基于低场核磁共振技术的液态CO2循环致裂煤体孔隙特征演化规律

2021-12-09徐吉钊桑树勋丛钰洲郑仰峰

煤炭学报 2021年11期

徐吉钊，翟成，桑树勋，孙勇，丛钰洲，郑仰峰，唐伟

(1.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116；3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；4.中国矿业大学煤层气成藏与地质过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008)

瓦斯高效智能抽采是有效防治煤层瓦斯突出、保障煤矿安全开采的重要举措，而煤层高瓦斯含量、低孔渗性及复杂地质结构往往成为制约煤矿集约化开采的主要影响因素[1-3]。作为一低温惰性压裂液，BULLEN和LILLIES[4]提出利用纯100%液态CO2流体代替压力水致裂煤层来提高气体产量，可极大地减少水资源的消耗量。美国圣胡安盆地于1995—2001年期间开展了大规模的液态CO2注入煤层工程试验，其中约3.36×105t的CO2介质注入4口井内，提高了气体抽采效率[5]。2010年沁水盆地的SX-001井注入CO2试验结果表明，注入后的产气率是注入前的2.45倍[6]。

基于损伤力学和空气动力学，周西华等[7]研究了液态CO2爆破原理及最优钻孔布置参数，通过FLAC3D数值软件，证实了液态CO2爆破技术能够有效致裂煤层结构。张东明等[8-9]提出了低渗煤层液态CO2相变定向射孔致裂增透技术，理论分析液态CO2相变射孔破岩力学机理及地应力条件下裂隙扩展力学机理，借助PFC2D分析了不同地应力和射流压力下液态CO2相变射孔破岩及裂隙分布特征。文虎等[10-11]指出，液态CO2瞬时低温作用可造成煤体水分相变成冰并促进裂隙扩展延伸，结合CT扫描技术研究发现液态CO2冻融作用可促进煤体内部产生显著的新生裂隙。ROY等[12]通过数值模拟发现液态CO2循环注入(冷冻)和闭井(升温)过程所产生的循环热应力可造成钻孔周边径向裂隙的发育。翟成等[13]研究了煤层层理方向对液态CO2致裂煤体各向异性的影响，借助核磁共振和超声波仪实现了低温作用前后煤体的声波波速、多尺度孔隙结构演化等的定量表征。XU Jizhao等[14-15]利用核磁弛豫分析技术统计分析了液态CO2循环作用前后煤体基质内孔裂隙结构的演化规律，揭示了循环作用参量与孔隙特征参量的耦合关系，验证了液态CO2循环作用致裂煤体的有效性。

作为一种对含氢流体敏感的孔隙测试方法，核磁共振技术能够实现多孔介质孔隙度、渗透率、储层流体等相关信息的定量化表征[16-17]。CAI Yidong等[18]通过饱水-离心联测方法得到煤样的有效孔隙率及T2截止值，实现煤体孔径结构的分布重构。YAO Yanbin等[19]通过对比CT扫描法、恒速压汞法与核磁共振3种测试手段下的煤体孔径分布，发现核磁共振在无损评价煤体孔径分布具有一定的优势。ZHAI Cheng等[20]基于T2弛豫谱将自由水空间-束缚水空间占比、总孔-吸附孔-渗流孔占比等参数演化特征耦合循环作用参量，完善了煤体跨尺度孔裂隙结构的表征方法。基于核磁弛豫特征参数，相关煤体渗透率计算模型被大量提出，常见的计算模型主要有SDR模型[21]、T-C模型[22]、PP模型[23]及基于回归分析的SDR改进模型和T-C改进模型[24]。

谢和平和鞠杨[25]指出，几何分形能够用来定量描述多尺度孔裂隙结构的分布复杂性。ZHOU Sandong等[26]采用核磁共振技术量化煤体孔裂隙分形维数及其对有效孔隙度和渗透率的影响，论证了核磁共振分形方法能够较好地反应煤体孔裂隙的非均质性，显著影响渗流空间占比。张全培等[27]基于核磁弛豫数据和分形理论研究了超低渗储层岩心的分形特征，认为T2T2cutoff段可动流体孔隙空间具有分形特征，分形维数值可反映相互连通孔隙的复杂程度(T2cutoff为T2截止值)。杨赫等[28]基于核磁共振实验测试了不同围压和水压作用下煤体孔隙结构特征，采用分形几何理论分析了煤体有效渗流通道结构的分形特征。梁志凯等[29]综合分形维数理论，探讨了核磁共振分形维数与矿物组成、地球化学参数、物性参数之间的相互关系，认为基于核磁弛豫的孔隙几何分形能够作为衡量岩石物性和评价储层质量的重要指标。

针对液态CO2循环作用煤体多尺度孔裂隙结构的变化表征，现有研究大多局限于尺寸效应和孔隙表观特征参量的研究，而基于核磁弛豫特征的CO2作用煤体的孔隙分形特征演化规律研究较少。笔者基于自主研发的液态CO2循环致裂试验平台和NMR测试手段，对不同循环参量的液态CO2作用后煤体的孔隙几何特征演化规律进行实时在线测试，为揭示液态CO2循环作用煤体的致裂机制及构建孔隙几何表征方法提供一定的科研依据。

1 实验设备及流程

本课题组自主研发了液态CO2循环致裂试验平台，如图1所示，主要由高压低温液态CO2反应系统单元和外部升温系统单元2个部分组成。前者主要由制冷机组、CO2恒速恒压泵、高压釜体、CO2气瓶、空气压缩机及数据采集器组成，能够通过水循环降温方式利用CO2恒速恒压泵将CO2注入高压釜内并作用于煤体，模拟液态CO2注入煤体时的冷冲击过程。后者通过加热的方式对液态CO2冷冲击煤体进行升温，模拟闷井过程中煤层环境与作用后煤体的热传导过程[30]。其中，“冷冲击—加热升温”过程为一个液态CO2作用循环次数，冷冲击时间t1和加热时间t2之和为一个液态CO2作用循环时间(t1+t2，其中t1=t2)。

图1 液态CO2循环致裂试验平台示意[30]Fig.1 Image of liquid CO2 cyclical fracturing experimental system[30]

利用低场核磁共振仪(Mini MR-60，苏州纽迈)对液态CO2作用前后饱水和离心煤体的T2弛豫时间进行测试，根据Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列测试得到信号强度与弛豫时间的衰减曲线，通过数值反演获取不同尺寸孔隙的占比及孔渗性。孔径大小与T2弛豫时间正相关，如式(1)所示。本次测试确定的测试参数分别为：接收机宽带SW=250 kHz，重复采样等待时间TW=2 500 ms，扫描次数NS=32；射频延时RFD=0.02 ms，回波间隔TE=0.2 ms；回波数NECH=5 000，测试信噪比>25。

(1)

煤样选自内蒙古胜利煤矿，为最大程度地减小各向异性的影响，钻取煤心要求来自同一煤块，且钻取过程中要求避开层理位置。煤心钻取尺寸为φ25 mm×50 mm的圆柱体，确保其始终置于核磁共振样品载床的均匀磁场区域内来提高测试精度。加工好的煤心采用保鲜膜进行包裹并放在真空干燥箱内进行保存。钻取煤心的工业分析和显微组分参数见表1。

本次试验选择6个参数近似的煤心，分别标记为IM-1，IM-2，…，IM-6，对应的液态CO2作用循环时间分别为10，20，…，60 min，且每一试样的作用循环次数分别为0，1，…，24，25。试验开展流程如下：

(1)将所有煤样进行真空干燥，直至连续2次称重的质量差比值低于0.1%为止，煤样质量记为Midry，i为试样编号；将干燥煤样放入装满去离子水的真空饱水仪(-0.95 MPa)持续饱水24 h，直至表面无明显气泡出现，饱水煤样质量记为Misat；

(2)核磁测试参量设置完毕后，将初始饱水煤样表面水分擦拭干净，并置于载床内进行测试，得到饱水状态时的初始T2谱图；利用岩心离心机将饱水煤样进行离心1 h，离心煤样质量记为Micen；并借助核磁共振测试得到离心状态时的初始T2谱图。

(3)将离心煤样继续饱水，利用保鲜膜将饱水煤样进行包裹来消除CO2吸附对孔隙结构的影响。利用液态CO2流体预先对高压釜体进行降温处理，然后对釜体内的包裹煤体进行持续作用t1时间，对冻结煤样进行加热升温持续作用t2时间。

(4)待液态CO2循环作用一次结束后，分别对煤样进行饱水和离心处理，其中，第j次循环次数作用后饱水煤体质量记为Misatj；离心煤体质量记为Micenj，重复步骤(2)，(3)，直至实验结束。

2 试验结果与讨论

2.1 煤样表观裂隙形态

通过对比液态CO2循环作用后同一煤样相同端面的裂隙分布可对裂隙演化复杂性进行定量表征，如图2所示。初始状态煤样端面较为平整，无明显的裂隙分布，液态CO2不同循环时间作用后煤样相同端面的裂隙分布存在较大的差异性。裂隙数量和形态复杂性分别与作用时间呈正相关关系，煤样IM-1出现3条独立的裂隙，但裂隙长度较短；煤样IM-2和IM-3端面分别产生少量的微裂纹，且IM-2原生裂隙宽度增大，部分新生裂隙与原生裂隙发生贯通，而煤样IM-3的裂隙形态呈分散式分布；煤样IM-4端面出现2条贯穿裂隙，并存在一处碎块崩落区；煤样IM-5和IM-6端面裂隙数量较多，分布更为复杂，且煤样IM-6表面出现2条较大的裂隙。

图2 液态CO2循环作用前后煤体相同端面的裂隙分布演化Fig.2 Crack evolution on the same end surface of coals under the pre-/post-affecting by liquid CO2

裂隙分布差异性可能主要受煤体基质非均质性、原始孔裂隙结构、液态CO2循环作用条件等因素的影响，煤样非均质性较强、孔裂隙结构复杂、液态CO2循环作用次数和时间较多时，煤体内不同位置的变形响应存在空间上的各向异性，弱强度区域内容易形成较大的张拉破坏并形成大量的微裂隙，液态CO2循环作用同时驱动微裂隙的扩展延伸，促进新生裂隙和原生裂隙之间的贯通，形成复杂的裂隙网络。

2.2 T2谱分析

以煤样IM-2，IM-3，IM-6为例，不同循环参量液态CO2作用前后煤体的核磁特征变化特征如图3所示，其中,TCT为循环时间。饱水煤体的T2谱呈现显著的“三峰”，较大T2值对应较大孔径孔隙，离心煤样的T2谱普遍呈现“两峰”，表征大孔径孔隙内的自由水被离心出去。相比初始煤样而言，液态CO2循环作用煤体在饱水条件下T2谱幅值不断增加，曲线覆盖区间范围不断变宽，而离心条件下谱线幅值和有限区间宽度不断变小。饱水/离心煤样的核磁信号幅值差值与循环参量存在正相关关系，差值越大，表明能够提供离子水浸入或离心的自由流动通道数量增加，煤基质内有效孔隙占比和渗透率相对提高。

液态CO2循环接触煤体过程中，基质颗粒受到周期性的“冷冲击-加热升温”而发生不同程度的体积形变，具有不同热膨胀系数颗粒间的不均等变形容易在其粘结位置产生较大的张拉应力，且含有显著层理弱面结构的煤体颗粒易发生剪切滑移。颗粒的循环微观体积应变产生了大量的疲劳损伤，弱化基质黏聚力和抗破坏能力。在液态CO2循环作用过程中的张拉与剪切破坏协同作用下，新生裂隙衍生及其与原生裂隙发生连通，实现煤体孔隙结构的“扩容”与“复杂化”。

图3 不同循环次数和不同循环时间液态CO2作用前后煤样的T2谱图Fig.3 T2 spectra of pre-/post-affected coals under the impact of liquid CO2 with different cycle number and cycle time

2.3 T2截止值及分维特征

T2截止值的确定是划分煤基质孔隙内可流动流体和束缚流体的重要参数，其值大小可间接表明多孔介质渗流空间及不同尺寸孔隙分布的演化[16,30]。姚艳斌等[16-17,23]指出，沿离心状态煤样累积孔隙度曲线最大值作水平切线，并与饱水状态煤样的累积孔隙度曲线相交，在相交点作铅垂线获得的垂足所对应的弛豫时间即为T2截止值(表2)。T2截止值在一定程度上可反映煤体的有效孔隙度大小，T2截止值越小，饱水/离心煤样的累积孔隙度差值越大[16]，表明煤体基质内束缚空间变小，且多尺度孔隙间的贯通性增大。

表2 液态CO2循环作用褐煤的T2截止值

由表2可知，对于同一煤样而言，随着液态CO2循环作用次数的增加，T2截止值不断左移减小，表明液态CO2循环作用次数的增加，能够增大煤体内自由流体流动通道数量，有效孔隙体积不断增大；褐煤不同个体的T2截止值与循环时间时长并无明显规律，说明液态CO2循环作用煤体孔隙结构演化规律同时受煤体原始孔隙结构各向异性、不同种类颗粒分布多样性及双重孔隙应力响应复杂性等因素的影响。T2截止值的界限划定可将多尺度孔隙结构分为渗流孔隙结构(T2>T2截止值)和吸附孔隙结构(T2

(2)

式中，SV为核磁共振弛豫谱中前T2i段的累积孔隙度占总孔隙度的比；Pc和Pcmin分别为煤体任意孔径r和最大孔径rmax时对应的毛管压力；σ为流体表面张力；θ为接触角；D为分形维数；T2max为T2谱中最大的弛豫时间。

通过将式(2)进行参数代入、等式取对数等处理，可得到煤体内部总孔隙结构的分形表达方法：

lnSV=(3-D)lnT2+(D-3)lnT2max

(3)

ZHOU Sandong等[26]引入可流动流体空间的分形维数DNMRM这一参数来表征大孔隙或微裂隙结构的复杂性。考虑到饱水-离心联测法获得的基于流体类型的孔隙结构分类[27]，基于式(3)和T2截止值，本文分别讨论了渗流孔、吸附孔和有效贯通孔隙的分形维数值Ds，Da和De，如式(4)所示：

(4)

式中，SVa，SVs，SVe分别为弛豫谱中代表吸附孔、渗流孔和有效贯通孔隙的累积孔隙度占总孔隙度的百分比。

相关研究[26-27,31]指出，通过lnSV与lnT2的拟合直线斜率(3-D)可直接计算得到Ds，Da和De，间接表征煤体多尺度孔裂隙结构对液态CO2循环作用的应变响应机制。文献[27,31-33]阐明了多孔岩石介质的有效分形维数范围(2～3)，认为分形维数值越接近2，岩石均质性越高，越接近于3，岩石孔隙结构越复杂，孔裂隙表面粗糙度越显著。为考察液态CO2循环作用后煤体多尺度孔裂隙结构的响应特征，本文选择lnT2取值范围为(-4,6)，以期通过较大取值范围涵盖不同尺寸孔隙的分形信息，根据式(4)分别对基于表2内的T2截止值所获得的渗流孔和吸附孔的分形维数进行数值拟合，如图4所示，其中NC为循环次数。

图4 液态CO2循环作用煤样IM-1时吸附孔和渗流孔分形维数拟合Fig.4 Fractal dimension fitting of adsorbed and seepage pores for coal IM-1 under the effect of cyclic liquid CO2

图4表示的是液态CO2不同循环参数作用下煤样IM-1的Ds，Da的拟合分布。初始条件下煤样的T2截止值为9.85 ms，所对应的Ds，Da分别为2.96和1.54，拟合系数均大于0.7；当液态CO2循环作用10次、20次后，煤样的Da值分别为0.927，0.197，拟合系数均大于0.8；而煤样的Ds值分别为2.945，2.922，拟合系数均大于0.85。煤样Ds，Da随循环参量的变化行为揭示了液态CO2循环作用能够有效改变煤体多尺度孔裂隙结构的演化规律。作用煤体的总孔隙率与残余孔隙率的差值不断增大，导致T2截止值不断左移和Ds，Da随不断降低。通过汇总所有煤样的Ds，Da值，并对比多孔岩石的有效分形维数范围，发现液态CO2作用后煤体的吸附孔隙不具备分形特征，渗流孔隙具有较好的分形特征。

表3为液态CO2循环作用后各煤样的Ds值及相应的拟合常数。液态CO2循环作用后，所有煤样的渗流孔隙分形维数Ds均随着循环次数的增大而不断减小，表明T2截止值的左移使得更多较小的lnSV散点参与拟合，而线性拟合的斜率(3-Ds)不断增大，最终导致Ds不断减小。当液态CO2循环作用5，15，25次时，煤样的Ds范围分别为[2.95,2.96]，[2.927,2.940]，[2.895,2.910]；当液态CO2循环作用20，40，60 min时，煤样的Ds范围分别为[2.910,2.97]，[2.899,2.97]，[2.90,2.97]。煤样Ds与循环参量间的耦合关系表明液态CO2循环作用所诱发的循环热应力促进小尺寸孔隙向大尺寸孔隙的演变，有效提高煤体孔隙度。

孔隙的有效贯通程度是决定煤层流体运移难易水平的关键因素，其值大小是衡量煤体透气性优劣的科学标准。根据式(4)，对饱水-离心联测法获得的有效贯通孔隙的分形维数进行数值拟合，如图5所示。需要说明的是，部分煤样在饱水、离心状态下的起始弛豫时间的幅值相同，导致核磁幅值差为0，在对0值取对数时存在数据异常现象，考虑到数据的有效性和结果统一可对比性，De计算所选择的lnT2取值范围为(-1.2，4.2)。煤样IM-1，IM-2，IM-3，IM-6的De范围分别为2.746～2.810，2.767～2.809，2.068～2.644，2.70～2.784；而煤样IM-4，IM-5初始状态下的De分别为1.846，1.916，液态CO2循环作用后相应煤体的De范围分别2.317～2.2.673，2.279～2.697。不同煤样的De范围演化规律表征液态CO2循环作用可促进煤体产生显著的体积应变，循环温度冲击持续弱化基质颗粒黏结强度，产生的张拉应力诱发微裂隙发生贯通，部分闭孔在新生裂隙的衍生扩展下与原始裂隙网发生贯通，造成渗流孔隙数量和空间体积不断增大，煤体有效孔隙表面粗糙度及贯通性大幅增加，实现了液态CO2循环热应力积极改造煤体孔隙结构的定量表征。

表3 液态CO2循环作用后煤体渗流孔隙分形维数拟合

2.4 孔隙几何分形与核磁渗透率关系

图6为液态CO2作用后煤体Ds与T2截止值、总孔隙率φt、有效孔隙率φe之间的相关关系。其中，煤体Ds与T2截止值之间存在一定的指数关系，当T2截止值小于3 ms时，煤体Ds值随T2截止值的增大急剧增加，且液态CO2循环作用后煤体Ds值主要分布在[2.895,2.97]内，说明液态CO2循环作用后煤体内渗流孔体积占比不断增加，大尺度孔裂隙的复杂性大幅提升；当T2截止值大于3 ms时，煤体Ds值呈离散化分布，整体随T2截止值的增大变幅平缓。通过对比φe，φt与Ds的离散点分布发现，随着Ds的增大，φe散点分布相对较为集中，且与Ds存在较好的线性拟合关系，而φt散点分布较为分散，随Ds值的增大呈递减趋势。Ds与T2截止值、孔隙率之间的拟合关系如式(5)所示。通过3者的数值拟合关系发现，液态CO2循环作用能够驱使煤体基质内孔隙扩容及微裂隙变宽延伸等行为的发生，形成的孔裂隙网络为流体自由运移(水侵、离心)提供充分的流动通道，揭示了煤体多尺度孔裂隙结构在液态CO2循环作用下的体积变形规律。

图5 液态CO2作用后不同煤样的有效孔隙分形维数De分布Fig.5 Fractal dimension distribution of effective pores(De) of different coals under the cyclical effect of liquid CO2

(5)

煤体渗透率大小表征煤体基质内部多尺度孔裂隙间的贯通性能及允许流体通过能力的强弱。相关文献指出[17,24,34]，T-C模型和PP模型不适合低渗透率煤样，且PP模型需要大量的测试数据才能够保证其准确性，相比SDR模型，其改进模型具有较高的精确度。其中SDR改进模型如式(6)[24]所示：

(6)

图6 渗流孔分形维数与T2截止值、孔隙率之间的关系Fig.6 Relations among the fractal dimension of seepage pore and T2 cutoff value and porosity

图7 不同循环参量作用下煤样的核磁渗透率变化Fig.7 Change of nuclear magnetic permeability of coals affected by liquid CO2 with different parameters

(7)

式中，kSDR-d0，kSDR-di分别为初始条件、循环作用条件下煤样的核磁渗透率。

图8为液态CO2循环作用后煤体渗透率变化率ΔkSDR-d演变规律。从图8中看出，ΔkSDR-d与循环次数之间呈指数增长趋势，褐煤ΔkSDR-d之间的大小关系大致为：IM-6>IM-4>IM-3>IM-5>IM-2>IM-1。ΔkSDR-d与循环时间之间大致呈现“先增长—后减小—再增长”的变化过程，但整体上存在着增长趋势。通过对比褐煤在不同循环参量因素影响下的ΔkSDR-d增长潜力来看，液态CO2循环次数对煤体渗透率改造能力要强于循环时间因素的改造能力。

煤体内渗流孔和有效贯通孔的体积增加能够大幅劣化煤体基质整体结构，通过减小流动阻力实现流体的自由运移。图9为液态CO2循环作用前后煤体Ds，kSDR-d，ΔkSDR-d的散点分布。随着Ds值的不断增大，kSDR-d和ΔkSDR-d散点呈“单调递减式”分布，部分较大离散化程度的散点分布较为分散，导致彼此之间的线性关系拟合度较低，但整体存在负相关关系。究其原因，煤体渗透率是煤体基质允许流体通过能力的定量表征指标，其大小受孔隙度、渗流方向上孔隙几何尺寸、颗粒大小及排列方向等因素的影响。当流体以速度v0流入孔隙结构后，受基质内孔隙及裂隙表面粗糙度的影响，流体出现扩散滤失现象，且摩阻力的产生导致流出孔隙结构的速度v1减小。液态CO2循环作用后，不同尺度孔裂隙产生不同程度的体积应变，导致裂隙尺度非均一、裂隙比表面积跃变等现象的发生，最终在流体压力梯度的驱动下实现流体运移的能量最小损失[35]。

为减少煤体润湿性和毛细管力的影响，通过考察同一煤样饱水、离心2种状态下的流体体积差值，揭示有效贯通孔隙结构和孔渗特征参数的耦合关系。图10为液态CO2作用后煤体De，φe和ΔkSDR-d的散点分布，φe和ΔkSDR-d整体上分别与De正相关。首先，基于饱水-离心联测的T2谱幅值差和孔隙率差分别对应得到有效贯通孔和φe，2者之间的正相关关系表征液态CO2循环作用能够促进煤体原始裂隙的扩容和新生裂隙的出现，不同尺度孔裂隙结构的互相贯通增大流体存储空间体积，离心掉的自由流体特征参数可映射出液态CO2循环作用煤体的渗透率变大。其次，ΔkSDR-d是由初始渗透率和作用后渗透率2者的差值比，其值越大，表征液态CO2循环作用后煤体的渗透性能越好，De与ΔkSDR-d的正相关关系说明煤体内小尺度孔裂隙结构出现延伸长度增加及宽度增大，流体运移阻滞力减小，提高了煤体孔隙结构改造能力。