（固体力学专业论文）煤体结构及渗流特性的核磁共振成像实验研究.pdf

摘要 煤层气( 俗称瓦斯) 是赋存于煤层中可以代替和优于天然气的宝 贵矿产资源。在世界范围内，其总储量超过天然气，开发潜力巨大。 然面，在我国复杂地质条件下，煤层气还不能形成工业开采的主要目 的是对煤体内部结构特性和煤层气( 水) 在煤层中流动机理还不够清 楚，煤层气的富集高产规律认识还不够深入。因此，对煤体结构及水 一气在煤体内渗流特性进行研究，具有重要意义，核磁共振成像技术 使这一思路具有了可行性。 本文在前人的基础上，通过实验对煤体结构特性、煤层气吸附解 吸规律及水一气在煤体中渗流过程等方面进行了研究。首先，针对大 型核磁共振仪对置于其中的设备应保证绝对无磁的要求，同时为模拟 煤体在地下所处的应力状态，研制了可以对试件施加轴压、围压及孔 隙压的自压式非磁性三轴应力渗透仪；其次，通过对真空水饱和煤试 件的核磁共振图像的研究，直接观察煤体的结构特性，并通过数值模 拟软件的图形处理模块分析煤体内部主裂隙的分布情况，并通过改变 轴压、围压等条件发现，煤体裂隙随轴压、围压的增大而减小，不受 孔隙压的影响；通过改变围压、轴压、孔隙压和饱和度等参数的常规 实验，得出煤层气吸附解吸量随轴压、围压的增加而减少，随孔隙压 的增加而增加；通过对煤试件进行水一气两相渗流的核磁共振实验， 得到水在煤体中向前推进的渗流过程。 本文所进行的煤体核磁共振成像实验研究，到目前为止未见到相 关报道，实验研究使煤体层理结构和水气渗流过程实现了可视化。 为搞清煤体内部结构特性和煤层气( 水) 在煤层中流动机理奠定了基 j 础。为进行煤层气开发、开采向前迈出了重要的一步。 关键词：核磁共振； 结构特性；裂隙： 吸附；解吸；渗流 a b s t r a c t t h ec o a lb e di sm a d ( p o p u l a rn a m eg a s ) i st h et a xs a v e si nt h e c o a lb e dm a yr e p l a c ea n ds u r p a s st h en a t u r a lg a st h ep r e c i o u sm i n e r a l r e s o u r c e i nt h ew o r l ds c o p e ，i t su l t i m a t er e s e r v e ss u r p a s s est h en a t u r a l g a s ，t h ed e v e l o p m e n tp o t e n t i a li sh u g e h o w e v e r ，u n d e ro u rc o u n t r y c o m p l e xg e o l o g yc o n d i t i o n ，t h ec o a lb e di sm a dc a n n o tf o r mi n d u s t r y m i n i n g t h em a i n g o a l i st ot h ec o a l b o d yi n t e r n a l s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec o a lb e di sm a d ( w a t e r ) m o v e st h em e c h a n i s mi n t h ec o a lb e da v e r a g ei n s u f f i c i e n t l yi sa l s o c l e a r ，t h ec o a lb e dism a d c o n c e n t r a t e st h eh i g hp r o d u c t i o nr u l e u n d e r s t a n d i n gi n s u f f i c i e n t l yi s a ls ot h o r o u g h t h e r e f o r e t ot h ec o a lb o d ys t r u c t u r ea n dt h ew a t e r - i sm a dc o n d u c t st h er e s e a r c hi nt h ec o a l i nv i v ot r a n s f u s i o n c h a r a c t e r i s t i c ，h a dt h ev i t a ls i g n i f i c a n c e ，t h en u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g e r yt e c h n o l o g ye n a b l et h is m e n t a l i t y t oh a v et h e f e a s i b i l i t y t h i sa r t i c l e i n p r e d e c e s s o r sf o u n d a t i o n ，t h r o u g h t h e e x p e r i m e n tt o t h ec o a l b o d ys t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ec o a lb e di s m a dt h et a xs a v e st h em i g r a t i o nr u l ea n dt h ew a t e r i sm a di nt h ec o a l b o d ya s p e c ta n ds oo nt r a n s f u s i o np r o c e s sc o n d u c t e dt h er e s e a r c h f i r s t ， i nv i e wo f t h e l a r g e s c a l e n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c em e t e r o p p o s i t i o nt oe q u i p m e n ts h o u l dg u a r a n t e ea b s o l u t e l yd o e sn o th a v et h e m a g n e t i s mt h er e q u e s t ，s i m u l t a n e o u s l yf o rs i m u l a t e st h et e s ts a m p l ei n t h es t r e s sc o n d i t i o nw h i c hu n d e r g r o u n dl o c a t e s ，d e v e l o p e dm a ye x e r t t h ea x i st ot h et e s t s a m p l ep r e s s es ，e n c i r c l e sp r e ss e sa n dt h eh o l e p r e s s e sf r o mp r e s s e st h et y p en o n - m a g n e t i s mt h r e e - d i m e n s i o n a ls t r e s s s e e p st h e m e t e r ； n e x t ，t h r o u g ht ot h ev a c u u mw a t e rs a t u r a t e dc o a l t e s t s a m p l e n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ep i c t u r er e s e a r c h ，t h ed i r e c t o b s e r v a t i o nc o a lb o d ys t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dd o e sn o ts i m u l a t e s o f t w a r e t h r o u g ht h ev a l u et h eg r a p hp r o c e s s i n gm o d u l ea n a l y s isc o a l b o d y i n t e r i o rh o s tc r e v a s s ed i s t r i b u t e ds i t u a t i o n ，a n dp r e s s e st h r o u g h t h e c h a n g ea x i s ，e n c i r c l e sp r e s s e sa n ds oo nt h ec o n d i t i o nd is c o v e r s ， t h e c o a lb o d yc r e v a s s ep r e s s es a l o n gw i t ht h ea x is ，e n c i r c l e sp r e s s e s i n c r e a s e sr e d u c e s ，i n f l u e n c ew h i c hi s p r e ss e dt h eh o l e ；t h r o u g h e n c i r c l e st h ep r e s s u r e ，t h ea x i sp r e s s u r e ，t h eh o l eb yt h eg r a d i e n t f o r m c h a n g ep r e s s e sw i t hp a r a m e t e rt h ea n ds oo nd e g r e eo fs a t u r a t i o n c o n v e n t i o n a l e x p e r i m e n t ， o b t a i nst h e c o a lb e dism a dt h e a d s o r p t i o n d e s o r p t i o nq u a n t i t yp r e s s e st h ei n c r e a s ea l o n gw i t ht h ea x i s w h i c h ， e n c i r c l e sp r e s s e sr e d u c e s ，p r e s s e s a l o n gw i t ht h e h o l et h e i n c r e a s e i n c r e a s e s ；t h r o u g he n t e r st h er u n n i n gw a t e rt ot h ec o a lt e s t s a m p l e - i sm a dt w ot r a n s f u s i o n st h en u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e e x p e r i m e n t s ， o b t a i nt h ew a t e rt h et r a n s f u s i o np r o c es sw h i c hp r o m p t s f o r w a r di nt h ec o a lb o d y t h i sa r t i c l ec a r r i e so nt h e c o a l b o d y n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g e r ye x p e r i m e n t a ls t u d y ，u p t on o wn o ts e e st h e c o r r e l a t i o nr e p o r t ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yc a u s e st h ec o a lb o d yb e d d i n g s t r u c t u r ea n dt h ew a t e r - i sm a dt h et r a n s f u s i o n p r o c e s sr e a l i z e d v i s i b l y i no r d e rt o c l a r i f y t h ec o a l b o d y i n t e r n a ls t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec o a lb e di s m a d ( w a t e r ) m o v e dt h em e c h a n i s mi n t h ec o a lb e da v e r a g ee s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o n i no r d e rt oc a r r yo n t h ec o a lb e di sm a dt h ed e v e l o p m e n t ，m i n i n gs t e p p e do u tt of r o n tt ob e i m p o r t a n to n es t e p k e yw o r d s ：n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ； s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c c r e v a s s e ； a d s o r p t i o n ；d e s o r p t i o n 辽宁t 程技术大学硕上学位论文 1 1 问题的提出 1综述 煤层气( 俗称瓦斯) 是赋存于煤层中的烃类气体，热值和成分 与天然气相近，几乎不含硫化物，是可以代替和优于天然气的宝贵 矿产资源。在世界范围内其储量十分丰富，总储量超过天然气。 据估算，世界上主要产煤国的煤层气资源约为f 8 5 2 6 2 ) 1 0 j 2 i n 3 ，其中俄罗斯、加拿大、中国和美国等国煤层气资源潜力最 大，如表1 1 所示。 表i - 1 世界主要产煤田煤炭和煤层气资源数据表1 国家煤炭资源量t 煤层气资源t m 3 俄罗斯6 5 0 0 i 护 ( i 7 一1 1 3 ) i o “ 加拿大7 0 0 0 1 0 9 ( 6 。7 6 ) 1 0 1 2 中国4 0 0 0 x1 0 9 ( 3 0 3 5 ) 1 0 1 2 美国3 9 7 0 1 0 91 1x 1 0 1 2 澳大利亚1 7 0 0 1 0 91 4x 1 0 1 2 德国3 2 0 1 0 93 1 0 1 2 英国1 9 0 1 0 92 1 0 t 2 哈萨克斯蜒1 7 0 1 0 91 1 0 1 2 总计2 3 8 5 0 x1 0 9 ( 8 4 2 5 5 ) 1 0 1 2 根据煤田资料的调查统计，我国煤层气总储量仅在地下1 5 0 0 米 以内煤层中就有3 0 3 5 万亿立方米，开发利用前景广阔。煤层气作 为一种新型清洁能源，对其进行开发利用可弥补常规能源不足的问 题。美国1 9 9 5 年煤层气的年产量已突破15 0 亿立方米，与我国同年 常规天然气的常量相当。我国的煤层气储量也为我国煤层气的开发 利用奠定了雄厚的物质基础。在我国无论是工业用气，还是民用气 都有着广阔的市场。我国的煤层气资源如图1 1 所示。 辽宁工程技术火学硕士学位论文 翻i 1中国煤层气资源评价图 2 l 煤炭是一次能源的重要组成部分。自1 9 世纪中叶产业革命到2 0 世纪6 0 年代，煤炭一直占世界能源的首位。近3 0 年来，尽管石油 所占的比例逐年增大，但煤炭产量仍以2 6 的速度逐年增加。19 9 3 年世界煤炭产量已达4 5 亿吨，在能源生产与消费结构中煤炭的比重 保持在3 0 左右。在当今的能源结构中，煤炭储量丰富，而石油天 然气相对贫乏。由于煤炭资源大大超过石油和天然气资源，因此在 未来的5 0 年内，世界能源的发展趋势将是以化石燃料为主导，煤炭 资源仍将是世界主要能源。 在我国能源资源中，煤炭是水力的3 3 倍，是石油和天然气的 17 倍，占到7 3 4 ；在化石能源中煤炭占到9 4 3 。可见，煤炭是 我国的主要能源。目前，煤炭消费占一次能源消费的7 5 ，占居主 导地位，而且在未来相当长时期内不会改变。 瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一。瓦斯突出不仅可以摧毁 井巷设施、破坏矿井通风系统，而且使井巷充满瓦斯和煤( 岩) 抛 出物，造成人员窒息、煤流埋人，甚至可以引起瓦斯爆炸与火灾事 辽宁工程技术人学硕士学位论文 故。瓦斯爆炸不仅造成大量人员伤亡，而且还会严重摧毁井巷设施、 中断生产，有时还会引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌等二次灾 害。井下煤矿一次死亡人数多的重大事故主要大瓦斯爆炸事故和瓦 斯突出事故。瓦斯在运移过程中不仅可以发生煤与瓦斯突出动力现 象，而且瓦斯进入采矿空间后，在条件具备时将会发生瓦斯爆炸。 我国煤矿瓦斯煤尘爆炸事故、煤与瓦斯突出事故频繁发生，死亡人 数多，严重影响煤矿安全生产。防止瓦斯事故的发生已成为保证煤 矿安全生产的首要任务。 c h 。是大气中最丰富的烃类气体，也是大气中主要的温室气体 之一，对红外线的吸收能力很强。根据对包裹在冰核中气泡的气体 成分研究，过去2 0 0 3 0 0 年来，大气中c h 4 浓度已增加一倍，从工 业革命以前的o 6 1 0 - 6 0 7 l o “增至现在的1 7 1 0 。c h 4 对大气的 化学及辐射特性有重要影响，从体积上，其温室效应是c 0 2 的2 5 3 0 倍。据估计，大气中浓度每增加1 1 0 ，可导致地球表面温度增加 1o c 【3 】。同时，仅煤矿开采过程中，甲烷的排放量就占从所有化石燃 料中排放出的甲烷量的一半。可见，煤层气的井下抽放或地面开发 利用可有效地降低温室效应。 煤层气开采具有使不可再生能源充分利用、有利于环境保护及 减少煤矿安全事故的三重效益。 长期以来煤层气一直被作为煤矿生产的一种主要灾害来对待， 直到2 0 世纪7 0 年代美国在黑勇士、圣胡安盆地煤田进行的煤层气 地面开发实验的成功，才真正揭示了这一新型洁净能源的潜在经济 效益和广阔前景。2 0 余年来，从事煤层气的勘探开发与科研活动的 国家和地区将近3 0 个，只有美国实现了产业化。我国煤层气勘探开 发起步较晚，从5 0 年代开始，到7 0 年代末，主要目的是为了减少 煤矿瓦斯灾害而进行的煤矿井下瓦斯抽放和利用。瓦斯、煤尘爆炸 事故在煤矿重大恶性事故中一直占有很大比重，是煤矿安全生产的 最大威胁。它直接造成大量人员伤亡和巨大的经济损失。因此，煤 炭部门一直把防治煤矿瓦斯灾害作为煤矿安全工作的重点。 辽宁工程技术人学硕士学位论文 从7 0 年代末到9 0 年代初，仍以煤矿安全为主要目的，部分矿 井同时进行煤层开采实验。我国从7 0 年代开始采用地面钻井预排煤 层气的实验工作，先后在抚顺龙风矿、阳泉矿区、焦作中马村矿、 湖南里王庙矿等地打过地面钻孔4 0 余个，并且进行了水力压裂试验 和研究。1 9 9 0 年之后，煤层气专项勘探丌发试验在我国初步开展， 煤炭部门于1 9 9 2 年6 月与联合国开发计划署( u n d p ) 签定协议， 投资1 0 0 0 万美元进行试验，该项目包括松藻矿务局、开滦矿务局、 铁法矿务局和煤炭科学研究总院西安分院的4 个子项目，主要是为 我国发展煤层气工业引进技术和设备。这一阶段主要是借用美国的 技术和设备，但对于地质条件复杂的中国含煤区不甚适用，因此未 获突破性进展。 从9 0 年代初开始，从优质能源的利用出发，开展了煤层气的勘 探试验，取得了实质性的突破和进展。石油、煤炭、地矿系统和部 分地方政府积极参与这项工作，许多国外公司也积极在中国进行煤 层气勘探试验。1 9 9 0 年以来，我国已有3 0 多个含煤区进行煤层气勘 探钻井，已钻成勘探和生产实验井百余口，取得了一批储层测试参 数和生产参数1 4 】。但是，对我国复杂地质条件下，煤层气还不能形 成工业开采的主要目的是对煤体内部结构特性和煤层气在煤层中流 动机理还不够清楚，煤层气的富集高产规律认识还不够深入，工艺 技术还未完全过关。因此，对煤体结构特性及水在煤体内渗流规律 进行研究，具有重要意义，由于煤层气的主要成分甲烷及水中含有 氢元素，是核磁共振的主要涉及因子，因此，核磁共振成像技术使 煤体结构特性及水在煤体内渗流规律可视化这一思路变为现实。对 于研究煤层气在煤层中赋存运移机理，建立更符合实际的煤层气赋 存运移理论不仅有重要理论意义和学术价值，还可以促进煤层气工 业发展，是一项具有重大实际价值的应用基础研究课题。 辽宁工程技术人学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 煤体结构特性研究现状 煤田地质学领域对煤中裂隙的研究已有百余年的历史，但真正 系统的研究始于2 0 世纪6 0 年代。前苏联的a m m o s o v 等、热姆丘日 柯夫等先后对煤中裂隙进行了初步分类，并探讨了各类的成因。 m a c r a e 等、v a n k r e v e l e n 、s t a c c h 等人，在各自的论著中均有关于煤 中裂隙研究的报道。 我国煤阳地质工作者基本上接受了前苏联的观点，在有关煤田 地质学，尤其是煤岩学的论著中，对煤中裂隙的研究偶尔有所涉及。 虽然煤层中的割理的存在早已被注意到，但由于煤中裂隙研究成果 的应用范畴有限，一直没能受到人们的充分重视。早期工作主要是 从煤岩学和煤矿丌采角度出发开展的。近几十年来，随着煤层气工 业的迅速发展，以及对割理在决定煤层气产能方面重要性认识的不 断提高，人们对割理研究的兴趣日益增。但很多煤地质学、煤岩学 和煤层气方面的文献，只把割理简单地描述为“张性破裂”，没有深 入讨论割理的形成机理。 我国“八五”涉足煤层气研究领域后，煤中裂隙的研究受到了 普遍的重视，关于裂隙的理论和研究方法都有了长足进展，有关成 果通过各种途径展示出来。 2 0 世纪9 0 年代，张胜利，李宝芳，在系统研究鄂尔多斯东缘晚 古生代煤层割理的基础上，结合煤化作用和油气生成研究新成果， 对煤层割理的形成机理进行了探讨，认为割理是煤化过程中，煤因 生成水、烃及其气体而产生收缩内应力和高孔隙流体压力，当其超 过煤的力学强度时，导致煤发生张性破裂而形成。 始于2 0 世纪7 0 年代中后期，以美国为首的煤层气勘探开发活 动，将煤中裂隙的研究推向了高潮。2 0 年来关于这方丽的文献如雨 后春笋般涌现出来。 辽宁t 程技术人学坝扣学位论文 1 2 2 煤层气赋存机理及水渗流理论研究现状 关于煤层气赋存机理的研究，国内外已有很多人倾注了心血。 国外的主要学者和研究成果有： 1 9 6 6 年，a n d e r s o nrb 等f 5 】利用体积法测得煤层中甲烷、氮气、 二氧化碳等气体的吸脱附等温线，发现滞后现象： 1 9 6 8 年，d a i n e sme 1 6j 利用称重法建造了气体吸附等温线测试 仪器，并完成了部分实验； 1 9 7 2 19 7 4 年，r u p p e ltc 等1 7 , 8 1 完善了体积法，完成了一系列干 煤样单组分气体吸附实验；发现大小在6 3 2 5 目范围内的煤样颗粒 对气体吸附能力基本不产生影响： 1 9 7 3 。1 9 7 4 年，j o u b e r tji 等9 ，建立了吸附量与含水率的关系 式；发现当煤样含水量超过某个临界值时，含水量对气体吸附的影响 变为零： 1 9 7 7 年，k i mag 等【1 1 】建立了包含水分，灰分、煤阶以及压力、 温度等多因素的吸附关联式，主要用于评价浅层、低压的煤层气吸 附： 1 9 8 2 年，l e eyh 等他1 研究了低压下气体单层吸附能力与煤层 孔隙结构对甲烷采收率的影响；观察到了吸附滞后现象： 19 8 5 年，r a l p hty a n g 等1 开展了干煤样氮气甲烷二元混合 气体吸附测试：证实温度的增加将带来吸附量的减少； 1 9 8 6 年，g r e b o r yjb e l l 等【1 4 1 采用体积法，模拟地层温度研究 了高压( 13 3 m p a ) 下含水煤岩的吸附特征，并用l a n g m u i r 吸附模型关 联了吸附实验数据；实验古气量高于实际气田的含气量值，所测得的 吸脱附等温线具有明显的滞后现象，表明l a n g m u i r 模型不能拟合高 压区的等温吸附实验数据； 1 9 9 0 年，m a y o rmj 等【”】基于l a n g m u i r 吸附模型，建立了关联 和评价煤岩气体吸附实验数据的一般方法，并借用r u p p e l 的成果，在 b o y l e 等温膨胀定律的基础上建立了测量煤层甲烷吸附等温线及煤 层气含气量的一般步骤，同时认为，煤层甲烷吸附不应出现吸脱附滞 辽宁工程技术人学硕士学位论文 后现象； 1 9 9 1 19 9 3 年，b e a m i s hbb 等16 1 建立了测量煤层气等温吸附数 据的称重法，这种方法在测试微量煤样的气体吸附时优于体积法，但 在测试大煤样时则不及体积法； 1 9 9 1 19 9 3 年，s t e v e n s o nmd ，g r e a v eskh 等【7 ，8 测量了甲烷、 二氧化碳、氮气及其二元和三元混合气体在于煤岩表面的吸附等温 线，利用理想气体吸附溶液模型( i a s ) 关联了二元和三元实验数据，效 果较好；结果表明，吸附相气体和平衡自由气组成不同，体系的吸附量 依赖于气体的组成和体系的压力； 1 9 9 2 1 9 9 3 年，a r r ile ，h a r p d a n is 等 19 , 2 0 1 测试了含水煤样甲 烷氮气和甲烷二氧化碳二元气体等温吸附实验数据，建立了扩展 的二元气体l a n g m u i r 吸附模型，发现混合气体各组分间存在竞争吸 附； 1 9 9 1 年，a n b a r c ik 等1 2 1 】建立了利用压力降落分析技术研究煤 层气脱附特征的方法，尚待进一步实验验证； 19 9 2 年，h a w k i n sjm 等【2 2 】利用干煤样数据，建立了类似于k i m 方程的吸附模型，该模型的常数可以利用测井资料获得，其适用效果 还需更多的数据来证实； 1 9 9 3 年，h a l lfe 等【2 3 】利用体积法，分别测试了含水煤样对甲烷、 氮气、二氧化碳及其二元混合气体的吸附等温数据( 温度1 15 华氏度， 压力达到l2 6 m p a ) ，利用实验数据对理想溶液气体吸附模型、二维状 态方程模型，以及扩展l a n g m u i r 吸附模型进行检验，发现这些模型都 程度不同地出现了偏差； l9 9 6 年，c h a b a e kjj 等t 2 4 1 研究了提高煤层气采收率过程中混合 气体组分变化和吸附的可逆性，结果表明，采收率的大小依赖于甲 烷和驱动流体在煤层中的吸附特征，当混合气中含有氧气时会发生 不可逆吸附，用扩展l a n g m u i r 吸附模型关联吸附数据将产生较大的 误差，实验测定的甲烷、氮气吸，脱附等温线基本重合，但来自实际煤 层气田的等温吸附资料则见有明显的滞后回线。 辽宁t 程技术人学硕士学位论文 国内主要学者和研究成果有： 1 9 9 4 年，吴俊【2 5 1 给出了用l a n g m u i r 吸附模型参数计算煤表面 能的方法，并讨论了表面能与煤变质程度问的关系； 1 9 9 7 年，钱凯、赵庆波、和汪泽1 2 6 】成引进了煤吸附等温线的测 量装置和体积测量方法，总结了国外煤岩吸附影响因素研究方面的 成果，以及l a n g m u i r 吸附模型在煤岩吸附数据关联及煤层气含气量 评价等方面的应用； 1 9 9 9 年，周胜国、郭淑敏 27 1 详细分析了煤岩的吸附解吸等温 线特征及其影响因素，探讨了吸附解吸能力与储层压力的对应关系， 提出体积法测试煤岩吸附需进一步研究吸附相对死体积的影响； 1 9 9 9 年高绪晨、张炳、羡法1 2 8 1 初步探讨了利用测井曲线计算吸 附等温线和含气量的方法； 1 9 9 9 年，崔永君【2 9 1 探讨了煤等温吸附特性测试中的体积校正方 法： 2 0 0 0 年，刘红林、王红岩、张建博1 3 0 1 探讨了煤岩吸附时间与煤 级、煤灰分、煤岩组成、解吸温度等的关系，结果表明，煤岩组成和煤 级的影响较大； 2 0 0 1 年，辜敏、陈昌国、鲜学福3 1 1 在利用扩展l a n g m u i r 吸附 模型模拟煤层气注气开采过程中的多组分气体吸附方面进行了探讨， 表明组分气体间具有竞争吸附，混合气的吸附与组分含量密切相关： 2 0 0 1 年蔺金太、郭勇义、吴世跃 3 2 】煤岩中甲烷、二氧化碳和氮 气的吸附均为物理吸附，但在煤层条件下的吸附形式不同，甲烷和氮 气的吸附可使用l a n g m u i r 吸附模型来描述，二氧化碳则要用b e t 吸附模型来表征。 从上世纪四十年代开始，根据煤是多孔介质，将煤层气在煤层 中流动视为渗流，借助于地下水渗流理论将煤对瓦斯的吸附和解吸 视为源汇项，最终在6 0 年代建立了瓦斯( 即煤层气) 在煤层中流动 的渗流理论1 3 3 。 8 0 年代煤科总院抚顺分院王佑安、杨其銮在实验室测定煤粒瓦 辽宁工程技术火学颂“1 1 学位论文 斯发散的速度时，发现当煤粒尺寸小于一定粒度后，煤粒的放散速 度基木相近，因而把这一粒度称为极限粒度。认为煤体是有若干尺 寸小于极限粒度的煤粒组成。尺寸小于极限粒度的煤粒中的瓦斯流 动是扩散运动，符合菲克扩散定律；煤粒尺寸大于极限粒度时，瓦 斯在煤粒之间的流动是渗流流动，符合达西定律。实验表明，在煤 体的大孔和裂隙中，瓦斯流动遵循着迭西定律；而在微孔结构中。 瓦斯流动服从于扩散定律。事实上，尺寸大的煤粒与尺寸小的煤粒 发散瓦斯的速度是相近的。 此外还有一种看法：即煤层是由许多低渗透率的煤粒组成，煤 粒之间存在着裂隙系统，裂隙系统的渗透率远高于煤粒本身的渗透 率。例如，抚顺龙风矿煤层的透气系数要高于阳泉7 尺煤的透气系 数10 0 0 0 倍，但是煤粒的渗透率却远低于阳泉7 尺煤，这是由于龙 风矿煤层的裂隙系统的渗透能力远大于7 尺煤层的缘故 3 4 1 。然而以 削世宁为代表的主要是煤炭部门的一批学者虽然承认煤是双重介 质，赋存在煤层中的煤层气主要吸附于煤基体微孔内壁，解吸后经 扩散作用至裂隙成为渗流流动，但却认为煤层中瓦斯运移主要受渗 流作用的控制，即解吸扩散场受渗流场控制，因而认为煤层气在煤 层中运移基本上是渗流作用，而且通过一维的瓦斯在煤层中运移分 别应用渗流理论和扩散理论提供的方法进行了简化计算，认为除了 开始外其余结果相同 35 l ，但是此方法在做扩散计算时包括了吸附于 固体壁上的瓦斯量，显然欠妥。 1 2 3 核磁共振成像技术的研究现状 实验研究是科学研究中三大方法之一，通过实验研究不仅可以 对已有理论进行验证，而且还可以发现新的现象，形成新的概念， 从而孕育新的理论。但是过去出于无损检测和图像显示技术落后， 开展实验研究十分困难，因而已有瓦斯流动理论都没有建立在瓦斯 流动实验研究基础上或用实验进行验证，但目前情况有了改观，出 现了各种无损检测技术可以应用与瓦斯在煤层中运移的研究。例如， 现了各种无损检测技术可以应用与瓦斯在煤层中运移的研究。例如， 辽宁工程技术大学硕l 学位论文 先进的可进行无损细观研究的核磁共振成像技术( n u c l e a r m a g n e t i c r e s o u n c ei m a g i n g ) ，其工作原理是先获得被测物体的核磁共振讯息， 根据驰豫时间差异，再由计算机以f o u r i e r 变换重建法等成像，该方 法既可以检测多孔介质的结构特性，也可检测某些物理特性和流动 参数及流体和多孔介质骨架间相互作用，研究流体在其中流动情况 1 3 6 1 。 核磁共振成像技术作为一种新兴的探测技术在许多领域发展较 快。1 9 4 6 年，珀塞尔( e m p u r c e l l ) 和布洛赫( f b l o c h ) 在几乎相 同的时间内，用不同的方法各自独立地发现了在物质的一般状态中 的核磁共振( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 现象。所谓核磁共振， 就是处在某静磁场中的物质的原子核系统受到相应频率的电磁波作 用时，在它的磁能级之间发生的共振跃迁现象1 37 1 。 核磁共振成像技术是一种先进的实验手段。它于2 0 世纪8 0 年 代最早用于医学临床应用领域，使医生可以从三维空间上全方位、 多角度、立体、动态、纵深地观察人体的病变和异常。该技术是一 种多功能、多参数、无侵入、高精度、空间定量原位分析的无损检 测方法，具有快速、准确、无损、省时、费用低、分辨率高等优点， 因此，自诞生以来，已广泛应用于医学影像、能源工程、生物技术、 材料加工、食品检验、石油天然气开采、水力运输、岩土工程等工 农生产的许多方面。例如：美国伊利诺斯州大学s c h m i d t 教授研究 利用核磁共振仪，分析食物分子及离子活动情况，从而判断食物味 道1 3 8 1 ； 1 9 8 6 年b a l d w i n 首次将n m r i 技术应用于石油在油层中流动的 研究以来，国内外已经在液体渗流方面做了大量应用，同时关于天 然气气体在岩层中运动方面也进行了不少研究【3 9 】； s e d e r m a n 和g l a d d e n 利用1 3 m m 小玻璃球堆成的多孔介质中水 单相流及水和空气两相流动来研究气体单相及气水两相流核磁共振 成像问题【4 0 】； s o n g 和l u 研究了砂岩中油水两相流和岩石孔隙尺寸及孑l 隙连 辽宁t 程技术人学碗。t 。学位论义 续性问题1 4 ，4 2 】： g o d e f r o y 采用核磁共振研究了孔隙表面油水分子运动问题 4 3 】： m a i r 用氙气通过岩石多孑l 介质研究了孔隙内部结构 4 4 】； b e n c s i k 采用气体核磁共振研究了岩石局部水力传导系数 4s 】； 1 9 9 5 年我国学者肖立志对岩石进行了核磁共振研究 4 6 ； 1 9 9 8 年李小明利用裂变径迹法研究了煤层气气藏资源潜力情况 【4 7 1 ： 王为民等采用核磁共振成像技术研究了水驱聚合物驱油的过程 4 8 , 4 9 】： 宋义敏在导师潘一山的指导下进行了碱、表面活性剂和聚合物 三元复合驱的核磁共振成像研究5 0 ； 2 0 0 1 年r a m a n a t h a n 等用h f a 一2 2 7 气体饱和煤样三天，试图通 过h f a 2 2 7 气体渗透特性研究煤体中气体( 包括甲烷) 的赋存和运 移规律，但由于它并没能有效模拟甲烷的吸附等特性，因此这实际 上仍是对甲烷运移规律的一种推测性研究，还不能区分煤中吸附和 游离气体的输机理，对解吸、扩散和渗流相互作用的机制还没有进 行观测【5 1 】； 2 0 0 2 年潘一山做了三元复合驱驱油机理及乳状液渗流规律 n m r i 研究。在国家“八五”科技攻关项目“煤层吸附气开发研究” 中，采用核磁共振成像技术对煤层中的小煤粒的渗透率进行了测定 【52 1 1 3 存在的问题和不足 在渗流理论指导下，目前将提高瓦斯抽放量、采出量都寄托于 提高煤层渗透率，虽采取了各种措施，进行了大量的工程，但效果 甚微。上述问题主要是由于对煤体结构特性及煤层气解吸、扩散和 渗流三者之问如何相互作用和联系的机理不够清楚造成的，而这些 问题都只能有待实验研究才能予以解决。 纵观国内外核磁成像研究多孔介质孔隙流体赋存和流动可见， 辽宁工程技术人学硕士学位论文 存在两个问题： 一是，当有一相是瓦斯气体时还没有人进行过研究： 二是，所研究的多孔介质模型都不受到力的作用，即不考虑多 孔介质骨架变形和孔隙流体的耦合作用，仅考虑孔隙压力，且假设 固体骨架是不变形的，渗流系数是常数。由于实验中模型的多孔介 质一般是用环氧树脂等材料密封，不能受较大的压力，所以孔隙压 力都较小。而实际上对于煤层气问题，处于地下的煤层受上覆地层 压力较大，孔隙气液流体压力也较大，渗透系数不是常数。 利用核磁共振手段来研究煤体结构特性及水渗流规律，在国内 外还未见到相关文献。 1 4 本文主要研究内容 基于问题的提出和国内外研究现状，我们发现了许多问题和不 足之处，本文的工作就是针对上述主要问题开展的，其主要内容如 下： 1 ) 由于实验采用的大型核磁共振仪要求对置于其中的设备应满 足无磁的要求，同时为模拟试件在地下所处的应力状态，设计可以 对试件施加轴压、围压及孔隙压的自压式非磁性三轴应力渗透仪。 2 ) 通过对真空水饱和煤试件的核磁共振图像进行研究，直接观 测煤体的层理结构特性，并通过数值模拟软件的图形处理模块分析 煤体内部主裂隙的分布情况；通过改变轴压、围压等条件研究轴压、 围压等因素对煤体层理结构的影响。 3 1 通过以梯度形式改变围压、轴压、孔隙压和饱和度等参数的 常规实验，得出煤层气吸附解吸特性随这些参数的变化规律。 4 ) 利用三轴应力渗透仪进行水渗流常规实验，得出煤体的渗流 特性指标及渗流特性随轴压、圈压和水压的变化规律；通过对煤试 件进行水气两相流核磁共振成像实验，得出水气在煤体中渗流的过 程，为进一步研究气的渗流规律和煤层气的开发、开采奠定基础。 辽宁丁程技术人学硕士学位论文 2 核磁共振成像原理及非磁性渗透仪的研制 本章主要介绍核磁共振成像原理；根据大型核磁共振仪对置于 其中的设备应满足无磁的要求，同时为模拟煤体在地下所处的应力 状态，设计可以对试件施加轴压、围压及孔隙压的自压式非磁性三 轴应力渗透仪。 2 1 核磁共振成像的原理 核磁共振成像技术是近年来迅速发展起来的一种测井技术，采 用该技术不仅可以测到地层孔径分布、孔隙度、渗透率和可动流体 百分数的重要物性参数，还可以识别油、气、水层，是进行石油、 天然气和煤层气勘探的一种新方法。 核磁共振的基础源于自然界的普遍现象一核子白旋运动，只 有具有奇数核子的原子核在自旋中才能产生核矩或磁场，如：1 h ( 氢) 、13 c ( 碳) 、1 9 f ( 氟) 、3 1 p ( 磷) 等。因为氢原子是自然界 各种物质中广泛存在且数量最多的原子，其原子核中只含有一个质 子而不含中子，最易受外加磁场的影响而发生核磁若振现象，所以 氢原子就成为了核磁共振成像的关键成像涉及因子( 因此，以下均 以氢原子为例论述) ： “核”是指核磁共振成像主要涉及到原子核，与核周围的电子 层关系不大。 “磁”有两个含义： 1 磁共振过程发生在一个巨大外磁体的孔腔内，它能产生一个 恒定不变的强大的静磁场( b o ) ，如图2 - 1 所示。 2 在静磁场上按时叠加另外一个小的射频磁场以进行核激励并 诱发核磁共振( b 1 ) ；还要叠加一个小的梯度磁场以进行空间描记并 控制成像。 辽宁工程技术大学硕j ：学位论文 图2 - i 静磁场b 。和射频磁场b “共振”就是物理意义上的同步振动。核子间能量的吸收与释 放也可以引起共振，处于低能级的氢质子吸收的能量恰好等于能级 差即跃迁到高能级水平，若释放的能量恰好等于能级差又可跌落回 低能级水平，核子这种升降波动是在一个磁场中进行的，因此称其 为“核磁共振”。图2 2 为进入磁体前后氢原子核状态变化情况。 、。 j i 7 7 jj。j c ： ，：1 ， _ b 一 +” 。 m 图2 2进入磁体前后氧原于状态变化情况 氢质子在外加磁场b o 作用下磁矩将重新定向，多数与b o 磁力 线同向( 处于低能级) ，少数与b o 磁力线逆向( 处于高能级) ，最后 达到动态平衡，通过施加射频磁场，受检部位氢质子吸收能量向x y 平面偏转，射频磁场中断后，氢质子释放能量回到z 轴自旋方向上， 这样在接受线圈中感应到一个核磁共振( n m r ) 信号，它包含有频 率、相位和振幅等信息。核磁共振成像是在静磁场中叠加一个梯度 磁场，从而建立n m r 信号的共振频率与核所在位置的关系，在利用 快速傅立叶变换、图像重建等技术获取核磁共振图像。当被激励的 垫， 一 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 氢质子释放能量并回返原先排列方位的过程就称为弛豫f 5 3 l 。 对于接受到的一个幅值随时间以指数函数衰减的信号，可用两 个参数描述该信号衰减的快慢：纵向驰豫时间t l 和横向驰豫时间t 2 。 在煤岩体核磁共振测量中，一般采用t 2 测量法。通常，核磁共振成 像测试技术对处于束缚状态的氢核不敏感，因此它主要反映煤岩体 孔隙中流体的情况。地层的核磁特征是有氢流体的物理性质及其与 岩石骨架相互作用的情况来决定的。 对于自由流动的流体，在般情况下，其t i 等于t 2 。不同的流体， 在测量条件相同的情况下，其t 2 或t 1 可能会有较大的区别。不同 类型的矿化水，其t l 、t 2 也会有差别。另外，烃类流体的t 1 、t 2 还同其粘度有一定的关系。 当流体处在孔隙介质中时，流体由于具有约束边界，它与固体 的相互作用可能会影响到其共振特性。所以，核磁共振响应不仅决 定于流体本身的性质，还取决于骨架的影响程度。孔隙介质中流体 的驰豫时间t 2 一般满足 11 = + p 2 ( s v ) ( 2 - 1 ) 22 b 其中：l 。一一自由体积含氢流体的弛豫值； p 一一表面弛豫特性，它取决于孔隙表面的矿物组成和 孔隙中含氢流体的性质等因素； s 一一孔隙的表面积； v 一一孔隙体积。 利用核磁共振成像技术研究煤岩体中流体的特性，主要两种： 一是，利用所测得的回波序列，根据其幅值的衰减特性来直接获得 岩石中流体的信息；二是，通过测试输出的e 分布来得到储层的岩 石物理参数或解决其它的油气田地质问题。第二种已成为核磁共振 成像技术的常规方法 5 4 1 。 辽宁工程技术大学颅十学位论义 2 。2 非磁性三轴应力渗透仪的研制 2 2 1 非磁性三轴应