1、第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0280引言我国大部分煤田的煤储层富含瓦斯，在采煤过程中经常引发严重的瓦斯爆炸灾害。在众多控制参数中，渗透率是控制地质介质中流体运移的关键因素，对煤层气运移采收过程影响最大。我国煤系储层普遍具有低孔、低渗、强非均质性等特点。且渗透率是1个难以直接获取的参数，而且储层渗透率受多种因素的共同控制，这些因素的综合影响会使得渗透率的准确求取十分困难。因此，研究典型煤储层岩石渗透率及其影响因素，对于保障煤炭和煤层气的安全高效开采具有重要意义。
2、而核磁共振技术（NMR）是一种快速、方便且无损的技术，用于表征复杂的多孔介质，特别是致密储层。与常规方法相比，核磁共振方法可以对岩石物性参数进行快速无损的检测，并且核磁共振T2谱中包含了孔径分布、孔隙连通情况和孔隙流体流动特性等多样化的信息，因此利用核磁共振来计算储层渗透率有其独有的优势。因此，有很多的研究工作者将核磁共振应用于岩石的渗透率和孔隙相关参数的研究，得到了许多根据NMR资料计算渗透率的模型。以上这些模型大多是基于对各类常规和非常规储层的统计、分析得出，对具有孔隙结构复杂、孔隙连通性差及非均值性强的泥页岩储层的适用性和预测效果并没有统一的结论。本文以柠条塔煤矿泥页岩为研究对象，利用X
3、射线衍射和低场核磁共振技术对泥页岩孔隙结构及基于 NMR 的煤系泥页岩储层渗透率预测及影响因素分析*张娜1，2，王若晨1，2，张婧雯1，2，王帅栋1，2，赵伟征1，2（1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083；2.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083）摘要：选取柠条塔煤矿泥页岩作为研究对象，通过核磁共振（NMR）实验，分析讨论了储层孔隙结构及渗透率影响因素，对比了6种核磁渗透率模型，并做出了评价。结果表明：试样的核磁共振T2谱均为单峰模式，其主峰分布在0.110 ms内，小孔隙是所有试样的主要孔隙类型。在6种核磁共振渗透率预测模型中，T2g单参数模型的预测
4、效果要优于另外5种模型。孔隙度只是渗透率的控制因素之一，而微观孔隙结构是决定储层渗透率的关键参数。另外，矿物组成对渗透率有一定的影响。关键词：煤系储层；核磁共振；孔隙结构；渗透率模型中图分类号：TE311;P631.81;P618.13文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 148 07Prediction of Coal Measure Shale Reservoir Permeability and Analysisof Influencing Factors Based on NMRZHANG Na1，2，WANG Ruochen1，2，ZHANG Jingwen1，
5、2，WANG Shuaidong1，2，ZHAO Weizheng1，2（1.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,Beijing 100083,China;2.School ofMechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China）Abstract:The shale in Ningtiaota coal mine is selected
6、as the research object.Through nuclearmagnetic resonance（NMR）experiment,reservoir pore structure and the influencing factors of permeabilityare analyzed and discussed.Six nuclear magnetic permeability models are compared and evaluated.Theresults show that the nuclear magnetic resonance T2spectra of
7、the samples are single peak mode,themain peak is distributed in the range of 0.1 to 10 ms,and small pores are the main pore type of allsamples.Among the six NMR permeability prediction models,the prediction effect of T2gsingleparameter model is better than the other five models.Porosity is only one
8、of the controlling factors ofpermeability,and micro pore structure is the key parameter to determine reservoir permeability.Inaddition,mineral composition has a certain influence on permeability.Key words:coal measure reservoir;nuclear magnetic resonance;pore structure;permeability model*国家自然科学基金青年科
9、学基金项目（41502264）；中央高校基本科研业务费专项基金项目（2020YJSSB07）；中国矿业大学（北京）大学生创新训练（C202006968）148渗透率进行实验研究。选取6种渗透率模型对其渗透率预测效果进行分析与评价，并且分析了孔隙度、孔隙结构以及矿物组成对渗透率的影响，以期对煤系储层的开发提供有效手段。1材料与实验1.1岩石样品选取陕西省榆林市神木县柠条塔煤矿中侏罗统含煤地层的10块泥页岩作为研究对象，采样后密封在自封袋中，运至地面后立即蜡封，在实验室加工成统一规格的圆柱形岩样，尺寸为25 mm65 mm。1.2矿物成分与物性参数测定根据岩样干重和岩样尺寸，测定岩样的密度。根据中
10、国石油天然气行业标准SY/T 51632010，采用德国Bruker D8 Discover X射线衍射仪确定实验岩样的各组成矿物含量。岩样矿物成分含量如表1所示。表1岩石样品的矿物成分及含量样品编号Y-1Y-2Y-3Y-4N-1N-2N-3N-4N-5N-6黏土矿物46504332553346504744石英32204136354535383741钾长石5341344343斜长石1361227181291212菱铁矿421/29/3/高岭石60554946343845394544绿泥石20232023261526252325伊利石711913143310131312伊蒙混层131122182
11、61419231919全岩矿物成分含量/%黏土矿物含量/%根据中华人民共和国国家标准GB/T 291722012规定的岩心常规分析方法，测定岩样的孔隙率和渗透率。岩样的孔隙率采用含水饱和度法测定。岩样的渗透率是使高纯度氮气流经岩芯样品，使用气体渗透率测试仪测定的。岩样物性参数含量如表2所示。表2岩石样品的物性参数1.3核磁共振实验本试验所用的核磁共振测试仪器为中国石油天然气集团公司的RecCore-04低场核磁共振设备，该装置的恒定磁场强度为1 200 Gs，共振频率为3.84 MHz。实验时选择的主要测试参数：回波间隔时间0.5 ms，等待时间3 s，回波个数1 024，扫描次数64。核磁共
12、振实验依据中国石油与天然气行业标准SY/T 64902014，在全水饱和和束缚水饱和条件下，对所有试样进行NMR测量。2实验结果2.1矿物成分X射线衍射分析结果如表1所示。试样的矿物成分主要为黏土矿物、石英和斜长石，部分试样（Y-1、Y-2、N-3）含有菱铁矿。矿物成分含量最多的为黏土矿物，其平均含量44.6%（质量分数，下同）；其次为石英，平均含量34%。此外，黏土矿物主要有高岭石、绿泥石、伊利石和伊蒙混层，其中高岭石含量最高，平均45.5%，所有试样的黏土矿物含量在32%（Y-4）55%（N-1）。2.2物性参数根据物性测试实验数据（见表2），得到试样孔隙度1.4013.40%，平均7.2
13、4%；渗透率0.000 30.004 8 mD，平均0.001 8 mD，其物性参数值较低，属于低渗储层岩石。2.3核磁共振T2谱岩样完全饱水状态下的T2谱如图1所示，试样的核磁共振T2谱均为单峰模式，其主峰较宽，主要分布在0.110 ms内，说明试样的小孔隙所占比例较大。另外，核磁共振T2谱具有丰富的量化信息，可以利用这些信息对地层岩石进行定量表征。其中T2几何平均值T2g和T2算数平均值T2w可以直观表征孔隙大小，束缚流体体积BVI、可动流体体积FFT可以表征孔隙连通性。核磁共振T2谱定量参数如图2所示。几何均值是用于计算数据平均增长率的均值计算方法。在T2谱定量评价中，通过对弛豫时间与对
14、应的孔隙度分量乘积开NMR次方根得到T2几何平均值T2g，在经典核磁渗透率SDR模型中，T2g是其样品编号Y-1Y-2Y-3Y-4N-1N-2N-3N-4N-5N-6干重/g43.4645.3540.5443.1241.9242.2641.2341.2341.2340.72密度/gcm-32.532.642.362.512.442.462.402.402.402.37孔隙度/%1.406.308.2013.404.705.806.407.708.3010.20气测渗透率K/mD0.000 30.000 60.001 50.002 80.001 80.004 80.000 80.001 70.0
15、01 20.002 6第42卷第03期Vol.42 No.03基于NMR的煤系泥页岩储层渗透率预测及影响因素分析张娜，等149重要模型参数。T2几何平均值T2g=ni=1T2ii()1NMR（1）式中NMR核磁孔隙度，；i第i个孔隙度分量；T2i第i个T2。算术均值是一种基础的平均指标，常用来表征数据的平均位置。对于核磁共振T2分布来说，T2算数平均值T2w表征为整体孔隙分布的平均位置，T2算数平均值T2w=ni=1T2iini=1i（2）T2g和T2w计算结果如表3所示。2.4可动流体饱和度试样Y-2和N-3饱水与离心前后的T2谱分别如图3（a）、图3（b）所示，试样离心前后T2谱中的第1峰
16、基本没有发生变化，该部分水主要为束缚水，说明岩芯中可动流体含量较低。束缚水饱和情况下试样的T2分布曲线反映吸附孔分布特征，从图3可以看出，试样的吸附孔分布和全谱孔隙分布几乎没有差异。饱和水与束缚水的累计孔隙度曲线可以定量的图1饱和条件下核磁共振测量的T2谱图2核磁共振T2谱定量参数表3核磁共振孔隙结构参数样品编号Y-1Y-2Y-3Y-4N-1N-2N-3N-4N-5N-6核磁孔隙度NMR/%2.156.139.5312.849.4010.7111.7310.4510.6710.90T2g/ms0.790.911.041.090.911.311.011.060.971.11T2w/ms1.211.318.439.3017.2941.951.483.7824.1720.53T2C/ms1.552.684.641.552.682.683.222.682.232.68FFI/%9.938.8110.5613.299.4413.618.3411.5912.4411.59BVI/%90.0791.1989.4486.7190.5686.3991.6688.4187.5688.41FFI/BVI0.
