低场核磁共振技术在分层孔径分布中的研究

油气煤炭资源是我国能源的重要组成部分，《“十四五”能源领域科技创新规划》指出，需切实增强油气供应能力，加强煤炭安全托底保障，提高创新发展能力，加强科技创新合作。

随着油气煤炭资源的持续开采，常规的储层得到有效的开发，而更多非常规资源面临着高效开采以及多次开采的需求，非常规储层孔隙结构复杂，致密储层具有低孔、低渗的特点，孔喉细小，孔隙结构复杂，储层流动条件极差，目前对于渗吸特征与孔径分布之间的关系尚不能得到很透彻的研究，使得致密油气资源开发面临较大挑战。越来越多的科研工作者，采用各类介质驱替、不同压力条件压裂、自渗吸等科研方案，致力于岩心孔隙结构的微观化研究，以期望更进一步定量化定性化表征岩心在空间中的分层孔径分布。

目前，关于岩心微观结构的分析方法主要有基于定性观察的图像分析法和定量表征的流体注入法，但它们均存在一定的局限性。而低场核磁共振（NMR）技术在分层孔径分布表征研究中发展成熟，已经广泛应用于砂岩、碳酸盐岩、煤岩及页岩岩石物性及流体分析等储层评价工作，能够有效表征岩心孔隙与微裂缝的发育特征与空间分布状态，并结合多样化的前处理方式获取岩心孔隙度、渗透率等岩石物性参数，以及分层孔隙类型、分层孔径分布等孔隙结构信息，为储层精细化孔径表征提供技术支撑^[1]。

一、什么是分层孔径分布？

岩心孔径分布是指岩心中存在的各级孔径按数量或体积计算的百分率。

分层孔径分布是指对岩心在某一方向上进行空间分层，计算每一层的各级孔径按数量或体积计算的百分率。

二、分层孔径分布对油藏研究的重要性？

油气储层中油水的流动和渗透特性取决于岩心的孔隙体积空间和孔径大小分布，连续贯通流动性良好的孔径可以更实现更高效率的采油，因此，准确描述储层的孔径大小与空间分布特征非常重要。岩心分层孔径分布的研究，突破了以往的孔径分布研究在空间上的束缚，对研究储层物性解决采油工程中的实际问题具有重要意义。

三、分层孔径分布研究方法有哪些？

目前对孔径分布的测量方法有很多，包括压汞法、液氮吸附法、电镜扫描法、X-射线法等。

压汞法：又称汞孔隙率法。是测定部分中孔和大孔孔径分布的方法。基本原理是汞对一般固体不润湿，欲使汞进入孔需施加外压，外压越大，汞能进入的孔半径越小。测量不同外压下进入孔中汞的量即可知相应孔大小的孔体积。但是存在不能测量小微孔的问题，且过程不可逆，会对岩心造成破坏，可能存在测量值比实际值偏大的问题^[2]。

液氮吸附法：用氮吸附法测定中微孔孔径分布是比较成熟而广泛采用的方法，它是用氮吸附法测定比表面积的一种延伸，都是利用氮气的等温吸附特性曲线，采用的是体积等效代换的原理，即以孔中充满的液氮量等效为孔的体积。基于原理液氮吸附法对大孔的测试存在偏差^[3]。

电镜扫描法：对岩心进行切片，置于电镜下曝光，高分辨率拍摄切面，设定阈值选择阴影区域定义为孔隙，经过对照片的数据处理，得到孔径分布。该方法需要对岩心进行切片，过程不可逆，破坏了样品，且阈值的设定存在主观性，对孔径分布的准确性存在一定影响^[4]。

X-射线法：X射线穿过岩心，会呈现指数形式的衰减，当接收器接收衰减的信号，经过数据处理，可以在衰减的信号量和样品孔隙之间建立关联，从而获得岩心的孔径分布。但是X射线穿透的岩心尺寸有一定的限度，且岩心中不同的矿物质会影响X射线的衰减，从而影响孔径的测试精度^[5]。

核磁对比传统方法，作为成熟的孔径分布测试研究方法，具有快速、无损、在线、准确、绿色等优势，可以对岩心实现空间分层，测试每一层的孔径分布，更加微观化表征孔径分布 ^[6]。

四、低场核磁共振在分层孔径分布的研究应用

通过低场核磁共振带来的分层孔径分布表征技术，研究了岩心的自发渗吸过程，结果表明，样品渗吸方向与层理平行时的渗吸速率大于与层理垂直时的渗吸速率；岩心自吸水后核磁共振T2谱图右移程度低，说明岩心吸水产生微裂缝能力弱，小孔隙中的水未向大孔隙流动，即易发生水锁,建议在开发过程中以防止储层伤害为主。揭示了储层样品的自发渗吸特征及其影响因素，对提高采收率具有重要的指导意义。

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参考资料

[1]Ryu S Y,  Dong S K,  Jeon J D, et al. Pore Size Distribution Analysis of Mesoporous TiO2 Spheres by 1H Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Cryoporometry[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(41).

[2]Cao G,  Lin W,  Zhang Y, et al. Research on nitrogen physical adsorption method and mercury intrusion method used for characterization of FCC catalyst pore size distribution[J]. Refining and Chemical Industry, 2015.

[3]Takei T,  Chikazawa M. Measurement of Pore Size Distribution of Low-Surface-Area Materials by Krypton Gas Adsorption Method[J]. Journal of the Ceramic Society of Japan, 2010, 106(1232):353-357.

[4]Cocozza C,  Maiuro L,  Tognetti R. Mapping Cadmium distribution in roots of Salicaceae through scanning electron microscopy with x-ray microanalysis[J]. Iforest Biogeosciences & Forestry, 2011, 4(3):113-120.

[5]Chen X L,  Li Y W,  Li Y B, et al. Effect of Reactive-Al2O3 Addition on the Pore Size Distribution and Thermal Conductivity of Carbon Blocks for Blast Furnace[J]. Advanced Materials Research, 2010, 97-101:453-456.

[6]Zhao Z,  Wang B,  Tan R, et al. Detecting pore size distribution of activated carbon by low-field nuclear magnetic resonance[J]. Magnetic Resonance in Chemistry, 2022, 60.