液態(tài)CO2 凍結(jié)時(shí)間對(duì)煤體孔隙結(jié)構(gòu)的影響試驗(yàn)研究

張慧峰

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

煤炭作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，在我國(guó)一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中約占3/4 左右[1-3]。瓦斯的高效抽采對(duì)于我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)、能源穩(wěn)定供給至關(guān)重要。近年來以液態(tài)CO2低溫凍融致裂技術(shù)為代表的無(wú)水致裂技術(shù)，不會(huì)引起煤層吸水膨脹而導(dǎo)致煤層中松軟黏性礦物質(zhì)堵塞煤層氣運(yùn)移通道，是各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)[4-7]。但關(guān)于低溫液體對(duì)煤體的作用時(shí)間特性及凍融后孔隙結(jié)構(gòu)特性隨時(shí)間變化目前研究較少。煤儲(chǔ)層是具有雙重孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性物質(zhì)，復(fù)雜的孔裂隙系統(tǒng)是瓦斯在煤層中儲(chǔ)集和運(yùn)移的主要場(chǎng)所。因此，研究煤體孔隙結(jié)構(gòu)有助于分析煤儲(chǔ)層滲透性的變化情況，從而提高瓦斯的抽采效率[8]。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，大量低溫流體被注入儲(chǔ)層中，基于其自身溫度較低，容易在鉆孔內(nèi)部快速形成低溫環(huán)境，對(duì)周圍煤體進(jìn)行冷沖擊，之后的煤體則因儲(chǔ)層環(huán)境的影響逐漸升溫。任韶然等[9]為了研究液氮凍融作用對(duì)煤體微觀結(jié)構(gòu)的影響，采用超聲波技術(shù)探測(cè)分析液氮凍融作用前后煤體內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化；XU Jizhao 等[10]為了研究液態(tài)CO2凍融循環(huán)作用對(duì)煤體增透致裂的影響，利用核磁弛豫分析技術(shù)分析了液態(tài)CO2循環(huán)作用前后煤體內(nèi)孔裂隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，得出液態(tài)CO2循環(huán)作用能較好致裂煤體；李杰林等[11-12]研究了凍融作用下砂巖孔隙結(jié)構(gòu)損傷特征，利用核磁共振技術(shù)測(cè)試不同凍融循環(huán)次數(shù)煤的孔隙結(jié)構(gòu)，得出孔隙率隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大。煤體在液態(tài)CO2氣化膨脹力以及水冰相變膨脹共同作用下，有助于促使宏觀裂隙和微觀裂隙增大連通，構(gòu)成裂隙網(wǎng)，增加煤層透氣性[13-15]。綜上所述，為近似模擬“冷沖擊-吸熱升溫”過程，探究液態(tài)CO2凍融對(duì)煤體的孔裂隙結(jié)構(gòu)損傷特性，以常村煤礦低透氣性煤層為研究背景，借助液態(tài)CO2凍融模擬平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，利用核磁共振、超聲波分析等方法從微觀孔裂隙角度，對(duì)比分析煤體在不同液態(tài)CO2凍融致裂時(shí)間下的結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而優(yōu)化凍融增透促抽技術(shù)。

1 液態(tài)CO2 凍結(jié)試驗(yàn)

試驗(yàn)煤樣取自常村煤礦2302 工作面，在新揭露位置選取塊狀較大且完整性較好的煤塊，利用塑料保鮮膜將其密封保存，泡沫隔離裝箱后運(yùn)輸至遼寧工程技術(shù)大學(xué)，加工成?50 mm×100 mm 的圓柱狀煤樣，對(duì)煤樣試件編號(hào)。將煤樣送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基本參數(shù)測(cè)試，得到煤樣的水分為2.14%，灰分為26.06%，揮發(fā)分為29.63%，固定碳為42.17%。

為了開展液態(tài)CO2凍結(jié)時(shí)間對(duì)煤體孔隙結(jié)構(gòu)影響試驗(yàn)，搭建了液態(tài)CO2凍融試驗(yàn)裝置，主要包括液態(tài)CO2凍融系統(tǒng)、飽水系統(tǒng)、核磁共振測(cè)試系統(tǒng)和超聲波測(cè)試系統(tǒng)。煤樣凍融試驗(yàn)裝置如圖1。

圖1 煤樣凍融試驗(yàn)裝置Fig.1 Coal sample freeze-thaw test device

液態(tài)CO2儲(chǔ)罐儲(chǔ)存壓力在100～300 MPa 之間連接冷浸罐。煤樣冷浸罐內(nèi)配有浮力球，通過磁性浮球液壓變送器顯示浮球所在位置以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤樣冷浸罐內(nèi)液態(tài)CO2的高度，配合降壓閥調(diào)整煤樣罐內(nèi)CO2壓力值保持在1～2 MPa 之間。

首先取5 個(gè)煤樣進(jìn)行飽水處理，將飽水煤樣放入液態(tài)CO2凍融罐中，設(shè)置凍結(jié)時(shí)間分別為10、25、50、100、150 min，達(dá)到相應(yīng)凍結(jié)后，取出煤樣；待煤樣恢復(fù)至室溫時(shí)，將煤樣進(jìn)行超聲波測(cè)試并用相機(jī)拍下煤樣的外觀；然后將煤樣再次飽水，對(duì)煤樣進(jìn)行低場(chǎng)核磁共振測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 液態(tài)CO2 凍融煤體表面損傷

煤樣經(jīng)歷不同凍結(jié)時(shí)間的表面損傷變化情況前后對(duì)比。煤樣在不同凍融條件作用下受到了不同程度的損傷。液態(tài)CO2凍融10、25 min 煤樣表面變化不明顯，主要為原始裂隙的小幅延伸和發(fā)育，新生裂痕較少。凍融50、100、150 min 后煤樣隨著凍融時(shí)間的增加裂紋逐漸擴(kuò)大。煤樣直接開裂，并且煤體表面都有不同程度的脫落情況。說明煤體經(jīng)過液態(tài)CO2凍融后內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)損傷造成孔隙結(jié)構(gòu)改變，致使煤體產(chǎn)生表面宏觀變化。煤樣表面隨著液態(tài)CO2凍融時(shí)間的增加其裂痕逐漸擴(kuò)張明顯。

2.2 液態(tài)CO2 凍融煤體超聲波波速變化規(guī)律

超聲波通過凍融前后煤體內(nèi)傳播波速、波形等信息的變化，可以反演出煤體裂隙結(jié)構(gòu)分布特征。波值減小時(shí)說明煤樣內(nèi)部的孔隙度變大，裂隙增加，進(jìn)而反映煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化[8,10]。不同凍融時(shí)間條件下煤樣的超聲波波速變化如圖2。

由圖2 可知，在不同凍融時(shí)間下，煤樣的橫波與縱波波速均有不同程度的下降。說明煤體受到嚴(yán)重?fù)p傷，液態(tài)CO2凍融對(duì)于煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)改善有良好的破壞作用，有利于內(nèi)部孔隙的連通，相比橫波波值經(jīng)過凍融之后縱波波值變化程度更大。

圖2 不同凍融時(shí)間條件煤樣的超聲波波速變化Fig.2 Variation of ultrasonic wave velocity of coal samples under different freezing and thawing time

液態(tài)CO2凍結(jié)10、25、50、100、150 min 的縱波下降率分別為5.55%、10.69%、20.12%、25.84%、34.33%，橫波下降率為3.72%、5.74%、11.70%、12.75%、17.44%。分析可知，液態(tài)CO2凍融可以增加煤體有效孔隙的數(shù)量，有利于煤體內(nèi)部孔隙的連通，提高煤體孔隙度和滲透率，為煤層氣的抽采提供更好的滲流空間。

2.3 不同凍融時(shí)間T2 譜圖

通過橫向弛豫時(shí)間T2獲取煤體孔隙中的微小孔、中孔、大孔及裂隙的分布情況、連通性以及煤巖的各種物性參數(shù)，橫向弛豫時(shí)間T2和孔徑r 的關(guān)系可表示為[12,15]：

式中：T2為橫向馳豫時(shí)間，ms；ρ 為橫向表面馳豫強(qiáng)度，m/ms；S 為孔隙表面積，cm2；V 為孔隙體積，cm3；Fs為孔隙隱形狀因子，一般對(duì)于球狀孔隙Fs=3，柱狀孔隙Fs=2，裂隙Fs=1；r 為孔徑，m。

Yidong Cai 根據(jù)煤的吸附性質(zhì)和運(yùn)移規(guī)律，提出孔隙分類方法為：小于102nm 為微小孔，102～103nm 為中孔，大于103nm 為大孔。把孔隙分為2 類：微小孔為吸附孔，中孔和大孔為滲流孔[16]。在T2譜圖中，第1 峰對(duì)應(yīng)的區(qū)域代表微小孔隙，第2 峰對(duì)應(yīng)的區(qū)域代表煤中孔，第3 峰對(duì)應(yīng)的區(qū)域代表大孔，第1 個(gè)峰馳豫時(shí)間截止值處把煤體孔隙分為吸附孔和滲流孔[17]。根據(jù)T2譜峰值的分布規(guī)律，將孔隙與T2曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系分為3 個(gè)區(qū)域，其中沒中微孔對(duì)應(yīng)T2＜10 ms 區(qū)間；中孔對(duì)應(yīng)10 ms＜T2＜100 ms 區(qū)間；大孔對(duì)應(yīng)100 ms＜T2＜10 000 ms 區(qū)間。根據(jù)核磁共振監(jiān)測(cè)技術(shù)，得出不同凍融時(shí)間下煤樣的T2譜圖變化趨勢(shì)，不同液態(tài)CO2凍融時(shí)間下煤體的T2譜圖如圖3。

圖3 不同液態(tài)CO2 凍融時(shí)間下煤體的T2 譜圖Fig.3 T2 spectrum of coal under different liquid CO2 freezing and thawing time

由圖3 可知，凍融前煤樣T2譜圖中3 個(gè)峰值面值呈遞減趨勢(shì)，第1 個(gè)峰約占70%左右，第3 個(gè)峰值相對(duì)最低，說明原始煤樣中微小孔數(shù)量較多且發(fā)育較好，中大孔的裂隙孔數(shù)量相對(duì)較少且發(fā)育較差。隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，各區(qū)域起止馳豫時(shí)間區(qū)間寬度有所增加，T2曲線幅值增加，說明液態(tài)CO2對(duì)煤體的孔隙結(jié)構(gòu)損傷有著積極的影響。液態(tài)CO2凍結(jié)煤體后T2曲線均上移，說明煤體經(jīng)過液態(tài)CO2凍融損傷之后，各尺寸孔隙的數(shù)量均增加。凍結(jié)后T2譜圖中第1 峰的弛豫時(shí)間起始值均向左移動(dòng)，表明煤體中出現(xiàn)更小尺寸的孔隙。

2.4 孔隙變化率

煤體孔隙變化率是表征煤體孔隙的1 個(gè)重要指標(biāo)，孔隙度大小直接影響煤儲(chǔ)層儲(chǔ)集氣體的數(shù)量[17]，在T2譜圖中，煤樣孔隙變化率可通過T2譜面積的變化來反映，則各分峰面積增長(zhǎng)率代表其對(duì)應(yīng)孔徑的孔隙體積增長(zhǎng)率[17]?？紫堵孰S凍融時(shí)間變化曲線如圖4。

圖4 孔隙率隨凍融時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation curves of porosity with freezing and thawing time

由圖4 可知，煤體經(jīng)過液態(tài)CO2凍結(jié)后，微小孔、中孔和大孔面積均有增加煤，體經(jīng)過凍結(jié)10、25、50、100、150 min 后，全孔T2譜面積分別增加9 066.26、15 858.17、11 406.342、12 988.06、13 759.74 ms，全孔T2譜面積增長(zhǎng)率分別為28.67%、48.92%、54.91%、61.15%，61.49%。由于液態(tài)CO2作為致裂液，瞬時(shí)低溫可以使煤體的基質(zhì)收縮，溫度驟降又恢復(fù)至室溫，在此過程中，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力集中在煤的尖端，迫使煤體原始孔隙發(fā)育及裂隙衍生。同時(shí)液態(tài)CO2在與煤體對(duì)流換熱過程中，溫度升高液態(tài)CO2氣化為氣態(tài)，相變應(yīng)力作用下對(duì)煤體產(chǎn)生破壞作用，煤體損傷產(chǎn)生更多的裂隙。

瓦斯吸附孔和全孔隙增長(zhǎng)率隨著液態(tài)CO2凍融致裂時(shí)間先緩慢增加后緩慢減小，瓦斯?jié)B流孔增長(zhǎng)率則呈指數(shù)變化，滲流孔隨凍結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)率最大，這是由于致裂100 min 后的煤體產(chǎn)生了大量的宏觀裂隙網(wǎng)絡(luò)。滲流孔是影響煤層氣擴(kuò)散運(yùn)移的主要因素，液態(tài)CO2致裂150 min 滲流孔的增長(zhǎng)率為750.37%，因此凍結(jié)時(shí)間對(duì)煤體滲流孔的改造效果較大。

3 結(jié) 論

1）煤樣凍融50 min 后原始裂隙宏觀上出現(xiàn)進(jìn)一步拓展趨勢(shì)。

2）煤體經(jīng)液態(tài)CO2凍融后，橫波與縱波均逐漸降低，煤樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。

3）隨著凍結(jié)時(shí)間的增大，微小孔、中孔和大孔均增加。吸附孔比例迅速下降，滲流孔的比例不斷升高，液態(tài)CO2凍融致裂對(duì)煤體孔隙具有明顯的改造效果。

4）隨著凍結(jié)時(shí)間增加，煤體經(jīng)過凍結(jié)10、25、50、100、150 min 后，全孔T2譜面積分別增加9 066.26、15 858.17、11 406.342、12 988.06、13 759.74 ms，全孔T2譜面積增長(zhǎng)率分別為28.67%、48.92%、54.91%、61.15%、61.49%，煤樣內(nèi)部損傷較為嚴(yán)重。

5）滲流孔對(duì)煤層氣的擴(kuò)散運(yùn)移具有重要影響，液氮致裂150 min 滲流孔的增長(zhǎng)率為750.37%，凍結(jié)時(shí)間對(duì)煤體滲流孔的改造效果較大。