0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)許多煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)逐漸在深 部低階煤層中進(jìn)行。煤層氣( 瓦斯) 既是一種清潔高效的優(yōu)質(zhì)能源，又是影響煤礦安全的一種危險(xiǎn)源， 瓦斯抽采是防治礦井瓦斯災(zāi)害和利用瓦斯資源的主 要措施之一。

1 試驗(yàn)原理及過(guò)程

1．1 核磁共振基本原理

核磁共振技術(shù)是利用氫原子核自旋以及在外加 疊加磁場(chǎng)的情況下，氫原子核與外加磁場(chǎng)之間產(chǎn)生 的共振弛豫現(xiàn)象，以此來(lái)研究煤巖體孔隙中含氫核 流體( 水、甲烷) 的弛豫特征。核磁共振試驗(yàn)通過(guò)獲 得的核磁信號(hào)強(qiáng)度與橫向弛豫時(shí)間 T2的曲線圖來(lái) 研究煤巖體中的孔、裂隙分布特征。核磁共振的原 理為 1 T2 =FS ρ r ( 1) r =CT2 ( 2) 式中: ρ 為煤表面弛豫率，表征巖石性質(zhì)的參數(shù); FS 為孔隙形狀因子 ( 球形孔隙，F(xiàn)S = 3; 管形孔隙和板 狀孔隙，F(xiàn)S = 2) ; r 為孔隙半徑; C 為轉(zhuǎn)換系數(shù)。 由式( 1) 可知，橫向弛豫時(shí)間 T2 與孔隙半徑大小 成正比，橫向弛豫時(shí)間越長(zhǎng)孔隙半徑越大，不同孔隙 大小對(duì)應(yīng)不同的橫向弛豫時(shí)間，因此可根據(jù)橫向弛豫 時(shí)間的不同來(lái)區(qū)分孔徑的大小。煤巖體中瓦斯主 要存在于煤孔、裂隙中，根據(jù) T2譜面積可以表征煤中 實(shí)際瓦斯吸附量，定量研究煤中瓦斯吸附規(guī)律。

1．2 試驗(yàn)儀器和煤樣制備

試驗(yàn)采用 Meso MＲ23－060H－I 型低場(chǎng)核磁共振 儀，該設(shè)備的共振頻率為 21．675 68 MHz，磁體溫度 控制在 32±0．1 ℃，磁場(chǎng)強(qiáng)度 0．5 T，如圖 1 所示。 試驗(yàn)煤樣的鏡質(zhì)組反射率為 0．78%( ＜0．8%，屬 低變質(zhì)程度煤) ，灰分 7．33%，水分1．02%，揮發(fā) 分 40．64%，孔隙率 6．87%。取大塊新鮮煤樣利用煤 樣鉆取機(jī)鉆取直徑為 25 mm、高度為50 mm的圓柱 狀煤樣。測(cè)量記錄自然態(tài)煤樣的質(zhì)量; 將煤樣放在鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏DHG-9123A鼓風(fēng)干燥箱）中干燥，溫度設(shè)置為 100 ℃，干燥 10 h，測(cè)量 并記錄干燥后煤樣的質(zhì)量，然后對(duì)干燥煤樣進(jìn)行核 磁共振試驗(yàn)。

1．3 氣密性檢查、參考罐體積和夾持器體積測(cè)定

氣密性檢查: 打開(kāi)裝置中參考罐與夾持器間的閥 門(mén)，關(guān)閉通往大氣的閥門(mén)。將氦氣壓力設(shè)為 0．5 MPa， 打開(kāi)氦氣管路上的閥門(mén)，等壓力穩(wěn)定后再關(guān)閉此閥門(mén)， 接著觀察 1 h，若壓力不變則表示裝置氣密性良好。

2 核磁共振試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用無(wú)損低場(chǎng)核磁共振技術(shù)，對(duì)同一個(gè)圓 柱狀煤樣進(jìn)行瓦斯吸附試驗(yàn)。為了減少試驗(yàn)誤差， 只標(biāo)定 1 次，中間不取出煤樣，僅改變瓦斯壓力，選 用純度為 99．99%的瓦斯; 用高壓氦氣沖掃試驗(yàn)腔 體，接著抽真空 30 min，確保整個(gè)管路無(wú)漏氣; 打開(kāi) 裝置中參考罐與夾持器之間閥門(mén)，加圍壓 3 MPa; 將 瓦斯壓力依次設(shè)置為 0．31、0．74、1．11、1．46 MPa，進(jìn) 行瓦斯吸附試驗(yàn); 將每個(gè)壓力點(diǎn)的吸附時(shí)間設(shè)為 9 h; 試驗(yàn)過(guò)程采用人為采樣，由于測(cè)試頻繁導(dǎo)致儀器升溫對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響，特將采樣時(shí)間設(shè)定 為每 30 min 采樣一次，即在每個(gè)壓力點(diǎn)下采樣 18 次。在恒定圍壓 3 MPa，選取加圍壓抽真空后測(cè)試 的煤樣核磁信號(hào)為基底、吸附 1、3、5、7、9 h 共 6 個(gè) 時(shí)間點(diǎn)的核磁信號(hào)進(jìn)行比較分析。

3 結(jié)果分析

新疆干燥煤樣在不同瓦斯壓力下吸附核磁共振 T2譜曲線以及根據(jù)標(biāo)線方程換算相應(yīng)的瓦斯吸附量曲線，瓦斯壓力的增加對(duì)不同范圍孔徑孔隙影響不 同。隨瓦斯壓力增大，中大孔和自由態(tài)瓦斯峰橫向 弛豫時(shí)間起始點(diǎn)不在同一時(shí)間區(qū)域內(nèi)，瓦斯壓力的 增大對(duì)中大孔有擴(kuò)孔作用; 而吸附孔的橫向弛豫時(shí) 間均在 0．01～1．70 ms 范圍內(nèi)，表明瓦斯壓力對(duì)微孔 孔隙結(jié)構(gòu)的影響不明顯，即在 0．31 ～ 1．46 MPa 瓦斯壓力下，瓦斯壓力不改變煤中吸附孔( 微孔，孔徑＜ 10 nm) 孔徑。然而，由公式( 1) 可知，煤樣橫向弛豫 時(shí)間 T2與煤的孔徑成正比，試驗(yàn)結(jié)果表明在 0．31 ～ 1．46 MPa的瓦斯壓力下，瓦斯壓力對(duì)吸附孔孔隙結(jié) 構(gòu)影響不明顯，這一方面可能是由于在瓦斯壓力差 作用下進(jìn)入柱狀煤體時(shí)，瓦斯先由大的裂隙到大孔 再到中孔、小孔和微孔，在這一過(guò)程中，瓦斯壓力傳 遞到煤中微小孔時(shí)逐漸降低不足以改變吸附孔( 微 孔) 孔徑。另一方面可能是瓦斯壓力會(huì)導(dǎo)致煤體孔 隙的擴(kuò)張，但由于煤對(duì)瓦斯的吸附作用會(huì)進(jìn)一步阻 止煤孔隙的無(wú)限擴(kuò)張，因此在恒定圍壓 3 MPa 時(shí)， 瓦斯壓力增到 1．46 MPa 不會(huì)引起煤樣孔隙擴(kuò)張，此 時(shí)，煤對(duì)瓦斯的吸附性占主導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

1) 深部低階煤中不同孔徑孔均有發(fā)育，其中， 吸附孔( 微小孔) 最為發(fā)育，并通過(guò)對(duì)自由態(tài)瓦斯的 標(biāo)定，進(jìn)一步區(qū)分出煤中吸附孔的孔峰和游離態(tài)瓦 斯峰。
2) 瓦斯壓力對(duì)煤孔隙結(jié)構(gòu)中吸附孔峰和游離 峰均有不同程度的影響，在對(duì)深部低階煤層瓦斯勘 探和開(kāi)發(fā)時(shí)要注意瓦斯壓力的變化。
3) 瓦斯壓力的增加對(duì)中大孔( 游離瓦斯存于中 大孔) 有擴(kuò)孔作用，不同瓦斯壓力下，游離態(tài)瓦斯峰 均比基底峰大。但是對(duì)吸附孔的擴(kuò)孔效應(yīng)不明顯， 吸附孔橫向弛豫時(shí)間均在 0．01～1．70 ms。



 

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