基于低场核磁技术的二氧化碳泡沫压裂与碳封存研究

近年来，全球能源需求持续增长，天然气作为更清洁的化石燃料地位日益重要，而致密气作为一种关键的非常规天然气资源，在中国鄂尔多斯、四川和松辽盆地广泛分布。然而，致密气藏渗透率通常较低，不经过增产措施难以实现大规模工业开采。传统水力压裂不仅耗水量巨大，在缺水地区面临挑战，而且在水敏性地层中易引发黏土膨胀和水锁效应，导致储层伤害和产量下降。因此，研究者致力于开发无水压裂技术。CO₂泡沫压裂作为一种先进的CO₂基压裂技术，因其增强支撑剂输运能力、降低滤失量等优势，在致密气藏应用中极具前景。此外，该技术还具备地下CO₂封存的潜力，有助于减少碳排放。

尽管该技术潜力巨大，但关于CO₂泡沫压裂后压裂液的返排行为和CO₂封存潜力的研究仍然不足。本案例正是结合物理驱替实验与低场核磁共振技术，研究了泡沫质量对压裂液返排效率、微观滞留特性及CO₂封存效率的影响，考察了现场尺度下泡沫质量、注入速率、注入体积和浸泡时间等参数的作用。

低场核磁（LF-NMR）技术在本案例中的应用主要体现了以下优势：

非破坏性表征：该技术可在不破坏岩心样品的前提下，通过测量横向弛豫时间 T_2​ 来研究孔隙结构和流体分布。

区分不同尺寸孔隙中的流体：由于 T₂​ 主要受表面弛豫控制，与孔隙比表面积相关，因此可依据 T₂​ 值大小区分小孔隙和大孔隙，评估不同孔隙中氢流体的含量变化。

定量获取微观滞留信息：通过比较饱和状态与返排后 T₂谱的积分面积，能定量计算压裂液在小孔隙、大孔隙及所有孔隙中的滞留百分比，为研究二氧化碳泡沫压裂及碳封存机理提供帮助。

科研案例：CO₂ foam-assisted fracturing fluid flowback and CO₂ sequestration in tight sandstone gas reservoirs: Experimental and numerical study^[1]：

实验方案：

1.岩心加工与物性测试：将制备好的岩心在110 ℃烘干24 h，测量干重、长度、直径，采用气体渗透率测试法测定渗透率。

2.岩心饱和与NMR测试：模拟地层水真空饱和48 h，测量湿重并计算孔隙度；对饱和岩心进行核磁共振测试，获取初始T₂谱。

3.CO₂泡沫制备与注入：使用泡沫发生器制备指定泡沫质量的CO₂泡沫压裂液（先加入压裂液，再注入指定体积的CO₂）。在15 MPa、120 °C条件下，以0.01 mL/min的恒定速率将CO₂泡沫注入岩心夹持器。注入过程中详细记录压力变化；注入结束后关闭入口，使整个系统处于关井状态。

4.压裂液返排：关井结束后，逐步打开入口开始返排。返排流体进入气液分离器，分离压裂液与CO₂。详细记录返排压裂液质量和CO₂体积，直至无液滴出现。返排结束后称量岩心质量并进行NMR测试，计算压裂液返排效率和CO₂封存效率。

5.不同泡沫质量实验：分别制备泡沫质量为50%、60%、70%的CO₂泡沫压裂液，重复步骤（2）至（4），研究泡沫质量对返排效率和CO₂封存效率的影响。

实验结论：

本文基于低场核磁技术，研究了CO₂泡沫压裂在致密砂岩气藏中的应用，重点评估压裂液返排效率、压裂液微观滞留特征以及过程中的CO₂封存潜力。

图一：CO₂泡沫压裂液返排前后弛豫谱

图一：通过对比岩心在初始水饱和状态（红色实线）与压裂液返排后状态（黑色虚线）的核磁共振弛豫谱，来表征压裂液的滞留情况。分析表明，压裂液返排后，小孔隙区域（对应弛豫时间较短处）的曲线幅度（S₁）仍显著高于水饱和状态（S₃），说明大量压裂液滞留在小孔隙中。信号面积可用于计算不同孔隙中压裂液滞留的比例，定量评估返排效果。

图二：不同CO₂泡沫质量压裂液返排前后弛豫谱

图二：在不同CO₂泡沫质量下（50%、60%和70%），压裂液在岩心中的微观滞留特征。随着CO₂泡沫质量从50%增至70%，返排后的T₂谱曲线幅度下降得更为明显，说明提高泡沫质量有助于减少压裂液在各种孔隙中的滞留。

低场核磁共振技术，可以表征压裂液的微观滞留特征，根据T₂谱面积，可以分别计算压裂液在小孔隙和大孔隙中的滞留百分比，从而定量评估其微观滞留行为。通过对比不同CO₂泡沫质量下返排前后的T₂谱曲线变化，可以评估工艺参数对滞留的影响，同时评价CO₂封存潜力。

推荐设备：

大口径核磁共振成像分析仪

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[1] Bo Han, Hui Gao, Yuanxiang Xiao, et al. CO₂ foam-assisted fracturing fluid flowback and CO₂ sequestration in tight sandstone gas reservoirs: Experimental and numerical study[J]. Geoenergy Science and Engineering, 2026.