低场核磁共振技术在煤孔隙结构精准表征中的应用与展望

翟 成，孙 勇，范宜仁，杨培强，葛新民，吴 飞，徐吉钊，余 旭，刘 厅，赵 洋

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；3.苏州纽迈分析仪器股份有限公司，江苏 苏州 215163)

煤是包含裂隙和孔隙的双重多孔介质。煤的孔隙结构对于瓦斯的吸附/解吸、扩散、渗流和水的运移起关键作用。但煤层普遍具有强非均质、不连续和各向异性的特征，孔隙跨尺度分布，使得孔隙结构的全面精准表征十分困难。常用的煤孔隙结构测试方法如扫描电镜、压汞、气体吸附等在可重复性、样本尺寸、测孔范围、测试精度和时间等方面各有特点，低场核磁共振逐渐成为近年来应用广泛的煤孔隙结构测试方法。

低场核磁共振通过测试多孔介质中的含H流体(水、甲烷)在外加磁场下的弛豫过程(原子核由高能级的非平衡态恢复到低能级的平衡态)反演流体含量、特性和分布及含流体孔隙尺寸信息，具有无损、快速和精准的特征。通过一维核磁共振弛豫谱，可以得到孔隙度、孔径分布、孔隙连通性、自由/束缚流体饱和度、润湿性、渗透率等信息；通过二维核磁共振谱可以区分不同含氢流体和同一含氢流体的不同相态(自由水、束缚水和甲烷气等)；通过核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)可以得到孔隙与流体的空间分布。进一步，在常规低场核磁共振分析仪的基础上，配备夹持器及相应的温压施加、流体注入系统，可以模拟原位煤层环境，实时监测复杂地层条件下的煤体孔隙结构与流体输运变化。

低场核磁共振最早被应用于石油测井领域，之后逐渐被推广至煤的物性表征。姚艳斌等详细介绍了采用核磁共振弛豫分析技术识别煤中“多态水(表面吸附态、孔内毛管束缚态和自由态水)”和“多态甲烷(游离态、吸附态和孔束缚态甲烷)”的理论与方法；王琨等分析了核磁共振技术在岩石物理性质和孔隙结构表征中的应用，但煤的孔隙结构与岩石存在差异；LIU等阐述了核磁共振在煤和页岩孔隙特征(孔隙度、孔径分布、孔隙类型、渗透率和润湿性)和流体状态、类型、行为方面的研究。近年来，随着越来越多学者的关注，低场核磁共振在煤物理性质分析中的研究进一步丰富和完善，本综述旨在总结该技术在煤储层孔隙结构和流体特性精准表征中的经典成果和最新进展。

低场核磁共振以煤孔裂隙中的含氢流体为探针，能够同时得到孔隙及孔隙流体信息，精准分析孔隙、水和甲烷介质的相对变化，在煤层物理性质表征领域的应用潜力巨大。笔者首先介绍了低场核磁共振测孔原理，然后阐述了基于低场核磁共振的煤孔隙结构分析的研究进展，之后介绍了低场核磁共振在煤层气开发领域的最新应用案例，最后提出了未来的应用展望。

1 测试原理与设备

1.1 核磁共振弛豫法

核磁共振是指原子核对磁场的响应(图1)。当没有外部磁场时，原子核的自旋方向是随机的；在外加静磁场B的作用下，原子核逐渐定向排列(极化)，绕B进动，此时大多数核自旋处于低能态，形成平行于B方向的宏观磁化矢量；再施加额外的与B垂直的脉冲交变磁场B，原子核吸收能量跃迁至高能态并同相进动，当施加90°脉冲时，宏观磁化矢量被扳转至B的横向平面进动()；关闭B后，原子核开始散相，由高能态恢复至平衡态(弛豫)，横向磁化矢量迅速衰减，通过接收线圈可采集该衰减信号；为了抑制B非均匀性的影响，可以在90°脉冲后施加多个180°脉冲(Carr-Purcell-Meiboom-Gill sequence，CPMG序列)，重聚磁化矢量并产生一系列自旋回波，得到横向磁化矢量衰减曲线。横向磁化矢量衰减的时间即为横向弛豫时间，对横向磁化矢量衰减曲线进行反演即可得到分布曲线。可由式(1)表示。

图1 宏观磁化矢量在磁场中的演化机制

(1)

式中，为表面弛豫时间；为自由弛豫时间；为扩散弛豫时间。

表面弛豫时间可表示为

(2)

式中，为横向表面弛豫率；为孔隙表面积；为孔隙(流体)体积。

扩散弛豫时间可表示为

(3)

其中，为扩散系数；为质子的旋磁比；为静磁场梯度；为最小回波间隔。目前大部分低场核磁共振分析仪的静磁场梯度非常小，当测量所用的较短时，扩散弛豫可以忽略。

自由弛豫是流体的固有弛豫特性，由流体的物理性质(含氢指数、黏度等)决定。煤的核磁共振研究以氢核为基础，而氢核主要来自于水。水的自由弛豫时间为

(4)

煤中孔隙流体3种不同的弛豫机制对总的贡献不同，自由弛豫项与扩散弛豫项的贡献均远小于表面弛豫项，因此孔隙流体的弛豫时间可近似表示为

(5)

假设，煤内部为简单形状的孔隙，则式(5)可转化为与孔隙半径的关系：

(6)

其中，为几何形状因子。对于狭缝型、圆柱型和球型孔，分别取1，2和3。进一步地，可表示为

=

(7)

令=，为转换系数。对于同种煤样，为固定值，为常数，因此也为恒定量。与存在正比关系，越长，越大；的幅值越高，则对应孔径的孔隙体积就越大，这是应用核磁共振谱进行煤体孔隙结构定量表征的基础。

1.2 核磁共振冻融法

多孔介质内孔隙冰的熔点随会孔径的减小而降低；同时，冰的横向弛豫时间(10 μs)远小于水的横向弛豫时间(ms，s)。因此，核磁共振可以捕捉孔隙水冻结-融化过程的未冻水含量变化。以此为基础，核磁共振冻融法(Nuclear Magnetic Resonance Cryoporometry,NMRC)通过记录变温条件下多孔介质孔隙流体在相变过程的核磁信号量变化，可以实现对多孔介质孔径分布的表征。

根据Gibbs-Thomson方程，在直径为的圆柱形孔隙中，晶体与其液体为球形界面，其熔点的降低如下：

(8)

式中，为固体熔点；()为直径的晶体熔点；为单位面积的固-液表面自由能；为每克物质的融化焓；为固体密度；为液体与孔壁的接触角。

进一步地，式(8)可以简化为

(9)

其中，为熔点下降常数。结合式(9)，孔隙体积分布可以表示为

(10)

液体核磁信号强度与孔隙体积成正比，则

(11)

对待测多孔介质饱和探针液体，通过冷却装置进行变温操作，测量相变过程的液体变化量，从而获得探针液体的融化(或冻结)曲线，进而可以转化得到孔径分布。需要注意的是，由于冻结过程亚稳态的出现和自成核作用的随机性，融化过程的熔点温度变化相较于冻结过程更加真实。目前的探针液体主要包含水和环己烷(CH)，水的分子直径为0.4 nm，更容易进入微孔；但环己烷的(58.2 K·nm)高于水的(108～179 K·nm)，对温度变化的敏感性更高。当煤中含有较多黏土矿物时，水可能会与黏土矿物发生物化反应，对测试结果产生一定的影响。

图2展示了通过饱和环己烷和水的核磁冻融法、压汞法和氮气吸附法得到的孔径分布曲线对比，可以发现，核磁共振冻融法测孔范围更广，饱和水相较于饱和环己烷能测试孔径更小的微孔。与核磁共振弛豫法相比，核磁共振冻融法的理论模型简单可靠，能够直接得到样本的绝对孔径，无需通过转换系数换算，误差更小。测试孔径范围为2～500 nm，尤其对纳米孔隙有较高的分辨率。与压汞和氮气吸附法相比，测试过程没有流体介质转移，能最大程度弱化孔隙复杂性带来的影响。但其测试时间较长，一般为8 h左右。作为一种新兴的核磁共振测孔方法，核磁共振冻融法在煤纳米孔隙表征方面具有应用前景。

图2 NMRC孔径分布与其他方法获得的孔径分布对比[22]

1.3 设备介绍

本文将低场核磁共振测孔法与其他测孔方法进行了对比，见表1。

表1 常用的煤体测孔方法对比[4-5]

低场核磁共振在煤孔隙结构测试方面具有无损、快速、精准的特征，应用广泛。目前，国内外主要的商业台式核磁共振岩心分析仪的特征参数见表2。

表2 国内外商业核磁共振岩心分析仪的特征参数[23]

较短的回波间隔能够表征尺寸更小的微小孔隙；主磁场频率过低会丢失短弛豫组分，导致信噪比偏低；主磁场频率过高会引起背景梯度场过强。常规的低场核磁共振分析仪仅能测试无温度与压力加载的煤样，与实际煤层在深部所处的高温高压环境相差较远；仅能测试实验前、后的煤样，无法实时监测实验过程的孔隙演化与流体运移。在常规分析仪的基础上，通过添加夹持器、温压加载和流体注入等模块，可以开发满足高温高压环境的核磁共振分析与成像测试系统(图3，4)，主要有五大关键单元：① 样品仓单元。即煤心夹持器，采用无磁、不含氢、耐高温高压的材料(Polyetheretherketone，PEEK材料)制作筒体，通过改变夹持器尺寸可放置50 mm×100 mm，25 mm×50 mm的煤样；② 多相流体进给单元。可实现CO，N，CH和HO的高压注入，流体注入压力可控；③ 流体回收单元。出口压力控制与流体流量计量；④ 温度压力施加单元。以氟油为介质，通过加压、恒温装置对煤样施加围压和温度；⑤ 核磁测试单元。可实现样本流体注入和温压加载过程的动态测试，获取煤样谱和不同层位的成像图。能施加三轴应力的高温高压核磁分析仪则是进一步开发的方向。

图3 高温高压核磁共振分析仪实物

通过高温高压核磁共振分析仪可模拟甲烷吸附/解吸/扩散、注气驱替、水力压裂、应力加卸载等过程，实时监测上述过程的煤样孔隙演化与流体运移规律。

图4 高温高压核磁共振分析与成像测试系统

2 煤孔隙结构分析体系

2.1 孔径分布

利用低场核磁共振分析仪通过CPMG序列测试可以得到谱，关键的问题是如何将分布转换为孔径分布，常用的方法包含2种：横向表面弛豫率法和离心-截止值()法。

(1)横向表面弛豫率法。基于式(5)，(6)，求取横向表面弛豫率，但是不能直接计算，常需要结合氮气吸附曲线或压汞曲线来间接求取。

当结合氮气吸附曲线时，首先将氮气吸附测试结果通过BET模型得到孔表面积，通过BJH模型得到孔体积，进而得到比表面积值；然后计算谱的对数平均值()；最后结合式(5)即可得到。的计算公式为

(12)

其中，2为第点的；为第点的幅值，为谱的总幅值。由于氮气吸附法主要测试吸附孔(<100 nm)，因此结合氮气吸附曲线的方法获得的对吸附孔发育为主的煤更加准确。

结合压汞曲线，首先需要确定孔隙形状因子，可以根据扫描电镜捕捉的煤孔隙形貌或者压汞的滞回曲线确定孔隙形状；然后将压汞法得到的孔径分布曲线转化为反向累积孔体积占比曲线，利用不同横向表面弛豫率系数下的反向累积曲线匹配压汞曲线；最后，基于最大相似度算法和最小二乘法得到使2者匹配误差最小的最优(图5)。的计算公式为

图5 结合压汞曲线的最优ρ2选取[24]

(13)

其中，为压汞数据点数量；为压汞法测得的孔径；为不同表面弛豫率系转换的核磁孔径；()为核磁分布权重。结合压汞曲线的方法更适合以大孔发育为主的煤。由于压汞结果主要受喉道尺寸影响，而核磁结果受孔隙尺寸影响，当煤中喉道尺寸与孔隙尺寸的比值变化较大时，压汞曲线与核磁曲线并无密切相关性。

理论上，对比曲线的孔径范围越广，则求得的转换系数值越精确。因此，ZHENG等提出将氮气吸附法与压汞法的孔径分布曲线相结合，首先得到近全尺度的孔径分布曲线，然后与分布曲线进行对比，得到转换系数。该方法的精确度相对更高(图6)。

图6 结合氮气吸附曲线和压汞曲线确定ρ2[24]

(2)离心-法。对饱水煤样进行离心，根据Washburn方程，可以得到离心的最小孔径与离心压力的对应关系为

(14)

其中，为水的表面张力。对应饱水-离心谱中的值，结合式(7)，可以得到转换系数：

(15)

离心-法通过离心实验获得特定孔隙半径对应的，从而得到转换系数；并不适用于低变质程度的煤(如褐煤、长焰煤和气煤等)，因为低变质程度煤的机械强度较低，在高压离心下易受损伤，破坏原始孔隙结构。

上述2种转换方法，横向表面弛豫率法最为常用，因为该方法直接求取。的确定关系孔径分布的准确性，是核磁共振弛豫谱分析中关键的环节。一般认为同一煤阶、具有相似组成的煤对应同一转换系数，但恒定的并不适合孔径分布较宽、存在顺磁性矿物(黄铁矿等)的非均质储层，关于此类储层的确定方法仍有待进一步完善。将分布曲线转化为孔径分布曲线后，进而可以对煤孔径分布进行定量化分析，通过不同的划分标准，分析不同孔隙组分的变化规律。常用的孔径分布划分方法见表3。

表3 核磁分析中常用的煤体孔隙分类方法

峰划分法实际是一种聚类分析方法，每一个峰代表一类孔径相近、弛豫特征相似的孔隙，该方法只能粗略的划分小、中和大尺寸孔隙。IUPAC法由国际纯粹与应用化学联合会提出，是国际通用的多孔介质孔径划分方法。Hodot法是针对煤的力学与渗透性质的孔隙划分，由于谱为lg 10进制，Hodot的十进制分类法对谱更加匹配。瓦斯相关法侧重于瓦斯在煤中的赋存状态，吸附孔是瓦斯的储存空间，而渗流孔是瓦斯的流动通道，该划分方法对于瓦斯抽采更具指导意义。在谱分析中可以根据需要选取不同的孔径划分方法。

2.2 孔隙流体

通过“饱水-离心”联测法可以得到煤样的，进而将饱水谱划分为自由流体与束缚流体2个部分(图7(a))。自由流体位于连通、开放的大尺寸孔隙和裂隙中，在离心作用下可全部脱出；束缚流体位于细喉道孔、小尺寸孔或封闭/半封闭孔中，受毛管力和表面吸附力作用较强，在离心作用下不可脱出。自由流体空间有利于瓦斯的扩散和渗流以及压裂液的返排，而束缚流体空间内的瓦斯不易解吸，压裂液易滞留。“”法是最为经典和常用的孔隙流体区分方法。

图7 核磁共振“单T2c”法与“双T2c”法对比[27]

的获取是基于以下假设：束缚流体位于小孔隙中，自由流体位于大孔隙中。但有很多学者发现，在左侧仍有部分自由流体，在右侧仍有部分束缚流体。因此，范宜仁等提出了“双”方法(图7(b))，该方法将饱和孔隙流体细分为3个部分，分别为完全自由流体、部分自由流体和完全束缚流体。饱水谱左侧与离心谱重合的部分对应完全束缚流体；中部与离心谱部分重合的区域对应部分自由流体；右侧仅饱水谱有信号的区域对应完全自由流体。完全自由流体存在于裂隙和宽喉道大孔，在离心作用下可完全脱出；部分自由流体存在于宽喉道中小孔和粗糙孔壁孔，受孔隙表面作用力较强，在离心状态下部分脱出，部分以薄膜态滞留；完全束缚流体存在于细喉道孔和封闭孔隙中，无法突破喉道的束缚，在离心状态下不可脱出。“双”同样通过饱水-离心联测获得，并没有增加额外的实验量，但对孔隙流体的划分较“单”法更为细致。

“饱和-离心”联测法确定值时易受煤样离心条件的限制：低变质程度的煤(如褐煤等)在离心压力下易损伤；较长的离心时间导致测试煤样数量受到限制。因此，很多学者研究尝试将饱水谱特征参数与岩心的波速、氦气渗透率、孔隙度等参数耦合建立预测模型，仅需少量的离心实验即可建立煤的自由/束缚流体饱和度计算模型，但模型的准确度和适用性尚待验证。SUN等将饱水谱的多重分形参数和核磁孔隙度作为输入量，通过训练BP神经网络输出了预测值，与实际值很接近(图8)。利用大数据与深度学习的预测模型以及其他曲线分析模型，是当下的研究热点之一。

图8 BP神经网络预测T2c值与实测值对比[29]

一维核磁共振谱存在基质氢、水、甲烷信号重合、难以区分的问题。不同流体在纵向弛豫时间、横向弛豫时间和扩散系数三个核磁维度的属性不同：束缚水由于运动受限，具有很小的，和；自由水的，和为中等；甲烷气和很大，很小。借助二维核磁共振，在原维度基础上增加纵向弛豫时间维或扩散系数维，通过2个维度交会实现不同含氢流体或同一含氢流体不同相态的精准识别(图9)。SUN等通过大量测试给出了饱和水煤心的二维核磁共振-谱示意，不同孔隙流体可以通过独特的核磁共振响应加以区分。二维核磁共振仅对饱和样本单次测试即可定量识别不同流体，精准且省时，在区分孔隙流体方面相较一维核磁共振更具优势。

图9 二维核磁共振T1-T2谱示意[7]

当高温高压夹持器中的煤样内同时存在水和甲烷时，为区分2种流体信号，可在测试时选择屏蔽其中一相信号。当测水信号时，可选择普通水；当测甲烷信号时，可选择重水(DO)，从而消除水信号，得到甲烷谱。测试甲烷量越高，信号越稳定，误差越小。

2.3 孔隙连通性

根据孔隙连通性的差异，可将煤内部的孔隙分为开孔和闭孔。开孔通过孔裂隙网络与外界连通；闭孔为四周封闭孔隙，流体无法侵入。可以采用饱和氯化锰(MnCl)溶液的方法，利用Mn在连通孔裂隙网络中的快速扩散，将开孔中水的弛豫时间缩短至无法检测水平，从而区分开孔和闭孔。研究发现，40% MnCl溶液(质量分数)即可使水的核磁信号完全抑制(图10)。该方法首先将煤样完全饱水测试总孔谱，然后将饱水煤样继续饱和MnCl溶液(当常压饱和困难时可采用真空饱和或加压饱和；由于煤的连通性普遍较差，需要饱和足够长时间，一般每隔24 h测试1次信号量，直到信号的变化幅度小于0.1%)，利用压力差和质量分数差使Mn扩散进入开孔，并测试饱MnCl溶液谱。由于开孔中的水信号已被抑制，因此该状态下的谱主要为闭孔中水的信号和少量基质氢信号，将饱水谱与饱MnCl溶液谱作差即可得到开孔谱。

图10 MnCl2的核磁共振信号响应[33]

孔隙连通性对于评估致裂增透需求和瓦斯抽采难度具有重要意义。相较于常规的高温干燥方法测试开/闭孔(>100 ℃干燥，开孔水以气态排出)，饱和MnCl溶液方法利用Mn扩散测试闭孔，对煤的损伤更小(尤其是低变质程度、容易热破裂的煤)，测试结果更加准确。

ALEXEEV等的研究表明，闭孔在易破裂煤岩中的数量普遍更多。张海杰等对比了页岩的柱塞样与粉碎样的孔隙体积，发现柱塞样被粉碎后孔隙体积增加了41.5%，这部分孔隙体积的增加来源于粉碎过程闭孔的打开。CHANG等对比了煤心与不同粒径煤屑的分布，发现对于部分煤样，内部大量的闭孔在粉碎后被打开，孔隙度增加；并且给出了建议的粉碎粒径为1.0～1.7 mm。通过煤样粉碎测试闭孔的方法的适用性需要更多的样本进行验证。另一方面，还有学者关注采用岩屑代替岩心测试孔径分布，发现当岩屑的尺寸合适时，其孔径分布与全直径岩心的孔径分布是近似的。岩屑的采集成本很低，当取岩心较为困难时，可尝试采用岩屑代替。该方法尤其适用于煤矿井下，在打钻时收集不同深度的钻屑，通过核磁共振设备对钻屑进行快速测试与分析，反演钻孔不同深度的孔隙结构(图11)。

图11 岩心与不同尺寸岩屑的核磁共振T2谱对比[39]

2.4 孔隙度

一般认为，孔隙度与核磁信号量存在线性相关关系，通过对标准孔隙度样品进行定标，得到核磁信号量-孔隙度的线性表达式，从而将煤样核磁信号量转换为孔隙度。孔隙度与单位体积的信号量关系为

=

(16)

其中，为标定获得的系数；为孔隙度；为单位体积煤样的累积核磁信号量。图12为ZHANG等实验测得的孔隙度标线，可以看出单位体积的核磁信号量与孔隙度均呈线性正相关关系，但由于不同学者的测试参数不同，标线斜率会有所不同。此外，还可以将核磁孔隙度与其他常规方法测试得到的孔隙度对比，验证核磁孔隙度结果的准确性。如图13所示，核磁孔隙度与氦气、水、称重测孔隙度均十分近似。

图12 核磁孔隙度标定[40-43]

图13 核磁孔隙度与其他方法孔隙度对比[28,44-47]

进一步地，结合“饱水-离心”联测法，可以将孔隙度划分为总孔隙度、有效孔隙度和残余孔隙度。饱水谱对应总孔隙度，离心谱对应残余孔隙度，饱水与离心谱的差谱对应有效孔隙度(图14)。有效孔隙度代表实际工程中瓦斯扩散和渗流，压裂液注入和返排的孔隙空间，是煤层气储量评估和致裂效果评价的关键参数。在煤层气开发过程中，需要采取有效的致裂增透技术，构造连通孔裂隙渗流通道，打开封闭/半封闭孔隙，从而增大有效孔隙度，减小残余孔隙度，提高煤层气的抽采效率。

图14 总孔隙度、有效孔隙度和残余孔隙度示意[48]

2.5 润湿性

由于不同煤内部极性官能团和芳香环的数量不同，遇水会表现出亲/疏水性的差异。煤对水的润湿性直接影响气、水的产出效果。当煤的亲水性官能团较多，芳香环数量较少时，表现为强水湿性；反之则表现为强疏水性。可根据煤粉/样饱和水后的核磁信号强度，分析不同煤的润湿性能。当煤疏水时，水与煤基质的表面作用力较弱，此时孔隙水的弛豫时间与自由态水的弛豫时间接近，约为3 000 ms；当煤亲水时，水与煤基质表面的作用力较强，此时孔隙水的弛豫时间大大缩短，远小于自由态水的弛豫时间。

煤粉在饱水后的谱存在3个峰，其中，第1峰代表吸附态水，第2峰代表颗粒间水，第3峰代表自由态水。当煤的亲水性较强时，吸附态水峰和颗粒间水峰的占比较大；当煤的疏水性较强时，自由态水峰的占比较大(图15)。通过对比不同煤饱水谱分布的差异，可以初步定性地判断煤的润湿性。

图15 亲水性煤粉与疏水性煤粉T2谱对比[50]

有学者发现煤的几何均值(代表水的整体分布状态)与煤的表面接触角存在正相关关系(图16)，越大，水分进入微小孔隙越困难，相应的表面接触角越大。可以通过煤的接触角和对煤的润湿性进行相互验证。

图16 T2gm与表面接触角的关系[50]

(17)

近年来，关于利用二维核磁共振技术分析非常规储层岩石润湿性的研究越来越多。通过二维核磁共振可以分析孔隙流体与基质表面的接触关系：在-谱中，润湿相流体具有表面弛豫机制，拥有更高的/值；结合-谱，能更好地区分孔隙流体/值变化，提高对润湿性的判别效果。当煤心饱和双相流体时，二维核磁共振弛豫谱可以同时表征两者的润湿特性(图17)。

图17 水湿性砂岩饱和水状态的二维核磁共振T1-T2谱[51]

此外，煤样在自渗吸过程的谱变化也可以体现煤的润湿性差异。当煤的水湿性较强时，表现出较高的自渗吸效率。借助空间频率编码技术，对煤样渗吸过程进行实时测试，获得样品不同层位的水饱和度随时间变化(图18)，进而分析煤的润湿性差异，这是当前较为先进的煤内部润湿性精准评价方法。

图18 煤自渗吸过程核磁测含水量随时间变化

快速循环变场(Fast Field Cycling,FFC)核磁共振弛豫技术则是一种全新的无损、非侵入式的受限流体分子动力学特征测试技术。该技术使磁场强度在几kHz至100 MHz之间变换，测量纵向自旋弛豫率=1/随磁场强度的变化，得到核磁共振弛豫散布曲线，利用纵向自旋弛豫率对复杂孔隙网络中水和油等扩散相十分敏感的特性，获得多尺度下嵌入受限环境流体的分子动力学和输运特征。ZHOU等对致密砂岩进行了测试，获得了不同磁场强度(0.01～10.00 MHz)下的分布曲线，提取第1峰、总峰和第2峰对数均值进行拟合，得到了动态表面亲和参数，如图19所示。第1峰、总峰和第2峰对应的分别为2，1 000和∞，其中为1 000和∞分别对应中等水湿和强水湿性。FFC在分析多孔介质流体分子动力学特征方面极具优势，但是当前还没有将此技术应用于煤介质的研究。

图19 纵向自旋弛豫率随磁场强度变化[53]

静态、动态接触角测试方法仅能分析煤表面润湿性，而核磁共振是少有的煤内部润湿性测试方法，尤其是通过最新的空间频率编码技术，可以分析内部不同层位的水饱和过程，精准评价润湿性差异。核磁共振在研究液-固耦合作用方面有广泛的应用前景，借助低场核磁共振方法的煤的润湿性分析可以应用于水力压裂过程的水基压裂液优选、润湿性抑尘剂降尘效果评价、煤浮选回收率提高等方面。

2.6 渗透率

渗透率随着孔隙度和孔隙尺寸的增加而增加，可以结合核磁孔隙度和孔径尺寸相关参数，建立渗透率预测模型。渗透率通常是孔隙度()四次方和孔隙几何尺寸平方的关系。岩心的核磁共振渗透率模型主要有2种：自由流体模型和平均模型。

自由流体模型又称为Coates模型，渗透率()的表达式为

(18)

式中，为与地层有关的系数；为自由流体值；为束缚流体值。

平均模型又称SDR模型，渗透率计算为

=

(19)

式中，为与地层有关系数。

许多学者将核磁渗透率模型的预测值与氦气测渗透率或水测渗透率进行了对比，验证了核磁渗透率模型的可靠性。由于不同煤层的物性各异，每种渗透率模型均不具有普适性。需要根据实际的煤样条件选择合适的渗透率模型求取相关系数的具体值或针对现有的渗透率模型补充相关参数进行修正。同时，由于煤的孔隙-裂隙介质双重发育，裂隙的渗流能力远大于孔隙，更需要开发考虑裂隙发育状况的渗透率预测模型。

3 应用案例分析

3.1 致裂效果评价

通过在实验室中对采用不同致裂技术处理前、中和后期的煤样谱进行对比和分析，可以全面、定量、精准地评价致裂过程煤体孔隙结构的演化，探究不同致裂增透技术或同一技术的不同参数对煤孔隙分布和流体运移的影响规律，为致裂增透技术的现场应用提供相应指导。表4为目前应用低场核磁共振技术进行致裂效果评价的研究成果统计。

表4 基于低场核磁共振技术的煤体致裂增透效果评价

以笔者团队在液氮循环冷冲击致裂煤体的相关研究为例，介绍利用低场核磁共振技术进行致裂效果评价的大致思路。首先，测试获得了煤样在液氮处理前、中、后的谱，如图20所示。通过对比谱可以发现，谱的幅值增加、范围拓宽，说明液氮冷冲击处理使煤的孔隙数量增加、尺寸扩展。进一步，参照LU等的研究，将谱的第1，2和3峰分别划分为微小孔、中孔、大孔及裂隙。可以看出，随着液氮冷冲击次数的增加，煤的微小孔、中孔、大孔及裂隙均有一定程度的增加。

图20 液氮循环冷冲击过程的煤样T2谱变化[48]

很多学者利用单重/多重分形理论对分布进行了分析，通过分形参数评价了煤的孔径分布特征。SUN等对具有典型的单峰、双峰和三峰分布的煤样的曲线进行了多重分形解析，获得了广义分形维数谱(图21)，进而提取了多个多重分形谱的特征参数，分析了这些参数与煤样孔隙度和截止值的关联性。单重分形是基于压汞曲线的分形方法，将曲线转变为近似压汞曲线后进行分析。单重/多重分形均是对孔隙分布特征的定量描述，但单重分形局限于孔隙分布的整体性和平均性描述，而多重分形可以得到研究对象在不同尺度的分形特征，分层次刻画孔隙结构，分析孔隙分布的复杂性和非均质性。

图21 具有单峰、双峰和三峰T2分布的煤广义分形维数谱[29]

将谱划分为不同的组分(束缚/自由流体、吸附/渗流孔等)，计算不同组分对应谱面积相较于初始状态的变化率，可以精细评价不同组分随致裂参数的变化，优化致裂参数的选择。QIN等分析了不同组分随液氮冷冲击时间的变化，如图22所示。随着液氮冷冲击时间的增加，自由流体空间显著增加，束缚流体空间小幅减小；总孔、吸附孔和渗流孔均有一定程度的增加，其中渗流孔的增加更有利于瓦斯的解吸、扩散和渗流。基于已知的孔隙度标线，将谱面积转化为孔隙度，可以分析不同孔隙空间的变化。SUN等分析了总、有效和残余孔隙度随液氮冷冲击次数的变化，还将有效孔隙度进一步细分为微小孔、中孔、大孔及裂隙孔隙度。总孔隙度和有效孔隙度与冷冲击次数正相关，而残余孔隙度与冷冲击次数负相关；有效孔范围内的中孔对液氮冷冲击的敏感性最强；说明液氮冷冲击使孔隙尺寸扩展，中大尺寸孔隙占比增加，同时部分封闭孔隙打开或窄喉道拓宽，使束缚孔隙空间减小。

图22 不同液氮冷冲击时间下煤样T2谱面积变化[70]

核磁共振参数还可以与其他物性参数结合评价致裂效果，例如：① 将核磁孔隙度与称重测孔隙度或氦气测孔隙度对比，将核磁估算渗透率与氦气/水测渗透率对比，验证致裂过程煤的孔渗特征改变；② 将核磁参数与超声P/S波速、力学参数、渗透率等其他测试方法获得的参数耦合，通过寻找不同物性参数之间的关联，综合评价煤的物理性质变化。SUN,ZHENG和QIN等将核磁孔隙度与渗透率、波速进行了回归分析(图23)，发现孔隙度与P/S波速呈负相关，而与渗透率呈二次函数正相关，并且相关系数均较高。

图23 核磁共振参数与其他参数的耦合[48,69,71]

低场核磁共振技术在煤致裂效果评价方面有着广泛的应用，其主要有以下优势：① 在测试过程仅需对煤样饱和水，不会损坏煤样；特别地，对于部分水敏性煤(如低阶煤)，测试时可采用其他含氢质子的液体替代水作为探针液体(常用的探针液体包含酒精、煤油和异丙酮等)；② 可测试的煤样尺寸相对较大，一般为25 mm×50 mm或50 mm×100 mm，其尺寸与常规的渗透率测试或者力学测试的样本尺寸一致，方便测试结果的耦合；③ 测试时间相对较短但却能提供丰富的物理性质信息，省时且高效。当然，关于致裂效果评价的研究向着模拟原位条件下致裂过程实时监测的方向发展。

3.2 瓦斯吸附与解吸

传统的甲烷等温吸附/解吸实验只能从宏观水平研究目标煤样总的甲烷吸附/解吸量变化。甲烷CH同样含有H质子，采用低场核磁共振技术测试甲烷，可以将甲烷的吸附和解吸研究聚焦于微观水平，动态地监测孔隙对甲烷的吸附与解吸，使甲烷在煤中的运移过程可视化。

由于常规的低场核磁共振分析仪仅能测试无温压加载的煤样，无法保压测试甲烷谱，需要配备专用岩心夹持器与温压加载、流体注入模块的核磁共振分析与成像测试系统。在测试过程，首先，以夹持器中的氟油为介质，通过温压模块对煤样施加特定温度和围压来模拟原位煤层环境。然后，控制甲烷进、出口压力及开闭状态实现甲烷在煤中的吸附、解吸、扩散和渗流。具体地，关闭出口，逐步提高进口甲烷压力，模拟甲烷吸附过程；控制进口压力>出口压力，模拟甲烷渗流过程；关闭进口，控制出口甲烷压力不变或逐步减小，模拟甲烷一步或分步解吸过程。最后，利用核磁成像还可以监测甲烷的运移与分布。

YAO等发现，煤中不同相态甲烷的核磁共振谱存在3个不同的峰，从左至右分别代表吸附态、颗粒间游离态和自由空间态游离态甲烷。吸附态甲烷受表面作用力而吸附于煤基质孔隙表面，主要存在于微小孔中，以表面弛豫为主，因此最短，一般<10 ms；游离态甲烷以自由弛豫为主，其中自由空间游离态甲烷存在于样品仓与样本之间的空隙中，最长，一般为100～10 000 ms；颗粒间游离态甲烷存在于煤孔裂隙内，它们受孔隙空间限制且孔隙表面已被吸附甲烷层占据，介于吸附态和自由态甲烷之间，一般为10～100 ms。

在进行甲烷的核磁共振测试前，首先需要对甲烷量进行标定，建立甲烷量与核磁信号量的对应关系。QUAN等分别利用高阶煤、人工砂岩和空样品仓对吸附态、颗粒间游离态和自由空间游离态甲烷进行了标定，如图24所示。不同相态的甲烷谱幅值均随甲烷压力的升高而升高，其中自由空间游离态甲烷峰还向右扩展，这是由于压力增大抑制了分子间自旋，使弛豫速率降低。进一步地，QUAN，YAO和ZHENG等分别确定了甲烷质量与核磁信号量的关系，如图25所示(a和b来自QUAN等测试得游离态和吸附态甲烷；c和d来自YAO等测试得游离态和吸附态甲烷;e和f来自ZHENG等测试得游离态和吸附态甲烷;g来自SUN等测试得游离态甲烷)。特别地，由于吸附态甲烷与游离态甲烷的弛豫贡献不同，一般将2种信号分开进行标定。受测试参数差异影响，不同学者测得的甲烷质量与核磁信号量的对应大小不同，但是在相同测试参数下，甲烷质量与核磁信号量成正比，并且相同强度的核磁信号对应的自由甲烷质量要高于吸附甲烷。准确的甲烷量-核磁信号量标线是进行核磁共振甲烷谱定量化分析的基础。

图24 不同压力下的瓦斯T2谱标定[74]

图25 甲烷信号标线[73-76]

本文展示了煤在等温吸附过程的甲烷谱变化，如图26所示。煤的甲烷谱以吸附态甲烷峰为主，颗粒间游离态甲烷峰次之，这与我国煤层“微孔隙、高吸附”的赋存特征是一致的；自由空间游离态甲烷峰的大小则与煤样与样品仓间空隙的压力有关。随着甲烷压力的升高，3个峰的幅值均增加，吸附态甲烷呈“先快后慢”增加，游离态甲烷则呈线性增加。

图26 甲烷吸附过程不同压力下的T2谱[73]

ZHENG等还通过对吸附甲烷峰的面积量化，计算对应的吸附甲烷量，得到了甲烷等温吸附曲线(图27)，并与常规的体积法得到的等温吸附曲线进行了对比，发现二者十分接近，证明了核磁共振法测试吸附甲烷含量是准确、有效的。

图27 体积法与核磁法等温吸附曲线对比[73-75]

通过核磁共振成像，可以动态监测瓦斯在煤心中的运移与分布。熊武侯对煤心吸附饱和甲烷过程进行了低场核磁共振实时成像，如图28所示(其中，红色代表CH信号，蓝色代表煤基质信号)。随着时间的增加，煤心中的甲烷含量逐渐增加，其中在前233 min迅速扩散，在473 min后缓慢扩散，并在633 min后达到饱和。甲烷扩散过程受到压力差和质量分数差作用，导致出气口甲烷吸附量小于进气口甲烷吸附量。煤心的吸附甲烷分布不均，存在“空心”区域，这与煤心本身的孔隙发育非均匀性有关。

图28 瓦斯吸附过程的核磁共振成像[77]

相较于传统的体积法测试甲烷吸附/解吸过程，低场核磁共振可以打开煤内部的“黑匣子”，实时监测不同相态甲烷的变化，使甲烷在煤心内的运移过程精细化、定量化，为探究煤与瓦斯耦合关系提供了一种全新的技术思路。该技术目前尚存在以下问题：① 受仪器测试精度影响，有部分弛豫时间小于0.1 ms的吸附甲烷不被测到，因此难以直接对吸附甲烷进行定量；② 煤样中的原始水分信号会对测试结果产生干扰，在测试前需要特别注意；③ 对吸附甲烷的直接标定需要更精准的模型或方法；④ 当甲烷信号量较少时，现有仪器的核磁共振成像存在较大难度。

3.3 注气驱替

煤对CO，N，HO和CH的吸附能力不同，当多流体共存时会存在竞争吸附，利用这一特性可以将CO，N和HO注入煤层，取代CH占据孔隙表面吸附位，使吸附瓦斯转变为游离瓦斯并通过抽采管路(井)抽出，达到强化开采煤层气的目的。而且，N与CH的大小相似，可以1∶1置换，降低CH分压，适合低渗透储层；CO对煤的吸附能力是CH的2～10倍，驱替效率更高，同时CO吸附存储于煤层中还能起到地质封存作用，但CO的吸附膨胀会使煤层渗透率降低，也会带来突出风险，适合高渗透储层；HO对煤的吸附能力远大于CH，当注入热水(蒸汽)时还会促进甲烷的解吸，但在部分煤层可能会存在水锁或黏土矿物水化膨胀阻塞渗流通道的问题。

在多流体核磁共振实验过程中，首先对样品仓内的煤样施加特定的温度和围压模拟原位煤层环境；之后注入甲烷使煤样逐渐吸附饱和达到煤层原始的甲烷吸附平衡状态；然后降低出口压力使甲烷解吸，模拟煤层负压瓦斯抽采过程；最后，注入CO，N或HO等流体，驱替残余甲烷，提高瓦斯抽采率。需要注意的是，为避免不同含氢信号相互干扰，保证测试结果的准确性，驱替过程需确保驱替相和被驱替相中仅有一相含H信号：当CO或N驱CH时，仅有CH具有氢信号，因此可以通过CH的核磁谱或成像图推测2种流体的相对增减过程；当HO驱CH时，为避免2种含氢信号相互干扰，需要将HO替换为DO(重水)，从而屏蔽水信号，仅测试甲烷信号。

ZHENG等测试的无烟煤在吸附、解吸以及二氧化碳循环驱替甲烷过程的甲烷谱变化，如图29所示。参考3.2节，甲烷谱从左至右的第1峰为吸附甲烷，第2和3峰为游离甲烷。在甲烷解吸过程，吸附和游离甲烷都有一定程度的减小，但残余吸附甲烷的占比仍较大；在驱替后，吸附甲烷逐渐离开吸附位，转变为游离甲烷；在循环驱替后，吸附甲烷减小至极低的水平，游离甲烷大大增多。

图29 CO2驱替CH4过程的CH4谱变化[75]

进一步，可以测试驱替过程不同时刻或压力下的甲烷谱变化，将甲烷谱划分不同组分，分析各甲烷组分的变化。KANG等依据谱面积定义驱替过程的甲烷生产率，即

(20)

其中，为时刻的甲烷谱面积;为初始的甲烷谱面积。根据此方法，本文计算了不同学者进行的驱替实验的甲烷生产率，如图30所示(其中，a和b来自KANG等测试的煤在氮气驱甲烷过程的吸附甲烷和游离甲烷生产率；c和d来自ZHENG等测试的无烟煤在解吸和二氧化碳驱替过程的甲烷生产率；e来自熊武候等测试的二氧化碳驱甲烷过程的甲烷生产率)。氮气与二氧化碳驱替相较于单纯的负压解吸具有更高和更快的甲烷生产率(>44.6%)；驱替过程游离甲烷的生产率高于吸附甲烷，但随着驱替时间的增加，游离与吸附甲烷的生产率最终均能达到较高水平。JIANG等还通过MRI监测了驱替过程不同流体信号的变化，如图31所示(其中，红色代表HO，蓝色代表CO)。在2种流体构成的体系中，通过其中一种流体信号(如HO)的消减可以推断另一种流体(如CO)的侵入。相较于传统的驱替装置仅能通过进、出口流量及气体性质推断驱替过程，低场核磁共振技术可以直接、实时、定量地监测驱替过程甲烷的运移与分布，将驱替过程可视化、精细化。

图30 驱替过程产气率变化[75,77-78]

图31 CO2驱替水过程的核磁成像[80]

3.4 应力敏感性

煤本身的机械强度较低，具有较强的应力敏感性。开采过程中有效应力变化会导致煤体变形，孔裂隙数量、形态及连通性变化，渗透率改变，进而影响煤层气产量。通过高温高压核磁共振分析与成像测试系统，对饱和水煤样施加不同的应力路径，可以分析孔裂隙的应力敏感性，尤其适合探究深部煤炭开采过程中应力扰动对煤体孔裂隙结构的影响规律。应力敏感性测试的核心是对夹持器内的煤样施加不同的围压，当无流体注入压力时，围压即为有效应力；当存在流体注入压力时，围压与流体注入压之差为有效应力。围压的逐级升高与降低可以代表实际加、卸载过程的有效应力变化。对不同压力下的饱和水煤样进行谱测试，对比孔径分布、孔隙度和孔隙分量变化，预测相对渗透率，计算孔隙压缩系数，可以分析有效应力作用下孔隙的可压缩性、孔隙与渗透率的相互作用。

本文选取了ZHAO等测试的完整煤心在围压增加过程的核磁共振谱，如图32所示。随着围压(即有效应力)的增加，谱幅值呈减小趋势，这主要是压力增大孔隙收缩闭合所导致的。不同孔径的谱峰变化存在差异，微小孔峰微弱减小，中孔峰小幅减小，而大孔和裂隙峰大幅减小，说明大尺寸孔裂隙有更强的应力敏感性。

图32 不同围压加载下的煤样T2谱[84]

进一步，将谱划分不同的组分并计算对应的谱面积，与各组分的初始谱面积比较，可以分析不同孔隙组分相对变化率随围压的变化。孔隙组分相对变化率Δ的计算公式为

(21)

其中，为围压下孔隙组分对应的谱面积;为初始常压下孔隙组分对应的谱面积。DANIEL等对初始人造岩心离心，确定了岩心的截止值，并以该截止值为标准，对不同围压下的谱分别划分了自由/束缚流体，分析了自由/束缚流体随围压的相对变化。ZHANG等和ZHAO等则分析了总孔、吸附孔和渗流孔随围压的变化。

图33总结了不同学者对于孔隙组分随围压变化的相关研究结果，其中a和b来自DANIEL测试的人造岩心的束缚/自由流体；c来自HOU等测试的高阶煤心总孔；d和e来自ZHANG等测试的煤心吸附孔和渗流孔；f，g和h来自ZHAO等测试的煤心总孔、吸附孔和渗流孔；i来自ZHU等测试的煤心总孔。由图33可以可以发现，随着围压的增加，多孔介质内的自由流体减小，束缚流体增加；吸附孔小幅减小，而渗流孔大幅减小，说明渗流孔的应力敏感性更显著，主导渗流行为；总孔呈指数下降趋势。

图33 不同孔隙组分随围压变化[82-86]

对于饱和水煤心，谱面积可以代表对应孔隙的体积，因此可以利用谱面积计算孔隙压缩系数，即

(22)

其中，为不同尺度孔隙的压缩系数；为不同尺度孔隙的孔隙率；为围压；为孔隙压力；和为不同尺度孔隙在围压和时对应的体积，不同尺度孔隙在围压与时的谱面积之比=/=/，其中和为不同孔隙在围压与时对应的谱面积。根据此方法，刘厅、HOU和ZHAO等计算了孔隙压缩系数随有效应力的变化，如图34所示(其中a，b和c来自刘等测试的单裂缝页岩的总孔、吸附孔和渗流孔压缩系数；d，e和f来自HOU等测试的完整高阶煤的总孔、不可动孔和可动孔压缩系数；g，h和i来自ZHAO等测试的单裂缝煤的总孔、吸附孔和渗流孔压缩系数)。总孔、吸附孔和渗流孔压缩系数均随有效应力呈指数下降，当围压增加到一定程度后，压缩系数的减小趋缓。对于每组试样，压缩系数对有效应力的敏感性均有渗流孔>总孔>吸附孔，吸附孔多为微小孔，而渗流孔多为中大孔和裂隙，大尺寸孔裂隙的压缩系数明显高于微小孔隙。总体上，孔隙尺寸越大，压缩系数及降幅越大，其应力敏感性也越高。

图34 压缩系数随有效应力变化[84,86-87]

此外，ZHAO和刘厅等还分别对具有人造单裂缝的煤和页岩在围压加载过程进行了核磁共振成像，如图35所示(其中，红色为孔隙水信号，蓝色为煤基质)。煤的裂隙水信号量(红色区域)相对较高；随着围压的增加，裂隙逐渐受压闭合，对应的裂隙水信号逐渐减少。当围压较小时(<6 MPa)，裂隙压缩变形明显；当围压较大时(>12 MPa)，裂隙压缩变形趋于极限。由于煤中孔隙水信号相对较低，MRI的分辨率并不足以分析孔隙的压缩变形。进一步，还可以提取不同截线的核磁信号量剖面，分析特定位置孔裂隙的相对变化。

图35 含裂隙煤心在围压增加过程的MRI图[84]

与常规的应力敏感性测试方法相比，利用低场核磁共振技术分析孔裂隙应力敏感性，首先其测试结果与常规方法的测试结果是对应的，证明了该方法的可靠性；其次，该方法通过将谱细分可以得到不同孔隙组分的应力敏感性，研究结果更加细致。但是该方法仅能测试煤岩在饱和水相条件下的孔裂隙应力敏感性，无法进行气相或部分饱和水条件下的测试。

4 结 语

低场核磁共振技术通过测试孔隙含氢流体在外加磁场下的弛豫过程同时得到孔隙结构与流体分布信息。横向弛豫时间与孔径存在正比关系：越长，孔径越大；幅值越高，对应孔径的孔隙体积就越大。

结合氮气吸附或压汞的孔径分布曲线，可以得到转换系数，进而将分布曲线转换为孔径分布曲线。在“饱水-离心”联测法的基础上，“双法”可以将孔隙流体细分为完全自由流体、部分自由流体和完全束缚流体。二维核磁共振在识别水、甲烷信号方面独具优势。利用MnCl溶液可以消除水信号的特性可以测试连通孔隙。有效孔隙度是煤层气储量评估和致裂效果评价的关键参数。通过煤样自渗吸过程或煤粉饱水过程的谱或二维核磁共振谱可以分析煤的润湿性差异。

基于低场核磁共振的煤体物理性质表征体系可以应用于不同致裂增透技术的致裂效果评价。结合高温高压核磁共振分析仪，添加温度、压力载荷并注入流体，可实现瓦斯吸附与解吸、注气驱替、应力敏感性等方面的实时监测分析。

实验室内的煤心核磁共振测试倾向于模拟深部原位煤层环境的实验过程实时动态监测。核磁测试与分析倾向于由一维到二维-，-，同时结合大数据与机器学习，提升核磁物理性质表征的准确性和丰富性。钻屑分析与微型核磁共振分析仪开发则是下一步低场核磁共振技术应用于煤矿现场测试的方向。

5 应用展望

(1)实验室内的煤心核磁共振测试倾向于模拟深部原位煤层环境的三轴应力+高温条件下的实时动态监测。目前大多数的煤心测试仍是常温常压条件，与深部的煤层所处的高温高压环境相差较远，其测试结果也必然存在较大误差。尤其在我国煤炭开采转入深部的趋势下，高地应力与高地温的影响将成为不可忽略的因素。利用低场核磁共振测试速度较快的优势，配套相应的温压加载装置和电磁兼容设计，可以连续动态监测煤心在三轴高温条件下致裂损伤过程的孔隙结构演化，打开煤心内部孔隙变化与流体运移的“盲盒”。

(2)低场核磁共振测试与分析倾向于由一维到二维-，-，同时结合大数据与机器学习，提升核磁物理性质表征的准确性和丰富性。一维核磁共振谱存在不同流体信号重叠的问题，而二维核磁共振在流体特征区分方面则独具优势。二维核磁共振对煤介质分析的适用性及结果的精细定量化仍是需要进一步研究的问题。近几年，利用大数据和机器学习的核磁数据深度分析是石油测井领域的研究热点，这也为煤的核磁共振测试与分析提供了启发。利用计算机的核磁数据分析一方面可以提升数据的精确度和分析效率，另一方面可以减小工作量，值得在煤层物性表征方面进一步应用。

(3)钻屑是低场核磁共振在煤矿现场分析的纽带，而微型核磁共振分析仪则是下一步仪器的开发方向。当前绝大多数的实验室测试都是对大尺寸煤块取心后测试，但煤矿现场井下取心困难。煤矿井下有大量的钻孔，取钻屑是简单低成本的，利用钻屑和煤心谱的相似性，取合适粒径的钻屑在煤矿现场进行测试分析，可以获得大量丰富的煤层物理性质信息。进一步，开发微型的核磁共振分析仪，在煤矿井下甚至在煤层钻孔中实时采集水或者瓦斯信息，这对仪器的耐久性、抗噪性等有极高的要求，需要以后许多年持之以恒的研究与开发。