液氮冷沖擊作用對煤巖微納米尺度孔隙結(jié)構(gòu)及力學性質(zhì)的影響

楊睿月 叢日超 劉 晗 黃中偉 溫海濤 洪純陽

1.油氣資源與探測國家重點實驗室·中國石油大學（北京） 2.中國石油大學（北京）煤層氣研究中心

3.中國石油集團海洋工程有限公司工程設(shè)計院

0 引言

我國煤層氣資源豐富，但是開采難度大，煤層氣井產(chǎn)氣量普遍較低[1]。為了提升煤層氣儲層滲透性，我國90%煤層氣地面開采井進行了水力壓裂[2]，但是由于煤巖脆性指數(shù)小，無論是垂直井、叢式井或水平井，直接在碎軟煤層中壓裂，裂縫延伸長度短，煤層氣井泄流半徑小，單井產(chǎn)氣量低并且衰減快，水力壓裂改造效果有待進一步提高[3]。現(xiàn)階段我國煤層氣儲層改造技術(shù)面臨以下3個方面的問題：①受到煤巖特征的影響，煤層氣儲層壓裂產(chǎn)生長縫的難度大；②壓裂液阻礙了氣體的產(chǎn)出；③水力壓裂需要消耗大量的水資源，同時壓裂液對環(huán)境造成污染，并且后期處理困難[4-5]。

液氮具有超低溫（常壓下溫度為－196 ℃）、低黏度、無色、無臭、無腐蝕性、不可燃并且成本低的特點[6]，將其應(yīng)用到頁巖、煤巖的儲層改造中，已逐步受到關(guān)注[7]。自20世紀90年代以來，國內(nèi)外對液氮伴注及液氮壓裂頁巖、煤巖等非常規(guī)儲層展開了大量研究[8-9]。在液氮凍結(jié)或凍融對巖石的損傷劣化作用機制方面，前人通過電鏡掃描（SEM）、CT掃描、核磁共振（NMR）、聲發(fā)射探測、單軸/三軸伺服加載等方法測試了巖樣經(jīng)液氮冷浸后物理參數(shù)（密度、波速、滲透率、孔隙度）和宏觀力學性質(zhì)（應(yīng)力—應(yīng)變、抗壓強度、抗拉強度、彈性模量和泊松比等）的改變[10-13]，揭示了凍結(jié)致裂機理[14-15]。研究結(jié)果表明：在液氮作用下巖石的損傷程度增加、滲透率和孔隙度增加、波速降低、抗拉和抗壓強度降低、彈性模量降低、應(yīng)力—應(yīng)變曲線上出現(xiàn)了諸多由微破裂導致的應(yīng)力突降點。在儲層改造方面，國內(nèi)外學者就液氮壓裂[8,16-18]、液氮輔助氮氣壓裂[19-20]、液氮伴注水力壓裂[21]、液氮噴射壓裂[6]等方面進行了現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明相比于清水壓裂，液氮壓裂會顯著降低裂縫起裂和擴展壓力；液氮壓裂所形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)由“近井筒熱損傷區(qū)即熱應(yīng)力微裂縫＋主裂縫＋天然裂縫”組成。其原因在于以下3個方面：①液氮急劇冷卻井周巖石，使其體積收縮并產(chǎn)生拉應(yīng)力。熱應(yīng)力誘導的井周周向拉應(yīng)力遠大于流體壓力誘導的井周周向拉應(yīng)力，利于降低裂縫起裂壓力，并且造成大面積巖石損傷破裂。②液氮與儲層巖石之間的熱交換會改變流體滲流場和巖石應(yīng)力場，流體壓力和熱應(yīng)力疊加后誘導的拉應(yīng)力大于遠場地應(yīng)力對巖石產(chǎn)生的壓應(yīng)力，從而使附近巖石更容易發(fā)生裂縫擴展。③熱應(yīng)力誘導產(chǎn)生的微裂縫和孔洞，有助于原始裂隙的擴展與連通，從而增加近井地帶儲層滲透率，構(gòu)建起由水力裂縫—天然裂縫—熱應(yīng)力微裂縫組成的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系。此外，溫度壓力變化引起的液氮相變可以進一步促進裂縫擴展與縫網(wǎng)的形成。

因此，液氮壓裂是提高煤層氣儲層改造效率的潛在可行性技術(shù)之一。我國包含多種煤階的煤層，并且煤是一種非均質(zhì)性和各向異性都極強的多孔介質(zhì)[22]，對于不同變質(zhì)程度、不同尺度的煤巖，液氮的致裂增透效果也不同[23]。煤巖滲透率及宏觀力學性質(zhì)主要受到煤巖組成、層理層面、孔隙/裂隙等宏觀結(jié)構(gòu)的影響，而在研究液氮作用下煤巖滲流能力及力學性質(zhì)的改變時，則需要消除上述因素的影響。目前，對于液氮作用下煤巖孔喉連通性及微觀滲流特征的可視化研究較少，導致液氮冷沖擊作用對煤巖微納米尺度滲流特征與力學性質(zhì)的影響機制尚不清楚。此外，目前的研究多是針對煤巖宏觀力學性質(zhì)開展，而液氮對煤巖微納米尺度力學性質(zhì)的影響機制研究較少，尤其是液氮冷沖擊作用下煤巖基質(zhì)和礦物分別會發(fā)生怎樣的響應(yīng)？煤巖經(jīng)液氮冷沖擊作用后微納米尺度孔隙結(jié)構(gòu)的變化如何影響其力學性質(zhì)？為此，筆者基于CT掃描和原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，縮寫為AFM）來研究液氮冷浸前后煤巖微納米尺度孔隙結(jié)構(gòu)及力學性質(zhì)的變化，從微納米尺度揭示液氮冷沖擊作用對煤巖滲流能力的影響機制，以期為液氮壓裂煤層提供理論依據(jù)。

1 煤樣準備與實驗過程

1.1 煤樣準備

實驗煤樣選自沁水盆地寺河煤礦3號煤層，顯微組分中鏡質(zhì)體反射率為3.1%，煤樣的工業(yè)分析、無機礦物組分含量如表1、2所示，煤樣為干燥樣品。根據(jù)掃描精度要求對巖樣進行切割、氬離子拋光。首先，將巖樣置于恒溫干燥箱中加熱到50 ℃（模擬煤巖儲層溫度）。然后，將煤樣放入液氮中冷浸20 min。最后，將處理后的煤樣用錫紙包裹并放入真空袋中密封保存。

表1 煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)表

表2 煤樣無機礦物組成及線性熱膨脹系數(shù)統(tǒng)計表

1.2 CT掃描實驗過程

將CT掃描[25]與圖像處理技術(shù)[26]相結(jié)合，筆者建立煤巖樣品三維數(shù)字巖心模型，利用VG軟件進行煤巖孔隙結(jié)構(gòu)三維可視化，開展孔隙特征分析。在此基礎(chǔ)上，采用AVIZO軟件進行孔喉連通性分析和滲透率模擬，研究煤巖在液氮冷浸前后微觀孔隙結(jié)構(gòu)和滲流特征的變化。此次CT掃描實驗依據(jù)《無損檢測工業(yè)計算機層析成像（CT）檢測通用要求：GB/T 29070—2012》[27]進行，所使用儀器為美國通用電氣公司生產(chǎn)的納米CT掃描儀，其基本參數(shù)見表3。

表3 納米CT掃描儀基本參數(shù)統(tǒng)計表

利用CT掃描儀對煤巖樣品進行掃描的實驗過程如下：①樣品掃描，將煤樣固定在CT掃描儀的載物臺上，調(diào)節(jié)掃描儀設(shè)備參數(shù)（測試電壓為100 kV，測試電流為135 mA，掃描分辨率為0.60 μm），對煤樣整體進行掃描，每個樣品形成1 400張投影照片；②三維重建，為去除偽影進行了濾波降噪處理，使用Datos軟件進行三維重建，并將重建好的數(shù)據(jù)導入VG軟件，獲得了煤巖孔隙結(jié)構(gòu)三維可視化模型，導出二維切片圖；③數(shù)據(jù)分析，利用VG軟件和AVIZO軟件對三維模型數(shù)據(jù)進行煤樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征分析。

1.3 原子力顯微鏡觀測實驗過程

此次實驗采用的原子力顯微鏡為生物型快速原子力顯微鏡（Bio-FastScan AFM）。實驗掃描區(qū)域的長度、寬度、高度分別為5 μm、5 μm、3.5 μm，掃描速度為0.8 Hz，峰值力為70 nN，振幅為30 nm。采用的探針型號為OMCL-AC160TN-R3，針尖長度為14 μm，半徑為7 nm，共振頻率為300 kHz，彈性系數(shù)為26 N/m。

利用AFM測量煤巖微納米尺度力學性質(zhì)的實驗過程如下：①測前校正，在掃描煤樣之前，需要對實驗儀器及探針進行校正；②樣品掃描，利用峰值力輕敲模式的力學性能量化模塊對液氮冷浸前后的煤巖樣品進行掃描；③數(shù)據(jù)分析，利用原子力顯微鏡數(shù)據(jù)專業(yè)處理軟件NanoScope Analysis對掃描得到的數(shù)據(jù)進行處理，可以獲得測試煤樣的表面形貌特征及微納米尺度力學性質(zhì)特征參數(shù)。

實驗測得的形貌數(shù)據(jù)采用平面化處理，以展示形貌的三維特征細節(jié)。力學性質(zhì)特征參數(shù)為原始測定值，沒有經(jīng)過特殊處理。

2 煤巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.1 煤巖樣品切片

CT成像基于不同材質(zhì)的密度差異，呈現(xiàn)不同的灰度信息，通過灰度閾值分割選取不同組分進行分析。CT掃描的煤樣二維水平切片顯示，高密度組分呈現(xiàn)亮白色（如黃鐵礦），中等密度組分呈現(xiàn)淺灰色（如石英、碳酸鹽礦物、黏土礦物），低密度組分呈現(xiàn)深灰色（如有機質(zhì)），孔隙和裂縫則呈現(xiàn)黑色，紅色和藍色框分別對應(yīng)后續(xù)進行AFM測試選定的煤巖礦物區(qū)域和基質(zhì)區(qū)域；液氮冷浸后，可以清晰地看到一條橫穿巖樣的裂縫，并伴隨有分支裂縫和諸多孔洞（圖1）。可以看出，煤巖經(jīng)過液氮冷浸處理后內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度和熱應(yīng)力，當熱應(yīng)力大于煤巖抗拉強度時會產(chǎn)生微裂縫和微孔洞，從而改變煤巖內(nèi)部孔喉結(jié)構(gòu)和滲透性。

2.2 液氮冷浸前后煤巖孔隙分布特征

煤樣在液氮冷浸前后的三維孔隙結(jié)構(gòu)重構(gòu)模型如圖2所示，基質(zhì)呈現(xiàn)灰色，孔隙（包含裂縫）通過VG軟件進行渲染處理。液氮冷浸前，煤樣內(nèi)部多為微納米級的小孔，孔隙體積介于0.81～1 749.39 μm3，平均為2.22 μm3，孔隙度為0.03%；液氮冷浸后，煤樣內(nèi)部孔隙體積增大，并且形成了多條帶狀微裂縫，孔隙體積介于0.86～16 012.52 μm3，平均為78.74 μm3，孔隙度為0.1%。可以看出，經(jīng)過液氮低溫冷浸后，煤巖孔隙數(shù)量增加，并且孔隙尺度增大。究其原因，認為是煤巖中含有多種礦物組分，當?shù)V物顆粒的熱膨脹系數(shù)存在較大差異時，顆粒與顆粒之間會發(fā)生非協(xié)調(diào)變形，進而產(chǎn)生錯動，有利于孔隙和裂縫相互溝通，從而形成尺度更大的孔隙和微裂縫。

根據(jù)煤巖孔隙直徑分類標準[20,28]（表4），進一步對比液氮冷浸前后煤巖孔隙的分布特征。XOДOT[28]認為微孔構(gòu)成煤層氣的吸附區(qū)域，小孔構(gòu)成煤層氣的毛細管凝結(jié)和擴散區(qū)域，中孔構(gòu)成煤層氣緩慢層流滲透區(qū)域，而大孔則構(gòu)成劇烈層流滲透區(qū)域。如圖3所示，在此次CT掃描精度下，液氮冷浸前，測試煤樣以大孔為主（孔隙直徑介于1.000～10.000μm），其分布頻率為99.9%，體積占比為92.3%；液氮冷浸后，測試煤樣內(nèi)部微裂縫（孔隙直徑大于10.000 μm）比例增加，其分布頻率由0.1%增至13.8%，體積占比也由7.7%增至90.0%；同時，大孔數(shù)量減少，其分布頻率降至86.2%，體積占比降至10.0%。由此可見，液氮的冷沖擊作用導致煤樣內(nèi)部產(chǎn)生了新裂縫，同時誘導原始裂縫擴展，改善了煤層氣的運移空間。

表4 煤巖孔隙分類標準統(tǒng)計表

2.3 液氮冷浸前后煤巖孔喉連通性

特征單元體（Representative Elementary Volume，縮寫為REV）是在CT三維孔隙結(jié)構(gòu)重構(gòu)模型中選取的物理性質(zhì)比較穩(wěn)定的區(qū)域。通過REV在反映煤巖微觀結(jié)構(gòu)特征的同時，還可以減少數(shù)據(jù)處理過程中計算機的運算量和運行時間。根據(jù)本文參考文獻[29-30]提出的REV選取方法，確定煤巖REV為邊長300 μm的立方體區(qū)域，在此基礎(chǔ)上開展孔喉連通性分析和滲透率模擬。

如表5所示，液氮冷浸后，煤巖喉道數(shù)量、總長度、總體積均呈現(xiàn)不同程度的增加，與液氮冷浸前相比，上述喉道特征參數(shù)分別增加了1.7倍、1.4倍和1.3倍。如圖4所示。液氮冷浸前，煤巖內(nèi)喉道長度主要介于3～6 μm，喉道長度介于4～5 μm的喉道數(shù)量占比為44%；液氮冷浸后，形成了液氮冷浸前不存在的長度介于1～3 μm的小尺寸喉道，并且其數(shù)量占比達4%，這些喉道是在液氮冷沖擊作用下形成的；此外，液氮冷浸后，長度大于6 μm的喉道數(shù)量增加，尤其是液氮冷浸前不存在的長度大于12 μm的喉道，在液氮冷浸后數(shù)量占比達7%。可以看出，液氮冷浸有助于增加煤巖內(nèi)部喉道的長度，進而改善孔喉連通性。

表5 煤巖REV內(nèi)部喉道數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

喉道半徑與孔喉連通性關(guān)系密切，是表征喉道特征的另一個重要參數(shù)。如圖5所示，液氮冷浸前，煤巖內(nèi)部以半徑為0.3～0.4 μm的喉道為主，其數(shù)量占比達99.0%，相應(yīng)喉道體積占比為95.5%，僅有極少的、半徑大于0.4 μm的喉道；液氮冷浸后，喉道半徑分布變得分散，其中半徑介于0.2～0.3 μm的喉道數(shù)量占比為48.3%，半徑大于0.4 μm的喉道數(shù)量明顯增多；相較于液氮冷浸前，液氮冷浸后半徑大于0.4 μm的喉道體積占比由4.4%增至74.0%。可以看出，液氮冷浸擴大了原有的喉道半徑，同時有助于形成新的喉道，增大了孔喉連通空間。

為了直觀反映煤樣內(nèi)部孔隙與喉道之間的連通性，利用AVIZO軟件建立煤巖REV的球棍模型，并且進行孔喉連通性評價[30-31]。在球棍模型中，紅色節(jié)點代表孔隙，連接線代表喉道。在表證連通性時，顏色越紅則表示喉道尺寸越大，連通性越好。如圖6所示，液氮冷浸前，煤巖內(nèi)部孔喉連通性較差，并且以微納米級的小孔隙為主；液氮冷浸后，煤巖內(nèi)部的紅色節(jié)點和連接線數(shù)量顯著增加，并且形成一條貫穿研究區(qū)的裂縫。如圖7所示，裂縫的出現(xiàn)增加了連通的孔隙數(shù)量。因此，液氮對煤巖的冷沖擊作用有助于形成新的喉道、裂縫，從而改善煤巖內(nèi)部孔喉連通性。

2.4 液氮冷浸前后煤巖絕對滲透率測定及滲流模擬

滲透率是影響煤層氣產(chǎn)能和采收率的關(guān)鍵因素[32]。采用AVIZO軟件對煤樣REV進行絕對滲透率測定及滲流模擬。以甲烷氣體為流動相，進口壓力設(shè)置為3.5 MPa，總流量設(shè)置為7.66×106μm3/s。煤樣在液氮冷浸前后的滲流模擬結(jié)果如圖8所示，從中可以看出，液氮冷浸前煤樣絕對滲透率較低（僅0.025 3 mD），微納米尺度的孔隙—喉道結(jié)構(gòu)為主要滲流通道；液氮冷浸后，熱應(yīng)力作用使得煤巖內(nèi)部形成新的微裂縫，微裂縫成為主要的滲流通道，改善孔喉連通性，進而提高煤樣絕對滲透率（達1.956 0 mD），為液氮冷浸前的77倍。在實際生產(chǎn)過程中，煤層氣運移的主要通道為割理和其他開放性裂隙，割理的尺寸、間距、連通程度是影響煤層氣產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[33-34]。若能夠激活各級割理、裂隙，打通流動通道，形成主次相融、流動通暢的網(wǎng)絡(luò)，則可以顯著提高煤層氣井的產(chǎn)能。在液氮冷沖擊作用下，煤巖內(nèi)部形成多條微裂縫，有助于建立起微裂縫與割理、割理與割理、割理與人工裂縫之間的連接，從而構(gòu)建高效連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

3 煤巖微納米尺度力學性質(zhì)特征

采用AFM分別測量了煤樣基質(zhì)區(qū)域和礦物區(qū)域在液氮冷浸前后的表面形貌特征和彈性模量。

3.1 液氮冷浸前后煤巖表面形貌特征

針對選定的測試煤樣基質(zhì)區(qū)域和礦物區(qū)域，分別測量液氮冷浸前后煤樣表面形貌特征。如圖9所示，液氮冷浸后煤巖基質(zhì)和礦物區(qū)域都有孔洞形成；對于煤樣基質(zhì)區(qū)域，較之液氮冷浸前，形成了大的孔洞和連通的微裂縫（圖9-a、c）；對于煤樣礦物區(qū)域，較之液氮冷浸前，形成了多個孔洞及連通的微裂縫（圖9-b、d）。液氮冷浸前，煤樣基質(zhì)區(qū)域表面粗糙度算術(shù)平均值（Ra）[35]為2.64 nm，液氮冷浸后Ra=11.10 nm；礦物區(qū)域在液氮冷浸前Ra=12.3 nm，液氮冷浸后Ra=30.1 nm。可以看出，液氮冷浸后煤巖表面粗糙度明顯增加。這是由于液氮的冷沖擊作用使得煤巖中形成了新的孔洞和微裂縫，增加了煤巖表面形貌特征的復雜度。另外，在液氮壓裂過程中粗糙度增加有利于形成自支撐裂縫。

3.2 液氮冷浸前后煤巖彈性模量

在選定的測試煤樣基質(zhì)區(qū)域和礦物區(qū)域，分別測量液氮冷浸前后煤巖的彈性模量。如圖10、11所示，液氮冷浸后煤巖基質(zhì)和礦物的彈性模量都有所下降，這說明煤巖內(nèi)部損傷程度增加，巖石力學性質(zhì)發(fā)生劣化。液氮冷浸前，基質(zhì)區(qū)域彈性模量介于0.90～1.90 GPa，平均值為1.32 GPa；液氮冷浸后，彈性模量介于0.17～0.39 GPa，平均值為0.25 GPa，與液氮冷浸前相比彈性模量平均值降低了81.06%。相比于煤巖基質(zhì)，礦物的彈性模量較高（9.20～95.40 GPa），液氮冷浸前的平均值為19.90 GPa；液氮冷浸后，礦物區(qū)域彈性模量介于0.32～2.57 GPa，平均值為1.82 GPa，降低了90.85%。在液氮冷沖擊作用下，一方面會使煤基質(zhì)收縮，另一方面由于不同礦物顆粒的熱膨脹系數(shù)不同，礦物顆粒在不同方向上會發(fā)生不同程度的變形。因此，煤巖基質(zhì)與礦物之間、礦物與礦物之間的非協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生了應(yīng)力集中，引起煤巖內(nèi)部損傷開裂，從而使得彈性模量顯著下降。熱膨脹系數(shù)非均質(zhì)程度越高，這種非協(xié)調(diào)變形現(xiàn)象越明顯，基質(zhì)—礦物邊界處、不同礦物顆粒邊界處越容易產(chǎn)生裂縫。同時，由于受到應(yīng)力的作用，煤基質(zhì)內(nèi)部和礦物顆粒內(nèi)部也會發(fā)生變形、開裂，形成微細觀缺陷，進而對煤巖的力學性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。綜上所述，在液氮冷沖擊作用下，煤巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使得煤巖微納米尺度力學性質(zhì)發(fā)生變化，進而影響煤層的滲透率及宏觀力學性質(zhì)。因此，明確液氮冷沖擊作用對煤巖力學性質(zhì)的尺度效應(yīng)將成為今后的研究重點。

4 結(jié)論

1）CT掃描結(jié)果顯示，液氮冷浸后，煤巖孔隙數(shù)量和孔隙尺度均增大，此次實驗條件下孔隙度增大2倍，并且微裂縫占主導，微裂縫體積占比由液氮冷浸前的7.7%增至90.0%。

2）基于CT三維孔隙結(jié)構(gòu)重構(gòu)模型，液氮冷浸后，煤巖喉道數(shù)量、總長度、總體積均顯著增加，較之液氮冷浸前，分別增加了1.7倍、1.4倍、1.3倍，煤巖孔隙連通性得到明顯改善。

3）液氮冷浸后，煤巖的絕對滲透率顯著提高，此次實驗條件下為液氮冷浸前的77倍。熱應(yīng)力形成的微裂縫成為液氮冷浸后煤巖的主要滲流通道，從而有望實現(xiàn)微裂縫與割理、割理與割理、割理與人工裂縫之間的搭接，構(gòu)建主次相融、流動通暢的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

4）液氮冷浸后，煤巖基質(zhì)區(qū)域和礦物區(qū)域均有孔洞及裂縫形成，煤巖表面粗糙度增加；同時，煤巖基質(zhì)區(qū)域和礦物區(qū)域的彈性模量均有所下降，彈性模量平均值數(shù)值分別降低81%、91%。

5）液氮冷沖擊作用使得煤巖微觀缺陷增多、力學性質(zhì)劣化，液氮壓裂有望成為一種高效、綠色的新型煤層氣儲層壓裂技術(shù)。