基于低場核磁共振技術(shù)的酸化煤樣孔隙特征研究

熊建龍，王 凱，杜全先，孟祥昌，郭兵兵

(1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610072； 2.四川省煤礦瓦斯(煤層氣)工程研究中心,四川 成都 610072；3.云南召瀘高速公路有限責(zé)任公司，云南 曲靖 655099； 4.云南云嶺高速公路工程咨詢有限公司，云南 昆明 650000；5.河南工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

煤層瓦斯主要以吸附、擴散、滲流和層流狀態(tài)存在于孔隙中[1]，研究并改善煤體的孔隙結(jié)構(gòu)，對煤層瓦斯治理及煤層氣開發(fā)具有重要的意義。

酸化作用是目前煤層增透技術(shù)之一。Herman Frasch最早提出油田地層鹽酸酸化技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)成為油氣井提高產(chǎn)能的重要手段[2]。1998 年，蘇現(xiàn)波等將酸化技術(shù)應(yīng)用到煤礦瓦斯治理領(lǐng)域[3]；李瑞等對晉城礦區(qū)3號煤層進行了酸化實驗，證明鹽酸能夠有效增加含有方解石煤層的透氣性[4]；劉炎杰等發(fā)現(xiàn)酸化作用能增大煤樣的滲透率和孔隙率，提高其滲透性[5];趙博等認為通過酸化處理可有效提高煤層滲透率，對于試驗煤樣，滲透率最大提高了18.42倍，鹽酸質(zhì)量分數(shù)在12%～15%為最佳[6];賈勝男等利用氮吸附法研究發(fā)現(xiàn),煤樣酸化后可溶解煤孔隙中的礦物質(zhì)并溶蝕煤基質(zhì)，能減少微孔比例，增高中孔和大孔比例，酸化煤樣的孔隙分形維數(shù)變小，孔隙結(jié)構(gòu)趨于簡單[7]。

煤孔隙結(jié)構(gòu)測定的方法有[8]：密度法、顯微鏡法、掃描電子顯微鏡法、壓汞法、吸附法和低場核磁共振技術(shù)。傳統(tǒng)的煤孔隙結(jié)構(gòu)測定方法在樣品制備和測試過程中都有一定的局限性。低場核磁共振(LF-NMR)技術(shù)具有無損、全面、快速等特點，而且精度高，能夠定量獲得一定孔徑范圍內(nèi)孔隙大小、孔徑分布和孔隙類型等，已經(jīng)開始被推廣應(yīng)用[9-12]。

目前，基于傳統(tǒng)的煤孔隙結(jié)構(gòu)測定方法，針對煤體孔隙結(jié)構(gòu)的定性研究已經(jīng)較為普遍，但利用低場核磁共振技術(shù)，定量研究酸化后煤體孔隙結(jié)構(gòu)變化情況的報道還較為少見。為研究酸化后煤體的孔隙特征，筆者基于低場核磁共振技術(shù)和X射線衍射測試高階煤自然煤樣和酸化煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)和礦物含量，根據(jù)分形理論對比研究2種煤樣孔隙的分形維數(shù)，并進一步探討酸化作用原理。

1 核磁共振技術(shù)原理

核磁共振是將磁矩不為0的原子核置于外加靜磁場中，吸收特定頻率射頻場提供的能量而發(fā)生能級躍遷的物理現(xiàn)象。弛豫是磁化矢量在受到射頻場的激發(fā)下發(fā)生核磁共振時偏離平衡態(tài)后又恢復(fù)到平衡態(tài)的過程[11]。弛豫時間是從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)經(jīng)歷的時間。對含有不同狀態(tài)磁性核的樣品，通過弛豫時間分離可實現(xiàn)對特定物質(zhì)含量的分析。對本身不含磁性核的樣品(內(nèi)部含有孔隙)，如巖石和土壤等，可先使孔隙中充滿磁性核物質(zhì)，再根據(jù)弛豫時間差異來分析樣品的孔隙情況[13]。

1)孔隙率檢測的原理

相同檢測參數(shù)下核磁共振信號量與樣品中水的含量成正比。使試樣孔隙中充滿水，先對一組已知含水量的標準樣品進行測試，擬合出含水量與核磁共振信號量的曲線，再將試樣測得的核磁信號量代入曲線方程中求出樣品中水的含量，根據(jù)水含量計算出孔隙的體積，結(jié)合樣品體積得出孔隙率。核磁信號量是無量綱指標，與采樣參數(shù)的設(shè)置有關(guān)。

2)孔徑分布檢測的原理

孔隙中的流體，橫向弛豫時間包括自由弛豫、表面弛豫和擴散弛豫3種機制，其計算公式如下[12]：

(1)

式中：T2為檢測到的孔隙流體的橫向弛豫時間，ms；T2z為自由弛豫時間，ms；T2b為表面弛豫引起的橫向弛豫時間，ms；T2k為磁場梯度下由擴散引起的孔隙流體的橫向弛豫時間，ms。

自由弛豫是流體固有的弛豫特性， 純流體在均勻場中以體弛豫作用為主，式(1)中T2z可以忽略；當(dāng)實驗采用均勻磁場，且回波時間足夠短時，T2k也可以省略，此時式(1)變換如下[9,12]：

(2)

式中：ρ2為試樣的橫向表面弛豫率，一般為常數(shù)；S為孔隙表面積，m2；Vv為孔隙體積，m3；Fs為幾何形狀因子，一般球狀孔隙取3，柱狀通道取2；r為孔隙半徑，m。

孔隙半徑r與弛豫時間T2正相關(guān)，r越大，T2越大。同樣T2譜圖中峰的位置與孔隙半徑r大小有關(guān)，峰的面積大小與對應(yīng)孔隙半徑的孔隙數(shù)量有關(guān)，可將T2譜圖轉(zhuǎn)化為孔隙半徑r分布圖[9]。

3)橫向弛豫時間T2譜的分形

T2譜分布中蘊含孔徑分布信息，張超謨等改進構(gòu)建了T2譜的分形幾何近似計算公式[14]：

lgV=(3-D)lgT2+(D-3)lgT2max

(3)

式中：V為小于對應(yīng)的T2值的孔隙體積占總孔隙體積的比例；D為分形維數(shù)；T2max為最大橫向弛豫時間，ms。

根據(jù)式(3)，試樣孔隙結(jié)構(gòu)存在分形特性，則lgV與lgT2應(yīng)該是線性關(guān)系?？梢愿鶕?jù)線性回歸方程的系數(shù)計算出孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)D和最大橫向弛豫時間T2max，線性回歸的相關(guān)系數(shù)反映了孔隙分形結(jié)構(gòu)的符合程度。

2 煤樣的采集與處理

實驗煤樣取自山西沁水煤田15號煤層。15號煤顯微煤巖類型為微鏡惰煤，Ⅶ變質(zhì)階段，屬于高階煤。將煤樣破碎切塊，選擇粒徑10～15 mm大小的塊煤，分為2組備用。實驗用的酸液由蒸餾水、濃鹽酸和自然狀態(tài)水按體積比1∶1.125∶0.375配制而成，所用濃鹽酸的質(zhì)量分數(shù)為20%。

第一組為自然煤樣，第二組為酸化煤樣。將第二組煤樣用1 L玻璃燒杯盛放，室溫下(25°C)在酸液中浸泡處理72 h，浸泡過程中，每隔2 h進行攪拌。浸泡結(jié)束后，用蒸餾水洗去煤樣中殘留酸性物，充分洗滌后用pH試紙測試直至其顯示為中性。

采用MicroMR23-025V型核磁共振成像分析儀，依據(jù)SY/T 6490—2014《巖樣核磁共振參數(shù)實驗室測量規(guī)范》進行孔隙測試。測試中，假定孔隙是一個半徑為r的圓柱，煤樣的橫向表面弛豫率ρ2=50 μm/s。測試參數(shù)為：射頻信號頻率主值為23 MHz，射頻信號頻率偏移量為350 455.7 Hz，射頻90°脈沖寬度為7.8 μs，射頻180°脈沖寬度為15.6 μs，采樣時接收機接收的信號頻率范圍和信號的采樣頻率為250 kHz，重復(fù)采樣間隔時間為2 000 ms，射頻延時為0.01 ms，模擬增益為20，數(shù)字增益為3，數(shù)據(jù)半徑為1，前置放大增益為3，回波個數(shù)為6 000，回波時間為0.1 ms，累加采樣次數(shù)為64。

3 實驗結(jié)果

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

自然煤樣(1-1#、1-2#)及酸化煤樣(2-1#、2-2#)的孔隙率測試結(jié)果見表1。

表1 煤樣的核磁孔隙率測試結(jié)果

由表1看出，自然煤樣的平均孔隙率為3.55%，酸化煤樣的平均孔隙率為4.92%。酸液浸泡使煤樣的孔隙率增大。

根據(jù)測試結(jié)果繪制自然煤樣和酸化煤樣的T2譜圖。T2譜圖中峰的位置與孔隙半徑r大小有關(guān)，峰的面積大小與對應(yīng)孔隙半徑的孔隙數(shù)量有關(guān)。定義孔隙率分量為不同孔徑區(qū)間的孔隙對孔隙率的貢獻，繪制煤樣孔徑分布直方圖。

自然煤樣1-1#和1-2#的T2譜和孔徑分布如圖1～4所示。

圖1 1-1#煤樣橫向弛豫時間T2 譜

圖2 1-1#煤樣孔徑分布直方圖

圖3 1-2#煤樣橫向弛豫時間T2 譜

圖4 1-2#煤樣孔徑分布直方圖

由圖1～4可以看出：

1)T2范圍為0.1～100 ms，T2譜呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，左峰峰值及面積都大于右峰，小孔隙在孔隙空間中占較大的比例。自然煤樣孔徑主要集中在0.01～0.25 μm和2.50～12.60 μm。

2)根據(jù)霍多特孔隙分類法，孔徑小于0.01 μm為微孔，孔徑0.01～0.10 μm為過渡孔，孔徑0.1～1.0 μm為中孔，1.0～100.0 μm為大孔。針對瓦斯在煤體中的賦存和流動，微孔和過渡孔屬于吸附孔，大孔和中孔屬于滲透孔。1-1#煤樣孔隙率為3.64%，最大孔徑為12.60 μm，最小孔徑為0.012 μm。微孔和過渡孔的孔隙體積占總孔隙體積的67.31%，大孔和中孔占32.69%。1-2#煤樣的孔隙率為3.45%，最大孔徑為12.60 μm，最小孔徑為0.010 μm。微孔和過渡孔占64.06%，大孔和中孔占35.94%。

酸化煤樣2-1#和2-2#的T2譜和孔徑分布如圖5～8所示。

圖5 2-1#煤樣橫向弛豫時間T2 譜

圖6 2-1#煤樣孔徑分布直方圖

圖7 2-2#煤樣橫向弛豫時間T2 譜

由圖5～8可看出：

1)同自然煤樣一樣，酸化煤樣中小孔隙占較大的比例，孔徑也主要集中在0.015～0.25 μm和2.50～13.51 μm。

2)2-1#煤樣的孔隙率為4.57%，最大孔徑為13.51 μm，最小孔徑為0.015 μm。微孔和過渡孔的孔隙體積占總孔隙體積的70.46%，大孔和中孔占29.54%。2-2#煤樣的孔隙率為5.27%，最大孔徑為10.97 μm，最小孔徑為0.024 μm。微孔和過渡孔的孔隙體積占48.01%，大孔和中孔占51.99%。

自然煤樣和酸化煤樣的孔隙結(jié)構(gòu)比較如下：

(1)兩組煤樣的T2范圍都為0.1～100.0 ms，T2譜都呈雙峰，左峰面積遠大于右峰面積，煤樣中微孔和過渡孔占較大的比例。

(2)自然煤樣的平均孔隙率為3.55%，酸化煤樣的平均孔隙率為4.92%。酸化處理可使煤樣孔隙率增大。

(3)自然煤樣中孔隙主要集中在0.01～0.25 μm和2.50～12.60 μm。酸化煤樣孔隙的孔徑主要集中在0.015～0.25 μm和2.50～13.51 μm。酸化處理可使最小孔徑和最大孔徑都有所增大。

(4)自然煤樣1-1#煤樣中吸附孔的孔隙體積占總孔隙體積的67.31%，滲透孔占總孔隙體積的32.69%；1-2#煤樣中吸附孔占64.06%，滲透孔占35.94%。酸化煤樣2-1#煤樣中吸附孔占70.46%，滲透孔占29.54%；2-2#煤樣中吸附孔占48.01%，滲透孔占51.99%。酸化處理可使煤中孔隙體積增大。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)的分形研究

在對數(shù)坐標系下繪制出T2與V的關(guān)系圖，如圖9和圖10所示(篇幅所限，僅列出1-1#和2-1#煤樣)。

圖9 1-1#煤樣孔隙分形維數(shù)擬合

圖10 2-1#煤樣孔隙分形維數(shù)擬合

自然煤樣和酸化煤樣的孔隙分布都呈雙峰，故采用分段線性擬合，分形維數(shù)D的計算結(jié)果見表2。

表2 分形維數(shù)D的計算結(jié)果

由表2可看出：

1)分形維數(shù)D可以定量描述孔隙結(jié)構(gòu)分形特征，多孔巖石類介質(zhì)孔隙的分形維數(shù)為2～3，結(jié)果顯示煤樣中微孔、過渡孔及中孔不具有分形特征，大孔孔隙具有分形特征。

2)1-1#和1-2#自然煤樣大孔孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)分別為2.979 6和2.980 9，相關(guān)系數(shù)R2為0.82和0.83;2-1#和2-2#酸化煤樣大孔孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)分別為2.984 7和2.989 8，相關(guān)系數(shù)R2為0.98和0.92。自然煤樣和酸化煤樣線性擬合的相關(guān)性都較高。

3)酸化煤樣大孔孔隙的分形維數(shù)大于自然煤樣，分形維數(shù)D越趨近3，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，孔隙表面越不規(guī)則[15-16]。

3.3 煤樣中礦物含量變化

取自然煤樣及酸化煤樣各5 g，粉碎研磨后進行X射線衍射分析，其圖譜見圖11。

圖11 自然煤樣和酸化煤樣的X衍射圖譜

由圖11可看出：

1)自然煤樣和酸化煤樣中的無機礦物有石英SiO2、高嶺石Al2Si2O5(OH)4、鐵白云石(Fe，Ca，Mg)CO3、方解石CaCO3和白云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2。

2)自然煤樣中高嶺石衍射峰衍射強度最大，酸化煤樣的衍射強度明顯低于自然煤樣。酸化煤樣中方解石和鐵白云石衍射峰的衍射強度也都低于自然煤樣。兩組煤樣中白云母衍射峰大體一致，酸化煤樣的個別峰稍低。2個石英衍射峰分別與高嶺石和鐵白云石衍射峰重合，不易區(qū)分辨別。

3)對同一種礦物，可根據(jù)衍射強度的變化近似反映礦物在混合物中含量的變化[17-18]?；诘V物的衍射峰強度，對兩種煤樣中不同礦物的含量做出分析：高嶺石在自然煤樣中含量最高，在酸化煤樣中含量明顯降低。方解石和鐵白云石在自然煤樣中含量高于酸化煤樣。兩種煤樣中白云母含量大致相同。

根據(jù)煤樣中有關(guān)礦物含量的變化，可以推斷可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，進一步研究酸化作用機理。

(1)方解石和鐵白云石等碳酸鹽類遇弱酸，發(fā)生反應(yīng)(4)和(5)，生成可溶性的碳酸氫鈣，少量溶解。方解石和鐵白云石衍射峰在酸化煤樣的衍射強度低于自然煤樣。

(4)

(Fe,Ca,Mg)CO3+2H+→Ca2++Mg2++Fe2++H2O+CO2

(5)

(2)盡管是酸性溶液，但溶液中的水能離解出OH-和H+，一定條件下水的離解反應(yīng)保持平衡。白云母與溶液中的OH-發(fā)生反應(yīng)(6)，OH-被消耗[19]。此反應(yīng)極其微弱，所以煤樣中白云母含量變化很小，不同煤樣中白云母衍射峰強度大體一致。

(6)

(3)高嶺石是煤樣中主要的黏土礦物之一，盡管現(xiàn)在還不清楚高嶺石與酸性溶液的作用機制，但多位學(xué)者的試驗研究證明：酸性條件下高嶺石能溶出硅和鋁，且溶液中Al濃度與H4SiO4濃度、pH值密切相關(guān)[20-21]，推測可能發(fā)生的反應(yīng)為：

Al2Si2O5(OH)4+6H+→2Al3++2H4SiO4+H2O

(7)

酸化煤樣中礦物含量發(fā)生變化，說明礦物在酸性溶液中發(fā)生了物理化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致煤樣孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

4 結(jié)論

1)自然煤樣和酸化煤樣的橫向弛豫時間T2范圍都為0.1～100 ms，T2譜都呈雙峰，左峰面積遠大于右峰面積，煤樣中微孔及過渡孔占較大的比例。

2)自然煤樣的平均孔隙率為3.55%，酸化煤樣的平均孔隙率為4.92%。酸化作用使煤樣的孔隙率增大，孔隙最小孔徑和最大孔徑都變大。

3)分形維數(shù)D可以定量描述孔隙結(jié)構(gòu)分形特征，兩組煤樣中微孔、過渡孔及中孔不具有分形特征，大孔的孔隙結(jié)構(gòu)具有分形特征。酸化后煤樣大孔孔隙的分形維數(shù)增大，酸化作用使煤樣孔隙結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，孔隙表面不規(guī)則。

4)酸化作用的本質(zhì)是煤樣中的礦物在酸性溶液中發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，其含量減少，最終導(dǎo)致煤樣孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。