液态CO2 冻结时间对煤体孔隙结构的影响试验研究

张慧峰

（山西潞安环保能源开发股份有限公司 常村煤矿，山西 长治 046000）

煤炭作为我国国民经济和社会发展的基础，在我国一次性能源生产和消费中约占3/4 左右[1-3]。瓦斯的高效抽采对于我国煤矿安全生产、能源稳定供给至关重要。近年来以液态CO2低温冻融致裂技术为代表的无水致裂技术，不会引起煤层吸水膨胀而导致煤层中松软黏性矿物质堵塞煤层气运移通道，是各国学者研究的热点[4-7]。但关于低温液体对煤体的作用时间特性及冻融后孔隙结构特性随时间变化目前研究较少。煤储层是具有双重孔隙结构的非均质性物质，复杂的孔裂隙系统是瓦斯在煤层中储集和运移的主要场所。因此，研究煤体孔隙结构有助于分析煤储层渗透性的变化情况，从而提高瓦斯的抽采效率[8]。在现场应用过程中，大量低温流体被注入储层中，基于其自身温度较低，容易在钻孔内部快速形成低温环境，对周围煤体进行冷冲击，之后的煤体则因储层环境的影响逐渐升温。任韶然等[9]为了研究液氮冻融作用对煤体微观结构的影响，采用超声波技术探测分析液氮冻融作用前后煤体内部微观孔隙结构的变化；XU Jizhao 等[10]为了研究液态CO2冻融循环作用对煤体增透致裂的影响，利用核磁弛豫分析技术分析了液态CO2循环作用前后煤体内孔裂隙结构的演化规律，得出液态CO2循环作用能较好致裂煤体；李杰林等[11-12]研究了冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征，利用核磁共振技术测试不同冻融循环次数煤的孔隙结构，得出孔隙率随着冻融循环次数增加而增大。煤体在液态CO2气化膨胀力以及水冰相变膨胀共同作用下，有助于促使宏观裂隙和微观裂隙增大连通，构成裂隙网，增加煤层透气性[13-15]。综上所述，为近似模拟“冷冲击-吸热升温”过程，探究液态CO2冻融对煤体的孔裂隙结构损伤特性，以常村煤矿低透气性煤层为研究背景，借助液态CO2冻融模拟平台进行实验研究，利用核磁共振、超声波分析等方法从微观孔裂隙角度，对比分析煤体在不同液态CO2冻融致裂时间下的结构变化，进而优化冻融增透促抽技术。

1 液态CO2 冻结试验

试验煤样取自常村煤矿2302 工作面，在新揭露位置选取块状较大且完整性较好的煤块，利用塑料保鲜膜将其密封保存，泡沫隔离装箱后运输至辽宁工程技术大学，加工成ϕ50 mm×100 mm 的圆柱状煤样，对煤样试件编号。将煤样送至实验室进行基本参数测试，得到煤样的水分为2.14%，灰分为26.06%，挥发分为29.63%，固定碳为42.17%。

为了开展液态CO2冻结时间对煤体孔隙结构影响试验，搭建了液态CO2冻融试验装置，主要包括液态CO2冻融系统、饱水系统、核磁共振测试系统和超声波测试系统。煤样冻融试验装置如图1。

图1 煤样冻融试验装置Fig.1 Coal sample freeze-thaw test device

液态CO2储罐储存压力在100～300 MPa 之间连接冷浸罐。煤样冷浸罐内配有浮力球，通过磁性浮球液压变送器显示浮球所在位置以便实时监测煤样冷浸罐内液态CO2的高度，配合降压阀调整煤样罐内CO2压力值保持在1～2 MPa 之间。

首先取5 个煤样进行饱水处理，将饱水煤样放入液态CO2冻融罐中，设置冻结时间分别为10、25、50、100、150 min，达到相应冻结后，取出煤样；待煤样恢复至室温时，将煤样进行超声波测试并用相机拍下煤样的外观；然后将煤样再次饱水，对煤样进行低场核磁共振测试。

2 试验结果

2.1 液态CO2 冻融煤体表面损伤

煤样经历不同冻结时间的表面损伤变化情况前后对比。煤样在不同冻融条件作用下受到了不同程度的损伤。液态CO2冻融10、25 min 煤样表面变化不明显，主要为原始裂隙的小幅延伸和发育，新生裂痕较少。冻融50、100、150 min 后煤样随着冻融时间的增加裂纹逐渐扩大。煤样直接开裂，并且煤体表面都有不同程度的脱落情况。说明煤体经过液态CO2冻融后内部孔隙结构损伤造成孔隙结构改变，致使煤体产生表面宏观变化。煤样表面随着液态CO2冻融时间的增加其裂痕逐渐扩张明显。

2.2 液态CO2 冻融煤体超声波波速变化规律

超声波通过冻融前后煤体内传播波速、波形等信息的变化，可以反演出煤体裂隙结构分布特征。波值减小时说明煤样内部的孔隙度变大，裂隙增加，进而反映煤体内部孔隙结构的变化[8,10]。不同冻融时间条件下煤样的超声波波速变化如图2。

由图2 可知，在不同冻融时间下，煤样的横波与纵波波速均有不同程度的下降。说明煤体受到严重损伤，液态CO2冻融对于煤体内部孔隙结构改善有良好的破坏作用，有利于内部孔隙的连通，相比横波波值经过冻融之后纵波波值变化程度更大。

图2 不同冻融时间条件煤样的超声波波速变化Fig.2 Variation of ultrasonic wave velocity of coal samples under different freezing and thawing time

液态CO2冻结10、25、50、100、150 min 的纵波下降率分别为5.55%、10.69%、20.12%、25.84%、34.33%，横波下降率为3.72%、5.74%、11.70%、12.75%、17.44%。分析可知，液态CO2冻融可以增加煤体有效孔隙的数量，有利于煤体内部孔隙的连通，提高煤体孔隙度和渗透率，为煤层气的抽采提供更好的渗流空间。

2.3 不同冻融时间T2 谱图

通过横向弛豫时间T2获取煤体孔隙中的微小孔、中孔、大孔及裂隙的分布情况、连通性以及煤岩的各种物性参数，横向弛豫时间T2和孔径r 的关系可表示为[12,15]：

式中：T2为横向驰豫时间，ms；ρ 为横向表面驰豫强度，m/ms；S 为孔隙表面积，cm2；V 为孔隙体积，cm3；Fs为孔隙隐形状因子，一般对于球状孔隙Fs=3，柱状孔隙Fs=2，裂隙Fs=1；r 为孔径，m。

Yidong Cai 根据煤的吸附性质和运移规律，提出孔隙分类方法为：小于102nm 为微小孔，102～103nm 为中孔，大于103nm 为大孔。把孔隙分为2 类：微小孔为吸附孔，中孔和大孔为渗流孔[16]。在T2谱图中，第1 峰对应的区域代表微小孔隙，第2 峰对应的区域代表煤中孔，第3 峰对应的区域代表大孔，第1 个峰驰豫时间截止值处把煤体孔隙分为吸附孔和渗流孔[17]。根据T2谱峰值的分布规律，将孔隙与T2曲线的对应关系分为3 个区域，其中没中微孔对应T2＜10 ms 区间；中孔对应10 ms＜T2＜100 ms 区间；大孔对应100 ms＜T2＜10 000 ms 区间。根据核磁共振监测技术，得出不同冻融时间下煤样的T2谱图变化趋势，不同液态CO2冻融时间下煤体的T2谱图如图3。

图3 不同液态CO2 冻融时间下煤体的T2 谱图Fig.3 T2 spectrum of coal under different liquid CO2 freezing and thawing time

由图3 可知，冻融前煤样T2谱图中3 个峰值面值呈递减趋势，第1 个峰约占70%左右，第3 个峰值相对最低，说明原始煤样中微小孔数量较多且发育较好，中大孔的裂隙孔数量相对较少且发育较差。随着冻结时间的增加，各区域起止驰豫时间区间宽度有所增加，T2曲线幅值增加，说明液态CO2对煤体的孔隙结构损伤有着积极的影响。液态CO2冻结煤体后T2曲线均上移，说明煤体经过液态CO2冻融损伤之后，各尺寸孔隙的数量均增加。冻结后T2谱图中第1 峰的弛豫时间起始值均向左移动，表明煤体中出现更小尺寸的孔隙。

2.4 孔隙变化率

煤体孔隙变化率是表征煤体孔隙的1 个重要指标，孔隙度大小直接影响煤储层储集气体的数量[17]，在T2谱图中，煤样孔隙变化率可通过T2谱面积的变化来反映，则各分峰面积增长率代表其对应孔径的孔隙体积增长率[17]。孔隙率随冻融时间变化曲线如图4。

图4 孔隙率随冻融时间变化曲线Fig.4 Variation curves of porosity with freezing and thawing time

由图4 可知，煤体经过液态CO2冻结后，微小孔、中孔和大孔面积均有增加煤，体经过冻结10、25、50、100、150 min 后，全孔T2谱面积分别增加9 066.26、15 858.17、11 406.342、12 988.06、13 759.74 ms，全孔T2谱面积增长率分别为28.67%、48.92%、54.91%、61.15%，61.49%。由于液态CO2作为致裂液，瞬时低温可以使煤体的基质收缩，温度骤降又恢复至室温，在此过程中，产生的温度应力集中在煤的尖端，迫使煤体原始孔隙发育及裂隙衍生。同时液态CO2在与煤体对流换热过程中，温度升高液态CO2气化为气态，相变应力作用下对煤体产生破坏作用，煤体损伤产生更多的裂隙。

瓦斯吸附孔和全孔隙增长率随着液态CO2冻融致裂时间先缓慢增加后缓慢减小，瓦斯渗流孔增长率则呈指数变化，渗流孔随冻结时间增长率最大，这是由于致裂100 min 后的煤体产生了大量的宏观裂隙网络。渗流孔是影响煤层气扩散运移的主要因素，液态CO2致裂150 min 渗流孔的增长率为750.37%，因此冻结时间对煤体渗流孔的改造效果较大。

3 结 论

1）煤样冻融50 min 后原始裂隙宏观上出现进一步拓展趋势。

2）煤体经液态CO2冻融后，横波与纵波均逐渐降低，煤样内部孔隙结构产生损伤。

3）随着冻结时间的增大，微小孔、中孔和大孔均增加。吸附孔比例迅速下降，渗流孔的比例不断升高，液态CO2冻融致裂对煤体孔隙具有明显的改造效果。

4）随着冻结时间增加，煤体经过冻结10、25、50、100、150 min 后，全孔T2谱面积分别增加9 066.26、15 858.17、11 406.342、12 988.06、13 759.74 ms，全孔T2谱面积增长率分别为28.67%、48.92%、54.91%、61.15%、61.49%，煤样内部损伤较为严重。

5）渗流孔对煤层气的扩散运移具有重要影响，液氮致裂150 min 渗流孔的增长率为750.37%，冻结时间对煤体渗流孔的改造效果较大。