核磁共振横向弛豫时间谱，你用对了吗？

天然气水合物是一种国际公认的潜在替代能源，也是我国第173号矿种，在南海有着广泛的分布和可观的储量。

2017年和2020年，我国先后在南海北部成功实施两轮天然气水合物试采，产气效率远超预期，但是要达到商业开采水平仍需要克服重多挑战。其中，含天然气水合物土的渗透率测定及其演化过程预测是面临的重多挑战之一，迄今为止并未得到很好的解决。

低场核磁共振技术具有快速无损测量的特点，在多孔介质孔隙结构表征与基础物性研究方面具有优势，应用于天然气水合物研究已有近20年历史，核磁测井也成为天然气水合物钻探测井的常用手段，是测定天然气水合物储层原位渗透率的有效方法。

图：水合物的检测方法（其中NMR以其快速、无损、绿色、在线、数据形式丰富等特点受到青睐）

关于核磁共振在天然气水合物中的应用，之前的文章：

天然气水合物的合成过程及分布位置研究（2019）

然而，这些工作通常假设含天然气水合物土的横向弛豫率不受天然气水合物含量及其孔隙赋存形式的影响，在生成与分解过程中是恒定不变的。

已有研究表明，多孔介质的核磁共振横向弛豫率的大小受孔隙水与骨架矿物液—固界面矿物性质控制。

天然气水合物生成与分解过程中，固相天然气水合物的聚集与消散必然引起液—固界面矿物性质的变化，进而导致横向弛豫率的变化，然而具体如何变化，尚未有研究工作加以澄清，由此导致的渗透率预测及孔隙结构表征误差也不甚清楚。

实验设计这一part非常重要，犹如一篇文章的灵魂，建议大家要仔细看看，从中汲取灵感。

在湿砂中生成氙气水合物，制成水饱和含氙气水合物砂样。然后逐步降压分解氙气水合物，每次降压待系统稳定后，进行一次联合测试，获得横向弛豫时间谱和灰度图像。

基于灰度图像提取孔径分布曲线，与横向弛豫时间谱进行互相关分析，进而确定不同水合物饱和度条件下含氙气水合物砂样的横向弛豫率。

▲图1 本文利用核磁共振技术涉及的应用

本研究采用的低场核磁共振系统由青岛海洋地质研究所与苏州纽迈分析仪器股份有限公司联合研发，型号为MesoMR23-060H，能够满足天然气水合物实验测试所需的低温和高压需求。

▲图2. 中尺寸核磁共振成像分析仪（搭配低温高压系统）

附件系统未显示，详情请联系我们获取

▲图3. 含氙气水合物土的横向弛豫率

不同水合物饱和度条件下含氙气水合物砂样的横向弛豫率实验数据如图3b中黄色圆点所示。

可以看出，随着氙气水合物饱和度的增加，含氙气水合物土的横向弛豫率先增大后减小，但是其值始终大于纯砂样的横向弛豫率大小，这说明孔隙水与氙气水合物的界面要比孔隙水与石英砂的界面对水分子的弛豫效果更好。

本研究还推导出了含颗粒表面型（GC）、孔隙中心型（PF）、颗粒接触型（GT-C/GT）或团簇型（Py）天然气水合物土的横向弛豫率演化模型，如图3b所示。基于此模型分析发现，上述横向弛豫率先增大后减小的现象是由氙气水合物的孔隙赋存形式演化行为所控制。

▲图4.基于核磁共振横向弛豫时间谱的SDR模型计算储层渗透率情况

在传统油气领域，SDR模型常被用来计算储层原位渗透率，该模型也在天然气水合物钻探测井中使用。

考虑横向弛豫率变化与否的渗透率计算结果如图2所示。图中黄色圆点表示横向弛豫率为常数的计算结果，而红色圆点表示采用图4中横向弛豫率实验数据的计算结果。显然，如果不考虑横向弛豫率的变化，SDR模型确定的储层渗透率存在误差，需要进行修正。

自然界粗粒储层中的天然气水合物以团簇状为主，此时的横向弛豫率可近似认为是常数，SDR模型计算结果不需要修正。但是当天然气水合物分解时（比如开采），团簇型的天然气水合物逐渐变为孔隙中心型或者其它类型的天然气水合物，那么此时的SDR模型计算结果则需要进行适当修正。

▲图5.基于核磁共振横向弛豫时间谱的孔径分布曲线与土水特征曲线转化情况

核磁共振的横向弛豫时间谱定性反应孔隙尺寸，如果要定量描述孔隙尺寸，则需要使用横向弛豫率进行换算。基于本研究实验数据，考虑横向弛豫率变化与否的孔径分布曲线及土水特征曲线如图5所示。

可以看出，横向弛豫率的变化将对孔径分布曲线及土水特征曲线造成影响，进而引起水气两相渗流行为预测的误差，这极有可能导致场地尺度下天然气水合物开采产能模拟结果的失真。