煤芯气-液两相流过程水分布的透明化呈现

氦气作为一种经典的探针气体，被广泛用于致密岩孔隙表征和孔隙度测定，并且对描述多孔介质内流动行为具有巨大潜力。氦气在自然状态下较为稀缺。氦气在地质工程中的应用主要包括四个方面：确定真密度、孔隙度和渗透率测定、应力集中测定和作为产气过程防爆的安全气体。氦气-水在致密多孔介质中的流动亟待深入研究。

研究两相流的最大挑战是未知的孔隙结构。因此，能够同时探测孔隙结构和氦气-水流动非常必要。近年来，低场核磁共振通过分析不同流体材料的T2弛豫差异成为孔隙结构描述的首选方法。低场核磁共振在大尺寸、无损岩心具有很大的潜在优势，可确定孔隙度、描述孔隙结构和预测渗透率。

通过T2谱，低场核磁共振在描述孔隙分类方面呈现出相比压汞法和CT法相同甚至更好的效果。低场核磁共振作为一种新的测孔技术，在煤炭开采方面取得一定成果。当前的研究主要集中在T2谱孔隙分类和含水饱和度分布。

仅通过T2谱，低场核磁共振可提供孔隙分类的统计描述。此外，核磁共振成像可辅助水饱和度的可视化。通过结合T2谱和核磁共振成像，可同时测试孔隙结构、直观观测氦气-水流动。

为清晰的观察两相流动，通常采用微粒图像测速技术跟踪气液界面。气泡柱内的气液微流动是研究气液界面行为的有效手段。但煤是一种非透明介质，且孔裂隙网络比一维管流更为复杂。通过核磁成像观察多孔介质两相流成为可行的替代方法。

一般认为，煤是孔隙-裂隙发育的双重多孔介质。基于在不同孔隙中的水流动状态可以将孔隙划分为：吸附孔、渗流孔和运移孔。将T2谱两个相邻峰之间的谱谷定义为孔径边界，从而区分吸附孔、渗流孔和运移孔，如图1所示。通过累积孔隙度可知，两个样本的吸附孔、渗流孔和运移孔占比均依次递减，且吸附孔与渗流孔占据主导。

水饱和条件下两个样本的T2谱如图2所示。两个样本的渗流孔和运移孔差别不大，吸附孔差异较大。

煤样取自华中某矿区工作面，加工成高50mm直径25mm的圆柱形样本。

核磁共振成像实验使用的是苏州纽迈生产的高温高压核磁共振成像岩心分析仪，型号为MacroMR12-150H-I。该仪器测试直径最高为150mm的大尺寸圆柱形样本，如图3所示。

图4为在排液压力和围压下的完整的氦气-水流动示意图。为了增强水信号方便核磁成像观测，整个流动过程分为两部分：氦气-水流动和水-空气流动。

为研究氦气-水流动，首先将煤样饱水，然后放入夹持器中，通过核磁成像系统进行实时监测。同时打开阀门3和4使饱和煤排水；然后通过关闭阀门2，打开阀门1，在夹持器左端注入氦气，其压力变化由调节器2控制。在增加氦气压力之前首先应通过加压泵施加围压。水-空气流的加载过程与其相似。

不同围压下的氦气或水注入压力加载路径如图5所示。在氦气-水流中，注入压力逐渐增大，通过肥皂泡的产生来确定启动压力。一旦肥皂泡开始产生，则注入压力保持稳定。样本A和B的启动压力分别为1.37MPa和4MPa，围压设定为5MPa。实时采集T2谱和核磁成像水分布的时间间隔为1或1.5h。为加速致密煤中水-空气流动过程，注入压力依次为1、3和10MPa。

将氦气-水-空气流动分为两部分，分别得到相应的T2谱。图6(a)为样本A的氦气-水流动T2谱演化。第一阶段对应无氦气注入条件下围压对孔隙的约束效应。随着围压的增加，吸附峰升高，渗流峰出现，运移峰减小。说明随着围压增大，运移水逐渐转化为吸附水和渗流水。第二阶段，注入压力保持在启动压力即1.37MPa。初始的1h，运移水被成功排除，在接下来的3h，吸附峰逐渐减小，渗流峰出现波动，说明水分从吸附孔及渗流孔流出。吸附峰幅值降低有限，说明仅凭增加注入时间，出水量的增加仍存在很大障碍。

图6为样本B的氦气-水流动T2谱演化，其规律与样本A的变化相似，最终两个样本中均存在大量残余水。

氦气-水流动测试后，将样本A干燥并进行水-空气渗流测试，实验结果如图7所示。在1MPa注入压力下1.5h及2.5h，T2谱幅值大幅增加，说明有大量的水进入吸附孔、渗流孔和运移孔。在3MPa和10MPa注入压力下，渗流峰的连续增加相较于吸附峰和运移峰更加明显。吸附峰不变说明通过增加压力为水流动提供平滑路径较为困难；而渗流峰和运移峰的波动说明水的储存和流失易受动态水压的影响。

饱和度基于CPMG脉冲序列的含水率频率编码确定。图8为样本A和B沿轴向的饱和度演化，可以看出，随着时间增加，饱和度明显下降。样本两端存在扰动区，中心区域为未扰动区。

饱和度分布虽呈波动性，但沿流动方向并无明显的增加或减小趋势。在第一阶段，围压挤压孔隙空间，饱和度下降30%；在接下来阶段的饱和度的连续下降证明了氦气对水的驱替作用。最后，两个样本由于氦气的注入两个样本均存在20%到30%的饱和度下降。对于氦气-水流动来说，吸附孔主要吸附水分，而渗流孔和运移孔影响排水。

另外，在未扰动区饱和度分布从氦气注入口到出水口呈缓慢减小趋势。氦气驱替水的过程较为复杂，受孔径分布的影响较大。因此，对于致密煤，将煤柱内渗流视为一维流动存在较大的局限性。为了准确描述需要更为详细的孔隙分类，低场核磁共振为孔隙分类在确定流函数方面提供了可行的监测方法。

基于核磁共振成像技术，实现了氦气-水流的可视化。图9(a)为样本A的水分分布演化，其中冷色(蓝色)代表低含水量，暖色(红色)代表高含水量。颜色的变化代表了水分布的演化。第一阶段水分布不均且孔隙分布不均；第二阶段即施加注入压力时，大范围的红色消失，说明水分逐渐从煤中被驱出。之后暖色逐渐消失后，所有区域均呈冷色。

样本B的水分布演化与样本A相似。图9(b)为样本B空间分布演化的四个阶段。相较于A，B所有阶段均呈现较为均匀的分布，最后水被排出，颜色由冷色转为暖色。两个样本在前三个阶段具有相同的氦气注入效果，说明围压和初始氦气压力都对氦气-水流有重要影响；其他阶段同样不可忽视，因为大部分水仍残存与吸附孔中。

样本的氦气-水流的一维与二维可视化如图10。样本A中，存在连通的水分集中区，也存在许多孤立的水岛，在均匀度方面水的二维分布并不理想。将水信号投射到径向和轴向，不考虑两端落差的情况下，一维水分布的曲线中间部分呈现可接受的均匀化假设，水信号与两个正交方向的均匀化程度有较好的匹配性。结果表明一维描述的均匀化假设叫二维描述更加合理。

样本B的水分布较样本A更为均匀，中心区域整体颜色分布均匀，均匀化程度较高。一维线分布较为平滑，说明样本B一维与二维均匀化程度均较高。

天然岩石中孔径分布范围较广，如何确定孔隙边界从而对孔隙分类一直是一个难题。在低场核磁共振中，T2谱包含了孔径分布的统计信息。峰谷的周期性出现可以作为孔隙边界，峰代表相对集中的孔隙分布，而谷代表相对不连续的孔径分布。

本文对于氦气-水流动，以样本A和B为例，吸附孔、渗流孔和运移孔的边界分别为0.16μm和6.3μm。孔隙边界的确定需要综合考虑，有时并没有明确的定义。不同的划分方法取决于不同的孔径分布。T2谱通过周期性出现的峰和谷来划分孔隙，可以更好的研究不同孔隙的流函数。

对于多孔岩石，即使长时间放置于真空饱水仪中，仍难达到100%饱和状态，水分并不能进入所有的吸附孔。但是随着围压的增加，T2谱会发生波动，一定量的水仍会被压入存在的孔隙中，使T2谱峰值增加，如图11(a)。

随着围压的增加，渗流孔中的水分进入吸附孔和运移孔，因而渗流峰随吸附峰和运移峰的增加 而减小。储水量与T2谱幅值和孔隙度呈正相关，当样本完全饱水时，T2谱面积与含水量和孔隙度呈正相关。考虑到压缩效应，可选择T2谱信号相对较大的部分来修正孔隙度。

弛豫时间频率ftime和孔径频率fsize为：

本文利用核磁共振成像技术，实现了致密煤氦气-水两相流过程的可视化。通过结合传统的低场核磁共振T2谱分析方法，研究了驱替过程的致密煤的孔隙分类和孔径分布的均匀程度。主要结论如下：

1. 通过核磁成像对水分布的可视化结果可以帮助分析不同孔隙水的流动状态。对于氦气-水两相流可将孔隙划分为吸附孔、渗流孔和运移孔。吸附孔对孔隙度贡献较大，但对水流动的贡献较小。

2. 基于核磁共振实时成像可得到致密煤氦气-水两相流过程的含水饱和度演化。水分布的一维描述比二维描述的均匀度较高。饱和度演化与孔径分布密切相关。

3. 在氦气-水两相流中通过修正的T2谱可以确定不同类型的水含量，包含自然水、饱和水、吸附水、残余水和注入水。修正的结果来自围压的压缩效应引起的T2谱增加。氦气的驱替效率并不高，主要受渗流水和运移水影响。

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