前沿应用|基于低场核磁技术的压裂液矿化度对深部煤层气解吸机理的研究

深部煤层气作为清洁能源，其战略价值日益凸显，开发深部资源对于保障能源安全和推进“双碳”目标具有必要性。然而，深部煤层通常具有高地层水矿化度、高储层压力与温度等特征，这导致传统压裂液侵入后易引发复杂的离子迁移、润湿性改变及气体解吸效率波动，造成压裂液滤失率高、气井产能衰减快等开发难点。

针对这些挑战，低场核磁共振技术发挥了关键作用：它能够动态监测压裂液在煤基质孔隙中的自发渗吸过程，通过分析横向弛豫时间（T₂）谱来定量表征不同尺度孔隙（如微孔、中孔、大孔）内的渗吸体积变化；同时，该技术还能原位区分并监测吸附态与游离态甲烷（CH₄）的含量与赋存状态演化，从而揭示流体渗吸对气体置换与解吸过程的影响。

低场核磁共振技术对实际工程具有重要指导意义：不但可以调控水力压裂注入策略，研究深部煤层气解吸扩散机理，还可以监测不同矿化度流体对CH₄解吸的促进效应及对扩散路径的阻滞效应，为进一步优化压裂液配方、平衡滤失与返排效率以及确定合理的焖井时间提供了理论依据，最终有助于实现“压得开、焖得好、排得稳、产得高”的工程目标。

科研案例：深部煤层压裂液渗吸调控煤层气解吸增效机制^[1]：

样品信息：原始钻井取心样品：25 mm×50 mm。

样品前处理：在105 ℃下干燥48 h，然后置于蒸馏水中开展自发渗吸实验。

实验方案：

1）设计三组物理模拟实验来研究压裂液在煤储层中的渗吸—返排行为。通过核磁共振T₂谱实时监测渗吸体积变化，以揭示不同矿化度梯度条件下流体的动态迁移规律。

2）设计四组“压裂液-煤-气”体系耦合实验，模拟水力压裂全生命周期的液-煤-气作用。这些实验在核磁夹持器中完成，先进行CH₄吸附，再注入不同矿化度的重水溶液模拟压裂液渗吸置换过程，最后进行降压解吸，并利用核磁共振实时监测CH₄含量和赋存状态的变化

实验结论：

1.流体浓度差决定渗透压差的方向性：当压裂液矿化度低于储层水时，渗透压差表现为正向驱动力，可强化渗吸与CH₄置换；当压裂液矿化度高于储层水时，则表现为反向阻力，可抑制滤失并提高返排能力。

1）A组实验（低矿化度压裂液侵入高矿化度储层）的T₂谱显示，随着浓度差增大，P1峰的信号幅度持续增加，渗吸量增幅显著。

图1 蒸馏水侵入含高矿化度溶解煤样弛豫谱

2）B组实验（高矿化度压裂液侵入低矿化度储层）则表明，当矿化度差极大时，微孔中的渗吸体积明显下降。

图2 高矿化度压裂液侵入含低矿化度溶液煤样弛豫谱

3）C组置换验证实验进一步表明，对于含高矿化度溶液储层，渗吸体积会经历“先减后增”的双阶段变化。

图3 重水侵入含高矿化度重水溶液煤样弛豫谱

2.流体矿化度通过润湿性、渗吸/返排、孔隙水膜结构多级耦合机制，控制CH₄由吸附态向游离态的转化效率：注入阶段矿化度越低置换效应越强；返排阶段矿化度越高扩散受阻越弱。核磁共振监测显示，注入纯重水、中矿化度重水溶液和高矿化度重水溶液后，CH₄的置换率分别为23.13%、11.05%和2.46%。

图4 不同矿化度流体驱替平衡后降压解吸过程中甲烷核磁共振弛豫谱

降压解吸实验表明，含高矿化度重水溶液的煤样与干燥煤样类似，CH₄解吸量在初期出现快速增加阶段，而含纯重水煤样则存在明显的阻滞效应。具体而言，含纯重水煤样在解吸初期（200分钟前）没有出现快速增加阶段，至解吸平衡时其CH₄解吸信号量最低（130.767），而干燥煤样解吸量最多（信号量325.138）。这表明矿化度越低对气体解吸的阻滞效应越强。其机理在于，矿化度越低，流体亲水性越强，越容易进入微孔并形成水桥，从而显著堵塞CH₄扩散的有效路径；反之，高矿化度诱导的疏水性增强可减少孔隙水膜对
CH₄扩散的阻隔，同时压缩双电层释放更多吸附位点，更易形成有利的气相渗流通道。

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