摘要

液氮凍結對煤儲層煤層氣(CBM)生產的影響已經得到了廣泛的研究，但對解凍過程的研究卻很少。本文通過磁共振(NMR)、縱波速度和紅外熱成像技術，研究了微波解凍對不同含水量液氮凍結煤的影響。結果表明，隨著含水率的增加，空氣解凍試樣滲流孔隙的增長速率逐漸增加。相對于空氣解凍，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%。波速的結果與滲流孔的增長速率結果相似。微波解凍樣品表面溫度的均勻性與初始含水量有關。液氮凍結過程中，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構，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行的，既保證了開采安全，又提供了能源。然而，煤儲層滲透率低，阻礙了煤層氣的大量、連續的開采。為提高儲層滲透率，采用了水力壓裂等增產手段。水力壓裂需要大量的水，這造成寶貴能源消耗、缺水地區污染環境、誘發地震。由于這些問題，無水壓裂方法（比如，液氮壓裂）被認為是一種經濟環保的技術。液氮壓裂包括凍結和解凍。然而，目前的研究人員認為融化對被測樣品的影響很少或是整個壓裂過程中可以忽略的一部分。常規液氮壓裂的融化階段(空氣解凍階段)對壓裂效果的影響不大，且影響主要集中在孔隙結構上。然而，巖石滲透性的提高不僅取決于孔隙結構，還取決于含水率等水分條件。為了進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。壓裂效應主要體現在孔隙結構演化和水分變化上面。因此，對處理過程中對孔隙結構演化和水分變化定量描述尤為重要。低場核磁共振可以在處理前后無損的反映試樣的孔隙結構。通過分析T₂譜，系統地研究了微波輻射對液氮凍結煤的壓裂效應。這項研究展示了不同含水率煤樣在液氮微波聯合作用下的孔隙結構和溫度響應。

實驗信息

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

圖一解凍示意圖

實驗流程如下：

(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備在20 MPa的水中加壓24 h。

(2) 通過重量法制備干樣、濕樣、飽和樣。

(3) 再次對干燥和潮濕的樣品進行核磁共振測試，以獲得樣品內部的初始水分。

(4) 將樣品浸泡裝有液氮的罐子里。

(5) 凍結的樣品立即在5千瓦的微波爐中解凍100秒。請注意，在冷凍樣品的一端放置一個接近環境溫度(18.5℃)的飽和水輔助塊，以促進解凍，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行溫度測試。

(7) 當解凍后的煤樣溫度恢復到室溫時，再次進行核磁共振測試，以獲得樣品內部的剩余水分。

與此同時，另一組冷凍樣本在空氣條件下解凍。最后，對解凍后的樣品再次進行干燥、飽和、核磁共振、干燥、超聲波測量。

實驗結果與分析：

作者在實驗前后和處理過程利用低場核磁技術測定了煤試樣的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。這些變化說明處理后煤孔隙的大小和數量都有所增加。此外，微波解凍對試樣T₂譜的增強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煤孔隙結構的破壞更為有效。煤樣孔隙分為微孔、中孔和大孔（或裂紋），對應的T₂大小范圍分別為
0.1ms-10ms、10ms-100ms和100ms-10000ms。微孔定義為吸附孔，將為氣體擴散和流動提供通道的中孔和大孔（或裂紋）定義為滲流孔。因此，吸附孔和滲流孔對應的T₂譜峰面積S_i可以通過下式計算：

式中A為T_i時刻信號幅值；i = 1,2分別表示吸附孔、滲流孔

根據峰面積變化結果（圖三），凍融處理后，試樣的吸附孔和總孔變化不大，且隨飽和度的增長速率變化不明顯。結果表明，在相同冷凍時間下，微波解凍試樣的生長速率大于空氣解凍試樣，且低飽和度試樣的生長速率提高更為明顯。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%。這證實了微波解凍比空氣解凍對煤的孔隙增強作用更強。

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速率

在液氮壓裂機制中，低溫凍結產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展空間，降低了凍脹效應。通常，液氮對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效果在100%飽和試樣而不是50%飽和試樣中表現良好的原因。由于微波的選擇性加熱，并且煤各元素之間的熱效應是不均勻的，會對煤產生熱應力。另外，由于微波過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孔隙/裂紋的擴展和相互連通（圖四）。所以，微波解凍后孔隙結構再次得到提高。這種提高程度與含水率成負相關。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%。說明微波解凍后煤樣內部的部分孔隙水去除。

圖四液氮微波對基質損傷和孔隙水變化

圖五展示微波解凍試樣GR結果，反映了試樣沿高度方向的含水量分布。隨著微波解凍的進行，GR曲線的信號幅值減小。這說明微波加熱后試樣的含水量下降。此外，微波解凍過程中輔助塊附近區域水分被更早的去除。這是由圖一介紹的解凍方式決定的，沿高度方向對試樣的解凍，造成水分在高度方向的分布差異。

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（藍色）代表低溫。靠近輔助塊的區域（高度0mm-30mm）溫度高于遠離輔助塊的區域高度（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高度區域范圍內。同樣的，這是由圖一介紹的解凍方式決定的，沿高度方向對試樣的解凍，造成溫度在高度方向的分布差異。與飽和試樣相比，濕飽和試樣輔助塊附近區域的表面溫度分布更加不均勻，出現許多紅色突出區域，溫度在120℃-140℃左右。這說明當煤樣飽和度較低時，容易出現高溫區。從整體的溫度來看濕試樣相對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，說明飽和度有利于煤的液氮壓裂。這與滲流孔增長率結果相似。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

本文結論

本章通過對不同飽和度下低溫液氮凍結煤試樣進行微波解凍，分析了凍結煤試樣的基于核磁的孔隙結構演化、水分變化、表面溫度分布和波速衰減，并通過與空氣解凍的對比，揭示了微波對不同飽和度下液氮凍結煤試樣的解凍機理。獲得的結論主要如下：

1. 在相同的液氮凍結時間下，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，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。隨著試樣初始飽和度的降低，溫度分布越不均勻。
4. 對于空氣解凍，低的飽和度有利于煤樣表面裂紋的發育；然而，在飽和試樣中相對于整個體積內發育的裂縫，表面裂紋的發育程度相對較小。
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。

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參考文獻

[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.