摘要

液氮凍結(jié)對(duì)煤儲(chǔ)層煤層氣(CBM)生產(chǎn)的影響已經(jīng)得到了廣泛的研究，但對(duì)解凍過(guò)程的研究卻很少。本文通過(guò)磁共振(NMR)、縱波速度和紅外熱成像技術(shù)，研究了微波解凍對(duì)不同含水量液氮凍結(jié)煤的影響。結(jié)果表明，隨著含水率的增加，空氣解凍試樣滲流孔隙的增長(zhǎng)速率逐漸增加。相對(duì)于空氣解凍，干燥、濕和飽和條件下，微波解凍后的滲流孔增加率分別增加了17.37%、9.56%和9.32%。波速的結(jié)果與滲流孔的增長(zhǎng)速率結(jié)果相似。微波解凍樣品表面溫度的均勻性與初始含水量有關(guān)。液氮凍結(jié)過(guò)程中，低初始含水量有利于表面裂紋的形成。微波解凍后，干燥、濕、飽和樣品的孔隙水分別減少21.46%、44.85%、21.31%。研究表明，微波解凍不僅能改善煤的孔隙結(jié)構(gòu)，還能去除孔隙中的水分。

研究背景

煤層氣的收集是在采煤前進(jìn)行的，既保證了開采安全，又提供了能源。然而，煤儲(chǔ)層滲透率低，阻礙了煤層氣的大量、連續(xù)的開采。為提高儲(chǔ)層滲透率，采用了水力壓裂等增產(chǎn)手段。水力壓裂需要大量的水，這造成寶貴能源消耗、缺水地區(qū)污染環(huán)境、誘發(fā)地震。由于這些問(wèn)題，無(wú)水壓裂方法（比如，液氮壓裂）被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的技術(shù)。液氮壓裂包括凍結(jié)和解凍。然而，目前的研究人員認(rèn)為融化對(duì)被測(cè)樣品的影響很少或是整個(gè)壓裂過(guò)程中可以忽略的一部分。常規(guī)液氮壓裂的融化階段(空氣解凍階段)對(duì)壓裂效果的影響不大，且影響主要集中在孔隙結(jié)構(gòu)上。然而，巖石滲透性的提高不僅取決于孔隙結(jié)構(gòu)，還取決于含水率等水分條件。為了進(jìn)一步提高液氮的刺激效果，我們提出了用微波代替空氣解凍冷凍煤的新方法。壓裂效應(yīng)主要體現(xiàn)在孔隙結(jié)構(gòu)演化和水分變化上面。因此，對(duì)處理過(guò)程中對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)演化和水分變化定量描述尤為重要。低場(chǎng)核磁共振可以在處理前后無(wú)損的反映試樣的孔隙結(jié)構(gòu)。通過(guò)分析T₂譜，系統(tǒng)地研究了微波輻射對(duì)液氮凍結(jié)煤的壓裂效應(yīng)。這項(xiàng)研究展示了不同含水率煤樣在液氮微波聯(lián)合作用下的孔隙結(jié)構(gòu)和溫度響應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)信息

本研究中使用的材料是煙煤（25mm×50mm），獲取了煤的孔隙結(jié)構(gòu)演化和水分變化，使用的設(shè)備是一臺(tái)低場(chǎng)核磁共振設(shè)備，由蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)：MacroMR12-150H-I。

圖一解凍示意圖

實(shí)驗(yàn)流程如下：

(1) 煤樣在60℃的干燥箱中干燥12 h。飽和步驟包括-1 MPa的真空6 h，使用真空壓力水飽和設(shè)備在20 MPa的水中加壓24 h。

(2) 通過(guò)重量法制備干樣、濕樣、飽和樣。

(3) 再次對(duì)干燥和潮濕的樣品進(jìn)行核磁共振測(cè)試，以獲得樣品內(nèi)部的初始水分。

(4) 將樣品浸泡裝有液氮的罐子里。

(5) 凍結(jié)的樣品立即在5千瓦的微波爐中解凍100秒。請(qǐng)注意，在冷凍樣品的一端放置一個(gè)接近環(huán)境溫度(18.5℃)的飽和水輔助塊，以促進(jìn)解凍，如圖一所示。

(6) 解凍完成后，將樣品從微波爐中取出并使用熱成像儀進(jìn)行溫度測(cè)試。

(7) 當(dāng)解凍后的煤樣溫度恢復(fù)到室溫時(shí)，再次進(jìn)行核磁共振測(cè)試，以獲得樣品內(nèi)部的剩余水分。

與此同時(shí)，另一組冷凍樣本在空氣條件下解凍。最后，對(duì)解凍后的樣品再次進(jìn)行干燥、飽和、核磁共振、干燥、超聲波測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：

作者在實(shí)驗(yàn)前后和處理過(guò)程利用低場(chǎng)核磁技術(shù)測(cè)定了煤試樣的T₂譜曲線。圖二繪制了煤試樣的T₂譜曲線。凍融處理后試樣（處理煤）T₂曲線右移，第二峰振幅增大。這些變化說(shuō)明處理后煤孔隙的大小和數(shù)量都有所增加。此外，微波解凍對(duì)試樣T₂譜的增強(qiáng)作用比空氣解凍更明顯。這表明與空氣解凍相比微波解凍對(duì)煤孔隙結(jié)構(gòu)的破壞更為有效。煤樣孔隙分為微孔、中孔和大孔（或裂紋），對(duì)應(yīng)的T₂大小范圍分別為
0.1ms-10ms、10ms-100ms和100ms-10000ms。微孔定義為吸附孔，將為氣體擴(kuò)散和流動(dòng)提供通道的中孔和大孔（或裂紋）定義為滲流孔。因此，吸附孔和滲流孔對(duì)應(yīng)的T₂譜峰面積S_i可以通過(guò)下式計(jì)算：

式中A為T_i時(shí)刻信號(hào)幅值；i = 1,2分別表示吸附孔、滲流孔

根據(jù)峰面積變化結(jié)果（圖三），凍融處理后，試樣的吸附孔和總孔變化不大，且隨飽和度的增長(zhǎng)速率變化不明顯。結(jié)果表明，在相同冷凍時(shí)間下，微波解凍試樣的生長(zhǎng)速率大于空氣解凍試樣，且低飽和度試樣的生長(zhǎng)速率提高更為明顯。例如，與空氣解凍相比，飽和試樣的滲孔增加率提高了9.32%，濕試樣的滲孔增加率提高了9.56%，干燥試樣的滲孔增加率提高了17.37%。這證實(shí)了微波解凍比空氣解凍對(duì)煤的孔隙增強(qiáng)作用更強(qiáng)。

圖二空氣解凍和微波解凍煤試樣的T₂曲線

圖三處理煤的孔隙增長(zhǎng)速率

在液氮壓裂機(jī)制中，低溫凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力是造成含水煤試樣凍融破壞的主要原因。如圖四所示，低含水飽和度的試樣孔隙為水冰相變提供了額外的擴(kuò)展空間，降低了凍脹效應(yīng)。通常，液氮對(duì)煤樣的破壞程度隨著含水飽和度的增加而增加。這就是為什么液氮凍結(jié)效果在100%飽和試樣而不是50%飽和試樣中表現(xiàn)良好的原因。由于微波的選擇性加熱，并且煤各元素之間的熱效應(yīng)是不均勻的，會(huì)對(duì)煤產(chǎn)生熱應(yīng)力。另外，由于微波過(guò)程中溫度升高水的氣化在煤孔隙中形成的高壓蒸汽同樣促進(jìn)孔隙/裂紋的擴(kuò)展和相互連通（圖四）。所以，微波解凍后孔隙結(jié)構(gòu)再次得到提高。這種提高程度與含水率成負(fù)相關(guān)。微波解凍后干燥試樣、濕試樣和飽和試樣的T₂曲線面積分別減小了21.46%、44.85%和21.31%。說(shuō)明微波解凍后煤樣內(nèi)部的部分孔隙水去除。

圖四液氮微波對(duì)基質(zhì)損傷和孔隙水變化

圖五展示微波解凍試樣GR結(jié)果，反映了試樣沿高度方向的含水量分布。隨著微波解凍的進(jìn)行，GR曲線的信號(hào)幅值減小。這說(shuō)明微波加熱后試樣的含水量下降。此外，微波解凍過(guò)程中輔助塊附近區(qū)域水分被更早的去除。這是由圖一介紹的解凍方式?jīng)Q定的，沿高度方向?qū)υ嚇拥慕鈨?，造成水分在高度方向的分布差異?/p>

干樣

濕樣

飽和樣

圖五微波解凍試樣的GR曲線

圖六給出了微波解凍后煤樣的表面溫度分布，其中較深的顏色（紅色）代表高溫，較淺的顏色（藍(lán)色）代表低溫?？拷o助塊的區(qū)域（高度0mm-30mm）溫度高于遠(yuǎn)離輔助塊的區(qū)域高度（30 mm -50mm）溫度。試樣沿高度方向有明顯的溫度梯度，特別是在30mm-50mm高度區(qū)域范圍內(nèi)。同樣的，這是由圖一介紹的解凍方式?jīng)Q定的，沿高度方向?qū)υ嚇拥慕鈨觯斐蓽囟仍诟叨确较虻姆植疾町?。與飽和試樣相比，濕飽和試樣輔助塊附近區(qū)域的表面溫度分布更加不均勻，出現(xiàn)許多紅色突出區(qū)域，溫度在120℃-140℃左右。這說(shuō)明當(dāng)煤樣飽和度較低時(shí)，容易出現(xiàn)高溫區(qū)。從整體的溫度來(lái)看濕試樣相對(duì)于干試樣和飽和試樣要高。

干樣

濕樣

飽和樣

圖六微波解凍試樣的表面溫度分布

圖七給出了試樣的波速衰減情況。可以看出，隨著試樣飽和度的增加，空氣解凍煤試樣波速的損傷因子增大，說(shuō)明飽和度有利于煤的液氮壓裂。這與滲流孔增長(zhǎng)率結(jié)果相似。在相同飽和度下，微波解凍煤樣的損傷因子大于空氣解凍煤樣的損傷因子，在低飽和度煤特別明顯。

圖七試樣波速變化

本文結(jié)論

本章通過(guò)對(duì)不同飽和度下低溫液氮凍結(jié)煤試樣進(jìn)行微波解凍，分析了凍結(jié)煤試樣的基于核磁的孔隙結(jié)構(gòu)演化、水分變化、表面溫度分布和波速衰減，并通過(guò)與空氣解凍的對(duì)比，揭示了微波對(duì)不同飽和度下液氮凍結(jié)煤試樣的解凍機(jī)理。獲得的結(jié)論主要如下：

1. 在相同的液氮凍結(jié)時(shí)間下，含水率越高，空氣解凍試樣的滲透孔增加速率越大。微波解凍試樣的滲透孔增加速率始終大于空氣融樣，且在初始飽和度較低的試樣中增加速率的提高越明顯。
2. 空氣解凍試樣的波速衰減速率與飽和度成正相關(guān)，微波解凍后波速衰減速率值增大，初始飽和度低的試樣衰減速率值增加更明顯。
3. 微波解凍后試樣的表面溫度分布與剩余水分的含量和分布有關(guān)。隨著試樣初始飽和度的降低，溫度分布越不均勻。
4. 對(duì)于空氣解凍，低的飽和度有利于煤樣表面裂紋的發(fā)育；然而，在飽和試樣中相對(duì)于整個(gè)體積內(nèi)發(fā)育的裂縫，表面裂紋的發(fā)育程度相對(duì)較小。
5. 微波解凍后煤試樣飽和度降低，而空氣解凍后煤試樣飽和度基本保持不變。

推薦設(shè)備

大口徑核磁共振成像分析儀

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參考文獻(xiàn)

[1] Yang ZR, Wang CL, Zhao Y, Bi J. Microwave fracturing of frozen coal with different water content: Pore-structure evolution and temperature characteristics. Energy 2024;294(1):130938.