综述：用于量化多孔介质中气体吸附的NMR技术：原理、应用、局限及未来发展方向

《Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy》：NMR techniques for quantifying gas adsorption in porous media: principles, applications, limitations, and future directions

　　

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  气体吸附是從非常规天然气储层中回收气体的关键因素。
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  核磁共振技术有助于在实验室和现场尺度上测量气体吸附情况。
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  本文为所讨论的技术和方法提供了相关指导。
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  文中涵盖了低场核磁共振、魔角旋转以及磁共振成像技术。

引言

页岩、致密砂岩和煤等非常规储层岩石的特点是孔隙度和渗透率极低，且孔隙结构十分复杂[1]。由于提取技术的进步，这类地层在近几十年已成为重要的能源来源[1]。在岩石物理学领域，这类岩石一直备受关注，因为其孔隙系统具有非均质性和各向异性，反映了不同的矿物组成和有机物质含量[2]。非常规岩石中的孔隙尺寸范围很广，极小的（纳米级）孔隙和较大的孔隙往往在同一样本中以非均匀分布的形式共存[3]。这些非均匀孔隙可能相互连通，也可能彼此孤立，存在于岩石基质中。根据尺寸大小，它们通常被分为大孔隙（直径大于50纳米）、中孔隙（直径在2纳米到50纳米之间）以及微孔隙（直径小于2纳米）[4]。

这种复杂的孔隙结构直接决定了流体储存能力和渗透率等基本性质。因此，准确描述孔隙网络对于优化地质碳储存和提高石油采收率等作业至关重要[5]、[6]。在用于描述孔隙结构的各种方法中，气体吸附应用十分广泛。通过气体吸附可以获取样品从最小到最大的完整孔隙尺寸分布，从而帮助了解岩石样本的孔隙复杂程度[7]、[8]。

封存在这些孔隙系统中的流体的行为受其与固体表面的相互作用以及孔隙空间的几何结构影响。影响封闭流体结构和行为的因素包括孔隙的形状、分布、平均尺寸以及它们之间的连接程度[9]。此外，对吸附气体的量化在经济和操作层面都具有重要意义。非常规储层中的气体主要以游离态、溶解态或吸附态存在[10]。游离气体存在于开放的孔隙中，而吸附气体则附着在岩石基质上。准确量化吸附气体和游离气体的原位体积对于评估储层质量极为重要[11]。

历史上，吸附气体的量化是通过大规模的取芯作业来实现的[12]。1946年，布洛赫和珀塞尔分别独立发现了凝聚态物质中的核磁共振现象，从而使核磁共振成为研究材料结构和动态变化的重要分析工具[13]。尽管元素周期表中的许多元素都具备核磁共振活性，但在石油分析领域起主导作用的是¹H和¹³C核[14]。石油化学家感兴趣的其他核还包括²H、²⁹Si、²⁷Al、³¹P、¹¹B、²³Na和¹⁵N，尤其是在催化研究领域[15]。有多种核磁共振技术可用于量化吸附气体，如低场核磁共振、魔角旋转核磁共振以及磁共振成像[[16]、[17]、[18]]。

本综述的主要目的是全面介绍用于量化多孔介质中气体吸附的核磁共振技术。文中将重点探讨三种核心技术：低场核磁共振、魔角旋转核磁共振以及磁共振成像。结合岩石物理学分析的背景，分别分析了每种方法的原理、应用以及固有局限性。本研究旨在总结这些方法的优势与局限，通过对比分析提升其在评估能源资源储气能力及地质封存层性能方面的实际应用价值。

章节摘要

岩石物理学中的低场核磁共振

由于其非破坏性、能够高精度定量测定流体含量和孔隙尺寸分布，且成本相对较低，低场核磁共振已成为岩石物理学中的重要工具。这类测量结果在储层表征、地层评价以及监测多孔介质中的流体流动等方面都有广泛应用[[19]、[20]]。

低场核磁共振使用的是相对较低的磁场强度

魔角旋转核磁共振的基础知识

1945年核磁共振被发现时，人们认为它是测量核磁矩最精确的方法。但后来科学家发现，核素的共振频率会受其所处化学环境的影响，这就导致了化学位移的概念出现，这一发现给1936年到1945年间开展的固态核磁共振实验带来了诸多挑战[69]、[70]。不过化学位移的出现也让科学家们能够利用核磁共振来研究

磁共振成像

磁共振成像越来越多地被用于研究和量化多孔介质中的气体吸附现象，包括页岩气储层[29]。它能够提供有关吸附气体分布和动态变化以及岩石基质孔隙度和孔隙结构的重要信息。磁共振成像可用于获取岩石基质的高分辨率图像，以及其中吸附气体的分布情况[85]。它还可以用来确定取芯样本在取样前、取样过程中以及取样后的流体分布情况

未来发展方向

气体吸附量的量化对碳封存以及提高非常规储层的采收率具有重要意义。准确模拟气体吸附行为对于可靠估算二氧化碳的储存容量以及预测被封存二氧化碳的长期去向至关重要[[98]、[99]]。页岩地层对二氧化碳的吸附能力很强，往往高于对甲烷的吸附能力[100]。这种优先吸附特性使得二氧化碳能够有效取代甲烷，从而提升

总结

核磁共振技术是量化多孔介质中气体吸附行为的强大工具，对非常规储层的表征以及资源开采效率的优化有着重要影响。本研究综述了多种先进的核磁共振方法，包括低场核磁共振、魔角旋转以及磁共振成像，并分析了它们的应用前景。

低场核磁共振在量化方面表现出了特别出色的效果

结论

本综述总结了将核磁共振技术应用于量化多孔介质中气体吸附的物理原理及相关实证依据。一个核心结论是，只有将不同尺度上的互补核磁共振观测数据结合起来进行分析，而非孤立解读，才能更准确地实现吸附量量化。低场¹H弛豫测量法通过校准后的信号幅度和弛豫分布，能够提供最为易获取的定量信息

作者贡献说明

Abdullahi Jibrin：撰写原始稿件、指导研究、确定方法、进行正式分析、构思研究思路。Maryana Emad Helmi：撰写原始稿件、确定方法、负责数据整理。Ummu-kulthum Lawal：撰写原始稿件、确定方法、负责数据整理。Eslam Abdalrahman：撰写原始稿件、确定方法、负责数据整理。Mohamed Mahmoud：参与稿件审阅与编辑、指导研究、开展调研、负责数据整理以及构思研究思路。

声明与保证

所有作者声明，他们与本文内容不存在任何利益冲突。本研究为独立完成，不存在可能影响研究结果或解读的任何财务、个人或职业方面的利益关联。所有作者均已公开相关的所属机构或资金支持情况，不存在需要报告的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

术语表

CBM

煤层气

CPMG

卡罗-珀塞尔-迈布姆-吉尔方法

CSG

煤层气

ECBM

强化煤层气采收技术

ESG

强化页岩气采收技术

FID

自由诱导衰减

LF-NMR

低场核磁共振

MAS

魔角旋转

MD

分子动力学

MRI

磁共振成像

NMRI

核磁共振成像

NMR

核磁共振

PSD

孔隙尺寸分布

p.u.

伪单位/任意核磁共振幅度单位

a.u.

任意单位

RF

射频

SNR

信噪比

STP

标准温度和

Abdullahi Jibrin|Maryana Emad Helmi|Ummu-kulthum Lawal|Eslam Abdalrahman