CN105004747B - 一种核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法，包括以下步骤：步骤1，将饱和水煤芯在不同围压下进行低磁场核磁共振测定，获得所述饱和水煤芯在不同围压下的横向弛豫时间T₂谱和各个谱峰的面积。步骤2，利用T₂谱的各个谱峰的面积，结合孔隙压缩系数换算公式，计算得到平均孔隙压缩系数。本发明的核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法，其能够快速、无损、精细化地测量煤芯孔隙压缩系数，操作简便。

Description

一种核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法

技术领域

本发明涉及煤储层物性测量领域，尤其涉及一种核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法。

背景技术

煤岩孔隙体积随着有效应力变化程度大小取决于煤芯孔隙压缩系数，表征煤储层特征的重要参数之一，它在煤储层评价和煤层气开发过程中有着重要的应用价值。常规测试主要有气态法和液态法，但是测试繁琐，难以实现勘探现场的应用。低场核磁测试手段以其快速、无损的优点成为了实验探索的热点，便携式的低场核磁共振仪器有望实现现场录井的应用，从而实现储层物性参数的及时获得。另外，不同孔径的孔裂隙在解吸扩散渗流过程中作用机制不同，而且不同孔径孔裂隙应力压缩变形程度不同，随着煤层气勘探开发研究深入，必然要求精细化地研究煤储层及其孔渗动态，常规的孔隙压缩系数测试手段无法精细地刻画这些细节，而核磁共振测量手段可以探测并反映出这些细节，进而为储层精细化研究奠定坚实基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法，克服了如何利用核磁共振精细化地测量煤芯孔隙压缩系数的问题。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种核磁共振测量煤芯孔隙压缩系数的方法，包括以下步骤：步骤1：将饱和水煤芯在不同围压下进行低磁场核磁共振测定，获得所述饱和水煤芯在不同围压下的横向弛豫时间T₂谱和各个谱峰的面积；步骤2：利用T₂谱的各个谱峰的面积，结合孔隙压缩系数换算公式，计算得到平均孔隙压缩系数。

优选地，所述步骤还包括：将煤芯置于真空泵内抽真空，先负压饱和水3-5h，再常压饱和水84-108h，得到所述饱和水煤芯。

优选地，所述不同围压是指0、2、4、6、8、10MPa的围压。

优选地，步骤2的平均孔隙压缩系数的计算公式为：

其中：是指平均孔隙压缩系数；V_P是围压为P_C时的孔隙体积；V_P0是围压为P_C0时的孔隙体积；S/S₀是围压为P_C时T₂谱峰的面积。

优选地，所示步骤2的平均孔隙压缩系数包括：总孔隙的平均孔隙压缩系数、吸附孔的平均孔隙压缩系数以及渗流孔的平均孔隙压缩系数。

优选地，所示步骤2的平均孔隙压缩系数通过以下方法计算得到：利用T₂谱中所有谱峰的面积，结合所述公式，计算得总孔隙的平均孔隙压缩系数；利用T₂谱中时间小于10ms的谱峰的面积，结合所述公式，计算得吸附孔的平均孔隙压缩系数；以及利用所述T₂谱中时间小于10ms的谱峰的面积，结合所述公式，计算得渗流孔的平均孔隙压缩系数。

优选地，将各个不同围压对应的所述总孔隙的平均孔隙压缩系数通过数学拟合，得到煤芯平均压缩系数的数学表达式。

优选地，所述煤芯平均压缩系数的数学表达式为：

y＝a ln x+b

其中，x代表不同围压，y代表孔隙的平均压缩系数。

优选地，所述煤芯置于真空泵内抽真空，进行负压饱和水4h，再常压饱和水96h，得到饱和水煤芯。

本发明上述技术方案，具有如下有益效果：

与现有技术相比，应用本发明，能够快速、无损、精细化地测量煤芯孔隙压缩系数，操作简便。

对于本领域技术人员，可以通过常规的气态法和液态法获得煤芯平均孔隙压缩系数。然而，通过核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数尚未有报到，且该核磁共振测量方法，不但测得总孔隙的平均孔隙压缩系数(即煤芯平均孔隙压缩系数)，且能同时测得吸附孔和渗流孔的平均孔隙压缩系数，为更进一步研究煤储层奠定了基础。

附图说明

图1为本发明的一种核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数方法的流程图。

图2为本发明不同围压下样品A的T₂谱图。

图3为本发明不同围压下样品B的T₂谱图。

图4为本发明样品A的不同孔隙类型的孔隙压缩系数试验结果。

图5为本发明样品B的不同孔隙类型的孔隙压缩系数试验结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，以便进一步理解本发明。

本发明的方法主要通过低场核磁共振技术测量煤芯孔隙压缩系数。对于饱和水样品，低场核磁共振技术探测的是样品中水的H原子核。仪器采集的是样品中水核磁信号的CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)自旋回波串，将自旋回波串通过多指数反演得到的初始信号幅度与样品中水的含量成正比，从而可以求得样品中各类孔隙的体积。通过改变煤芯围压，其中孔隙发生压缩变形，便可得到不同围压下的核磁信号幅度，进而可以求得煤芯的孔隙压缩系数。

下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步说明。

如图1到图5所示的一种低场核磁共振测量煤芯孔隙压缩系数的方法，该方法包括如下步骤：

1)试验样品预处理：试验煤样采自鄂尔多斯盆地营家壕煤矿，将煤样制作成柱状煤芯，然后将试样置于真空泵内抽真空，先负压饱和水3-5h，然后常压饱和水84-108h，从而形成饱和水煤芯。本发明的优选条件为：负压饱和水4h，再常压饱和水96h。

2)试验过程：设置好核磁共振分析仪相关参数，然后在不同围压(如0、2、4、6、8、10MPa)的环境下依次测定煤样的核磁信号。考虑到水具有极强的核磁信号，试验中可采用氟油作为围压的充填载体，以此排除围压充填水的信号干扰。

3)孔隙压缩系数计算：

孔隙压缩系数C_P是指改变单位压力时单位孔隙体积的变化值，即：

其中，V_P是岩石原始孔隙体积；σ是围压。

试验可得到样品在不同围压下的核磁共振T₂谱图以及谱图中各峰的面积。在饱和水的条件下，T₂谱图的振幅与煤样孔裂隙中的氢原子含量呈正比，因此，孔隙压缩系数可以利用T₂谱峰的面积来计算，公式如下：

其中：是指孔隙压力一定但围压变化时的平均孔隙压缩系数；P_C0为围压变化过程中的起始围压值；P_C为围压变化过程中的结束围压值；V_P是围压为P_C时的孔隙体积；V_P0是围压为P_C0时的孔隙体积；S/S₀是围压为P_C时T₂谱峰的面积无量纲量。

从核磁共振T₂谱图中，可以清晰地分辨出吸附孔和渗流孔，所以本发明在计算煤芯平均孔隙压缩系数(即总孔隙的平均孔隙压缩系数)的基础上，同时进一步计算吸附孔的平均孔隙压缩系数和渗流孔的平均孔隙压缩系数。

因此本发明所述的平均孔隙压缩系数，实则包括三部分：第一部分为吸附孔隙的平均孔隙压缩系数；第二部分为渗流孔隙的平均孔隙压缩系数计算；第三部分为总孔隙(包括吸附孔隙和渗流孔隙)的平均孔隙压缩系数计算。

(1)吸附孔的平均孔隙压缩系数计算

对于煤岩而言，核磁共振谱图中T₂时间小于10ms的谱峰对应于吸附孔，利用这部分谱峰的面积结合公式2可以计算得到吸附孔隙的孔隙压缩系数。

(2)渗流孔的平均孔隙压缩系数计算

核磁共振谱图中T₂时间大于10ms的谱峰对应于渗流孔，利用这部分谱峰的面积结合公式2可以计算得到渗流孔隙的孔隙压缩系数。

(3)总孔隙的平均孔隙压缩系数计算

总孔隙包括吸附孔和渗流孔，利用核磁共振谱图中所有谱峰的面积结合公式2可以计算得到总孔隙的孔隙压缩系数。

煤岩的孔隙压缩系数并非定值，为更精确揭示其变化规律，下面通过数学分析推导对其建模。

煤岩中孔隙体积V_P可以分为可压缩孔隙体积V_C和不可压缩孔隙体积V_IC：

V_P＝V_C+V_IC (3)

则C_P可表示为：

假设煤岩可压缩孔隙空间的压缩系数是一个常数：

因此V_C又可表示为：

式中σ₀为初始应力，V_C0是在初始应力下的可压缩孔隙的体积。此时式可变为：

当压力变化很小时，式7可进行化简，V_C近似为：

将(5)、(8)代入(4)化简得到：

令V_C0/V_IC＝a；(V_IC+V_C0-V_ICkσ₀)/(V_ICk)＝b，则C_P为：

由于实验结果是平均孔隙压缩系数，所以根据式10可得到为：

求解式11可得：

从以上推导中可以看出，煤岩总孔隙的平均孔隙压缩系数与应力呈对数关系。

根据实验数据可以求得实验所测各压力点下的平均孔隙压缩系数，然后通过对数模型拟合即可求得平均孔隙压缩系数模型的数学表达式。

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。

(1)试验材料：2个直径为25mm长度不等的柱状煤芯(分别编号A和B)、蒸馏水、氟油。

(2)试验仪器：岩芯核磁共振分析仪，磁场强度在0.5T以上，共振频率为21～23MHz，工作温度32℃，工作频率23.308MHz，恢复时间1500ms，回波时间175μs，回波数8195，信噪比大于30:1。

(3)试验过程：

1)试验样品预处理：取柱状煤芯(A和B)，然后将试样置于真空泵内抽真空负压饱和水4h，再常压饱和水96h。

2)试验过程：设置好核磁共振分析仪相关参数，然后在不同围压(分别为0、2、4、6、8、10MPa)的环境下依次测定煤样A、B的核磁信号。试验中采用氟油作为围压的充填载体，以此排除围压充填水的信号干扰。

3)孔隙压缩系数计算：

试验得到样品(A和B)在不同围压下的核磁共振T₂谱图(如图2、3)以及谱图中各峰的面积如表1、2。

表1：

表2：

(1)吸附孔的孔隙压缩系数计算

根据表1、表2中各压力值下吸附孔隙对应的谱峰面积，结合公式2可以计算得到吸附孔隙的平均孔隙压缩系数，结果如表3-4和图4-5。

表3:

表4：

(2)渗流孔的孔隙压缩系数计算

根据表1、表2中各压力值下渗流孔隙对应的谱峰面积，结合公式2可以计算得到渗流孔隙的平均孔隙压缩系数，结果如表3-4和图4-5。

(3)总孔隙的孔隙压缩系数计算

根据表1、表2中各压力值下总孔隙对应的谱峰面积，结合公式2可以计算得到总孔隙的平均孔隙压缩系数，结果如表3-4和图4-5。然后由各压力值对应的平均孔隙压缩系数的实验值通过数学拟合即可得到煤样平均孔隙压缩系数的数学表达式，具体结果如下：

y＝a ln x+b

其中，x为压力值，y为平均孔隙压缩系数。

煤样A的平均孔隙压缩系数公式为：y＝-0.016lnx+0.0536(其中，相似系数R²＝0.9768)

煤样B的平均孔隙压缩系数公式为：y＝-0.009lnx+0.0351(其中，相似系数R²＝0.9951)

以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域与技术人员在本发明所公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围由权利要求及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法，包括以下步骤：

步骤1：将饱和水煤芯在不同围压下进行低磁场核磁共振测定，获得所述饱和水煤芯在不同围压下的横向弛豫时间T₂谱和各个谱峰的面积；

步骤2：利用T₂谱的各个谱峰的面积，结合孔隙压缩系数换算公式，计算得到平均孔隙压缩系数；

其中，步骤2的平均孔隙压缩系数的计算公式为：

$\stackrel{\‾}{C_{PC}}=-\frac{1}{V_{P0}}{\left(\frac{V_P-V_{P0}}{P_C-P_{C0}}\right)}_{P_P}=-{\left(\frac{S/S_0-1}{P_C}\right)}_{P_P}---\left(2\right)$

其中：是指平均孔隙压缩系数；V_P是围压为P_C时的孔隙体积；V_P0是围压为P_C0时的孔隙体积；S/S₀是围压为P_C时T₂谱峰的面积；

所述步骤2的平均孔隙压缩系数包括：总孔隙的平均孔隙压缩系数、吸附孔的平均孔隙压缩系数以及渗流孔的平均孔隙压缩系数；所述平均孔隙压缩系数通过以下方法计算得到：利用T₂谱中所有谱峰的面积，结合所述公式，计算得总孔隙的平均孔隙压缩系数；利用T₂谱中时间小于10ms的谱峰的面积，结合所述公式，计算得吸附孔的平均孔隙压缩系数；以及利用所述T₂谱中时间小于10ms的谱峰的面积，结合所述公式，计算得渗流孔的平均孔隙压缩系数；

所述核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法还包括以下步骤：将各个不同围压对应的所述总孔隙的平均孔隙压缩系数通过数学拟合，得到煤芯平均压缩系数的数学表达式，所述煤芯平均压缩系数的数学表达式为：

y＝a ln x+b

其中，x代表不同围压，y代表孔隙的平均压缩系数。

2.根据权利要求1所述的核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法，其中，所述步骤还包括：将煤芯置于真空泵内抽真空，先负压饱和水3-5h，再常压饱和水84-108h，得到所述饱和水煤芯。

3.根据权利要求1所述的核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法，其中，所述不同围压是指0、2、4、6、8、10MPa的围压。

4.根据权利要求2所述的核磁共振测量煤芯平均孔隙压缩系数的方法，其中，所述煤芯置于真空泵内抽真空，进行负压饱和水4h，再常压饱和水96h，得到饱和水煤芯。