核磁共振凍融納米測孔法
本文介紹核磁共振凍融納米測孔法。頁巖氣是開采前景廣闊的非常規(guī)天然氣，通過核磁凍融法表征頁巖納米孔隙，從而對頁巖氣成藏機理和運移機制有更加深入的了解，可以為頁巖氣資源的勘探與評價提供強有力的支撐。
頁巖氣是具有廣闊開采前景的非常規(guī)天然氣。頁巖氣與常規(guī)天然氣的差異主要源于儲層特征及儲氣機理，常規(guī)儲層孔隙一般為毫米和微米級，頁巖氣儲層通常以納米級孔隙為主，兩者的物性性質(zhì)區(qū)別明顯。充分認(rèn)識頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)，不僅是了解氣體賦存狀態(tài)、擴散-滲流過程的基礎(chǔ)，也是頁巖氣成藏機理以及油氣勘探評價的關(guān)鍵。
目前頁巖孔隙結(jié)構(gòu)指標(biāo)主要有孔隙率、孔徑分布、孔比表面積、孔隙形態(tài)。對孔隙的劃分大多沿用國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)的劃分方法，將孔隙分為微孔(＜2nm)、中孔(2-50nm)和大孔(＞50nm)。有學(xué)者將多孔介質(zhì)的表征方法分為三類：圖像分析法、流體注入法和非物質(zhì)注入法。
不同孔隙結(jié)構(gòu)表征方法對比 圖像分析法利用不同類型顯微鏡對多孔材料進行直接觀察并獲取圖像，并與統(tǒng)計學(xué)方法結(jié)合獲取部分定量信息；流體注入法在不同壓力下將非潤濕性流體或氣體注入多孔介質(zhì)獲取體積變化曲線，利用不同理論模型進行表征，常用的有壓汞法和氣體吸附法；非物質(zhì)注入法有核磁共振、小角散射法、微計算機斷層掃描技術(shù)，利用核磁共振、射線等物理現(xiàn)象獲取孔隙信息。
圖1 孔隙結(jié)構(gòu)測試方法對比
由于頁巖以納米孔隙為主，具有孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、連通性差、非均質(zhì)性強的特點，使得對其進行孔隙表征時，很多方法的適用性和可靠性受到制約：圖像分析法雖在研究孔隙形態(tài)方面具有優(yōu)勢，但其樣品處理要求高，易形成“假孔隙”，受非均質(zhì)性影響大，且圖像分辨率會直接限制表征精度，通常用于定性分析； 流體注入法獲取的數(shù)據(jù)相對全面，但通常用于研究開孔體系，在樣品預(yù)處理及實驗過程中易導(dǎo)致微孔結(jié)構(gòu)破壞，常用的壓汞法測量的是孔隙最大開口尺寸，而孔喉的存在往往會使結(jié)果偏離真實值，氮氣吸附法測試耗時并難以用于大孔表征，且以上方法均難以覆蓋頁巖的孔隙分布范圍，使得孔隙度等結(jié)果有所偏離，需多種方法補充與驗證； 非物質(zhì)注入法通常具有快速、無損、簡便的特點，在頁巖孔隙研究中發(fā)揮巨大作用，但部分方法測試價格昂貴，實驗條件及測試范圍有限。
核磁共振凍融納米測孔法(nuclear magnetic resonance cryoporometry,NMRC)是一種新興的間接表征技術(shù)，不但能覆蓋納米孔隙的測試范圍，實現(xiàn)對同一樣品的連續(xù)測量，還能直接、高效地獲取孔徑分布、孔隙度等信息，對樣品擾動小，在頁巖等低滲介質(zhì)的納米孔隙研究中展現(xiàn)出了極大的潛力。 該方法通過核磁共振信號記錄變溫條件下多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)的相變過程，基于受限材料的相變理論，對多孔材料的孔隙度、孔徑分布等性質(zhì)進行深入研究。常規(guī)的核磁共振弛豫法不能反映孔隙的絕對孔徑，需要進行系數(shù)換算得到孔徑分布，存在一定誤差，且對于孔徑較小(小于10 nm)的樣品測定信噪比較低，而NMRC不但具有常規(guī)核磁共振技術(shù)的優(yōu)勢，還能提高微孔、中孔的測試精度, 測試范圍也能滿足低滲頁巖的需求。 本研究利用不同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)材料對NMRC的測試精度進行驗證，并嘗試采用該方法表征塊體和磨碎頁巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)，將實驗結(jié)果與壓汞法、氣體吸附法比對，對其適用性與可靠性進行討論，為頁巖等微孔、中孔較多的納米孔隙介質(zhì)研究提供借鑒。
核磁共振凍融納米測孔法基本原理與方法：NMRC的實質(zhì)是利用流體固、 液態(tài)核磁共振弛豫性質(zhì)的差異來表征孔隙結(jié)構(gòu)特征。在實際測量過程中，首先將某種液體(一般為潤濕性液體)飽和填充于待測的多孔固體材料中，通過儀器配備的冷卻裝置進行變溫操作，測量相應(yīng)相變過程的液體變化量，從而獲得熔化(或凝固)曲線， 分析孔隙的相關(guān)信息。該方法是由Strange等人基于Gibbs-Thomson方程提出一種定量測孔方法，Hansen等人對其進行了補充和發(fā)展。 若假定尺寸為x的孔隙體積為V(x)，孔內(nèi)晶體的熔點為Tm(x)，則孔體積分布如下:
根據(jù)Gibbs-Thomson方程
該式還可以簡化為：
結(jié)合第1和第3個公式，可得如下：
通常認(rèn)為核磁信號強度I與孔體積V成正比關(guān)系，則
實驗過程中，我們可以獲得I與溫度T的對應(yīng)曲線，只需確定比例常數(shù)kGT，將溫度轉(zhuǎn)換成孔徑，即可求得樣品的孔徑分布，孔隙度則是將總的核磁信號強度轉(zhuǎn)化成孔隙體積從而獲得。
標(biāo)準(zhǔn)孔隙材料試驗驗證
為測試NMRC的可靠性及適用性，利用其對已知孔徑的標(biāo)準(zhǔn)樣品進行孔徑表征。本研究選用了孔徑范圍為7~9 nm的SBA-15分子篩以及孔徑為24 nm的可控納米多孔玻璃(controlled pore glass,CPG)作為測試樣品。SBA-15是以嵌段共聚物為模板劑，在酸性條件下合成的具有二維六方通孔結(jié)構(gòu)的介孔硅基分子篩，其透射電子顯微鏡圖像如圖2所示，樣品為粉末狀，孔徑范圍為7~9 nm，粒度為1~2 nm，BET比表面積為550~600 m2/g；CPG為二氧化硅材質(zhì)的微孔玻璃小球，孔徑均勻、孔道連通，可通過控制分相溫度、分相時間等參數(shù)調(diào)控其孔徑尺寸，本文采用的CPG材料孔徑為24nm。
圖2 SBA-15分子篩透射電子顯微鏡圖像
兩種樣品皆在真空強制飽水后，于核磁共振孔隙分析儀中進行變溫操作，變溫范圍從-24~0℃ , 溫度波動為±0.02℃，最小溫度梯度為0.1℃，利用CarrPurcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列進行 核磁信號采集。實驗結(jié)果如圖3所示，SBA-15樣品孔隙主要分布于6~10 nm，其中峰點孔徑為7.9 nm; 24nm的CPG樣品孔隙主要分布于15~35 nm，其中峰點孔徑為24.6nm，測試結(jié)果皆與已知參數(shù)吻合較好。
圖3 SBA-15分子篩NMRC法(上)和CPG材料NMRC法(下)孔徑分布結(jié)果綜上可知，NMRC對于不同孔徑范圍的材料具有較強的表征能力以及較高的表征精度 。
頁巖納米孔隙結(jié)構(gòu)測試分析
測試材料及方法研究選取我國第一口頁巖氣井—四川威遠(yuǎn)威201井深度約為2700m的頁巖作為樣品，分別制成塊狀、磨碎（40-60目）兩類樣品，利用NMRC、壓汞法和氮氣吸附法對孔隙結(jié)構(gòu)進行表征。其中，核磁凍融設(shè)備采用蘇州紐邁生產(chǎn)的NMRC12-010V-T型儀器，變溫操作范圍-36-7℃，溫度波動±0.02℃，最小溫度梯度為0.1℃，利用CPMG序列進行信號采集。 核磁凍融法需先對樣品進行飽和，飽和液體的選擇十分重要。通常采用不易揮發(fā)，不與樣品發(fā)生反應(yīng)，相變前后核磁信號差異明顯、潤濕性較好能通過毛細(xì)作用自發(fā)進入小孔的液體。液體的kGT值越大，相同孔徑引起的溫度變化就越大，儀器分辨率就越高，因此在其他條件滿足的前提下，應(yīng)盡量選取kGT值較大的液體。目前，核磁凍融法常用的飽和液體有水、八甲基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)、環(huán)己烷等。飽和液體的選擇我們放在下一期中來詳細(xì)介紹。
測試結(jié)果分析對于塊狀樣品，其主要反映連通空隙的結(jié)構(gòu)特征，本篇文章選擇環(huán)己烷做飽和介質(zhì)。如圖5所示，NMRC與壓汞法測試結(jié)果較為相近，前者孔隙度為3.2%，后者孔隙度為3.7%，樣品孔徑分布范圍較廣且均勻，而NMRC發(fā)對于微孔的刻畫更為精細(xì)。 對于磨碎樣品，頁巖的孔隙以中孔、大孔為主，呈現(xiàn)出多峰形態(tài)，其中100-200nm和15-30nm范圍內(nèi)孔隙較多，孔隙度約為5.7%。NMRC與氮氣吸附法在同一區(qū)段孔徑分布趨勢答題一致，對峰值的刻畫吻合程度較高。 氮氣吸附法所測定的最小孔徑為探針氣體的分子直徑，最大孔徑由高相對壓力下測定探針氣體吸附量的實際難度決定，其可測量孔半徑下限在0.3nm左右，可測最大孔半徑范圍為50-75nm，而NMRC法則能完整的獲取納米尺度的孔隙信息，對其他方法有很好的補充和驗證。
圖4 NMRC與壓汞法、氮氣吸附法孔徑分布結(jié)果對比
根據(jù)不同形態(tài)樣品的累積孔體積分布曲線可知（圖6），磨碎樣品孔隙體積普遍高于塊狀樣品，且在中、大孔區(qū)段表現(xiàn)明顯，推測原因為碎樣處理后使得部分封閉的非連通孔隙被打開，也說明樣品含有較多的封閉孔隙。磨碎樣品的測試使得孔隙的表征更加完全，測試結(jié)果與介質(zhì)的總孔隙度更為接近。
圖6 不同形態(tài)樣品累積孔體積分布曲線
綜上，NMRC作為一種擾動小、快速的孔隙表征方法，不但具有較高精度，且能完全覆蓋納米孔隙分布范圍，在納米介質(zhì)孔隙研究方面具有一定優(yōu)勢，是對其他方法的驗證與補充，將在低滲介質(zhì)的相關(guān)研究中展現(xiàn)出巨大潛力。
結(jié)論與展望
目前，NMRC已被廣泛應(yīng)用于介孔二氧化硅、生物細(xì)胞、木材等材料，而本研究表明，其在頁巖等巖石的孔隙結(jié)構(gòu)表征方面也有廣闊的應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)的測孔方法，核磁共振凍融納米測孔法NMRC在納米介質(zhì)孔隙研究方面的優(yōu)點如下：
(1)能較好的表征4-1400nm范圍內(nèi)的孔隙；
(2)利用核磁共振技術(shù)對孔內(nèi)信息進行直接獲取，減小了對孔隙結(jié)構(gòu)的破壞，測試更加直接、快速；
(3)通過改變樣品形態(tài)以及利用流體的毛細(xì)、擴散等作用，NMRC可獲得閉孔信息。
同時，部分學(xué)者通過理論分析認(rèn)為不同變溫方式獲得的融化、凝固過程的溫度變化△Tm和△Tf及其比值△Tm/△Tf與孔隙的幾何形狀（比表面積）相關(guān)，球狀、圓柱狀、狹縫狀孔隙的△Tm/△Tf比值分別約為2/3、1/2和0，相關(guān)結(jié)論已得到部分實驗的證實，若能繼續(xù)研究融化-凝固曲線特征，建立幾何形態(tài)評價方法，可加深對復(fù)雜介質(zhì)孔隙形態(tài)的認(rèn)識。
核磁共振凍融納米測孔法也存在一定限制：
(1)由于頁巖孔隙的孔隙度、孔徑通常比常規(guī)儲層小，且可能含有順磁性物質(zhì)，使得NMR實驗結(jié)果信噪比低、弛豫時間短、會一定程度影響測試精度；
(2)NMRC實驗參數(shù)的選取會直接影響分析結(jié)果的可靠性，如回波時間、液體選取、參數(shù)設(shè)定等；
(3)納米孔隙會對流體的熱力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不容忽視的尺度效應(yīng)，特別是孔徑小于10nm的材料，需要對理論模型進行改進與補充。
綜上所述，NMRC極大地豐富了孔隙結(jié)構(gòu)的表征方法，在頁巖介質(zhì)研究領(lǐng)域有較強的應(yīng)用價值。若將NMRC與其他核磁技術(shù)(核磁光譜法、核磁成像技術(shù))相結(jié)合，則可深入研究孔隙的非均一性、連通性、交界面的相互作用等特性，得到更全面、綜合的孔隙結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。
參考文獻：張倩,董艷輝,童少青,李曉,王禮恒.核磁共振冷凍測孔法及其在頁巖納米孔隙表征的應(yīng)用[J].科學(xué)通報,2016,61(21):2387-2394.
