shí)別流體賦存狀態(tài)，并動(dòng)態(tài)追蹤水力壓裂誘導(dǎo)的孔隙結(jié)構(gòu)演化過(guò)程。

基于低場(chǎng)核磁水力壓裂技術(shù)提高煤層氣采收率的研究案例^[1]：

樣品制備：

采用內(nèi)蒙古烏蘭哈達(dá)煤礦（WL）的無(wú)煙煤，制成直徑50 mm、高100 mm的圓柱體，中心鉆有直徑6 mm的壓裂鉆孔，并安裝4 mm注水管。

圖一水力壓裂煤樣制備

實(shí)驗(yàn)流程：

階段1：脈沖預(yù)加載（疲勞損傷誘導(dǎo)）

脈動(dòng)頻率：固定 8 Hz（優(yōu)化后最佳值）。

脈動(dòng)幅度：恒定 2 MPa（最小波動(dòng)值）。

最大壓力梯度：0/3/6/9 MPa（分組施加）。

持續(xù)時(shí)間：每組樣本持續(xù) 2小時(shí)（模擬長(zhǎng)期循環(huán)載荷）。

階段2：水力壓裂（靜態(tài)破裂）

加載方式：以 0.1 MPa/s 速率施加靜態(tài)水壓直至煤樣破裂。

終止條件：壓力驟降 ≥10% 或 樣品宏觀破裂。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

圖二水飽和煤樣弛豫譜     

圖三 孔隙分布圖

該研究使用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)，研究了脈沖加載水力壓裂后損傷煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)，獲取弛豫譜圖和孔隙度分布信息，有以下結(jié)論：圖二表明煤的孔隙度分布隨T2的變化而變化。根據(jù)飽和孔隙的累積曲線，微孔的孔隙率約為3.96%，總孔隙率為4.30%。煤樣的峰值飽和孔隙度位于T2=0.76ms處。飽和孔隙率包括被游離水和吸附水占據(jù)的孔隙。通?？捎猛ㄟ^(guò)離心法去除游離水來(lái)測(cè)量吸附的孔隙率。飽和孔隙和離心孔隙的覆蓋面積之差代表自由孔隙。從累積孔隙率曲線可以看出，吸附孔隙的孔隙率為2.86%，自由孔隙的孔隙率為1.44%。

參考文獻(xiàn)：

[1] Yu X, Chen A, Hong L, et al. Experimental investigation of the effects of long-period cyclic pulse loading of pulsating hydraulic fracturing on coal damage[J].Fuel, 2024, 358(Part A).

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