基于汉森参数的煤焦油酚类化合物DES反萃取研究：一种实验与计算相结合的方法

《Fuel》：Coal tar phenolic DES back-extraction study based on Hansen parameters: A combined experimental and computational approach

低场核磁共振技术用于分析钻井岩屑孔隙结构，发现颗粒尺寸≥1 mm时岩屑可替代完整煤芯，最佳精度区间为1.7-2.36 mm，微孔隙比例随粒径减小而增加。

　　煤层气作为重要的非常规天然气资源，其在煤储层中的赋存与运移受到储层孔隙结构复杂性的影响。因此，对煤储层孔隙结构的准确表征是理解煤层气运移机制和提高开采效率的关键。传统的孔隙结构分析方法通常依赖于完整岩芯的获取，然而，在软质、低渗透性的煤层中，完整岩芯的获取面临诸多挑战。这使得钻屑成为一种替代性材料，用于表征储层孔隙结构。然而，钻屑的使用仍然存在一些不确定性，特别是在孔隙度和孔隙尺寸分布的测量方面。因此，如何准确地利用钻屑进行孔隙结构分析，成为当前研究的重要课题。

本研究针对这一问题，提出了一种基于低场核磁共振（LF-NMR）技术的钻屑孔隙度测量方法。通过使用1H探头和5%硫酸铜离心处理，对人工破碎的煤钻屑样品进行分析，并将其孔隙度和孔隙尺寸分布与完整岩芯数据进行对比。研究结果表明，钻屑与完整岩芯的T2谱具有高度相似性，且微孔（<2 nm）和介孔（2–50 nm）在孔隙结构中占据主导地位。此外，随着钻屑颗粒尺寸的减小，总孔隙度和微孔比例均有所增加，表明颗粒破碎程度对测量结果具有显著影响。研究进一步提出，颗粒尺寸大于等于1 mm时，钻屑能够较为可靠地表征储层孔隙结构，其中1.7–2.36 mm的颗粒尺寸在精度与封闭孔隙保持之间取得了最佳平衡。

为了确保钻屑孔隙度测量的准确性，本研究还探讨了表面束缚水对测量结果的影响。表面束缚水是钻屑孔隙度测量中的主要干扰因素，其含量随着颗粒尺寸的减小而增加。这种水分的存在会显著影响孔隙度和孔隙尺寸分布的测量精度，尤其是对于小颗粒的钻屑。因此，研究采用离心处理的方法去除表面束缚水，并通过LF-NMR技术对去除水分后的钻屑进行测量。这种方法不仅提高了测量的准确性，还减少了操作复杂性，提高了实验效率。

研究还对不同颗粒尺寸的钻屑样品进行了系统比较，分析了它们在孔隙度和孔隙尺寸分布上的差异。结果显示，当颗粒尺寸减小时，总孔隙度和微孔比例均呈现上升趋势，而介孔和大孔的比例则有所下降。这一现象可能与颗粒破碎过程中暴露的封闭孔隙以及半封闭孔隙的转化有关。因此，选择适当的颗粒尺寸范围对于准确表征煤储层孔隙结构至关重要。通过对比不同颗粒尺寸下的测量结果，研究确定了1.7–2.36 mm作为最佳的颗粒尺寸范围，能够在保持较高测量精度的同时，避免因颗粒破碎而造成的孔隙结构失真。

此外，研究还强调了LF-NMR技术在非破坏性测量中的优势。与传统的侵入法（如汞侵入和气体吸附）或图像分析法（如扫描电镜和计算机断层扫描）相比，LF-NMR不仅能够快速获取孔隙结构信息，还能避免对样品造成破坏。这一特点使得LF-NMR成为煤储层孔隙结构分析的理想工具，特别是在需要保留样品完整性或进行多次测试的情况下。同时，LF-NMR技术的高灵敏度和广泛的适用性，使其能够在不同粒径的钻屑样品中实现较为精确的孔隙度和孔隙尺寸分布测量。

本研究的实验材料来自中国神木市张明沟煤矿的烟煤样品。张明沟煤矿位于陕西省府谷县沙道沟镇张明沟村，其开采区域东西长约2.3公里，南北宽约1.2公里。该煤矿的设计年产能为45万吨，可采储量约为899万吨。其开采面积达3.36平方公里，覆盖了丰富的煤层资源。通过对这些煤样的工业分析和元素分析，研究确认了其为高挥发性烟煤，具有较高的碳含量和较低的水分、灰分及挥发分含量。这表明所选煤样在物理和化学性质上具有代表性，能够为研究提供可靠的数据支持。

在实验过程中，研究团队对不同颗粒尺寸的钻屑样品进行了系统的T2谱分析，并与完整岩芯的T2谱进行了对比。结果表明，钻屑与完整岩芯的T2谱形态相似，均呈现出多个峰的分布特征，这反映了煤储层中孔隙结构的多尺度特性。同时，研究还发现，当颗粒尺寸大于3.35 mm时，孔隙度测量的偏差最小，最大偏差仅为3.03%，这说明在较大的颗粒尺寸范围内，钻屑能够较为准确地表征储层孔隙结构。然而，当颗粒尺寸减小至0.85 mm时，孔隙度测量的偏差显著增加，达到14.26%，这表明小颗粒钻屑在孔隙结构分析中存在较大的不确定性。

研究还探讨了颗粒破碎强度对孔隙度测量的影响。随着颗粒破碎程度的增加，钻屑中暴露的封闭孔隙数量增多，同时半封闭孔隙的转化也增加了孔隙度的测量值。这一现象表明，颗粒破碎过程不仅改变了钻屑的物理形态，还对其孔隙结构的表征产生了深远影响。因此，在实际应用中，需要根据钻屑的破碎程度和颗粒尺寸，合理选择测量方法，以确保数据的准确性。

为了进一步验证LF-NMR技术在钻屑孔隙度测量中的适用性，研究还对比了不同方法的测量结果。例如，Kesserwan的研究指出，颗粒尺寸小于1 mm的钻屑在孔隙度测量中受到表面束缚水的显著影响，而Fellah则提出了一种同时检测19F和1H信号的方法，以减少表面束缚水对测量结果的干扰。Mitchell建立了一套LF-NMR流程，通过使用Fluorinert FC-40去除表面束缚水，并结合19F/1H LF-NMR测量，实现了对钻屑孔隙度的准确表征。而Dick则采用D2O去除表面束缚水，并使用单一1H探头进行测量，简化了实验流程，提高了测量效率。

通过对比不同方法的优缺点，研究团队发现LF-NMR技术在钻屑孔隙度测量中具有独特的优势。首先，LF-NMR技术是非破坏性的，能够在不破坏样品的前提下完成孔隙结构的分析，这对于后续的样品处理和多次测试尤为重要。其次，LF-NMR技术的测量速度快，能够高效地获取大量数据，适用于大规模的储层表征工作。此外，LF-NMR技术对孔隙结构的敏感性较高，能够捕捉到不同尺度的孔隙特征，从而提供更为全面的储层信息。

然而，LF-NMR技术在钻屑孔隙度测量中仍然存在一些挑战。例如，如何准确计算非规则形状钻屑的体积，以及如何有效去除表面束缚水，都是影响测量精度的关键因素。此外，不同粒径的钻屑样品在测量过程中可能表现出不同的响应特性，这需要进一步的研究来优化测量参数和方法。因此，未来的研究可以围绕如何提高LF-NMR技术在钻屑孔隙度测量中的精度和可靠性展开，例如开发更高效的表面束缚水去除方法，或者结合其他分析技术（如X射线计算机断层扫描）以实现更全面的孔隙结构表征。

本研究的实验结果为煤层气储层孔隙结构的现场表征提供了方法学支持。通过建立一套基于LF-NMR的钻屑孔隙度测量流程，研究不仅验证了钻屑在孔隙结构分析中的可行性，还明确了不同颗粒尺寸对测量结果的影响。这一成果对于提高煤层气勘探与开发效率具有重要意义，尤其是在无法获取完整岩芯的情况下，钻屑可以作为一种有效的替代材料。此外，研究还为后续的孔隙结构分析提供了理论依据和技术指导，有助于推动煤层气资源的可持续开发。

综上所述，本研究通过LF-NMR技术对不同颗粒尺寸的煤钻屑样品进行了系统分析，揭示了钻屑在孔隙结构表征中的潜力与局限性。研究结果表明，当颗粒尺寸在1.7–2.36 mm范围内时，钻屑能够提供较为准确的孔隙度和孔隙尺寸分布数据，这对于煤层气储层的高效表征具有重要价值。同时，研究还指出了LF-NMR技术在钻屑孔隙度测量中的优势，如非破坏性、快速性和高灵敏度，这些特性使其成为煤层气储层分析的理想工具。未来的研究可以进一步探索如何优化LF-NMR技术在钻屑孔隙度测量中的应用，以提高其在实际工程中的适用性与准确性。