美國國家能源實驗室運用核磁共振技術 大幅提升非傳統油氣田開採效率

非傳統油氣田蘊藏巨大開發潛力

美國國家能源技術實驗室（NETL）研究團隊正在採取重大措施，致力於提升非傳統地質構造中可開採的石油與天然氣產量。這項方法聚焦於頁岩及其他緻密岩層中的額外資源回收——這些岩層雖然已經透過水力壓裂技術進行過初級開採作業，但仍有大量油氣被封鎖在岩石內部。

在非傳統地質構造中，通常只有極小比例的碳氫化合物能被開採出來。這項新研究有望協助確保美國擁有可負擔、可靠且安全的能源供應。

水力壓裂初級開採效率偏低

NETL 研究員、地質系統領域國際知名專家 Angela Goodman 指出：「在這些非傳統地質構造中，水力壓裂的初級開採效率通常僅為原油儲量的 3% 至 10%，天然氣儲量的 5% 至 30%。我們的任務是找到安全且具成本效益的策略，大幅提高這些岩層中殘留油氣的回收比例。」

核磁共振光譜技術提供關鍵助力

研究團隊表示，核磁共振（NMR）光譜技術在此提供了極為寶貴的協助。NETL 團隊利用 NMR 技術量化地下岩芯中的流體，可測定小至 1 奈米孔隙的孔隙率與孔徑分布。NMR 還能透過區分不同黏度的流體——如水、氫、重質油、輕質油及天然氣——來辨識岩芯中的流體類型，並分析岩芯的潤濕特性，判斷岩石會優先吸收水、石油、天然氣還是二氧化碳（CO₂），進而促進油氣回收。

NMR 分析原理

NETL 研究員 Matthew Grindle 說明：「我們首先將頁岩岩芯浸泡在碳氫化合物油中，使其飽和。浸泡後的岩芯中含有大量氫原子。當岩芯被置入 NMR 設備的磁場中時，氫原子核會與磁場方向排列一致。」

研究人員解釋，接著會施加一個射頻脈衝，短暫地將原子核從排列狀態打亂。脈衝關閉後，質子會緩慢回到磁性排列狀態，這個過程稱為「弛豫」（relaxation）。

NMR 弛豫時間可提供以下資訊：原位孔隙率（岩石內部空隙的百分比，表示岩石可容納多少水、油或氣）、孔徑分布（岩石中孔隙的大小）、滲透率（流體通過岩石內部相互連通孔隙的難易程度），以及岩石的流體飽和度。

模擬極端地底條件

研究人員還指出，NMR 設備能夠在壓力容器中分析岩芯，模擬高達 10,000 psi 的極端壓力與攝氏 100 度的高溫——這些正是地下實際環境的條件——以研究流體在這些條件下如何通過岩芯流動。

NETL 研究員 Lauren Burrows 表示：「這樣的分析能夠測量初始的多相流體飽和度（水、碳氫化合物等），並在注入 CO₂、天然氣、水及界面活性劑等新流體時，監測流體飽和度的變化，以啟動油氣回收作業。」

「吞吐法」實驗與 3D 流體分布圖

NMR 技術將被用於執行實驗：在高壓下將油飽和的岩芯注入天然氣、水、界面活性劑或 CO₂，完成一種稱為「吞吐法」（huff-and-puff）的技術。

在這些吞吐法實驗中，數位掃描會生成流體在岩石中分布的 3D 立體圖，展示注入的流體如何推動油與水在岩石孔隙中流動——包括比人類頭髮寬度小數千倍的奈米級孔隙中的流體動態。

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