页岩气藏纳米孔隙结构和气藏参数的实验室核磁共振测量表征方法研究

As the important un-conventional energy resource, the development and utilization of shale gas play a strategic role in the world. However, the very fine porous structures in gas shale pose large challenges. Because of the high sensitivity of nuclear magnetic resonance (NMR) to local environments at the atomic and molecular level, compared with conventional characterization methods for porous media such as MIP and BET, NMR possesses greater advantages and potential. The applicants have already developed the 1H NMR cryoporometry method to measure and characterize nano-porous structures in shale. In this proposal, using 129Xe and 1H as the probes, we will spare no efforts in developing comprehensive NMR methods to characterize nano-porous structure in shale, which will be efficient, robust, cost-saving, portable and easily operative, especially will initiate the novel 129Xe NMR method in low field (Earth Field). With the multiple sets of NMR parameters from different kinds of NMR measurements, we will establish the comprehensive interpretative models to derive at the parameters about porous geometry and dynamics in shale, and obtain the reservoir parameters such as porosity, capillary pressure and permeability. Based on these studies, a solid foundation will be laid for the assessment and utilization of gas shale resource, and such methodology will be also valuable for geological field work.

作为非常规能源的页岩气越来越受到各国政府和业界重视，页岩气资源评价和开发的难度主要源自微细孔隙结构特征。由于核磁共振（NMR）对原子尺度的局域环境有着高度敏感性，相比于传统的介质孔隙表征方法，NMR有着无可替代的优势，且作为工作基础和前期积累，本小组已初步实现页岩纳米孔隙的冻融1H NMR测量。本项研究以129Xe、1H为探针，研发快速准确、简单稳健、成本低廉、易于操作的NMR实验方法来准确测量页岩纳米孔隙，并建立综合解释模型来表征页岩孔隙结构、动力学特征和宏观油气藏参数等，为页岩气藏资源评价和开发提供坚实的基础，并具学科交叉的优势。

非常规油气藏（如页岩气、致密砂岩气）的关键特征、同时也是难点就在于其纳米孔隙。同样地，对于重要材料如水泥、大分子和聚合物以及重要环境载体如土壤，纳米孔隙结构和动力学特征也起着至关重要作用。然而，目前尚缺乏有效手段来探测和表征这些重要介质中的纳米孔径分布、纳米孔隙结构和动力学特征，从而无法为评价和勘探开发非常规油气藏、评价和改进重要材料性能、以及探测微界面上环境地球化学作用和环境治理提供关键信息和参数。另一方面，核磁共振对这样微观尺度（纳米、分子/原子）的结构、性质、作用及其动力学过程尤为敏感。所以，本项基金主要就是系统地研发出能够灵敏探测和表征上述纳米等微观性质和作用的核磁共振设备与方法。经过本项研究，按质按量且超额完成项目预定计划和目标，取得了重要的研究进展和成果。这里进展和成果主要有：尤适于测量表征页岩等非常规油气藏纳米孔径分布的低场冻融核磁共振（NMRC）设备与实验方法、解释模型，并且可以直接简单移植到相对简单的介质如水泥、大分子聚合物等；适于表征致密砂岩等非常规油气藏纳米孔隙的低场快速场循环核磁共振（FFC NMR）实验方法和解释模型，更重要的是，FFC NMR可以提供重要的油气藏参数如纳米孔径分布、纳米孔隙表面润湿性和表面扩散系数等；研制成功用于测量表征非常规油气藏和水泥中纳米孔径分布及动力学的高场氙气核磁共振方法与解释模型；研制成功高场原位多相核磁共振（CMP NMR）实验方法，来表征与测量重要介质如土壤中微界面上的环境作用及动力学过程。总之，研发出用于表征介质中纳米孔隙特征的系统核磁共振设备、实验方法与解释模型。这套核磁共振设备、方法与模型对非常规油气藏、水泥和高分子聚合物、土壤等环境载体有着关键作用，可以提供关键参数等信息，用于非常规油气藏的资源评价与勘探开发、材料性质表征与性能改进、土壤等重要环境载体的环境地球化学作用与环境治理。这套方法已经并正在创造出巨大的科学、生产、经济与社会价值。