液态CO2循环致裂对煤岩的非等温作用研究

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煤矿甲烷作为煤形成过程中的伴随产物，是一种潜在的安全风险，也是一种新型的非常规资源，它始终以吸附的形式存在于煤的表面，在裂隙空间内以自由的状态存在。我国煤层的共同特征是孔隙度小、渗透率低，阻碍了内部瓦斯的自由运移。因此有效开采地下煤层甲烷对于消除潜在的资源浪费、保证开采安全至关重要。

液态CO₂注入煤体具有相变致裂和驱替的效果，是一种很有前途的提高煤矿瓦斯采收率的方法。CO₂在多孔煤介质中流动的非等温动力学可能对孔隙结构和基质完整性产生一定的影响。

实验设计这一part非常重要，犹如一篇文章的灵魂，建议大家要仔细看看，从中汲取灵感。

本实验所用所有煤样均在同一煤块中钻取，避免了原有的割理和宏观裂缝对实验的影响。

并且采用了孔隙度测试、渗透率测试和波速测试等无损检测方法对所有煤样进行测试，对性质异常的煤样进行剔除，将剩余煤样作为实验试样，制作过程如图1所示。

▲图1 煤样制备

自主研发的高压低温实验系统，如图3所示。该系统可以保证煤与含液相的CO₂流体首先接触，然后模拟LCO₂对煤基体的瞬态冷冲击。

▲图2. 作者团队自主研发的高压低温实验系统

利用中国苏州纽迈分析仪器股份有限公司的生产的中尺寸核磁共振成像分析仪(MesoMR60系列)图3所示，反映LCO₂循环处理非等温作用下煤岩心内部孔隙结构的演化，探索裂纹演化规律。

▲图3. 中尺寸核磁共振成像分析仪

对煤样进行单轴压缩试验，记录处理后煤芯的力学参数变化。煤样的测试过程如图4所示。

▲图4. 煤样测试过程图

根据核磁共振弛豫理论，孔径r与T₂弛豫时间呈正相关关系，计算对应关系为:

定义总孔隙谱区St、吸附孔隙谱区Sa和渗流孔隙谱区Ss的初值为S_jini，并推导出它们的谱面积变化速率ξS_j为：

各个参数具体含义可参看原文。

▲图5. 煤在饱和水和离心条件下的T₂谱曲线

根据上图得出以下结论：

1. 三个谱峰的振幅随作用次数的变化一致

2. 振幅差异表明总裂纹体积和连通裂纹体积均增加，说明由于孔隙的产生和连通，更多的水运移至孔隙-裂纹系统中，并且由于煤基质的导流能力增加，大部分自由水从孔隙-裂纹系统中被离心掉。

   表1.煤样△Sj值和ξSj值的计算结果

△Sj、ξSj和循环之间呈正相关关系，因此我们认为LCO₂的周期性影响改变了煤的结构，伴随的周期性“冻-热”过程增强了不同尺寸的基质孔隙产生不同的变形响应，导致S值增大。

▲图6. 随着循环次数的增加，自由水（左）结合水（右）空间体积的比例变化

随着影响周期的增加，V_fp/V_t散射呈增加趋势，V_bp/V_t散射呈减少趋势。这表明，随影响循环次数的增加，自由水/束缚水空间体积变化率随影响循环次数的增加而增加。

▲图7. 饱和前/后和离心条件下同一岩心的T1-T2弛豫演化

在T₁-T₂区域(dϑ = dT₁dT₂)内，具有小(T₁，T₂)值的区域代表结合水分布，而具有大(T₁，T₂)值的区域反映自由水分布，并且积分区域Sw表示由不同状态的流体占据的空间。

Sw的变化表明周期性LCO₂的非等温效应可以促进新裂纹的产生和原有裂纹的连接，饱和状态下Sw的增加和离心状态下Sw的减少表明形成了大量的自由流道，进一步反映了基体内部孔隙率和渗透率的提高。

▲图8. 左：孔隙度比和累积孔隙度曲线

右：煤的孔隙率变化

图8随着LCO₂影响周期的增加，φ_t、φ_r、φ_e的演化趋势不同，不同煤的演化规律相似。在裂缝系统改造过程中，不同尺寸裂缝的连接改善了渗流通道的数量和空间，其增加速度明显大于吸附孔隙，最终导致φe增加，φ_r减小。

▲图9. 煤的孔隙率增量比分布

在相同的LCO₂效应下，φ_t%和φ_e%散射分别与周期呈正相关，而φ_r%与增加的周期呈负相关。多循环的φ_j%振幅大于少循环的φ_j %振幅，这种差异表明LCO₂影响循环越大，裂纹结构变化越大。在φ_t增加的前提下，孔隙扩容、裂缝宽度增加和裂缝贯穿度均促进了流体的自由运移，间接反映了LCO₂循环冲击效应明显改善了φ_t和φ_e，提高了内部裂缝网络的复杂程度。

▲图10. 相关力学参数的变化:(a)应力-应变曲线；(b)σ最大变化；

▲图11. 相关力学参数的变化(c)E和μ的变化；(d) Vp变化

σ_max与循环负相关，σ降低率具有“快速增加-缓慢增加-快速增加”的趋势。

E散射与周期增加负相关，μ与周期增加正相关。受周期性LCO₂影响的煤的Vp值均有不同程度的降低，波速变化率△Vp%与增加的周期呈负相关。以上力学参数的演化都反映了周期性LCO₂的非等温效应会明显破坏煤的结构，削弱煤的整体强度。