【Fuel】NMR+CT+SEM揭示：褐煤脱水后储层孔隙发生哪些变化？

大家好！好久没给大家做文献解读了。本期为大家强烈推荐一篇好文：2020年5月刚发表在Fuel上的一篇关于褐煤脱水后其孔隙物性变化的文章，来自中国地质大学（北京）许浩教授团队，研究褐煤干燥脱水后储层物性尤其是孔隙结构的变化。

准确的说：本文采用NMR、CT、MRI、SEM四种方法分别从定性定量的角度研究孔隙结构变化，研究内容涵盖不同孔径变化、孔隙连通性、裂缝发育及分布、渗透率变化等方面，可以说非常的全面。而不同方法之间可以优势互补，亦可以相互印证。

如果您对褐煤脱水后孔隙变化感兴趣，强烈建议阅读此文，获得研究思路和灵感。

研究方法及本文核心观点

NMR及MRI：干燥过程中孔隙度（定量）、孔径分布（定量）、孔隙连通性（定量）、褐煤内部裂缝分布及发育情况（定性）

CT法：褐煤干燥后裂缝分布情况（定性）

SEM法：褐煤干燥后孔隙结构特征（定性）

▲本文主要结论，

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研究背景

褐煤，又名柴煤(英文:Lignite )，是煤化程度最低的矿产煤。一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤。化学反应性强，在空气中容易风化，不易储存和远运，褐煤水分含量高，往往需要干燥脱水处理。

一直以来低渗透率是制约褐煤勘探效果的的重要因素。而压裂等方式并不适用于褐煤。我们露天看到的褐煤储层往往是支离破碎的，呈凝胶状和韧性，室温条件下褐煤基质也会因脱水而收缩，形成大量的裂缝，造成一种裂隙发育良好的假象。

由于简单的干燥可以在褐煤中产生大量的裂缝，这能否成为一种简单有效的提高褐煤储层孔隙度和渗透率的方法值得系统研究，因此，对褐煤储层结构的清楚的认识，应该是褐煤储层开发利用的前提。

孔隙研究方法的选择：

目前的研究多集中在褐煤干燥过程物质的变化，对其孔隙储层物性的研究不多。听起来不觉的研究褐煤脱水中孔隙结构有多么难，因为分析多孔材料孔隙的方法有十多种。

然而事实却是：很多常用的方法如低温氮吸附、扫描电镜SEM都是以干燥的样品为前提的，而我们想要研究的正是这个干燥过程中孔隙的变化，再加上褐煤的非均质性很强，所以上面提到的方法很难满足。而核磁共振技术恰好是这种以水为探针的孔隙结构表征方法，加上其无损、快速、表征范围广等优点，在研究孔径分布、孔隙度、孔隙连通性等方面具有较大的优势。再加上磁共振成像和CT，直观观察褐煤脱水过程中裂缝的扩展情况。

样品信息

选用内蒙古地区的二联褐煤（属于硬褐煤），选取两种具有代表性的褐煤：木质褐煤和基质褐煤。

关于样品的组成和特征信息来自成分分析和SEM电镜扫描结果，具体图片不做展示。

▲图1.两种褐煤的性质和组成对比

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实验设计及方法

样品处理过程

▲图2.褐煤干燥流程及测试过程

将褐煤样品在50℃下分别干燥5h、12h、24h，干燥过程分别进行孔隙度、孔径分布、孔隙连通性、裂缝发育、渗透率、应力敏感性测试，具体如图2所示。其中同一颜色代表实验中使用的相同样品。

测试方法选择

由于褐煤初始含水量较高，在干燥过程中内部仍存在水分，因此SEM、低温氮气吸附等方法并不适用，这在文章开头交代过，因此关于孔隙的定性分析采用核磁共振法。

饱和介质选用2%氯化钾水溶液，阻止粘土矿物的吸水膨胀，减少煤对饱和介质的吸附。

万一有少量吸附，用较短的TE可以将吸附的饱和介质水检测出来。

如何用核磁共振分析孔隙连通性的变化？

此处是本文方法的一个亮点，非常值得大家借鉴

褐煤干燥过程因为水分的蒸发可能产生一些孤立孔或者闭孔影响其孔隙连通性，连通性怎么表征？

▲图3.用MnCl2溶液分析孔隙连通性原理图

这篇文章首先将样品饱水然后测T2弛豫图谱，再将该样品放入60%的MnCl2（这个浓度的溶液在核磁中检测不到信号）充分饱和，再检测T2弛豫图谱，两张图谱对比，消失的部分表示MnCl2溶液进入该孔隙中，表征是连通的孔隙，仍然存在的表示孤立的未连通的孔隙。因此可以定量的分析不连通孔隙的比例及孔径的范围。这种方法值得研究孔隙连通性的学者借鉴。

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实验结论

孔径大小的变化

此处主要利用核磁共振T2弛豫图谱技术分析孔径大小变化，结合CT扫描，对褐煤在干燥前后孔隙变化做定性和定量的分析表征。

褐煤含有大量的水分，在煤基体中形成稳定的含羧基和羟基的凝胶。当水从煤基质中去除后，孔隙大小变化，同时出现大量裂缝。当然不同类型的褐煤的原始状态和变化情况不同，为了直观将具体变化做成表格方便大家查看，文字部分不做过多赘述。

▲图4.核磁共振图谱表征干燥过程孔隙结构变化

右上图片为CT扫描结果

▲图5.褐煤干燥过程孔隙结构变化

进一步分析孔隙结构变化，将上图结果做如下转化:

▲图6.干燥过程不同尺寸孔隙的变化

相对而言，基质褐煤中裂缝带的传播更加明显（灰蓝色柱形图）。究其原因：基质褐煤样中含有大量的丝碳带，为排水提供了连通良好的通道，脱水效率较高。

裂缝发育及传播规律

根据MRI图像直观看出两种褐煤截然不同的裂缝扩张规律。

▲图7.干燥过程两种褐煤不同截面核磁共振成像

相比之下，基质褐煤裂缝短而多，木质褐煤裂缝长且宽。主要因为基质褐煤含有丝碳碎片，脱水后不容易产生裂缝。相比之下基质核磁结构疏松，其磁共振信号明显高于木硅褐煤。

▲图8.干燥12h后基质褐煤（左图）木硅核磁（右图）裂缝图

丝碳碎片（黑色）和裂隙分布（红色）图

a\\b\\c是前视图，d是俯视图

干燥后基质褐煤产生大量的裂缝，分布杂乱，由于丝碳存在，裂缝被打断，因此短而多；木质褐煤中丝碳含量远少于基质褐煤，干燥后形成长而宽的裂缝，裂缝从一端开始发育逐渐向内部延伸。以上结果与MRI结果一致。

孔隙度及连通性的变化

▲图9.两种褐煤干燥过程孔隙度变化。

干燥前后，微中孔增加，裂缝增加，总孔隙度增加（主要因为裂缝）。基质褐煤干燥前后孔隙度变化更明显，使得其脱水效率和裂缝发育程度更高。

连通性：

原始状态下褐煤的连通性良好，干燥后连通性增加，但是微中孔的孔隙连通性降低。

渗透率及应力敏感性的变化

渗透率是评价储层渗流能力的重要参数，储层成分和水分是影响渗流能力的重要因素（水的存在使得其与煤基质结合形成氢键，影响储层中气体的渗流能力）。

具体的结果已经汇总到表格中：

应力敏感性

干燥脱水后，能显著提高储层渗流能力。但如果应力敏感性太强，由此而提高的储层渗透率可能会被地层应力所抵消，达不到提高渗流能力的效果了。而褐煤本身具有较高的应力敏感性，其气体渗透率与压力呈负指数关系。研究其应力敏感性至关重要。

04总结

本文结论

干燥脱水会导致煤基质收缩，对褐煤储层结构的影响主要表现在两个方面：大裂缝迅速扩张，微中孔缩小。

脱水提高总孔隙度和连通孔隙度，微中孔孔隙连通性减低。

相比于腐殖酸，丝碳的存在更能提高脱水速率，并形成渗流通道，提高渗透率。

在裂缝生成方面，基质褐煤比木质褐煤更快，基质褐煤裂缝小，分布均匀，方向性较差；木质褐煤裂缝从表面向内部扩张，裂缝长。

脱水提高储层渗透率，虽然干燥后应力敏感性增加，但脱水的影响远远大于应力的增加带来的影响。

参考文献：

Fudong Xin,Hao Xu, Dazhen Tang，et,al.Experimental study on the change of reservoir characteristics of different lithotypes of lignite after dehydration and improvement of seepage capacity[J].Fuel.2020,277.

dol：10.1016/j.fuel.2020.118196