液態CO2 凍結時間對煤體孔隙結構的影響試驗研究

張慧峰

（山西潞安環保能源開發股份有限公司 常村煤礦，山西 長治 046000）

煤炭作為我國國民經濟和社會發展的基礎，在我國一次性能源生產和消費中約占3/4 左右[1-3]。瓦斯的高效抽采對于我國煤礦安全生產、能源穩定供給至關重要。近年來以液態CO2低溫凍融致裂技術為代表的無水致裂技術，不會引起煤層吸水膨脹而導致煤層中松軟黏性礦物質堵塞煤層氣運移通道，是各國學者研究的熱點[4-7]。但關于低溫液體對煤體的作用時間特性及凍融后孔隙結構特性隨時間變化目前研究較少。煤儲層是具有雙重孔隙結構的非均質性物質，復雜的孔裂隙系統是瓦斯在煤層中儲集和運移的主要場所。因此，研究煤體孔隙結構有助于分析煤儲層滲透性的變化情況，從而提高瓦斯的抽采效率[8]。在現場應用過程中，大量低溫流體被注入儲層中，基于其自身溫度較低，容易在鉆孔內部快速形成低溫環境，對周圍煤體進行冷沖擊，之后的煤體則因儲層環境的影響逐漸升溫。任韶然等[9]為了研究液氮凍融作用對煤體微觀結構的影響，采用超聲波技術探測分析液氮凍融作用前后煤體內部微觀孔隙結構的變化；XU Jizhao 等[10]為了研究液態CO2凍融循環作用對煤體增透致裂的影響，利用核磁弛豫分析技術分析了液態CO2循環作用前后煤體內孔裂隙結構的演化規律，得出液態CO2循環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構損傷特征，利用核磁共振技術測試不同凍融循環次數煤的孔隙結構，得出孔隙率隨著凍融循環次數增加而增大。煤體在液態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，構成裂隙網，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CO2凍融對煤體的孔裂隙結構損傷特性，以常村煤礦低透氣性煤層為研究背景，借助液態CO2凍融模擬平臺進行實驗研究，利用核磁共振、超聲波分析等方法從微觀孔裂隙角度，對比分析煤體在不同液態CO2凍融致裂時間下的結構變化，進而優化凍融增透促抽技術。

1 液態CO2 凍結試驗

試驗煤樣取自常村煤礦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，泡沫隔離裝箱后運輸至遼寧工程技術大學，加工成?50 mm×100 mm 的圓柱狀煤樣，對煤樣試件編號。將煤樣送至實驗室進行基本參數測試，得到煤樣的水分為2.14%，灰分為26.06%，揮發分為29.63%，固定碳為42.17%。

為了開展液態CO2凍結時間對煤體孔隙結構影響試驗，搭建了液態CO2凍融試驗裝置，主要包括液態CO2凍融系統、飽水系統、核磁共振測試系統和超聲波測試系統。煤樣凍融試驗裝置如圖1。

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

液態CO2儲罐儲存壓力在100～300 MPa 之間連接冷浸罐。煤樣冷浸罐內配有浮力球，通過磁性浮球液壓變送器顯示浮球所在位置以便實時監測煤樣冷浸罐內液態CO2的高度，配合降壓閥調整煤樣罐內CO2壓力值保持在1～2 MPa 之間。

首先取5 個煤樣進行飽水處理，將飽水煤樣放入液態CO2凍融罐中，設置凍結時間分別為10、25、50、100、150 min，達到相應凍結后，取出煤樣；待煤樣恢復至室溫時，將煤樣進行超聲波測試并用相機拍下煤樣的外觀；然后將煤樣再次飽水，對煤樣進行低場核磁共振測試。

2 試驗結果

2.1 液態CO2 凍融煤體表面損傷

煤樣經歷不同凍結時間的表面損傷變化情況前后對比。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育，新生裂痕較少。凍融50、100、150 min 后煤樣隨著凍融時間的增加裂紋逐漸擴大。煤樣直接開裂，并且煤體表面都有不同程度的脫落情況。說明煤體經過液態CO2凍融后內部孔隙結構損傷造成孔隙結構改變，致使煤體產生表面宏觀變化。煤樣表面隨著液態CO2凍融時間的增加其裂痕逐漸擴張明顯。

2.2 液態CO2 凍融煤體超聲波波速變化規律

超聲波通過凍融前后煤體內傳播波速、波形等信息的變化，可以反演出煤體裂隙結構分布特征。波值減小時說明煤樣內部的孔隙度變大，裂隙增加，進而反映煤體內部孔隙結構的變化[8,10]。不同凍融時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。說明煤體受到嚴重損傷，液態CO2凍融對于煤體內部孔隙結構改善有良好的破壞作用，有利于內部孔隙的連通，相比橫波波值經過凍融之后縱波波值變化程度更大。

圖2 不同凍融時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CO2凍結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CO2凍融可以增加煤體有效孔隙的數量，有利于煤體內部孔隙的連通，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 不同凍融時間T2 譜圖

通過橫向弛豫時間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，橫向弛豫時間T2和孔徑r 的關系可表示為[12,15]：

式中：T2為橫向馳豫時間，ms；ρ 為橫向表面馳豫強度，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 根據煤的吸附性質和運移規律，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 峰對應的區域代表微小孔隙，第2 峰對應的區域代表煤中孔，第3 峰對應的區域代表大孔，第1 個峰馳豫時間截止值處把煤體孔隙分為吸附孔和滲流孔[17]。根據T2譜峰值的分布規律，將孔隙與T2曲線的對應關系分為3 個區域，其中沒中微孔對應T2＜10 ms 區間；中孔對應10 ms＜T2＜100 ms 區間；大孔對應100 ms＜T2＜10 000 ms 區間。根據核磁共振監測技術，得出不同凍融時間下煤樣的T2譜圖變化趨勢，不同液態CO2凍融時間下煤體的T2譜圖如圖3。

圖3 不同液態CO2 凍融時間下煤體的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 個峰值面值呈遞減趨勢，第1 個峰約占70%左右，第3 個峰值相對最低，說明原始煤樣中微小孔數量較多且發育較好，中大孔的裂隙孔數量相對較少且發育較差。隨著凍結時間的增加，各區域起止馳豫時間區間寬度有所增加，T2曲線幅值增加，說明液態CO2對煤體的孔隙結構損傷有著積極的影響。液態CO2凍結煤體后T2曲線均上移，說明煤體經過液態CO2凍融損傷之后，各尺寸孔隙的數量均增加。凍結后T2譜圖中第1 峰的弛豫時間起始值均向左移動，表明煤體中出現更小尺寸的孔隙。

2.4 孔隙變化率

煤體孔隙變化率是表征煤體孔隙的1 個重要指標，孔隙度大小直接影響煤儲層儲集氣體的數量[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，則各分峰面積增長率代表其對應孔徑的孔隙體積增長率[17]。孔隙率隨凍融時間變化曲線如圖4。

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

由圖4 可知，煤體經過液態CO2凍結后，微小孔、中孔和大孔面積均有增加煤，體經過凍結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譜面積增長率分別為28.67%、48.92%、54.91%、61.15%，61.49%。由于液態CO2作為致裂液，瞬時低溫可以使煤體的基質收縮，溫度驟降又恢復至室溫，在此過程中，產生的溫度應力集中在煤的尖端，迫使煤體原始孔隙發育及裂隙衍生。同時液態CO2在與煤體對流換熱過程中，溫度升高液態CO2氣化為氣態，相變應力作用下對煤體產生破壞作用，煤體損傷產生更多的裂隙。

瓦斯吸附孔和全孔隙增長率隨著液態CO2凍融致裂時間先緩慢增加后緩慢減小，瓦斯滲流孔增長率則呈指數變化，滲流孔隨凍結時間增長率最大，這是由于致裂100 min 后的煤體產生了大量的宏觀裂隙網絡。滲流孔是影響煤層氣擴散運移的主要因素，液態CO2致裂150 min 滲流孔的增長率為750.37%，因此凍結時間對煤體滲流孔的改造效果較大。

3 結 論

1）煤樣凍融50 min 后原始裂隙宏觀上出現進一步拓展趨勢。

2）煤體經液態CO2凍融后，橫波與縱波均逐漸降低，煤樣內部孔隙結構產生損傷。

3）隨著凍結時間的增大，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CO2凍融致裂對煤體孔隙具有明顯的改造效果。

4）隨著凍結時間增加，煤體經過凍結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譜面積增長率分別為28.67%、48.92%、54.91%、61.15%、61.49%，煤樣內部損傷較為嚴重。

5）滲流孔對煤層氣的擴散運移具有重要影響，液氮致裂150 min 滲流孔的增長率為750.37%，凍結時間對煤體滲流孔的改造效果較大。