基于NMR技術的超聲波頻率對煤體激勵致裂效果的影響

馬會騰，翟 成，徐吉釗，孫 勇

基于NMR技術的超聲波頻率對煤體激勵致裂效果的影響

馬會騰1,2，翟 成1,2，徐吉釗1,2，孫 勇1,2

(1. 中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2. 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，江蘇 徐州 221116)

為了深入研究超聲波頻率對煤體激勵致裂效果的影響，利用超聲波發生儀對原始煤樣進行致裂實驗，并利用低場核磁共振設備NMR設備對煤樣進行測量，通過分析弛豫時間2曲線，深入研究煤樣致裂前后孔隙結構的變化。研究結果表明：超聲波可以有效改善煤體的孔隙結構，經超聲波激勵致裂后，煤樣內部的孔隙數量增多，總孔隙率、有效孔隙率及滲透率均明顯增大；同時，煤樣內部小孔數量的增長率與超聲波頻率呈負相關關系，中孔和大孔數量、總孔隙率增長率、有效孔隙率及滲透率的增長率與超聲波頻率均呈正相關關系。研究結果為煤儲層超聲波致裂增透技術奠定理論基礎。

低場核磁共振設備NMR；超聲波；孔隙數量；總孔隙率；有效孔隙率；滲透率

我國煤礦區煤層氣儲量十分豐富，據統計，煤層氣含量超過10 m3/t的煤礦占到了煤礦總數的41%[1-3]。但隨著我國煤炭資源開采逐漸走向深部，煤儲層的滲透性也在逐漸降低，成為煤層氣排采亟需解決的技術性難題。超聲波致裂技術是一種新興的增透技術。近年來，國內外學者針對超聲波增透技術做了大量研究。20世紀50年代，美國和蘇聯嘗試利用超聲波促進石油增產并取得了良好的效果，其中，M. S. Mullakaev[4]開發了一種超聲波設備，并在美國油田進行現場測試，實踐證明可有效促進石油增采。Liu Ting等[5]、鮮學福[6]率先提出了利用超聲波激勵煤層促進煤層氣增采的思想；趙麗娟等[7]針對超聲波激勵后煤巖的滲透率進行了研究，認為超聲波激勵可以改善煤巖滲透率；聶百勝等[8]研究了超聲波對煤巖孔隙率的影響；趙鑫等[9]利用數值模擬技術對超聲波的機械振動進行了深入研究；肖曉春等[10]建立了超聲波激勵煤層后甲烷滲透率修正公式；李建樓等[11-12]研究了聲波場作用含瓦斯煤體時的應力演化規律以及瓦斯吸附特性。

上述研究證明了超聲波技術可以用于煤層致裂增透，但針對不同超聲波頻率對煤體內部孔隙結構的影響規律研究較少，因此，筆者借助低場核磁共振設備(NMR)，從孔隙數量、孔隙率、有效孔隙率和滲透率4個方面研究超聲波作用過程中煤樣內部的孔隙結構變化，從微觀角度分析超聲波對煤樣的致裂效果。

1 超聲波致裂增透實驗

1.1 煤樣制備

實驗所用煤樣取自山西省恒益煤礦。將煤塊從煤層中鉆取出來密封包裝運送至實驗室。利用巖心鉆取機鉆取高度50 mm、直徑25 mm的煤樣若干個，從中挑選出完整性較好，無明顯裂隙的煤樣5個。將所選煤樣用保鮮膜密封以保持其原有特性。并對煤樣進行了工業分析，分析基準均為空氣干燥基，結果如表1所示。

表1 煤樣工業分析和孔隙率

1.2 實驗儀器及條件

a. 低場核磁共振分析儀 設備主磁場0.15 T，H質子共振頻率21.7 MHz，射頻脈沖頻率1.0~49.9 MHz，磁體控溫25~35℃，磁體均勻度12.0×10-6，射頻功率300 W。

b. 超聲波發生儀 設備型號為GBP-US202IA，由超聲波發生器、固定支架、振子以及顯示器組成。工作頻率為20~30 kHz，最大輸出功率1 000 W，運行環境溫度為0~45℃，可較長時間工作。

c.真空飽水裝置和離心機。

1.3 實驗流程

①對煤樣進行編號(1—5號)，利用真空飽水裝置將煤樣飽水24 h后取出，記錄煤樣質量，利用電子游標卡尺測量煤樣高度與直徑。最后利用NMR分別測出5個煤樣的飽水弛豫時間2曲線。

②把煤樣置于離心機中離心10 min，離心機轉速為2 000 r/min。測量煤樣質量，利用NMR測出5個煤樣的離心弛豫時間2曲線。

③利用真空飽水裝置對煤樣飽水24 h。

④將飽水后的1—5號煤樣分別在26 kHz、27 kHz、28 kHz、29 kHz、30 kHz的頻率下利用超聲波發生儀致裂1 h。在致裂時，為防止煤樣破碎而影響后續實驗結果，需將與超聲波發射端接觸的煤樣端面以及部分側表面用膠帶纏繞。

⑤將致裂后的煤樣飽水24 h，利用NMR測出5個煤樣致裂后的飽水弛豫時間2曲線。

⑥利用離心機將煤樣離心10 min去除自由水，再利用NMR測出5個煤樣致裂后的離心弛豫時間2曲線。

2 實驗結果及討論

利用超聲波發生儀對煤樣激勵1 h后，與超聲波發射端接觸的煤樣端面出現了明顯的裂縫，并且隨著超聲波頻率的增高，煤樣端面的裂縫發育程度增加，當超聲波頻率達到30 kHz時，宏觀上可見煤樣端面出現明顯的破碎現象，致裂效果顯著(圖1)。

2.1 孔隙數量

為了進一步探究超聲波對煤樣的致裂效果，利用低場核磁共振(NMR)對超聲波作用前后的煤樣進行測量。NMR是通過測量煤樣孔隙中水分的H質子來檢測煤體內部的孔隙孔徑情況。弛豫時間2與煤樣內部孔隙半徑的關系[13-14]為：

式中為橫向表面弛豫強度；為孔隙表面積；為孔隙體積；s為幾何形狀因子；為孔隙半徑。

2曲線與煤樣孔徑分布曲線具有一致性：即2越大，孔徑越大；2譜信號強度越高，對應孔徑的孔隙數量就越多[15-16]。實驗中選取頻率為26~30 kHz的超聲波對煤樣進行致裂，致裂前后的飽水2曲線如圖2所示。

圖1 不同頻率超聲波煤樣致裂效果

由圖2可見，所有煤樣T2曲線呈現3峰結構，其中第1峰面積最大，第2峰次之，第3峰面積最小，將T2曲線作如下劃分：橫坐標0~10 ms、10~100 ms、100~1 000 ms所對應曲線分別代表煤樣中的小孔、中孔和大孔[17-18]，則該2曲線表明煤體中小孔占比最大，大孔占比最少。對比超聲波致裂前后的煤樣2曲線發現：致裂后煤樣2曲線的第2峰和第3峰一般高于致裂前，而第1峰變化較小，這說明超聲波有效改善了煤樣內部的孔隙結構，且對中孔和大孔的影響更加顯著。對比不同頻率下致裂結果發現：隨著超聲波頻率的增高，第2峰和第3峰振幅的增幅增大，而第1峰的振幅與超聲波頻率呈現負相關關系，這是因為在低頻率下超聲波的空化效應使煤樣產生了新的小孔，但隨著超聲波頻率的增高，熱效應逐漸在致裂過程占據主導地位，使得小孔逐漸擴展為中孔和大孔，并且孔隙之間更加貫通，最終形成裂隙網絡。如前所述，2曲線信號強度越高，孔隙數量越多，分別將0~10 ms、10~100 ms和100~ 1 000 ms所對應曲線進行積分，所得面積便可視為對應孔徑孔隙的數量。1–5號煤樣分別經過26~30 kHz的超聲波致裂后，小孔、中孔及大孔的數量出現明顯變化(表2)。圖3為小孔、中孔和大孔在不同頻率下孔隙數量增幅擬合曲線。

表2 煤樣致裂前后孔隙數量變化

注：積分所得面積視為孔隙數量，無實際單位。

由圖3可以看出，煤樣中的大孔數量增長率與超聲波頻率呈二次函數增長關系，中孔數量增長率與超聲波頻率呈線性增長關系，而小孔數量增長率與超聲波頻率呈負相關關系，且在30 kHz時出現負增長現象。結合實驗數據可知，大孔數量增幅十分明顯，最大達到507.1%，中孔數量增幅最大達到82.5%，而小孔數量增幅最大僅有15.7%。分析表明，超聲波對大孔和中孔數量的優化最明顯，頻率越高，二者的增長率越高。然而，超聲波沒有明顯提高小孔數量，這可能是由于小孔逐漸演化為更大尺寸的孔隙所致。因此，在超聲波致裂過程中，應當盡可能提高其頻率以增強致裂效果，這樣，大尺寸孔隙數量的增加以及裂隙的形成有助于煤層氣在儲層中的運移和產出。

圖3 不同超聲波頻率下孔隙數量增幅曲線

2.2 總孔隙率及有效孔隙率

孔隙率是指塊狀材料中孔隙體積占材料在自然狀態下總體積的百分比，可以劃分為有效孔隙率及殘余孔隙率，其中，多孔介質內相互連通的微小孔隙的總體積與該多孔介質的外表體積的比值稱為有效孔隙率；多孔介質內相通的和不相通的所有微小孔隙的總體積與該多孔介質的外表體積的比值稱為絕對孔隙率或總孔隙率。由于總孔隙率中包含能夠束縛氣體的封閉孔隙，則有效孔隙率所反映出的煤層氣滲流能力更加精確。

總孔隙率的測量一般采用稱質量法。首先，在真空條件下對煤樣進行飽水處理，使煤樣內部充滿水后稱其質量f；然后，對煤樣進行干燥，使其內部水分蒸發后稱其質量d；最后用電子游標卡尺測得煤體高度與直徑求其體積。利用式(2)[19]便可求得煤樣的總孔隙率t。

測量結果顯示，當超聲波頻率較低時煤樣的總孔隙率增幅較小，隨著超聲波頻率的增加，煤樣的總孔隙率增幅也在逐漸增大。

由表3看出，經過頻率為26~30 kHz的超聲波致裂后，1—5號煤樣的總孔隙率均有所增大，并且隨著超聲波頻率的增高，總孔隙率的增幅也在逐漸增大。總孔隙率的增長可能是由于高頻率的聲波增強了煤樣內部水分的空化作用，使煤樣內部生成了更多孔隙，即封閉孔隙率的增長占據了主導地位，也可能是由于高頻率的聲波所帶來的能量使煤樣內部孔隙產生擴展、連通，形成裂隙網絡，即有效孔隙率的增長占據主導地位。有效孔隙率的增長是煤層氣滲流能力增強的直觀體現，因此，需要進一步探究煤樣致裂前后有效孔隙率的變化情況。

利用NMR測得的2曲線測量有效孔隙率。將2曲線轉化為累積孔隙率曲線，并結合煤樣的總孔隙率便可以求出煤體的有效孔隙率，計算公式[20]為：

圖4 煤樣致裂前后累積孔隙度曲線

表3 煤樣致裂前后總孔隙率與有效孔隙率變化

由表3可以看出，經過超聲波致裂后，1—5號煤樣的有效孔隙率均有所增大，并且有效孔隙率增幅隨著超聲波頻率的增高而逐漸增大。可見超聲波不僅能夠有效改善煤樣的總孔隙率，而且可以有效提高煤樣的有效孔隙率。并且超聲波頻率越高，對煤體內部孔隙結構的改善越明顯。分析其原因：隨著超聲波的頻率增高，煤體內部的空化作用以及機械振動越強，不僅使其內部產生新孔隙，更重要的是一些封閉孔隙在超聲波的作用下逐漸相互連通，成為煤層氣自由運移的通道，從而有效提高煤層氣在煤層中的滲流能力。圖5是煤樣經過不同頻率的超聲波激勵致裂后總孔隙率和有效孔隙率增長率擬合曲線，其中有效孔隙率增長率以線性函數遞增，總孔隙率增長率以二次函數遞增，二者擬合度均達到0.96。

圖 5 總孔隙率及有效孔隙率的增長率

2.3 滲透率

煤體的滲透率大小與其內部孔隙的大小以及孔隙之間的連通性密切相關，所以滲透率是評價煤層氣可采性的重要指標之一。滲透率越大，則煤層中的煤層氣越容易流動，抽采效果越好。根據SDR模型[21]，可以得到煤體滲透率的增長率計算公式：

式中為常數，與多孔介質有關；2g0、2g1分別為煤樣致裂前、后2曲線的幾何平均值，該值可由NMR設備直接測出；e0、e1分別為煤樣致裂前、后的有效孔隙率；2s為2曲線開始時的2值，ms；2max為2曲線結束時的2值，ms；T是2曲線累積信號強度；A是2i處的信號強度；2i是A處對應的2值，ms。

煤樣經不同頻率超聲波致裂后滲透率增長率擬合曲線如圖6所示，由圖中可見，煤樣滲透率增幅隨超聲波頻率以二次函數遞增，擬合度為0.98。超聲波頻率為26~30 kHz時，1—5號煤樣的滲透率增長率分別為21.2%、58.7%、99.7%、215.4%和421.5%。這進一步表明超聲波能夠增強煤儲層的滲透性，在鉆孔排采負壓作用下，煤層氣的滲流阻力減少，滲流通道更為通暢，從而提高煤層氣排采量和效率。

圖6 煤樣致裂后滲透率增長率

3 結論

a.超聲波可以有效改善煤體孔隙結構，經過超聲波激勵后，煤樣的小孔、中孔和大孔數量均有明顯增多。隨著超聲波頻率的增大，中孔和大孔孔隙數量增長率逐漸增大，而小孔孔隙數量增長率逐漸減小。

b. 經過超聲波激勵后，煤體的總孔隙率及有效孔隙率都明顯增大，并且二者的增長率隨超聲波頻率的增高而增大。有效孔隙率的增長率與超聲波頻率呈線性函數關系，總孔隙率的增長率與超聲波頻率呈二次函數關系。

c.超聲波可以顯著提高煤體的滲透率，隨著超聲波頻率的增高，煤體的滲透率增長率逐漸增大，二者呈二次函數關系，說明煤體的孔隙之間更加貫通，有利于煤層氣排采。

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Effect of NMR technology-based ultrasonic frequency on stimulated cracking of coal

MA Huiteng1,2, ZHAI Cheng1,2, XU Jizhao1,2, SUN Yong1,2

School of Safety EngineeringChina University of Mining & TechnologyXuzhouChinaNational Engineering Research Center for Coal Mine Gas ControlXuzhouChina

In order to further study the effect of ultrasonic frequency on the stimulated cracking effect of coal, the paper conducted the crack experiment on the original coal samples by using the ultrasonic generation meter, and measured the coal by using the NMR equipment through analyzing the T2curve, the changes of pore structure before and after coal sample cracking were deeply studied. The results show that the pore structure of coal can be effectively improved by the ultrasonic wave. After the crack induced by the ultrasonic wave, the pore quantity inside the coal increased and the total porosity, effective porosity and permeability all increased significantly. Meanwhile, the growth rate of the number of small pores in coal is negatively correlated with the frequency of ultrasonic wave, and the growth rate of the number of medium and large pores, total porosity, effective porosity and permeability are positively correlated with the frequency of ultrasonic wave. The results of this study provide a good theoretical value for ultrasonic stimulation to crack coal seam and reduce the difficulty of coal seam gas extraction.

NMR; Ultrasound; pore quantity; total porosity; effective porosity; permeability

X93

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.007

1001-1986(2019)04-0038-07

2018-10-29

國家自然科學基金面上項目(51774278)；江蘇省杰出青年基金項目(BK20170001)；國家重點研發計劃課題(2018YFC0808403)；江蘇省第五期“333高層次人才培養工程”(BRA2018032)

The General Program of the National Natural Science Foundation of China(51774278)；The Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Jiangsu Province(BK20170001)；National Key R&D Program of China(2018YFC0808403)；the Fifth 333 High-level Talents Training Project of Jiangsu Province(BRA2018032)

馬會騰，1994年生，男，山東鄒城人，碩士研究生，從事超聲波激勵致裂煤體方面的研究工作. E-mail：teng94_22@163.com

翟成，1978年生，男，山東滕州人，教授，博導，從事礦井瓦斯防治與利用方面的研究工作. E-mail：greatzc@126.com

馬會騰，翟成，徐吉釗，等. 基于NMR技術的超聲波頻率對煤體激勵致裂效果的影響[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(4)：38–44.

MA Huiteng，ZHAI Cheng，XU Jizhao，et al.Effect of NMR technology-based ultrasonic frequency on stimulated cracking of coal[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：38–44.

(責任編輯 范章群)