低場核磁共振技術在煤孔隙結構精準表征中的應用與展望

翟 成，孫 勇，范宜仁，楊培強，葛新民，吳 飛，徐吉釗，余 旭，劉 廳，趙 洋

(1.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；3.蘇州紐邁分析儀器股份有限公司，江蘇 蘇州 215163)

煤是包含裂隙和孔隙的雙重多孔介質。煤的孔隙結構對于瓦斯的吸附/解吸、擴散、滲流和水的運移起關鍵作用。但煤層普遍具有強非均質、不連續(xù)和各向異性的特征，孔隙跨尺度分布，使得孔隙結構的全面精準表征十分困難。常用的煤孔隙結構測試方法如掃描電鏡、壓汞、氣體吸附等在可重復性、樣本尺寸、測孔范圍、測試精度和時間等方面各有特點，低場核磁共振逐漸成為近年來應用廣泛的煤孔隙結構測試方法。

低場核磁共振通過測試多孔介質中的含H流體(水、甲烷)在外加磁場下的弛豫過程(原子核由高能級的非平衡態(tài)恢復到低能級的平衡態(tài))反演流體含量、特性和分布及含流體孔隙尺寸信息，具有無損、快速和精準的特征。通過一維核磁共振弛豫譜，可以得到孔隙度、孔徑分布、孔隙連通性、自由/束縛流體飽和度、潤濕性、滲透率等信息；通過二維核磁共振譜可以區(qū)分不同含氫流體和同一含氫流體的不同相態(tài)(自由水、束縛水和甲烷氣等)；通過核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)可以得到孔隙與流體的空間分布。進一步，在常規(guī)低場核磁共振分析儀的基礎上，配備夾持器及相應的溫壓施加、流體注入系統(tǒng)，可以模擬原位煤層環(huán)境，實時監(jiān)測復雜地層條件下的煤體孔隙結構與流體輸運變化。

低場核磁共振最早被應用于石油測井領域，之后逐漸被推廣至煤的物性表征。姚艷斌等詳細介紹了采用核磁共振弛豫分析技術識別煤中“多態(tài)水(表面吸附態(tài)、孔內(nèi)毛管束縛態(tài)和自由態(tài)水)”和“多態(tài)甲烷(游離態(tài)、吸附態(tài)和孔束縛態(tài)甲烷)”的理論與方法；王琨等分析了核磁共振技術在巖石物理性質和孔隙結構表征中的應用，但煤的孔隙結構與巖石存在差異；LIU等闡述了核磁共振在煤和頁巖孔隙特征(孔隙度、孔徑分布、孔隙類型、滲透率和潤濕性)和流體狀態(tài)、類型、行為方面的研究。近年來，隨著越來越多學者的關注，低場核磁共振在煤物理性質分析中的研究進一步豐富和完善，本綜述旨在總結該技術在煤儲層孔隙結構和流體特性精準表征中的經(jīng)典成果和最新進展。

低場核磁共振以煤孔裂隙中的含氫流體為探針，能夠同時得到孔隙及孔隙流體信息，精準分析孔隙、水和甲烷介質的相對變化，在煤層物理性質表征領域的應用潛力巨大。筆者首先介紹了低場核磁共振測孔原理，然后闡述了基于低場核磁共振的煤孔隙結構分析的研究進展，之后介紹了低場核磁共振在煤層氣開發(fā)領域的最新應用案例，最后提出了未來的應用展望。

1 測試原理與設備

1.1 核磁共振弛豫法

核磁共振是指原子核對磁場的響應(圖1)。當沒有外部磁場時，原子核的自旋方向是隨機的；在外加靜磁場B的作用下，原子核逐漸定向排列(極化)，繞B進動，此時大多數(shù)核自旋處于低能態(tài)，形成平行于B方向的宏觀磁化矢量；再施加額外的與B垂直的脈沖交變磁場B，原子核吸收能量躍遷至高能態(tài)并同相進動，當施加90°脈沖時，宏觀磁化矢量被扳轉至B的橫向平面進動()；關閉B后，原子核開始散相，由高能態(tài)恢復至平衡態(tài)(弛豫)，橫向磁化矢量迅速衰減，通過接收線圈可采集該衰減信號；為了抑制B非均勻性的影響，可以在90°脈沖后施加多個180°脈沖(Carr-Purcell-Meiboom-Gill sequence，CPMG序列)，重聚磁化矢量并產(chǎn)生一系列自旋回波，得到橫向磁化矢量衰減曲線。橫向磁化矢量衰減的時間即為橫向弛豫時間，對橫向磁化矢量衰減曲線進行反演即可得到分布曲線。可由式(1)表示。

圖1 宏觀磁化矢量在磁場中的演化機制

(1)

式中，為表面弛豫時間；為自由弛豫時間；為擴散弛豫時間。

表面弛豫時間可表示為

(2)

式中，為橫向表面弛豫率；為孔隙表面積；為孔隙(流體)體積。

擴散弛豫時間可表示為

(3)

其中，為擴散系數(shù)；為質子的旋磁比；為靜磁場梯度；為最小回波間隔。目前大部分低場核磁共振分析儀的靜磁場梯度非常小，當測量所用的較短時，擴散弛豫可以忽略。

自由弛豫是流體的固有弛豫特性，由流體的物理性質(含氫指數(shù)、黏度等)決定。煤的核磁共振研究以氫核為基礎，而氫核主要來自于水。水的自由弛豫時間為

(4)

煤中孔隙流體3種不同的弛豫機制對總的貢獻不同，自由弛豫項與擴散弛豫項的貢獻均遠小于表面弛豫項，因此孔隙流體的弛豫時間可近似表示為

(5)

假設，煤內(nèi)部為簡單形狀的孔隙，則式(5)可轉化為與孔隙半徑的關系：

(6)

其中，為幾何形狀因子。對于狹縫型、圓柱型和球型孔，分別取1，2和3。進一步地，可表示為

=

(7)

令=，為轉換系數(shù)。對于同種煤樣，為固定值，為常數(shù)，因此也為恒定量。與存在正比關系，越長，越大；的幅值越高，則對應孔徑的孔隙體積就越大，這是應用核磁共振譜進行煤體孔隙結構定量表征的基礎。

1.2 核磁共振凍融法

多孔介質內(nèi)孔隙冰的熔點隨會孔徑的減小而降低；同時，冰的橫向弛豫時間(10 μs)遠小于水的橫向弛豫時間(ms，s)。因此，核磁共振可以捕捉孔隙水凍結-融化過程的未凍水含量變化。以此為基礎，核磁共振凍融法(Nuclear Magnetic Resonance Cryoporometry,NMRC)通過記錄變溫條件下多孔介質孔隙流體在相變過程的核磁信號量變化，可以實現(xiàn)對多孔介質孔徑分布的表征。

根據(jù)Gibbs-Thomson方程，在直徑為的圓柱形孔隙中，晶體與其液體為球形界面，其熔點的降低如下：

(8)

式中，為固體熔點；()為直徑的晶體熔點；為單位面積的固-液表面自由能；為每克物質的融化焓；為固體密度；為液體與孔壁的接觸角。

進一步地，式(8)可以簡化為

(9)

其中，為熔點下降常數(shù)。結合式(9)，孔隙體積分布可以表示為

(10)

液體核磁信號強度與孔隙體積成正比，則

(11)

對待測多孔介質飽和探針液體，通過冷卻裝置進行變溫操作，測量相變過程的液體變化量，從而獲得探針液體的融化(或凍結)曲線，進而可以轉化得到孔徑分布。需要注意的是，由于凍結過程亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)和自成核作用的隨機性，融化過程的熔點溫度變化相較于凍結過程更加真實。目前的探針液體主要包含水和環(huán)己烷(CH)，水的分子直徑為0.4 nm，更容易進入微孔；但環(huán)己烷的(58.2 K·nm)高于水的(108～179 K·nm)，對溫度變化的敏感性更高。當煤中含有較多黏土礦物時，水可能會與黏土礦物發(fā)生物化反應，對測試結果產(chǎn)生一定的影響。

圖2展示了通過飽和環(huán)己烷和水的核磁凍融法、壓汞法和氮氣吸附法得到的孔徑分布曲線對比，可以發(fā)現(xiàn)，核磁共振凍融法測孔范圍更廣，飽和水相較于飽和環(huán)己烷能測試孔徑更小的微孔。與核磁共振弛豫法相比，核磁共振凍融法的理論模型簡單可靠，能夠直接得到樣本的絕對孔徑，無需通過轉換系數(shù)換算，誤差更小。測試孔徑范圍為2～500 nm，尤其對納米孔隙有較高的分辨率。與壓汞和氮氣吸附法相比，測試過程沒有流體介質轉移，能最大程度弱化孔隙復雜性帶來的影響。但其測試時間較長，一般為8 h左右。作為一種新興的核磁共振測孔方法，核磁共振凍融法在煤納米孔隙表征方面具有應用前景。

圖2 NMRC孔徑分布與其他方法獲得的孔徑分布對比[22]

1.3 設備介紹

本文將低場核磁共振測孔法與其他測孔方法進行了對比，見表1。

表1 常用的煤體測孔方法對比[4-5]

低場核磁共振在煤孔隙結構測試方面具有無損、快速、精準的特征，應用廣泛。目前，國內(nèi)外主要的商業(yè)臺式核磁共振巖心分析儀的特征參數(shù)見表2。

表2 國內(nèi)外商業(yè)核磁共振巖心分析儀的特征參數(shù)[23]

較短的回波間隔能夠表征尺寸更小的微小孔隙；主磁場頻率過低會丟失短弛豫組分，導致信噪比偏低；主磁場頻率過高會引起背景梯度場過強。常規(guī)的低場核磁共振分析儀僅能測試無溫度與壓力加載的煤樣，與實際煤層在深部所處的高溫高壓環(huán)境相差較遠；僅能測試實驗前、后的煤樣，無法實時監(jiān)測實驗過程的孔隙演化與流體運移。在常規(guī)分析儀的基礎上，通過添加夾持器、溫壓加載和流體注入等模塊，可以開發(fā)滿足高溫高壓環(huán)境的核磁共振分析與成像測試系統(tǒng)(圖3，4)，主要有五大關鍵單元：① 樣品倉單元。即煤心夾持器，采用無磁、不含氫、耐高溫高壓的材料(Polyetheretherketone，PEEK材料)制作筒體，通過改變夾持器尺寸可放置50 mm×100 mm，25 mm×50 mm的煤樣；② 多相流體進給單元。可實現(xiàn)CO，N，CH和HO的高壓注入，流體注入壓力可控；③ 流體回收單元。出口壓力控制與流體流量計量；④ 溫度壓力施加單元。以氟油為介質，通過加壓、恒溫裝置對煤樣施加圍壓和溫度；⑤ 核磁測試單元?？蓪崿F(xiàn)樣本流體注入和溫壓加載過程的動態(tài)測試，獲取煤樣譜和不同層位的成像圖。能施加三軸應力的高溫高壓核磁分析儀則是進一步開發(fā)的方向。

圖3 高溫高壓核磁共振分析儀實物

通過高溫高壓核磁共振分析儀可模擬甲烷吸附/解吸/擴散、注氣驅替、水力壓裂、應力加卸載等過程，實時監(jiān)測上述過程的煤樣孔隙演化與流體運移規(guī)律。

圖4 高溫高壓核磁共振分析與成像測試系統(tǒng)

2 煤孔隙結構分析體系

2.1 孔徑分布

利用低場核磁共振分析儀通過CPMG序列測試可以得到譜，關鍵的問題是如何將分布轉換為孔徑分布，常用的方法包含2種：橫向表面弛豫率法和離心-截止值()法。

(1)橫向表面弛豫率法?；谑?5)，(6)，求取橫向表面弛豫率，但是不能直接計算，常需要結合氮氣吸附曲線或壓汞曲線來間接求取。

當結合氮氣吸附曲線時，首先將氮氣吸附測試結果通過BET模型得到孔表面積，通過BJH模型得到孔體積，進而得到比表面積值；然后計算譜的對數(shù)平均值()；最后結合式(5)即可得到。的計算公式為

(12)

其中，2為第點的；為第點的幅值，為譜的總幅值。由于氮氣吸附法主要測試吸附孔(<100 nm)，因此結合氮氣吸附曲線的方法獲得的對吸附孔發(fā)育為主的煤更加準確。

結合壓汞曲線，首先需要確定孔隙形狀因子，可以根據(jù)掃描電鏡捕捉的煤孔隙形貌或者壓汞的滯回曲線確定孔隙形狀；然后將壓汞法得到的孔徑分布曲線轉化為反向累積孔體積占比曲線，利用不同橫向表面弛豫率系數(shù)下的反向累積曲線匹配壓汞曲線；最后，基于最大相似度算法和最小二乘法得到使2者匹配誤差最小的最優(yōu)(圖5)。的計算公式為

圖5 結合壓汞曲線的最優(yōu)ρ2選取[24]

(13)

其中，為壓汞數(shù)據(jù)點數(shù)量；為壓汞法測得的孔徑；為不同表面弛豫率系轉換的核磁孔徑；()為核磁分布權重。結合壓汞曲線的方法更適合以大孔發(fā)育為主的煤。由于壓汞結果主要受喉道尺寸影響，而核磁結果受孔隙尺寸影響，當煤中喉道尺寸與孔隙尺寸的比值變化較大時，壓汞曲線與核磁曲線并無密切相關性。

理論上，對比曲線的孔徑范圍越廣，則求得的轉換系數(shù)值越精確。因此，ZHENG等提出將氮氣吸附法與壓汞法的孔徑分布曲線相結合，首先得到近全尺度的孔徑分布曲線，然后與分布曲線進行對比，得到轉換系數(shù)。該方法的精確度相對更高(圖6)。

圖6 結合氮氣吸附曲線和壓汞曲線確定ρ2[24]

(2)離心-法。對飽水煤樣進行離心，根據(jù)Washburn方程，可以得到離心的最小孔徑與離心壓力的對應關系為

(14)

其中，為水的表面張力。對應飽水-離心譜中的值，結合式(7)，可以得到轉換系數(shù)：

(15)

離心-法通過離心實驗獲得特定孔隙半徑對應的，從而得到轉換系數(shù)；并不適用于低變質程度的煤(如褐煤、長焰煤和氣煤等)，因為低變質程度煤的機械強度較低，在高壓離心下易受損傷，破壞原始孔隙結構。

上述2種轉換方法，橫向表面弛豫率法最為常用，因為該方法直接求取。的確定關系孔徑分布的準確性，是核磁共振弛豫譜分析中關鍵的環(huán)節(jié)。一般認為同一煤階、具有相似組成的煤對應同一轉換系數(shù)，但恒定的并不適合孔徑分布較寬、存在順磁性礦物(黃鐵礦等)的非均質儲層，關于此類儲層的確定方法仍有待進一步完善。將分布曲線轉化為孔徑分布曲線后，進而可以對煤孔徑分布進行定量化分析，通過不同的劃分標準，分析不同孔隙組分的變化規(guī)律。常用的孔徑分布劃分方法見表3。

表3 核磁分析中常用的煤體孔隙分類方法

峰劃分法實際是一種聚類分析方法，每一個峰代表一類孔徑相近、弛豫特征相似的孔隙，該方法只能粗略的劃分小、中和大尺寸孔隙。IUPAC法由國際純粹與應用化學聯(lián)合會提出，是國際通用的多孔介質孔徑劃分方法。Hodot法是針對煤的力學與滲透性質的孔隙劃分，由于譜為lg 10進制，Hodot的十進制分類法對譜更加匹配。瓦斯相關法側重于瓦斯在煤中的賦存狀態(tài)，吸附孔是瓦斯的儲存空間，而滲流孔是瓦斯的流動通道，該劃分方法對于瓦斯抽采更具指導意義。在譜分析中可以根據(jù)需要選取不同的孔徑劃分方法。

2.2 孔隙流體

通過“飽水-離心”聯(lián)測法可以得到煤樣的，進而將飽水譜劃分為自由流體與束縛流體2個部分(圖7(a))。自由流體位于連通、開放的大尺寸孔隙和裂隙中，在離心作用下可全部脫出；束縛流體位于細喉道孔、小尺寸孔或封閉/半封閉孔中，受毛管力和表面吸附力作用較強，在離心作用下不可脫出。自由流體空間有利于瓦斯的擴散和滲流以及壓裂液的返排，而束縛流體空間內(nèi)的瓦斯不易解吸，壓裂液易滯留?！啊狈ㄊ亲顬榻?jīng)典和常用的孔隙流體區(qū)分方法。

圖7 核磁共振“單T2c”法與“雙T2c”法對比[27]

的獲取是基于以下假設：束縛流體位于小孔隙中，自由流體位于大孔隙中。但有很多學者發(fā)現(xiàn)，在左側仍有部分自由流體，在右側仍有部分束縛流體。因此，范宜仁等提出了“雙”方法(圖7(b))，該方法將飽和孔隙流體細分為3個部分，分別為完全自由流體、部分自由流體和完全束縛流體。飽水譜左側與離心譜重合的部分對應完全束縛流體；中部與離心譜部分重合的區(qū)域對應部分自由流體；右側僅飽水譜有信號的區(qū)域對應完全自由流體。完全自由流體存在于裂隙和寬喉道大孔，在離心作用下可完全脫出；部分自由流體存在于寬喉道中小孔和粗糙孔壁孔，受孔隙表面作用力較強，在離心狀態(tài)下部分脫出，部分以薄膜態(tài)滯留；完全束縛流體存在于細喉道孔和封閉孔隙中，無法突破喉道的束縛，在離心狀態(tài)下不可脫出?！半p”同樣通過飽水-離心聯(lián)測獲得，并沒有增加額外的實驗量，但對孔隙流體的劃分較“單”法更為細致。

“飽和-離心”聯(lián)測法確定值時易受煤樣離心條件的限制：低變質程度的煤(如褐煤等)在離心壓力下易損傷；較長的離心時間導致測試煤樣數(shù)量受到限制。因此，很多學者研究嘗試將飽水譜特征參數(shù)與巖心的波速、氦氣滲透率、孔隙度等參數(shù)耦合建立預測模型，僅需少量的離心實驗即可建立煤的自由/束縛流體飽和度計算模型，但模型的準確度和適用性尚待驗證。SUN等將飽水譜的多重分形參數(shù)和核磁孔隙度作為輸入量，通過訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡輸出了預測值，與實際值很接近(圖8)。利用大數(shù)據(jù)與深度學習的預測模型以及其他曲線分析模型，是當下的研究熱點之一。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測T2c值與實測值對比[29]

一維核磁共振譜存在基質氫、水、甲烷信號重合、難以區(qū)分的問題。不同流體在縱向弛豫時間、橫向弛豫時間和擴散系數(shù)三個核磁維度的屬性不同：束縛水由于運動受限，具有很小的，和；自由水的，和為中等；甲烷氣和很大，很小。借助二維核磁共振，在原維度基礎上增加縱向弛豫時間維或擴散系數(shù)維，通過2個維度交會實現(xiàn)不同含氫流體或同一含氫流體不同相態(tài)的精準識別(圖9)。SUN等通過大量測試給出了飽和水煤心的二維核磁共振-譜示意，不同孔隙流體可以通過獨特的核磁共振響應加以區(qū)分。二維核磁共振僅對飽和樣本單次測試即可定量識別不同流體，精準且省時，在區(qū)分孔隙流體方面相較一維核磁共振更具優(yōu)勢。

圖9 二維核磁共振T1-T2譜示意[7]

當高溫高壓夾持器中的煤樣內(nèi)同時存在水和甲烷時，為區(qū)分2種流體信號，可在測試時選擇屏蔽其中一相信號。當測水信號時，可選擇普通水；當測甲烷信號時，可選擇重水(DO)，從而消除水信號，得到甲烷譜。測試甲烷量越高，信號越穩(wěn)定，誤差越小。

2.3 孔隙連通性

根據(jù)孔隙連通性的差異，可將煤內(nèi)部的孔隙分為開孔和閉孔。開孔通過孔裂隙網(wǎng)絡與外界連通；閉孔為四周封閉孔隙，流體無法侵入?？梢圆捎蔑柡吐然i(MnCl)溶液的方法，利用Mn在連通孔裂隙網(wǎng)絡中的快速擴散，將開孔中水的弛豫時間縮短至無法檢測水平，從而區(qū)分開孔和閉孔。研究發(fā)現(xiàn)，40% MnCl溶液(質量分數(shù))即可使水的核磁信號完全抑制(圖10)。該方法首先將煤樣完全飽水測試總孔譜，然后將飽水煤樣繼續(xù)飽和MnCl溶液(當常壓飽和困難時可采用真空飽和或加壓飽和；由于煤的連通性普遍較差，需要飽和足夠長時間，一般每隔24 h測試1次信號量，直到信號的變化幅度小于0.1%)，利用壓力差和質量分數(shù)差使Mn擴散進入開孔，并測試飽MnCl溶液譜。由于開孔中的水信號已被抑制，因此該狀態(tài)下的譜主要為閉孔中水的信號和少量基質氫信號，將飽水譜與飽MnCl溶液譜作差即可得到開孔譜。

圖10 MnCl2的核磁共振信號響應[33]

孔隙連通性對于評估致裂增透需求和瓦斯抽采難度具有重要意義。相較于常規(guī)的高溫干燥方法測試開/閉孔(>100 ℃干燥，開孔水以氣態(tài)排出)，飽和MnCl溶液方法利用Mn擴散測試閉孔，對煤的損傷更小(尤其是低變質程度、容易熱破裂的煤)，測試結果更加準確。

ALEXEEV等的研究表明，閉孔在易破裂煤巖中的數(shù)量普遍更多。張海杰等對比了頁巖的柱塞樣與粉碎樣的孔隙體積，發(fā)現(xiàn)柱塞樣被粉碎后孔隙體積增加了41.5%，這部分孔隙體積的增加來源于粉碎過程閉孔的打開。CHANG等對比了煤心與不同粒徑煤屑的分布，發(fā)現(xiàn)對于部分煤樣，內(nèi)部大量的閉孔在粉碎后被打開，孔隙度增加；并且給出了建議的粉碎粒徑為1.0～1.7 mm。通過煤樣粉碎測試閉孔的方法的適用性需要更多的樣本進行驗證。另一方面，還有學者關注采用巖屑代替巖心測試孔徑分布，發(fā)現(xiàn)當巖屑的尺寸合適時，其孔徑分布與全直徑巖心的孔徑分布是近似的。巖屑的采集成本很低，當取巖心較為困難時，可嘗試采用巖屑代替。該方法尤其適用于煤礦井下，在打鉆時收集不同深度的鉆屑，通過核磁共振設備對鉆屑進行快速測試與分析，反演鉆孔不同深度的孔隙結構(圖11)。

圖11 巖心與不同尺寸巖屑的核磁共振T2譜對比[39]

2.4 孔隙度

一般認為，孔隙度與核磁信號量存在線性相關關系，通過對標準孔隙度樣品進行定標，得到核磁信號量-孔隙度的線性表達式，從而將煤樣核磁信號量轉換為孔隙度?？紫抖扰c單位體積的信號量關系為

=

(16)

其中，為標定獲得的系數(shù)；為孔隙度；為單位體積煤樣的累積核磁信號量。圖12為ZHANG等實驗測得的孔隙度標線，可以看出單位體積的核磁信號量與孔隙度均呈線性正相關關系，但由于不同學者的測試參數(shù)不同，標線斜率會有所不同。此外，還可以將核磁孔隙度與其他常規(guī)方法測試得到的孔隙度對比，驗證核磁孔隙度結果的準確性。如圖13所示，核磁孔隙度與氦氣、水、稱重測孔隙度均十分近似。

圖12 核磁孔隙度標定[40-43]

圖13 核磁孔隙度與其他方法孔隙度對比[28,44-47]

進一步地，結合“飽水-離心”聯(lián)測法，可以將孔隙度劃分為總孔隙度、有效孔隙度和殘余孔隙度。飽水譜對應總孔隙度，離心譜對應殘余孔隙度，飽水與離心譜的差譜對應有效孔隙度(圖14)。有效孔隙度代表實際工程中瓦斯擴散和滲流，壓裂液注入和返排的孔隙空間，是煤層氣儲量評估和致裂效果評價的關鍵參數(shù)。在煤層氣開發(fā)過程中，需要采取有效的致裂增透技術，構造連通孔裂隙滲流通道，打開封閉/半封閉孔隙，從而增大有效孔隙度，減小殘余孔隙度，提高煤層氣的抽采效率。

圖14 總孔隙度、有效孔隙度和殘余孔隙度示意[48]

2.5 潤濕性

由于不同煤內(nèi)部極性官能團和芳香環(huán)的數(shù)量不同，遇水會表現(xiàn)出親/疏水性的差異。煤對水的潤濕性直接影響氣、水的產(chǎn)出效果。當煤的親水性官能團較多，芳香環(huán)數(shù)量較少時，表現(xiàn)為強水濕性；反之則表現(xiàn)為強疏水性?？筛鶕?jù)煤粉/樣飽和水后的核磁信號強度，分析不同煤的潤濕性能。當煤疏水時，水與煤基質的表面作用力較弱，此時孔隙水的弛豫時間與自由態(tài)水的弛豫時間接近，約為3 000 ms；當煤親水時，水與煤基質表面的作用力較強，此時孔隙水的弛豫時間大大縮短，遠小于自由態(tài)水的弛豫時間。

煤粉在飽水后的譜存在3個峰，其中，第1峰代表吸附態(tài)水，第2峰代表顆粒間水，第3峰代表自由態(tài)水。當煤的親水性較強時，吸附態(tài)水峰和顆粒間水峰的占比較大；當煤的疏水性較強時，自由態(tài)水峰的占比較大(圖15)。通過對比不同煤飽水譜分布的差異，可以初步定性地判斷煤的潤濕性。

圖15 親水性煤粉與疏水性煤粉T2譜對比[50]

有學者發(fā)現(xiàn)煤的幾何均值(代表水的整體分布狀態(tài))與煤的表面接觸角存在正相關關系(圖16)，越大，水分進入微小孔隙越困難，相應的表面接觸角越大?？梢酝ㄟ^煤的接觸角和對煤的潤濕性進行相互驗證。

圖16 T2gm與表面接觸角的關系[50]

(17)

近年來，關于利用二維核磁共振技術分析非常規(guī)儲層巖石潤濕性的研究越來越多。通過二維核磁共振可以分析孔隙流體與基質表面的接觸關系：在-譜中，潤濕相流體具有表面弛豫機制，擁有更高的/值；結合-譜，能更好地區(qū)分孔隙流體/值變化，提高對潤濕性的判別效果。當煤心飽和雙相流體時，二維核磁共振弛豫譜可以同時表征兩者的潤濕特性(圖17)。

圖17 水濕性砂巖飽和水狀態(tài)的二維核磁共振T1-T2譜[51]

此外，煤樣在自滲吸過程的譜變化也可以體現(xiàn)煤的潤濕性差異。當煤的水濕性較強時，表現(xiàn)出較高的自滲吸效率。借助空間頻率編碼技術，對煤樣滲吸過程進行實時測試，獲得樣品不同層位的水飽和度隨時間變化(圖18)，進而分析煤的潤濕性差異，這是當前較為先進的煤內(nèi)部潤濕性精準評價方法。

圖18 煤自滲吸過程核磁測含水量隨時間變化

快速循環(huán)變場(Fast Field Cycling,FFC)核磁共振弛豫技術則是一種全新的無損、非侵入式的受限流體分子動力學特征測試技術。該技術使磁場強度在幾kHz至100 MHz之間變換，測量縱向自旋弛豫率=1/隨磁場強度的變化，得到核磁共振弛豫散布曲線，利用縱向自旋弛豫率對復雜孔隙網(wǎng)絡中水和油等擴散相十分敏感的特性，獲得多尺度下嵌入受限環(huán)境流體的分子動力學和輸運特征。ZHOU等對致密砂巖進行了測試，獲得了不同磁場強度(0.01～10.00 MHz)下的分布曲線，提取第1峰、總峰和第2峰對數(shù)均值進行擬合，得到了動態(tài)表面親和參數(shù)，如圖19所示。第1峰、總峰和第2峰對應的分別為2，1 000和∞，其中為1 000和∞分別對應中等水濕和強水濕性。FFC在分析多孔介質流體分子動力學特征方面極具優(yōu)勢，但是當前還沒有將此技術應用于煤介質的研究。

圖19 縱向自旋弛豫率隨磁場強度變化[53]

靜態(tài)、動態(tài)接觸角測試方法僅能分析煤表面潤濕性，而核磁共振是少有的煤內(nèi)部潤濕性測試方法，尤其是通過最新的空間頻率編碼技術，可以分析內(nèi)部不同層位的水飽和過程，精準評價潤濕性差異。核磁共振在研究液-固耦合作用方面有廣泛的應用前景，借助低場核磁共振方法的煤的潤濕性分析可以應用于水力壓裂過程的水基壓裂液優(yōu)選、潤濕性抑塵劑降塵效果評價、煤浮選回收率提高等方面。

2.6 滲透率

滲透率隨著孔隙度和孔隙尺寸的增加而增加，可以結合核磁孔隙度和孔徑尺寸相關參數(shù)，建立滲透率預測模型。滲透率通常是孔隙度()四次方和孔隙幾何尺寸平方的關系。巖心的核磁共振滲透率模型主要有2種：自由流體模型和平均模型。

自由流體模型又稱為Coates模型，滲透率()的表達式為

(18)

式中，為與地層有關的系數(shù)；為自由流體值；為束縛流體值。

平均模型又稱SDR模型，滲透率計算為

=

(19)

式中，為與地層有關系數(shù)。

許多學者將核磁滲透率模型的預測值與氦氣測滲透率或水測滲透率進行了對比，驗證了核磁滲透率模型的可靠性。由于不同煤層的物性各異，每種滲透率模型均不具有普適性。需要根據(jù)實際的煤樣條件選擇合適的滲透率模型求取相關系數(shù)的具體值或針對現(xiàn)有的滲透率模型補充相關參數(shù)進行修正。同時，由于煤的孔隙-裂隙介質雙重發(fā)育，裂隙的滲流能力遠大于孔隙，更需要開發(fā)考慮裂隙發(fā)育狀況的滲透率預測模型。

3 應用案例分析

3.1 致裂效果評價

通過在實驗室中對采用不同致裂技術處理前、中和后期的煤樣譜進行對比和分析，可以全面、定量、精準地評價致裂過程煤體孔隙結構的演化，探究不同致裂增透技術或同一技術的不同參數(shù)對煤孔隙分布和流體運移的影響規(guī)律，為致裂增透技術的現(xiàn)場應用提供相應指導。表4為目前應用低場核磁共振技術進行致裂效果評價的研究成果統(tǒng)計。

表4 基于低場核磁共振技術的煤體致裂增透效果評價

以筆者團隊在液氮循環(huán)冷沖擊致裂煤體的相關研究為例，介紹利用低場核磁共振技術進行致裂效果評價的大致思路。首先，測試獲得了煤樣在液氮處理前、中、后的譜，如圖20所示。通過對比譜可以發(fā)現(xiàn)，譜的幅值增加、范圍拓寬，說明液氮冷沖擊處理使煤的孔隙數(shù)量增加、尺寸擴展。進一步，參照LU等的研究，將譜的第1，2和3峰分別劃分為微小孔、中孔、大孔及裂隙。可以看出，隨著液氮冷沖擊次數(shù)的增加，煤的微小孔、中孔、大孔及裂隙均有一定程度的增加。

圖20 液氮循環(huán)冷沖擊過程的煤樣T2譜變化[48]

很多學者利用單重/多重分形理論對分布進行了分析，通過分形參數(shù)評價了煤的孔徑分布特征。SUN等對具有典型的單峰、雙峰和三峰分布的煤樣的曲線進行了多重分形解析，獲得了廣義分形維數(shù)譜(圖21)，進而提取了多個多重分形譜的特征參數(shù)，分析了這些參數(shù)與煤樣孔隙度和截止值的關聯(lián)性。單重分形是基于壓汞曲線的分形方法，將曲線轉變?yōu)榻茐汗€后進行分析。單重/多重分形均是對孔隙分布特征的定量描述，但單重分形局限于孔隙分布的整體性和平均性描述，而多重分形可以得到研究對象在不同尺度的分形特征，分層次刻畫孔隙結構，分析孔隙分布的復雜性和非均質性。

圖21 具有單峰、雙峰和三峰T2分布的煤廣義分形維數(shù)譜[29]

將譜劃分為不同的組分(束縛/自由流體、吸附/滲流孔等)，計算不同組分對應譜面積相較于初始狀態(tài)的變化率，可以精細評價不同組分隨致裂參數(shù)的變化，優(yōu)化致裂參數(shù)的選擇。QIN等分析了不同組分隨液氮冷沖擊時間的變化，如圖22所示。隨著液氮冷沖擊時間的增加，自由流體空間顯著增加，束縛流體空間小幅減小；總孔、吸附孔和滲流孔均有一定程度的增加，其中滲流孔的增加更有利于瓦斯的解吸、擴散和滲流?；谝阎目紫抖葮司€，將譜面積轉化為孔隙度，可以分析不同孔隙空間的變化。SUN等分析了總、有效和殘余孔隙度隨液氮冷沖擊次數(shù)的變化，還將有效孔隙度進一步細分為微小孔、中孔、大孔及裂隙孔隙度?？偪紫抖群陀行Э紫抖扰c冷沖擊次數(shù)正相關，而殘余孔隙度與冷沖擊次數(shù)負相關；有效孔范圍內(nèi)的中孔對液氮冷沖擊的敏感性最強；說明液氮冷沖擊使孔隙尺寸擴展，中大尺寸孔隙占比增加，同時部分封閉孔隙打開或窄喉道拓寬，使束縛孔隙空間減小。

圖22 不同液氮冷沖擊時間下煤樣T2譜面積變化[70]

核磁共振參數(shù)還可以與其他物性參數(shù)結合評價致裂效果，例如：① 將核磁孔隙度與稱重測孔隙度或氦氣測孔隙度對比，將核磁估算滲透率與氦氣/水測滲透率對比，驗證致裂過程煤的孔滲特征改變；② 將核磁參數(shù)與超聲P/S波速、力學參數(shù)、滲透率等其他測試方法獲得的參數(shù)耦合，通過尋找不同物性參數(shù)之間的關聯(lián)，綜合評價煤的物理性質變化。SUN,ZHENG和QIN等將核磁孔隙度與滲透率、波速進行了回歸分析(圖23)，發(fā)現(xiàn)孔隙度與P/S波速呈負相關，而與滲透率呈二次函數(shù)正相關，并且相關系數(shù)均較高。

圖23 核磁共振參數(shù)與其他參數(shù)的耦合[48,69,71]

低場核磁共振技術在煤致裂效果評價方面有著廣泛的應用，其主要有以下優(yōu)勢：① 在測試過程僅需對煤樣飽和水，不會損壞煤樣；特別地，對于部分水敏性煤(如低階煤)，測試時可采用其他含氫質子的液體替代水作為探針液體(常用的探針液體包含酒精、煤油和異丙酮等)；② 可測試的煤樣尺寸相對較大，一般為25 mm×50 mm或50 mm×100 mm，其尺寸與常規(guī)的滲透率測試或者力學測試的樣本尺寸一致，方便測試結果的耦合；③ 測試時間相對較短但卻能提供豐富的物理性質信息，省時且高效。當然，關于致裂效果評價的研究向著模擬原位條件下致裂過程實時監(jiān)測的方向發(fā)展。

3.2 瓦斯吸附與解吸

傳統(tǒng)的甲烷等溫吸附/解吸實驗只能從宏觀水平研究目標煤樣總的甲烷吸附/解吸量變化。甲烷CH同樣含有H質子，采用低場核磁共振技術測試甲烷，可以將甲烷的吸附和解吸研究聚焦于微觀水平，動態(tài)地監(jiān)測孔隙對甲烷的吸附與解吸，使甲烷在煤中的運移過程可視化。

由于常規(guī)的低場核磁共振分析儀僅能測試無溫壓加載的煤樣，無法保壓測試甲烷譜，需要配備專用巖心夾持器與溫壓加載、流體注入模塊的核磁共振分析與成像測試系統(tǒng)。在測試過程，首先，以夾持器中的氟油為介質，通過溫壓模塊對煤樣施加特定溫度和圍壓來模擬原位煤層環(huán)境。然后，控制甲烷進、出口壓力及開閉狀態(tài)實現(xiàn)甲烷在煤中的吸附、解吸、擴散和滲流。具體地，關閉出口，逐步提高進口甲烷壓力，模擬甲烷吸附過程；控制進口壓力>出口壓力，模擬甲烷滲流過程；關閉進口，控制出口甲烷壓力不變或逐步減小，模擬甲烷一步或分步解吸過程。最后，利用核磁成像還可以監(jiān)測甲烷的運移與分布。

YAO等發(fā)現(xiàn)，煤中不同相態(tài)甲烷的核磁共振譜存在3個不同的峰，從左至右分別代表吸附態(tài)、顆粒間游離態(tài)和自由空間態(tài)游離態(tài)甲烷。吸附態(tài)甲烷受表面作用力而吸附于煤基質孔隙表面，主要存在于微小孔中，以表面弛豫為主，因此最短，一般<10 ms；游離態(tài)甲烷以自由弛豫為主，其中自由空間游離態(tài)甲烷存在于樣品倉與樣本之間的空隙中，最長，一般為100～10 000 ms；顆粒間游離態(tài)甲烷存在于煤孔裂隙內(nèi)，它們受孔隙空間限制且孔隙表面已被吸附甲烷層占據(jù)，介于吸附態(tài)和自由態(tài)甲烷之間，一般為10～100 ms。

在進行甲烷的核磁共振測試前，首先需要對甲烷量進行標定，建立甲烷量與核磁信號量的對應關系。QUAN等分別利用高階煤、人工砂巖和空樣品倉對吸附態(tài)、顆粒間游離態(tài)和自由空間游離態(tài)甲烷進行了標定，如圖24所示。不同相態(tài)的甲烷譜幅值均隨甲烷壓力的升高而升高，其中自由空間游離態(tài)甲烷峰還向右擴展，這是由于壓力增大抑制了分子間自旋，使弛豫速率降低。進一步地，QUAN，YAO和ZHENG等分別確定了甲烷質量與核磁信號量的關系，如圖25所示(a和b來自QUAN等測試得游離態(tài)和吸附態(tài)甲烷；c和d來自YAO等測試得游離態(tài)和吸附態(tài)甲烷;e和f來自ZHENG等測試得游離態(tài)和吸附態(tài)甲烷;g來自SUN等測試得游離態(tài)甲烷)。特別地，由于吸附態(tài)甲烷與游離態(tài)甲烷的弛豫貢獻不同，一般將2種信號分開進行標定。受測試參數(shù)差異影響，不同學者測得的甲烷質量與核磁信號量的對應大小不同，但是在相同測試參數(shù)下，甲烷質量與核磁信號量成正比，并且相同強度的核磁信號對應的自由甲烷質量要高于吸附甲烷。準確的甲烷量-核磁信號量標線是進行核磁共振甲烷譜定量化分析的基礎。

圖24 不同壓力下的瓦斯T2譜標定[74]

圖25 甲烷信號標線[73-76]

本文展示了煤在等溫吸附過程的甲烷譜變化，如圖26所示。煤的甲烷譜以吸附態(tài)甲烷峰為主，顆粒間游離態(tài)甲烷峰次之，這與我國煤層“微孔隙、高吸附”的賦存特征是一致的；自由空間游離態(tài)甲烷峰的大小則與煤樣與樣品倉間空隙的壓力有關。隨著甲烷壓力的升高，3個峰的幅值均增加，吸附態(tài)甲烷呈“先快后慢”增加，游離態(tài)甲烷則呈線性增加。

圖26 甲烷吸附過程不同壓力下的T2譜[73]

ZHENG等還通過對吸附甲烷峰的面積量化，計算對應的吸附甲烷量，得到了甲烷等溫吸附曲線(圖27)，并與常規(guī)的體積法得到的等溫吸附曲線進行了對比，發(fā)現(xiàn)二者十分接近，證明了核磁共振法測試吸附甲烷含量是準確、有效的。

圖27 體積法與核磁法等溫吸附曲線對比[73-75]

通過核磁共振成像，可以動態(tài)監(jiān)測瓦斯在煤心中的運移與分布。熊武侯對煤心吸附飽和甲烷過程進行了低場核磁共振實時成像，如圖28所示(其中，紅色代表CH信號，藍色代表煤基質信號)。隨著時間的增加，煤心中的甲烷含量逐漸增加，其中在前233 min迅速擴散，在473 min后緩慢擴散，并在633 min后達到飽和。甲烷擴散過程受到壓力差和質量分數(shù)差作用，導致出氣口甲烷吸附量小于進氣口甲烷吸附量。煤心的吸附甲烷分布不均，存在“空心”區(qū)域，這與煤心本身的孔隙發(fā)育非均勻性有關。

圖28 瓦斯吸附過程的核磁共振成像[77]

相較于傳統(tǒng)的體積法測試甲烷吸附/解吸過程，低場核磁共振可以打開煤內(nèi)部的“黑匣子”，實時監(jiān)測不同相態(tài)甲烷的變化，使甲烷在煤心內(nèi)的運移過程精細化、定量化，為探究煤與瓦斯耦合關系提供了一種全新的技術思路。該技術目前尚存在以下問題：① 受儀器測試精度影響，有部分弛豫時間小于0.1 ms的吸附甲烷不被測到，因此難以直接對吸附甲烷進行定量；② 煤樣中的原始水分信號會對測試結果產(chǎn)生干擾，在測試前需要特別注意；③ 對吸附甲烷的直接標定需要更精準的模型或方法；④ 當甲烷信號量較少時，現(xiàn)有儀器的核磁共振成像存在較大難度。

3.3 注氣驅替

煤對CO，N，HO和CH的吸附能力不同，當多流體共存時會存在競爭吸附，利用這一特性可以將CO，N和HO注入煤層，取代CH占據(jù)孔隙表面吸附位，使吸附瓦斯轉變?yōu)橛坞x瓦斯并通過抽采管路(井)抽出，達到強化開采煤層氣的目的。而且，N與CH的大小相似，可以1∶1置換，降低CH分壓，適合低滲透儲層；CO對煤的吸附能力是CH的2～10倍，驅替效率更高，同時CO吸附存儲于煤層中還能起到地質封存作用，但CO的吸附膨脹會使煤層滲透率降低，也會帶來突出風險，適合高滲透儲層；HO對煤的吸附能力遠大于CH，當注入熱水(蒸汽)時還會促進甲烷的解吸，但在部分煤層可能會存在水鎖或黏土礦物水化膨脹阻塞滲流通道的問題。

在多流體核磁共振實驗過程中，首先對樣品倉內(nèi)的煤樣施加特定的溫度和圍壓模擬原位煤層環(huán)境；之后注入甲烷使煤樣逐漸吸附飽和達到煤層原始的甲烷吸附平衡狀態(tài)；然后降低出口壓力使甲烷解吸，模擬煤層負壓瓦斯抽采過程；最后，注入CO，N或HO等流體，驅替殘余甲烷，提高瓦斯抽采率。需要注意的是，為避免不同含氫信號相互干擾，保證測試結果的準確性，驅替過程需確保驅替相和被驅替相中僅有一相含H信號：當CO或N驅CH時，僅有CH具有氫信號，因此可以通過CH的核磁譜或成像圖推測2種流體的相對增減過程；當HO驅CH時，為避免2種含氫信號相互干擾，需要將HO替換為DO(重水)，從而屏蔽水信號，僅測試甲烷信號。

ZHENG等測試的無煙煤在吸附、解吸以及二氧化碳循環(huán)驅替甲烷過程的甲烷譜變化，如圖29所示。參考3.2節(jié)，甲烷譜從左至右的第1峰為吸附甲烷，第2和3峰為游離甲烷。在甲烷解吸過程，吸附和游離甲烷都有一定程度的減小，但殘余吸附甲烷的占比仍較大；在驅替后，吸附甲烷逐漸離開吸附位，轉變?yōu)橛坞x甲烷；在循環(huán)驅替后，吸附甲烷減小至極低的水平，游離甲烷大大增多。

圖29 CO2驅替CH4過程的CH4譜變化[75]

進一步，可以測試驅替過程不同時刻或壓力下的甲烷譜變化，將甲烷譜劃分不同組分，分析各甲烷組分的變化。KANG等依據(jù)譜面積定義驅替過程的甲烷生產(chǎn)率，即

(20)

其中，為時刻的甲烷譜面積;為初始的甲烷譜面積。根據(jù)此方法，本文計算了不同學者進行的驅替實驗的甲烷生產(chǎn)率，如圖30所示(其中，a和b來自KANG等測試的煤在氮氣驅甲烷過程的吸附甲烷和游離甲烷生產(chǎn)率；c和d來自ZHENG等測試的無煙煤在解吸和二氧化碳驅替過程的甲烷生產(chǎn)率；e來自熊武候等測試的二氧化碳驅甲烷過程的甲烷生產(chǎn)率)。氮氣與二氧化碳驅替相較于單純的負壓解吸具有更高和更快的甲烷生產(chǎn)率(>44.6%)；驅替過程游離甲烷的生產(chǎn)率高于吸附甲烷，但隨著驅替時間的增加，游離與吸附甲烷的生產(chǎn)率最終均能達到較高水平。JIANG等還通過MRI監(jiān)測了驅替過程不同流體信號的變化，如圖31所示(其中，紅色代表HO，藍色代表CO)。在2種流體構成的體系中，通過其中一種流體信號(如HO)的消減可以推斷另一種流體(如CO)的侵入。相較于傳統(tǒng)的驅替裝置僅能通過進、出口流量及氣體性質推斷驅替過程，低場核磁共振技術可以直接、實時、定量地監(jiān)測驅替過程甲烷的運移與分布，將驅替過程可視化、精細化。

圖30 驅替過程產(chǎn)氣率變化[75,77-78]

圖31 CO2驅替水過程的核磁成像[80]

3.4 應力敏感性

煤本身的機械強度較低，具有較強的應力敏感性。開采過程中有效應力變化會導致煤體變形，孔裂隙數(shù)量、形態(tài)及連通性變化，滲透率改變，進而影響煤層氣產(chǎn)量。通過高溫高壓核磁共振分析與成像測試系統(tǒng)，對飽和水煤樣施加不同的應力路徑，可以分析孔裂隙的應力敏感性，尤其適合探究深部煤炭開采過程中應力擾動對煤體孔裂隙結構的影響規(guī)律。應力敏感性測試的核心是對夾持器內(nèi)的煤樣施加不同的圍壓，當無流體注入壓力時，圍壓即為有效應力；當存在流體注入壓力時，圍壓與流體注入壓之差為有效應力。圍壓的逐級升高與降低可以代表實際加、卸載過程的有效應力變化。對不同壓力下的飽和水煤樣進行譜測試，對比孔徑分布、孔隙度和孔隙分量變化，預測相對滲透率，計算孔隙壓縮系數(shù)，可以分析有效應力作用下孔隙的可壓縮性、孔隙與滲透率的相互作用。

本文選取了ZHAO等測試的完整煤心在圍壓增加過程的核磁共振譜，如圖32所示。隨著圍壓(即有效應力)的增加，譜幅值呈減小趨勢，這主要是壓力增大孔隙收縮閉合所導致的。不同孔徑的譜峰變化存在差異，微小孔峰微弱減小，中孔峰小幅減小，而大孔和裂隙峰大幅減小，說明大尺寸孔裂隙有更強的應力敏感性。

圖32 不同圍壓加載下的煤樣T2譜[84]

進一步，將譜劃分不同的組分并計算對應的譜面積，與各組分的初始譜面積比較，可以分析不同孔隙組分相對變化率隨圍壓的變化。孔隙組分相對變化率Δ的計算公式為

(21)

其中，為圍壓下孔隙組分對應的譜面積;為初始常壓下孔隙組分對應的譜面積。DANIEL等對初始人造巖心離心，確定了巖心的截止值，并以該截止值為標準，對不同圍壓下的譜分別劃分了自由/束縛流體，分析了自由/束縛流體隨圍壓的相對變化。ZHANG等和ZHAO等則分析了總孔、吸附孔和滲流孔隨圍壓的變化。

圖33總結了不同學者對于孔隙組分隨圍壓變化的相關研究結果，其中a和b來自DANIEL測試的人造巖心的束縛/自由流體；c來自HOU等測試的高階煤心總孔；d和e來自ZHANG等測試的煤心吸附孔和滲流孔；f，g和h來自ZHAO等測試的煤心總孔、吸附孔和滲流孔；i來自ZHU等測試的煤心總孔。由圖33可以可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓的增加，多孔介質內(nèi)的自由流體減小，束縛流體增加；吸附孔小幅減小，而滲流孔大幅減小，說明滲流孔的應力敏感性更顯著，主導滲流行為；總孔呈指數(shù)下降趨勢。

圖33 不同孔隙組分隨圍壓變化[82-86]

對于飽和水煤心，譜面積可以代表對應孔隙的體積，因此可以利用譜面積計算孔隙壓縮系數(shù)，即

(22)

其中，為不同尺度孔隙的壓縮系數(shù)；為不同尺度孔隙的孔隙率；為圍壓；為孔隙壓力；和為不同尺度孔隙在圍壓和時對應的體積，不同尺度孔隙在圍壓與時的譜面積之比=/=/，其中和為不同孔隙在圍壓與時對應的譜面積。根據(jù)此方法，劉廳、HOU和ZHAO等計算了孔隙壓縮系數(shù)隨有效應力的變化，如圖34所示(其中a，b和c來自劉等測試的單裂縫頁巖的總孔、吸附孔和滲流孔壓縮系數(shù)；d，e和f來自HOU等測試的完整高階煤的總孔、不可動孔和可動孔壓縮系數(shù)；g，h和i來自ZHAO等測試的單裂縫煤的總孔、吸附孔和滲流孔壓縮系數(shù))?？偪?、吸附孔和滲流孔壓縮系數(shù)均隨有效應力呈指數(shù)下降，當圍壓增加到一定程度后，壓縮系數(shù)的減小趨緩。對于每組試樣，壓縮系數(shù)對有效應力的敏感性均有滲流孔>總孔>吸附孔，吸附孔多為微小孔，而滲流孔多為中大孔和裂隙，大尺寸孔裂隙的壓縮系數(shù)明顯高于微小孔隙。總體上，孔隙尺寸越大，壓縮系數(shù)及降幅越大，其應力敏感性也越高。

圖34 壓縮系數(shù)隨有效應力變化[84,86-87]

此外，ZHAO和劉廳等還分別對具有人造單裂縫的煤和頁巖在圍壓加載過程進行了核磁共振成像，如圖35所示(其中，紅色為孔隙水信號，藍色為煤基質)。煤的裂隙水信號量(紅色區(qū)域)相對較高；隨著圍壓的增加，裂隙逐漸受壓閉合，對應的裂隙水信號逐漸減少。當圍壓較小時(<6 MPa)，裂隙壓縮變形明顯；當圍壓較大時(>12 MPa)，裂隙壓縮變形趨于極限。由于煤中孔隙水信號相對較低，MRI的分辨率并不足以分析孔隙的壓縮變形。進一步，還可以提取不同截線的核磁信號量剖面，分析特定位置孔裂隙的相對變化。

圖35 含裂隙煤心在圍壓增加過程的MRI圖[84]

與常規(guī)的應力敏感性測試方法相比，利用低場核磁共振技術分析孔裂隙應力敏感性，首先其測試結果與常規(guī)方法的測試結果是對應的，證明了該方法的可靠性；其次，該方法通過將譜細分可以得到不同孔隙組分的應力敏感性，研究結果更加細致。但是該方法僅能測試煤巖在飽和水相條件下的孔裂隙應力敏感性，無法進行氣相或部分飽和水條件下的測試。

4 結 語

低場核磁共振技術通過測試孔隙含氫流體在外加磁場下的弛豫過程同時得到孔隙結構與流體分布信息。橫向弛豫時間與孔徑存在正比關系：越長，孔徑越大；幅值越高，對應孔徑的孔隙體積就越大。

結合氮氣吸附或壓汞的孔徑分布曲線，可以得到轉換系數(shù)，進而將分布曲線轉換為孔徑分布曲線。在“飽水-離心”聯(lián)測法的基礎上，“雙法”可以將孔隙流體細分為完全自由流體、部分自由流體和完全束縛流體。二維核磁共振在識別水、甲烷信號方面獨具優(yōu)勢。利用MnCl溶液可以消除水信號的特性可以測試連通孔隙。有效孔隙度是煤層氣儲量評估和致裂效果評價的關鍵參數(shù)。通過煤樣自滲吸過程或煤粉飽水過程的譜或二維核磁共振譜可以分析煤的潤濕性差異。

基于低場核磁共振的煤體物理性質表征體系可以應用于不同致裂增透技術的致裂效果評價。結合高溫高壓核磁共振分析儀，添加溫度、壓力載荷并注入流體，可實現(xiàn)瓦斯吸附與解吸、注氣驅替、應力敏感性等方面的實時監(jiān)測分析。

實驗室內(nèi)的煤心核磁共振測試傾向于模擬深部原位煤層環(huán)境的實驗過程實時動態(tài)監(jiān)測。核磁測試與分析傾向于由一維到二維-，-，同時結合大數(shù)據(jù)與機器學習，提升核磁物理性質表征的準確性和豐富性。鉆屑分析與微型核磁共振分析儀開發(fā)則是下一步低場核磁共振技術應用于煤礦現(xiàn)場測試的方向。

5 應用展望

(1)實驗室內(nèi)的煤心核磁共振測試傾向于模擬深部原位煤層環(huán)境的三軸應力+高溫條件下的實時動態(tài)監(jiān)測。目前大多數(shù)的煤心測試仍是常溫常壓條件，與深部的煤層所處的高溫高壓環(huán)境相差較遠，其測試結果也必然存在較大誤差。尤其在我國煤炭開采轉入深部的趨勢下，高地應力與高地溫的影響將成為不可忽略的因素。利用低場核磁共振測試速度較快的優(yōu)勢，配套相應的溫壓加載裝置和電磁兼容設計，可以連續(xù)動態(tài)監(jiān)測煤心在三軸高溫條件下致裂損傷過程的孔隙結構演化，打開煤心內(nèi)部孔隙變化與流體運移的“盲盒”。

(2)低場核磁共振測試與分析傾向于由一維到二維-，-，同時結合大數(shù)據(jù)與機器學習，提升核磁物理性質表征的準確性和豐富性。一維核磁共振譜存在不同流體信號重疊的問題，而二維核磁共振在流體特征區(qū)分方面則獨具優(yōu)勢。二維核磁共振對煤介質分析的適用性及結果的精細定量化仍是需要進一步研究的問題。近幾年，利用大數(shù)據(jù)和機器學習的核磁數(shù)據(jù)深度分析是石油測井領域的研究熱點，這也為煤的核磁共振測試與分析提供了啟發(fā)。利用計算機的核磁數(shù)據(jù)分析一方面可以提升數(shù)據(jù)的精確度和分析效率，另一方面可以減小工作量，值得在煤層物性表征方面進一步應用。

(3)鉆屑是低場核磁共振在煤礦現(xiàn)場分析的紐帶，而微型核磁共振分析儀則是下一步儀器的開發(fā)方向。當前絕大多數(shù)的實驗室測試都是對大尺寸煤塊取心后測試，但煤礦現(xiàn)場井下取心困難。煤礦井下有大量的鉆孔，取鉆屑是簡單低成本的，利用鉆屑和煤心譜的相似性，取合適粒徑的鉆屑在煤礦現(xiàn)場進行測試分析，可以獲得大量豐富的煤層物理性質信息。進一步，開發(fā)微型的核磁共振分析儀，在煤礦井下甚至在煤層鉆孔中實時采集水或者瓦斯信息，這對儀器的耐久性、抗噪性等有極高的要求，需要以后許多年持之以恒的研究與開發(fā)。