徐吉釗：基於低場核磁共振技術的液態CO2迴圈致裂煤體孔隙特徵演化規律

【能源人都在看，點選右上角加'關注'】

創新點

自主研發了液態CO₂迴圈致裂試驗平臺，基於低場核磁共振弛豫技術分析了液態CO₂迴圈作用煤體孔裂隙結構演化規律，結合幾何分形理論探討了孔隙幾何引數與分形維數之間的相關關係，揭示了液態CO₂迴圈作用促進煤體多尺度孔裂隙結構的擴容及延伸，定量表徵了裂隙貫通性和滲透特性的時空演化規律。

基於低場核磁共振技術的液態CO₂迴圈致裂煤體孔隙特徵演化規律

作者：徐吉釗^1,2，翟成^1,2，桑樹勳^3,4，孫勇^1,2，叢鈺洲^1,2，鄭仰峰^1,2，唐偉^1,2

單位：1.中國礦業大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室;2.中國礦業大學 安全工程學院;3.中國礦業大學 資源與地球科學學院;4.中國礦業大學 煤層氣成藏與地質過程教育部重點實驗室

背 景

瓦斯高效智慧抽採是有效防治煤層瓦斯突出、保障煤礦安全開採的重要舉措，而煤層高瓦斯含量、低孔滲性及複雜地質結構往往成為制約煤礦集約化開採的主要影響因素。作為一低溫惰性壓裂液，BULLEN和LILLIES提出利用純100%液態CO₂流體代替壓力水致裂煤層來提高氣體產量，可極大地減少水資源的消耗量。美國聖胡安盆地於1995—2001年期間開展了大規模的液態CO₂注入煤層工程試驗，其中約3.36×10⁵ｔ的CO₂介質注入4口井內，提高了氣體抽採效率。2010年沁水盆地的ＳＸ－００１井注入CO₂試驗結果表明，注入後的產氣率是注入前的2.45倍。針對液態CO₂迴圈作用煤體多尺度孔裂隙結構的變化表徵，現有研究大多侷限於尺寸效應和孔隙表觀特徵參量的研究，而基於核磁弛豫特徵的CO₂作用煤體的孔隙分形特徵演化規律研究較少。

摘 要

煤層低孔滲特徵成為制約瓦斯高效率抽採的主要瓶頸，現多采用強化致裂增透技術來改造煤儲層孔隙結構，旨在提高煤體滲透率。液態CO₂迴圈致裂能夠透過迴圈熱應力、相變致裂及疲勞損傷的耦合效應協同致裂煤體，可聯合低場核磁共振技術實現煤體孔裂隙結構的定量表徵，而基於核磁共振技術對液態CO₂迴圈作用煤體孔隙的幾何特徵演化規律研究較少。

基於自主研發的液態CO₂迴圈致裂試驗平臺，對多個褐煤試樣進行迴圈衝擊作用，採用低場核磁弛豫技術對迴圈作用煤體的孔裂隙結構進行統計監測，並結合幾何分形理論探討了滲流孔分形維數Ds、有效貫通孔分形維數D_e、T₂截止值、孔隙率、滲透率的耦合關係。 統計分析液態CO₂迴圈作用後煤體端面不同裂隙形態的差異性與基質非均質性、原始孔裂隙結構的相互關係；“飽水-離心”聯測法獲得的T₂弛豫譜曲線表徵液態CO₂迴圈作用煤體的總孔隙率φ_t、有效孔隙率φ_e、核磁滲透率k_SDR-d及其增長率Δk_SDR-d均有所增加，利用基於T₂譜構建的幾何分形計算模型，論證了滲流孔和有效貫通孔具有較好的分形特徵，而吸附孔不具備分形特徵。D_s與T₂截止值存在“快速增大—緩慢增大”的指數擬合關係，分別與φ_t，φ_e，k_SDR-d和Δk_SDR-d存在負相關關係，而D_e分別與φ_e和Δk_SDR-d呈正相關，揭示了液態CO₂迴圈作用能夠促進煤基質內多尺度孔裂隙結構的擴容及延伸，裂隙間的貫通率和滲透特性大幅提升。

圖 片

液態CO₂迴圈致裂試驗平臺示意

液態CO₂迴圈作用前後煤體相同端面的裂隙分佈演化

不同迴圈次數和不同迴圈時間液態CO₂作用前後煤樣的T₂譜圖

液態CO₂迴圈作用煤樣IM-1時吸附孔和滲流孔分形維數擬合

液態CO₂作用後不同煤樣的有效孔隙分形維數D_e分佈

滲流孔分形維數與T₂截止值、孔隙率之間的關係

不同迴圈參量作用下煤樣的核磁滲透率變化

液態CO₂迴圈作用後煤體滲透率變化率

滲流孔分形維數D_s與k_SDR-d,Δk_SDR-d的散點分佈

有效貫通孔分形維數D_e與φ_e，Δk_SDR-d的散點分佈

作者簡介

徐吉釗，男，1992年6月生，山東單縣人，中共黨員，博士（後），中國礦業大學講師，碩士生導師，江蘇省科技副總，江蘇省林柏泉勞模創新工作室和中國礦業大學“科研先進集體”主要成員，兼任《中國礦業大學學報》中青年編委、中國岩石力學與工程學會會員，擔任Fuel、International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences等國內外高水平期刊審稿人。近年來主持國家自然科學基金青年專案1項、中國博士後基金1項、中國礦業大學“啟航計劃”基金及中央高校基本科研業務費等多項，參與國家傑出青年基金和國家自然科學基金專案等3項以及企業委託專案多項。發表論文40餘篇，其中以第一或通訊作者在《煤炭學報》、《Energy》、《Fuel》、《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》等國內外高水平期刊上發表論文16篇。獲江蘇省科學技術二等獎1項、中國煤炭工業協會科學技術一等獎1項、授權國家發明專利7件（排名第2）。

研究方向

礦井瓦斯災害防治與利用、CO₂強化煤層氣抽採、多孔介質流體流動、核磁共振精準檢測

主要成果

主要致力於礦井瓦斯災害防治理論與技術的研究，取得了多項創新性成果。還原了CO₂迴圈作用煤體表觀非均勻傳熱行為，闡明瞭煤體基質顆粒的熱力響應各向異性規律，確立了CO₂迴圈作用煤體孔裂隙結構演化與核磁弛豫特徵的對應關係，定量表徵CO₂作用煤體孔裂隙貫通能力，研究了基於核磁弛豫特徵的CO₂作用煤體孔隙幾何分形特徵，促進基質內多相流體視覺化。在煤礦瓦斯災害防治技術方面，獲得多項專利，為煤礦高效、安全生產提供了有力的技術保障。

來源：

徐吉釗，翟成，桑樹勳，等． 基於低場核磁共振技術的液態CO₂迴圈致裂煤體孔隙特徵演化規律[J]． 煤炭學報，2021,46(11)：3578-3589.

免責宣告：以上內容轉載自煤炭學報，所發內容不代表本平臺立場。全國能源資訊平臺聯絡電話：010-65367702，郵箱：[email protected]，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社