从深层煤层气增产到 CCUS：低场核磁如何支撑压裂、驱替和碳封存评价？

深层煤层气产量正在快速爬坡，压裂改造与 CO₂ 驱替是支撑下一步增产的两条主线。低场核磁的意义在于，把这两条主线上的流体运移过程从"事后反演"变成"在线观测"，在非常规油气开发中让工艺选型有可量化的比较依据。

一、背景：增产与减碳，正压在同一批深部煤层上

2024 年我国深层煤层气产量 27 亿 m³，2025 年预计可达 40 亿 m³；到 2035 年具备 300 亿 m³ 以上生产潜力，约占天然气规划产量增量的 60%。

产量目标越高，单井产能的边际改善越重要。深部煤基质渗透率极低——大吉区块太原组 8 号煤基质渗透率平均仅 0.016 mD——规模压裂几乎是这类储层获得工业气流的必经环节。

同一批深部煤层还被赋予另一重期待。CO₂-ECBM 兼具温室气体减排与煤层气增产双重效益，国内已建立千吨级直井液态 CO₂-ECBM 关键技术的理论框架。

增产与碳封存共用一套孔隙—裂隙系统，这是深层煤层气开发区别于常规天然气的关键特征。工艺评价手段的选择，需要同时回应这两类问题。

二、现状与痛点：压裂与驱替的效果评价，大多停留在"间接证据"

2.1 裂缝监测的空间分辨率有限

微地震监测在深部煤体中的事件定位误差普遍为 15%–20%。

误差源自煤体自身的强非均质性，传导到缝高、缝长解释上，压裂液波及体积的判断就带上了不确定性。

2.2 岩心分析多数是破坏性的

常规岩心孔渗测试为破坏性检测，同一块样品无法重复测量。

压裂前后、驱替前后需要对比的是同一块样品的孔隙与流体变化。样品一旦被消耗，"前后对比"就只能靠平行样替代，平行样之间的物性差异又引入新的误差源。

2.3 压裂液的矿化度会改写置换效率

一组在线核磁监测实验给出了直观结果：注入纯重水、中矿化度重水、高矿化度重水后，CH₄ 置换率分别为 23.13%、11.05%、2.46%。

矿化度越低，微孔水桥堵塞 CH₄ 扩散路径的阻滞效应越强。压裂液配方因此不能只看携砂与降阻性能，液体化学性质本身参与了产气过程。

2.4 CO₂ 注气增产是典型的多因素耦合过程

注入压力由 10 MPa 增至 20 MPa，CH₄ 单位吸附量下降 32.6%；温度升高带来的降幅可达 30%；CO₂ 注入量增加使降幅达 27.6%；含水饱和度升高则削弱驱替效能。

四个变量互相牵制，单点实验的结论较难外推到储层条件，工艺优化需要能同时读多个状态量的观测手段。

三、现有解决方案：把过程搬进仪器里，边注入边读谱

核磁对含氢流体的信号响应，使其可以在同一块样品上连续采集压裂、渗吸、驱替全过程，且样品不被消耗。

压裂液渗吸环节，T₂ 谱峰面积变化可直接换算进出流体的量，渗吸前缘的推进位置随采集时间序列呈现。

CO₂ 竞争性吸附环节，核磁可分辨吸附态与游离态的信号占比。随注入压力升高，T₂ 谱上吸附态面积减小、游离态面积增加，对应吸附孔减少、渗流孔增加，裂隙网络连通性随之改善。

从现有公开数据看，不同煤阶的主导机制并不相同：高阶煤（沁水盆地无烟煤）CO₂-ECBM 中竞争吸附贡献率 83.42%；低阶煤（准噶尔盆地）以压力驱动机制为主，占 66.22%，竞争吸附占 33.78%。

这一差异解释了同一套注气工艺在不同区块表现悬殊的原因。CO₂ 分子四极矩与吸附热更高、动力学直径更小，可优先占据煤表面高能吸附位点置换 CH₄。高温高压原位驱替核磁系统对应的正是这一需求：模拟地层温压，让驱替、压裂、渗吸过程在接近原位条件下被观测。

四、应用场景：三类研究团队共用同一套观测逻辑

某研究院的压裂液配方筛选，把渗吸置换效率纳入评价指标，用在线核磁对比不同矿化度体系下的 CH₄ 采出程度，配方迭代周期因此缩短。

某高校的 CO₂ 竞争吸附研究，重点放在吸附态与游离态信号的动态分离上，用于验证不同煤阶下的主导驱替机制，为数值模拟提供机理参数。

某油田的 CCUS 评价更关注注入压力与含水饱和度对封存空间的影响，需要把吸附孔与渗流孔的转化关系量化出来，服务于注入方案设计。

三类问题的共同点是：都需要在同一块样品上完成状态改变与信号变化的因果闭环。

基于核磁分层技术的超临界二氧化碳驱替煤层气动态研究

驱替过程恒定梯度分层弛豫表征

在35 ℃、11 MPa实验条件下，向甲烷饱和煤样注入超临界 CO2，采用恒定梯度分层测试，每层厚度 1 cm，共 5 层，连续监测 192 h 至信号稳定，分层采集甲烷信号时空演化规律，有以下结论：

捕捉空间位置的差异化响应特征 ：

近端段（0‒20 mm）驱替早期甲烷信号波动微弱；远端段（30‒50 mm）甲烷信号明显下降，降幅 21.97%。该类储层空间差异化响应特征可通过

分层精细化监测手段精准捕获，传统整体检测方式难以甄别与表征该细微空间差异。

揭示低渗透区甲烷滞留与富集机制：

分层数据显示，中心段（20‒30 mm）在驱替中后期出现明显信号上升（最高达13.32%），表明该低渗透区域发生了CH4 富集。这种“局部富集”现象易被其他层位信号掩盖，传统方法难以有效识别。

表征微观动态非均质性：

分层技术将煤体内部非均质性与局部流体作用机制可视化，解释高阶煤 CO2 驱替煤层气（CO2-ECBM）产气效率偏低、储层产气空间差异大的原因。实验证明：非均质高阶煤储层中，甲烷产出不服从简单的距离衰减规律，主要受局部渗流通道控制；基于该机理，可针对性设计储层改造方案（压裂、水平井等）提升煤层气采收率。

深层煤层气开发的工艺优化，正在从看产量曲线走向看孔隙尺度过程。低场核磁提供的无损、定量、原位、全尺度动态监测能力，让压裂评价、渗吸置换与 CO₂ 竞争性吸附可以在接近储层的条件下被直接比较。对双碳目标而言，煤系气的低碳开发与碳封存评价可以共用同一批观测数据。

纽迈的低场核磁技术方案覆盖压裂、渗吸置换、注气驱替与碳封存评价全过程，在煤层气/深层煤层气学术研讨会、碳中和论坛等场合已有较多应用交流。如需了解具体测试方案或获取相关应用文献，可联系纽迈技术支持，预约样品测试并咨询仪器配置方案。

来源：苏州纽迈分析仪器股份有限公司