【文献解读】贵州大学土木工程学院赵瑜教授团队《Energy》：不同含水率冻结煤的微波压裂：孔隙结构演化与温度特征

摘要

液氮冻结对煤储层煤层气(CBM)生产的影响已经得到了广泛的研究，但对解冻过程的研究却很少。本文通过磁共振(NMR)、纵波速度和红外热成像技术，研究了微波解冻对不同含水量液氮冻结煤的影响。结果表明，随着含水率的增加，空气解冻试样渗流孔隙的增长速率逐渐增加。相对于空气解冻，干燥、湿和饱和条件下，微波解冻后的渗流孔增加率分别增加了17.37%、9.56%和9.32%。波速的结果与渗流孔的增长速率结果相似。微波解冻样品表面温度的均匀性与初始含水量有关。液氮冻结过程中，低初始含水量有利于表面裂纹的形成。微波解冻后，干燥、湿、饱和样品的孔隙水分别减少21.46%、44.85%、21.31%。研究表明，微波解冻不仅能改善煤的孔隙结构，还能去除孔隙中的水分。

研究背景

煤层气的收集是在采煤前进行的，既保证了开采安全，又提供了能源。然而，煤储层渗透率低，阻碍了煤层气的大量、连续的开采。为提高储层渗透率，采用了水力压裂等增产手段。水力压裂需要大量的水，这造成宝贵能源消耗、缺水地区污染环境、诱发地震。由于这些问题，无水压裂方法（比如，液氮压裂）被认为是一种经济环保的技术。液氮压裂包括冻结和解冻。然而，目前的研究人员认为融化对被测样品的影响很少或是整个压裂过程中可以忽略的一部分。常规液氮压裂的融化阶段(空气解冻阶段)对压裂效果的影响不大，且影响主要集中在孔隙结构上。然而，岩石渗透性的提高不仅取决于孔隙结构，还取决于含水率等水分条件。为了进一步提高液氮的刺激效果，我们提出了用微波代替空气解冻冷冻煤的新方法。压裂效应主要体现在孔隙结构演化和水分变化上面。因此，对处理过程中对孔隙结构演化和水分变化定量描述尤为重要。低场核磁共振可以在处理前后无损的反映试样的孔隙结构。通过分析T₂谱，系统地研究了微波辐射对液氮冻结煤的压裂效应。这项研究展示了不同含水率煤样在液氮微波联合作用下的孔隙结构和温度响应。

实验信息

本研究中使用的材料是烟煤（25mm×50mm），获取了煤的孔隙结构演化和水分变化，使用的设备是一台低场核磁共振设备，由苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产，型号：MacroMR12-150H-I。

图一解冻示意图

实验流程如下：

(1) 煤样在60℃的干燥箱中干燥12 h。饱和步骤包括-1 MPa的真空6 h，使用真空压力水饱和设备在20 MPa的水中加压24 h。

(2) 通过重量法制备干样、湿样、饱和样。

(3) 再次对干燥和潮湿的样品进行核磁共振测试，以获得样品内部的初始水分。

(4) 将样品浸泡装有液氮的罐子里。

(5) 冻结的样品立即在5千瓦的微波炉中解冻100秒。请注意，在冷冻样品的一端放置一个接近环境温度(18.5℃)的饱和水辅助块，以促进解冻，如图一所示。

(6) 解冻完成后，将样品从微波炉中取出并使用热成像仪进行温度测试。

(7) 当解冻后的煤样温度恢复到室温时，再次进行核磁共振测试，以获得样品内部的剩余水分。

与此同时，另一组冷冻样本在空气条件下解冻。最后，对解冻后的样品再次进行干燥、饱和、核磁共振、干燥、超声波测量。

实验结果与分析：

作者在实验前后和处理过程利用低场核磁技术测定了煤试样的T₂谱曲线。图二绘制了煤试样的T₂谱曲线。冻融处理后试样（处理煤）T₂曲线右移，第二峰振幅增大。这些变化说明处理后煤孔隙的大小和数量都有所增加。此外，微波解冻对试样T₂谱的增强作用比空气解冻更明显。这表明与空气解冻相比微波解冻对煤孔隙结构的破坏更为有效。煤样孔隙分为微孔、中孔和大孔（或裂纹），对应的T₂大小范围分别为
0.1ms-10ms、10ms-100ms和100ms-10000ms。微孔定义为吸附孔，将为气体扩散和流动提供通道的中孔和大孔（或裂纹）定义为渗流孔。因此，吸附孔和渗流孔对应的T₂谱峰面积S_i可以通过下式计算：

式中A为T_i时刻信号幅值；i = 1,2分别表示吸附孔、渗流孔

根据峰面积变化结果（图三），冻融处理后，试样的吸附孔和总孔变化不大，且随饱和度的增长速率变化不明显。结果表明，在相同冷冻时间下，微波解冻试样的生长速率大于空气解冻试样，且低饱和度试样的生长速率提高更为明显。例如，与空气解冻相比，饱和试样的渗孔增加率提高了9.32%，湿试样的渗孔增加率提高了9.56%，干燥试样的渗孔增加率提高了17.37%。这证实了微波解冻比空气解冻对煤的孔隙增强作用更强。

图二空气解冻和微波解冻煤试样的T₂曲线

图三处理煤的孔隙增长速率

在液氮压裂机制中，低温冻结产生的冻胀力是造成含水煤试样冻融破坏的主要原因。如图四所示，低含水饱和度的试样孔隙为水冰相变提供了额外的扩展空间，降低了冻胀效应。通常，液氮对煤样的破坏程度随着含水饱和度的增加而增加。这就是为什么液氮冻结效果在100%饱和试样而不是50%饱和试样中表现良好的原因。由于微波的选择性加热，并且煤各元素之间的热效应是不均匀的，会对煤产生热应力。另外，由于微波过程中温度升高水的气化在煤孔隙中形成的高压蒸汽同样促进孔隙/裂纹的扩展和相互连通（图四）。所以，微波解冻后孔隙结构再次得到提高。这种提高程度与含水率成负相关。微波解冻后干燥试样、湿试样和饱和试样的T₂曲线面积分别减小了21.46%、44.85%和21.31%。说明微波解冻后煤样内部的部分孔隙水去除。

图四液氮微波对基质损伤和孔隙水变化

图五展示微波解冻试样GR结果，反映了试样沿高度方向的含水量分布。随着微波解冻的进行，GR曲线的信号幅值减小。这说明微波加热后试样的含水量下降。此外，微波解冻过程中辅助块附近区域水分被更早的去除。这是由图一介绍的解冻方式决定的，沿高度方向对试样的解冻，造成水分在高度方向的分布差异。

干样

湿样

饱和样

图五微波解冻试样的GR曲线

图六给出了微波解冻后煤样的表面温度分布，其中较深的颜色（红色）代表高温，较浅的颜色（蓝色）代表低温。靠近辅助块的区域（高度0mm-30mm）温度高于远离辅助块的区域高度（30 mm -50mm）温度。试样沿高度方向有明显的温度梯度，特别是在30mm-50mm高度区域范围内。同样的，这是由图一介绍的解冻方式决定的，沿高度方向对试样的解冻，造成温度在高度方向的分布差异。与饱和试样相比，湿饱和试样辅助块附近区域的表面温度分布更加不均匀，出现许多红色突出区域，温度在120℃-140℃左右。这说明当煤样饱和度较低时，容易出现高温区。从整体的温度来看湿试样相对于干试样和饱和试样要高。

干样

湿样

饱和样

图六微波解冻试样的表面温度分布

图七给出了试样的波速衰减情况。可以看出，随着试样饱和度的增加，空气解冻煤试样波速的损伤因子增大，说明饱和度有利于煤的液氮压裂。这与渗流孔增长率结果相似。在相同饱和度下，微波解冻煤样的损伤因子大于空气解冻煤样的损伤因子，在低饱和度煤特别明显。

图七试样波速变化

本文结论

本章通过对不同饱和度下低温液氮冻结煤试样进行微波解冻，分析了冻结煤试样的基于核磁的孔隙结构演化、水分变化、表面温度分布和波速衰减，并通过与空气解冻的对比，揭示了微波对不同饱和度下液氮冻结煤试样的解冻机理。获得的结论主要如下：

1. 在相同的液氮冻结时间下，含水率越高，空气解冻试样的渗透孔增加速率越大。微波解冻试样的渗透孔增加速率始终大于空气融样，且在初始饱和度较低的试样中增加速率的提高越明显。
2. 空气解冻试样的波速衰减速率与饱和度成正相关，微波解冻后波速衰减速率值增大，初始饱和度低的试样衰减速率值增加更明显。
3. 微波解冻后试样的表面温度分布与剩余水分的含量和分布有关。随着试样初始饱和度的降低，温度分布越不均匀。
4. 对于空气解冻，低的饱和度有利于煤样表面裂纹的发育；然而，在饱和试样中相对于整个体积内发育的裂缝，表面裂纹的发育程度相对较小。
5. 微波解冻后煤试样饱和度降低，而空气解冻后煤试样饱和度基本保持不变。

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参考文献

[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.