基于二维核磁共振弛豫与分子动力学模拟的干酪根纳米孔隙表征技术及其在非常规页岩气储层中的应用

为解决非常规页岩气储层中干酪根纳米孔隙的储气能力与可采性预测难题，研究人员通过整合2D NMR T1 -T2 弛豫测量与分子动力学（MD）模拟技术，揭示了正庚烷在干酪根纳米孔隙中的溶胀行为与孔隙尺寸分布规律。该研究首次实现了无参数校准的纳米孔隙表征，为CO2 封存与绿色H2 地质储存提供了关键理论支撑。

　　

在能源转型与碳中和背景下，非常规页岩气储层中的干酪根纳米孔隙成为决定天然气储量和开采效率的关键因素。然而，传统技术难以精确表征纳米级孔隙结构及其对气体吸附/溶解行为的影响，导致现有储量评估忽略约20%的溶解气贡献。更棘手的是，干酪根在高压下的溶胀效应和纳米限域环境会显著改变流体动力学性质，而现有模型缺乏对弛豫机制与孔隙尺寸关系的定量描述。

针对这些挑战，来自美国莱斯大学等机构的研究团队在《Magnetic Resonance Letters》发表了一项突破性研究。他们创新性地将二维核磁共振（2D NMR）弛豫测量与全原子分子动力学（MD）模拟结合，以正庚烷为模型流体，首次实现了干酪根纳米孔隙的无参数化表征。这项研究不仅揭示了纳米限域环境下流体的异常弛豫行为，更建立了从实验室测量到地下储层预测的完整技术链条。

研究团队运用三大核心技术：1）多频率2D NMR T₁
-T₂
弛豫测量（2.3/20 MHz），通过逆拉普拉斯变换获取干酪根-正庚烷体系的弛豫时间分布；2）基于LAMMPS软件的MD模拟，采用PCFF+力场计算完全溶解态正庚烷的1H-1H偶极-偶极自相关函数；3）分子模式展开理论，将模拟的自相关函数分解为旋转（R）和平移（T）动态模式，定量解析弛豫色散与残余偶极耦合效应。实验样本包括英国Kimmeridge页岩干酪根分离物和以色列Ghareb组有机质富集白垩岩心（深度913-1278米）。

【3.1 弛豫色散】
通过对比2.3 MHz与20 MHz的T₁
测量值，发现纳米限域使正庚烷弛豫减慢3个数量级。MD模拟揭示其色散曲线符合幂律关系T₁
∝f₀
¹
（2-100 MHz），证实重定向介导的平移位移（RMTD）机制主导弛豫过程。分子模式分析显示，低频区（<2 MHz）旋转动力学贡献75%弛豫，而在20 MHz时旋转/平移贡献趋于均衡。

【3.2 残余偶极耦合】
MD模拟预测完全溶解态正庚烷的残余偶极耦合（RDC）导致T_2RDC
≈0.075 ms，比硅纳米管限域体系高35倍。这一"弛豫汇"效应为表面弛豫率ρ₂
≈5.57 nm/ms提供了理论校准基准，解决了传统方法依赖扫描电镜标定的难题。

【3.3 纳米孔隙分布】
基于ρ₂
将T₂
分布转换为体积-表面积比（V/S）分布，发现Ghareb岩心纳米孔隙直径随深度从14.5 nm（913米）线性减小至6.0 nm（1278米）。球形孔隙假设下，有效应力与孔径乘积保持≈24 kpsi-nm常数，证实压实作用是孔隙缩小的主因。

【3.4 压实与成熟度效应】
尽管干酪根溶胀比（SR≈1.19）与深度无关，但Biot系数从0.94（浅层）降至0.6（深层），导致有效应力增加1.6倍。这种"记忆效应"表明地下压实状态可通过实验室溶胀实验反演。

该研究建立了干酪根纳米孔隙表征的新范式，其核心突破在于：1）首次通过第一性原理MD模拟校准NMR表面弛豫率，避免了传统气体吸附法的系统误差；2）发现残余偶极耦合是页岩有机质中T₂
弛豫的主导机制；3）揭示压实应力与纳米孔隙尺寸的定量补偿关系。这些成果不仅为页岩气储量评估提供了新参数，更重要的是为CO₂
强化采气（CO₂
-EGR）和绿色氢能地质储存奠定了理论基础。通过将NMR-MD技术与分子密度泛函理论（mDFT）结合，未来可精准预测CH<s