低場(chǎng)核磁共振技術(shù)在煤孔隙結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)表征中的應(yīng)用與展望

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

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(zhì)。煤的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于瓦斯的吸附/解吸、擴(kuò)散、滲流和水的運(yùn)移起關(guān)鍵作用。但煤層普遍具有強(qiáng)非均質(zhì)、不連續(xù)和各向異性的特征，孔隙跨尺度分布，使得孔隙結(jié)構(gòu)的全面精準(zhǔn)表征十分困難。常用的煤孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試方法如掃描電鏡、壓汞、氣體吸附等在可重復(fù)性、樣本尺寸、測(cè)孔范圍、測(cè)試精度和時(shí)間等方面各有特點(diǎn)，低場(chǎng)核磁共振逐漸成為近年來(lái)應(yīng)用廣泛的煤孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試方法。

低場(chǎng)核磁共振通過(guò)測(cè)試多孔介質(zhì)中的含H流體(水、甲烷)在外加磁場(chǎng)下的弛豫過(guò)程(原子核由高能級(jí)的非平衡態(tài)恢復(fù)到低能級(jí)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(wú)損、快速和精準(zhǔn)的特征。通過(guò)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(rùn)濕性、滲透率等信息；通過(guò)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(guò)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(jìn)一步，在常規(guī)低場(chǎng)核磁共振分析儀的基礎(chǔ)上，配備夾持器及相應(yīng)的溫壓施加、流體注入系統(tǒng)，可以模擬原位煤層環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)雜地層條件下的煤體孔隙結(jié)構(gòu)與流體輸運(yùn)變化。

低場(chǎng)核磁共振最早被應(yīng)用于石油測(cè)井領(lǐng)域，之后逐漸被推廣至煤的物性表征。姚艷斌等詳細(xì)介紹了采用核磁共振弛豫分析技術(shù)識(shí)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(shù)在巖石物理性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用，但煤的孔隙結(jié)構(gòu)與巖石存在差異；LIU等闡述了核磁共振在煤和頁(yè)巖孔隙特征(孔隙度、孔徑分布、孔隙類型、滲透率和潤(rùn)濕性)和流體狀態(tài)、類型、行為方面的研究。近年來(lái)，隨著越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，低場(chǎng)核磁共振在煤物理性質(zhì)分析中的研究進(jìn)一步豐富和完善，本綜述旨在總結(jié)該技術(shù)在煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和流體特性精準(zhǔn)表征中的經(jīng)典成果和最新進(jìn)展。

低場(chǎng)核磁共振以煤孔裂隙中的含氫流體為探針，能夠同時(shí)得到孔隙及孔隙流體信息，精準(zhǔn)分析孔隙、水和甲烷介質(zhì)的相對(duì)變化，在煤層物理性質(zhì)表征領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。筆者首先介紹了低場(chǎng)核磁共振測(cè)孔原理，然后闡述了基于低場(chǎng)核磁共振的煤孔隙結(jié)構(gòu)分析的研究進(jìn)展，之后介紹了低場(chǎng)核磁共振在煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的最新應(yīng)用案例，最后提出了未來(lái)的應(yīng)用展望。

1 測(cè)試原理與設(shè)備

1.1 核磁共振弛豫法

核磁共振是指原子核對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)(圖1)。當(dāng)沒(méi)有外部磁場(chǎng)時(shí)，原子核的自旋方向是隨機(jī)的；在外加靜磁場(chǎng)B的作用下，原子核逐漸定向排列(極化)，繞B進(jìn)動(dòng)，此時(shí)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(chǎng)B，原子核吸收能量躍遷至高能態(tài)并同相進(jìn)動(dòng)，當(dāng)施加90°脈沖時(shí)，宏觀磁化矢量被扳轉(zhuǎn)至B的橫向平面進(jìn)動(dòng)()；關(guān)閉B后，原子核開(kāi)始散相，由高能態(tài)恢復(fù)至平衡態(tài)(弛豫)，橫向磁化矢量迅速衰減，通過(guò)接收線圈可采集該衰減信號(hào)；為了抑制B非均勻性的影響，可以在90°脈沖后施加多個(gè)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(shí)間即為橫向弛豫時(shí)間，對(duì)橫向磁化矢量衰減曲線進(jìn)行反演即可得到分布曲線?？捎墒?1)表示。

圖1 宏觀磁化矢量在磁場(chǎng)中的演化機(jī)制

(1)

式中，為表面弛豫時(shí)間；為自由弛豫時(shí)間；為擴(kuò)散弛豫時(shí)間。

表面弛豫時(shí)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(kuò)散弛豫時(shí)間可表示為

(3)

其中，為擴(kuò)散系數(shù)；為質(zhì)子的旋磁比；為靜磁場(chǎng)梯度；為最小回波間隔。目前大部分低場(chǎng)核磁共振分析儀的靜磁場(chǎng)梯度非常小，當(dāng)測(cè)量所用的較短時(shí)，擴(kuò)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(zhì)(含氫指數(shù)、黏度等)決定。煤的核磁共振研究以氫核為基礎(chǔ)，而氫核主要來(lái)自于水。水的自由弛豫時(shí)間為

(4)

煤中孔隙流體3種不同的弛豫機(jī)制對(duì)總的貢獻(xiàn)不同，自由弛豫項(xiàng)與擴(kuò)散弛豫項(xiàng)的貢獻(xiàn)均遠(yuǎn)小于表面弛豫項(xiàng)，因此孔隙流體的弛豫時(shí)間可近似表示為

(5)

假設(shè)，煤內(nèi)部為簡(jiǎn)單形狀的孔隙，則式(5)可轉(zhuǎn)化為與孔隙半徑的關(guān)系：

(6)

其中，為幾何形狀因子。對(duì)于狹縫型、圓柱型和球型孔，分別取1，2和3。進(jìn)一步地，可表示為

=

(7)

令=，為轉(zhuǎn)換系數(shù)。對(duì)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(guān)系，越長(zhǎng)，越大；的幅值越高，則對(duì)應(yīng)孔徑的孔隙體積就越大，這是應(yīng)用核磁共振譜進(jìn)行煤體孔隙結(jié)構(gòu)定量表征的基礎(chǔ)。

1.2 核磁共振凍融法

多孔介質(zhì)內(nèi)孔隙冰的熔點(diǎn)隨會(huì)孔徑的減小而降低；同時(shí)，冰的橫向弛豫時(shí)間(10 μs)遠(yuǎn)小于水的橫向弛豫時(shí)間(ms，s)。因此，核磁共振可以捕捉孔隙水凍結(jié)-融化過(guò)程的未凍水含量變化。以此為基礎(chǔ)，核磁共振凍融法(Nuclear Magnetic Resonance Cryoporometry,NMRC)通過(guò)記錄變溫條件下多孔介質(zhì)孔隙流體在相變過(guò)程的核磁信號(hào)量變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔介質(zhì)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(diǎn)的降低如下：

(8)

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

進(jìn)一步地，式(8)可以簡(jiǎn)化為

(9)

其中，為熔點(diǎn)下降常數(shù)。結(jié)合式(9)，孔隙體積分布可以表示為

(10)

液體核磁信號(hào)強(qiáng)度與孔隙體積成正比，則

(11)

對(duì)待測(cè)多孔介質(zhì)飽和探針液體，通過(guò)冷卻裝置進(jìn)行變溫操作，測(cè)量相變過(guò)程的液體變化量，從而獲得探針液體的融化(或凍結(jié))曲線，進(jìn)而可以轉(zhuǎn)化得到孔徑分布。需要注意的是，由于凍結(jié)過(guò)程亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)和自成核作用的隨機(jī)性，融化過(guò)程的熔點(diǎn)溫度變化相較于凍結(jié)過(guò)程更加真實(shí)。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(jìn)入微孔；但環(huán)己烷的(58.2 K·nm)高于水的(108～179 K·nm)，對(duì)溫度變化的敏感性更高。當(dāng)煤中含有較多黏土礦物時(shí)，水可能會(huì)與黏土礦物發(fā)生物化反應(yīng)，對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

圖2展示了通過(guò)飽和環(huán)己烷和水的核磁凍融法、壓汞法和氮?dú)馕椒ǖ玫降目讖椒植记€對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，核磁共振凍融法測(cè)孔范圍更廣，飽和水相較于飽和環(huán)己烷能測(cè)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(jiǎn)單可靠，能夠直接得到樣本的絕對(duì)孔徑，無(wú)需通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)換算，誤差更小。測(cè)試孔徑范圍為2～500 nm，尤其對(duì)納米孔隙有較高的分辨率。與壓汞和氮?dú)馕椒ㄏ啾?，測(cè)試過(guò)程沒(méi)有流體介質(zhì)轉(zhuǎn)移，能最大程度弱化孔隙復(fù)雜性帶來(lái)的影響。但其測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，一般為8 h左右。作為一種新興的核磁共振測(cè)孔方法，核磁共振凍融法在煤納米孔隙表征方面具有應(yīng)用前景。

圖2 NMRC孔徑分布與其他方法獲得的孔徑分布對(duì)比[22]

1.3 設(shè)備介紹

本文將低場(chǎng)核磁共振測(cè)孔法與其他測(cè)孔方法進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 常用的煤體測(cè)孔方法對(duì)比[4-5]

低場(chǎng)核磁共振在煤孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試方面具有無(wú)損、快速、精準(zhǔn)的特征，應(yīng)用廣泛。目前，國(guó)內(nèi)外主要的商業(yè)臺(tái)式核磁共振巖心分析儀的特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 國(guó)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(chǎng)頻率過(guò)低會(huì)丟失短弛豫組分，導(dǎo)致信噪比偏低；主磁場(chǎng)頻率過(guò)高會(huì)引起背景梯度場(chǎng)過(guò)強(qiáng)。常規(guī)的低場(chǎng)核磁共振分析儀僅能測(cè)試無(wú)溫度與壓力加載的煤樣，與實(shí)際煤層在深部所處的高溫高壓環(huán)境相差較遠(yuǎn)；僅能測(cè)試實(shí)驗(yàn)前、后的煤樣，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的孔隙演化與流體運(yùn)移。在常規(guī)分析儀的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加夾持器、溫壓加載和流體注入等模塊，可以開(kāi)發(fā)滿足高溫高壓環(huán)境的核磁共振分析與成像測(cè)試系統(tǒng)(圖3，4)，主要有五大關(guān)鍵單元：① 樣品倉(cāng)單元。即煤心夾持器，采用無(wú)磁、不含氫、耐高溫高壓的材料(Polyetheretherketone，PEEK材料)制作筒體，通過(guò)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(jìn)給單元?？蓪?shí)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(jì)量；④ 溫度壓力施加單元。以氟油為介質(zhì)，通過(guò)加壓、恒溫裝置對(duì)煤樣施加圍壓和溫度；⑤ 核磁測(cè)試單元。可實(shí)現(xiàn)樣本流體注入和溫壓加載過(guò)程的動(dòng)態(tài)測(cè)試，獲取煤樣譜和不同層位的成像圖。能施加三軸應(yīng)力的高溫高壓核磁分析儀則是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的方向。

圖3 高溫高壓核磁共振分析儀實(shí)物

通過(guò)高溫高壓核磁共振分析儀可模擬甲烷吸附/解吸/擴(kuò)散、注氣驅(qū)替、水力壓裂、應(yīng)力加卸載等過(guò)程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上述過(guò)程的煤樣孔隙演化與流體運(yùn)移規(guī)律。

圖4 高溫高壓核磁共振分析與成像測(cè)試系統(tǒng)

2 煤孔隙結(jié)構(gòu)分析體系

2.1 孔徑分布

利用低場(chǎng)核磁共振分析儀通過(guò)CPMG序列測(cè)試可以得到譜，關(guān)鍵的問(wèn)題是如何將分布轉(zhuǎn)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(jì)算，常需要結(jié)合氮?dú)馕角€或壓汞曲線來(lái)間接求取。

當(dāng)結(jié)合氮?dú)馕角€時(shí)，首先將氮?dú)馕綔y(cè)試結(jié)果通過(guò)BET模型得到孔表面積，通過(guò)BJH模型得到孔體積，進(jìn)而得到比表面積值；然后計(jì)算譜的對(duì)數(shù)平均值()；最后結(jié)合式(5)即可得到。的計(jì)算公式為

(12)

其中，2為第點(diǎn)的；為第點(diǎn)的幅值，為譜的總幅值。由于氮?dú)馕椒ㄖ饕獪y(cè)試吸附孔(<100 nm)，因此結(jié)合氮?dú)馕角€的方法獲得的對(duì)吸附孔發(fā)育為主的煤更加準(zhǔn)確。

結(jié)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(zhuǎn)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(jì)算公式為

圖5 結(jié)合壓汞曲線的最優(yōu)ρ2選取[24]

(13)

其中，為壓汞數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量；為壓汞法測(cè)得的孔徑；為不同表面弛豫率系轉(zhuǎn)換的核磁孔徑；()為核磁分布權(quán)重。結(jié)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(jié)果主要受喉道尺寸影響，而核磁結(jié)果受孔隙尺寸影響，當(dāng)煤中喉道尺寸與孔隙尺寸的比值變化較大時(shí)，壓汞曲線與核磁曲線并無(wú)密切相關(guān)性。

理論上，對(duì)比曲線的孔徑范圍越廣，則求得的轉(zhuǎn)換系數(shù)值越精確。因此，ZHENG等提出將氮?dú)馕椒ㄅc壓汞法的孔徑分布曲線相結(jié)合，首先得到近全尺度的孔徑分布曲線，然后與分布曲線進(jìn)行對(duì)比，得到轉(zhuǎn)換系數(shù)。該方法的精確度相對(duì)更高(圖6)。

圖6 結(jié)合氮?dú)馕角€和壓汞曲線確定ρ2[24]

(2)離心-法。對(duì)飽水煤樣進(jìn)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(duì)應(yīng)關(guān)系為

(14)

其中，為水的表面張力。對(duì)應(yīng)飽水-離心譜中的值，結(jié)合式(7)，可以得到轉(zhuǎn)換系數(shù)：

(15)

離心-法通過(guò)離心實(shí)驗(yàn)獲得特定孔隙半徑對(duì)應(yīng)的，從而得到轉(zhuǎn)換系數(shù)；并不適用于低變質(zhì)程度的煤(如褐煤、長(zhǎng)焰煤和氣煤等)，因?yàn)榈妥冑|(zhì)程度煤的機(jī)械強(qiáng)度較低，在高壓離心下易受損傷，破壞原始孔隙結(jié)構(gòu)。

上述2種轉(zhuǎn)換方法，橫向表面弛豫率法最為常用，因?yàn)樵摲椒ㄖ苯忧笕　５拇_定關(guān)系孔徑分布的準(zhǔn)確性，是核磁共振弛豫譜分析中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。一般認(rèn)為同一煤階、具有相似組成的煤對(duì)應(yīng)同一轉(zhuǎn)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(zhì)儲(chǔ)層，關(guān)于此類儲(chǔ)層的確定方法仍有待進(jìn)一步完善。將分布曲線轉(zhuǎn)化為孔徑分布曲線后，進(jìn)而可以對(duì)煤孔徑分布進(jìn)行定量化分析，通過(guò)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，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(jiàn)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(shí)際是一種聚類分析方法，每一個(gè)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(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)提出，是國(guó)際通用的多孔介質(zhì)孔徑劃分方法。Hodot法是針對(duì)煤的力學(xué)與滲透性質(zhì)的孔隙劃分，由于譜為lg 10進(jìn)制，Hodot的十進(jìn)制分類法對(duì)譜更加匹配。瓦斯相關(guān)法側(cè)重于瓦斯在煤中的賦存狀態(tài)，吸附孔是瓦斯的儲(chǔ)存空間，而滲流孔是瓦斯的流動(dòng)通道，該劃分方法對(duì)于瓦斯抽采更具指導(dǎo)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(guò)“飽水-離心”聯(lián)測(cè)法可以得到煤樣的，進(jìn)而將飽水譜劃分為自由流體與束縛流體2個(gè)部分(圖7(a))。自由流體位于連通、開(kāi)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(xì)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(qiáng)，在離心作用下不可脫出。自由流體空間有利于瓦斯的擴(kuò)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(duì)比[27]

的獲取是基于以下假設(shè)：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(xué)者發(fā)現(xiàn)，在左側(cè)仍有部分自由流體，在右側(cè)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(xì)分為3個(gè)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(cè)與離心譜重合的部分對(duì)應(yīng)完全束縛流體；中部與離心譜部分重合的區(qū)域?qū)?yīng)部分自由流體；右側(cè)僅飽水譜有信號(hào)的區(qū)域?qū)?yīng)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(qiáng)，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(xì)喉道孔和封閉孔隙中，無(wú)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(guò)飽水-離心聯(lián)測(cè)獲得，并沒(méi)有增加額外的實(shí)驗(yàn)量，但對(duì)孔隙流體的劃分較“單”法更為細(xì)致。

“飽和-離心”聯(lián)測(cè)法確定值時(shí)易受煤樣離心條件的限制：低變質(zhì)程度的煤(如褐煤等)在離心壓力下易損傷；較長(zhǎng)的離心時(shí)間導(dǎo)致測(cè)試煤樣數(shù)量受到限制。因此，很多學(xué)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(yù)測(cè)模型，僅需少量的離心實(shí)驗(yàn)即可建立煤的自由/束縛流體飽和度計(jì)算模型，但模型的準(zhǔn)確度和適用性尚待驗(yàn)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(guò)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出了預(yù)測(cè)值，與實(shí)際值很接近(圖8)。利用大數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)模型以及其他曲線分析模型，是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)之一。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)T2c值與實(shí)測(cè)值對(duì)比[29]

一維核磁共振譜存在基質(zhì)氫、水、甲烷信號(hào)重合、難以區(qū)分的問(wèn)題。不同流體在縱向弛豫時(shí)間、橫向弛豫時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)三個(gè)核磁維度的屬性不同：束縛水由于運(yùn)動(dòng)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(chǔ)上增加縱向弛豫時(shí)間維或擴(kuò)散系數(shù)維，通過(guò)2個(gè)維度交會(huì)實(shí)現(xiàn)不同含氫流體或同一含氫流體不同相態(tài)的精準(zhǔn)識(shí)別(圖9)。SUN等通過(guò)大量測(cè)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(guò)獨(dú)特的核磁共振響應(yīng)加以區(qū)分。二維核磁共振僅對(duì)飽和樣本單次測(cè)試即可定量識(shí)別不同流體，精準(zhǔn)且省時(shí)，在區(qū)分孔隙流體方面相較一維核磁共振更具優(yōu)勢(shì)。

圖9 二維核磁共振T1-T2譜示意[7]

當(dāng)高溫高壓夾持器中的煤樣內(nèi)同時(shí)存在水和甲烷時(shí)，為區(qū)分2種流體信號(hào)，可在測(cè)試時(shí)選擇屏蔽其中一相信號(hào)。當(dāng)測(cè)水信號(hào)時(shí)，可選擇普通水；當(dāng)測(cè)甲烷信號(hào)時(shí)，可選擇重水(DO)，從而消除水信號(hào)，得到甲烷譜。測(cè)試甲烷量越高，信號(hào)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(kāi)孔和閉孔。開(kāi)孔通過(guò)孔裂隙網(wǎng)絡(luò)與外界連通；閉孔為四周封閉孔隙，流體無(wú)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(luò)中的快速擴(kuò)散，將開(kāi)孔中水的弛豫時(shí)間縮短至無(wú)法檢測(cè)水平，從而區(qū)分開(kāi)孔和閉孔。研究發(fā)現(xiàn)，40% MnCl溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù))即可使水的核磁信號(hào)完全抑制(圖10)。該方法首先將煤樣完全飽水測(cè)試總孔譜，然后將飽水煤樣繼續(xù)飽和MnCl溶液(當(dāng)常壓飽和困難時(shí)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(zhǎng)時(shí)間，一般每隔24 h測(cè)試1次信號(hào)量，直到信號(hào)的變化幅度小于0.1%)，利用壓力差和質(zhì)量分?jǐn)?shù)差使Mn擴(kuò)散進(jìn)入開(kāi)孔，并測(cè)試飽MnCl溶液譜。由于開(kāi)孔中的水信號(hào)已被抑制，因此該狀態(tài)下的譜主要為閉孔中水的信號(hào)和少量基質(zhì)氫信號(hào)，將飽水譜與飽MnCl溶液譜作差即可得到開(kāi)孔譜。

圖10 MnCl2的核磁共振信號(hào)響應(yīng)[33]

孔隙連通性對(duì)于評(píng)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(cè)試開(kāi)/閉孔(>100 ℃干燥，開(kāi)孔水以氣態(tài)排出)，飽和MnCl溶液方法利用Mn擴(kuò)散測(cè)試閉孔，對(duì)煤的損傷更小(尤其是低變質(zhì)程度、容易熱破裂的煤)，測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)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(duì)比了頁(yè)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(lái)源于粉碎過(guò)程閉孔的打開(kāi)。CHANG等對(duì)比了煤心與不同粒徑煤屑的分布，發(fā)現(xiàn)對(duì)于部分煤樣，內(nèi)部大量的閉孔在粉碎后被打開(kāi)，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(guò)煤樣粉碎測(cè)試閉孔的方法的適用性需要更多的樣本進(jìn)行驗(yàn)證。另一方面，還有學(xué)者關(guān)注采用巖屑代替巖心測(cè)試孔徑分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)巖屑的尺寸合適時(shí)，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(dāng)取巖心較為困難時(shí)，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(shí)收集不同深度的鉆屑，通過(guò)核磁共振設(shè)備對(duì)鉆屑進(jìn)行快速測(cè)試與分析，反演鉆孔不同深度的孔隙結(jié)構(gòu)(圖11)。

圖11 巖心與不同尺寸巖屑的核磁共振T2譜對(duì)比[39]

2.4 孔隙度

一般認(rèn)為，孔隙度與核磁信號(hào)量存在線性相關(guān)關(guān)系，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔隙度樣品進(jìn)行定標(biāo)，得到核磁信號(hào)量-孔隙度的線性表達(dá)式，從而將煤樣核磁信號(hào)量轉(zhuǎn)換為孔隙度。孔隙度與單位體積的信號(hào)量關(guān)系為

=

(16)

其中，為標(biāo)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(hào)量。圖12為ZHANG等實(shí)驗(yàn)測(cè)得的孔隙度標(biāo)線，可以看出單位體積的核磁信號(hào)量與孔隙度均呈線性正相關(guān)關(guān)系，但由于不同學(xué)者的測(cè)試參數(shù)不同，標(biāo)線斜率會(huì)有所不同。此外，還可以將核磁孔隙度與其他常規(guī)方法測(cè)試得到的孔隙度對(duì)比，驗(yàn)證核磁孔隙度結(jié)果的準(zhǔn)確性。如圖13所示，核磁孔隙度與氦氣、水、稱重測(cè)孔隙度均十分近似。

圖12 核磁孔隙度標(biāo)定[40-43]

圖13 核磁孔隙度與其他方法孔隙度對(duì)比[28,44-47]

進(jìn)一步地，結(jié)合“飽水-離心”聯(lián)測(cè)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(duì)應(yīng)總孔隙度，離心譜對(duì)應(yīng)殘余孔隙度，飽水與離心譜的差譜對(duì)應(yīng)有效孔隙度(圖14)。有效孔隙度代表實(shí)際工程中瓦斯擴(kuò)散和滲流，壓裂液注入和返排的孔隙空間，是煤層氣儲(chǔ)量評(píng)估和致裂效果評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要采取有效的致裂增透技術(shù)，構(gòu)造連通孔裂隙滲流通道，打開(kāi)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(rùn)濕性

由于不同煤內(nèi)部極性官能團(tuán)和芳香環(huán)的數(shù)量不同，遇水會(huì)表現(xiàn)出親/疏水性的差異。煤對(duì)水的潤(rùn)濕性直接影響氣、水的產(chǎn)出效果。當(dāng)煤的親水性官能團(tuán)較多，芳香環(huán)數(shù)量較少時(shí)，表現(xiàn)為強(qiáng)水濕性；反之則表現(xiàn)為強(qiáng)疏水性?？筛鶕?jù)煤粉/樣飽和水后的核磁信號(hào)強(qiáng)度，分析不同煤的潤(rùn)濕性能。當(dāng)煤疏水時(shí)，水與煤基質(zhì)的表面作用力較弱，此時(shí)孔隙水的弛豫時(shí)間與自由態(tài)水的弛豫時(shí)間接近，約為3 000 ms；當(dāng)煤親水時(shí)，水與煤基質(zhì)表面的作用力較強(qiáng)，此時(shí)孔隙水的弛豫時(shí)間大大縮短，遠(yuǎn)小于自由態(tài)水的弛豫時(shí)間。

煤粉在飽水后的譜存在3個(gè)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(dāng)煤的親水性較強(qiáng)時(shí)，吸附態(tài)水峰和顆粒間水峰的占比較大；當(dāng)煤的疏水性較強(qiáng)時(shí)，自由態(tài)水峰的占比較大(圖15)。通過(guò)對(duì)比不同煤飽水譜分布的差異，可以初步定性地判斷煤的潤(rùn)濕性。

圖15 親水性煤粉與疏水性煤粉T2譜對(duì)比[50]

有學(xué)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(guān)關(guān)系(圖16)，越大，水分進(jìn)入微小孔隙越困難，相應(yīng)的表面接觸角越大。可以通過(guò)煤的接觸角和對(duì)煤的潤(rùn)濕性進(jìn)行相互驗(yàn)證。

圖16 T2gm與表面接觸角的關(guān)系[50]

(17)

近年來(lái)，關(guān)于利用二維核磁共振技術(shù)分析非常規(guī)儲(chǔ)層巖石潤(rùn)濕性的研究越來(lái)越多。通過(guò)二維核磁共振可以分析孔隙流體與基質(zhì)表面的接觸關(guān)系：在-譜中，潤(rùn)濕相流體具有表面弛豫機(jī)制，擁有更高的/值；結(jié)合-譜，能更好地區(qū)分孔隙流體/值變化，提高對(duì)潤(rùn)濕性的判別效果。當(dāng)煤心飽和雙相流體時(shí)，二維核磁共振弛豫譜可以同時(shí)表征兩者的潤(rùn)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(guò)程的譜變化也可以體現(xiàn)煤的潤(rùn)濕性差異。當(dāng)煤的水濕性較強(qiáng)時(shí)，表現(xiàn)出較高的自滲吸效率。借助空間頻率編碼技術(shù)，對(duì)煤樣滲吸過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，獲得樣品不同層位的水飽和度隨時(shí)間變化(圖18)，進(jìn)而分析煤的潤(rùn)濕性差異，這是當(dāng)前較為先進(jìn)的煤內(nèi)部潤(rùn)濕性精準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法。

圖18 煤自滲吸過(guò)程核磁測(cè)含水量隨時(shí)間變化

快速循環(huán)變場(chǎng)(Fast Field Cycling,FFC)核磁共振弛豫技術(shù)則是一種全新的無(wú)損、非侵入式的受限流體分子動(dòng)力學(xué)特征測(cè)試技術(shù)。該技術(shù)使磁場(chǎng)強(qiáng)度在幾kHz至100 MHz之間變換，測(cè)量縱向自旋弛豫率=1/隨磁場(chǎng)強(qiáng)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(duì)復(fù)雜孔隙網(wǎng)絡(luò)中水和油等擴(kuò)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(dòng)力學(xué)和輸運(yùn)特征。ZHOU等對(duì)致密砂巖進(jìn)行了測(cè)試，獲得了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度(0.01～10.00 MHz)下的分布曲線，提取第1峰、總峰和第2峰對(duì)數(shù)均值進(jìn)行擬合，得到了動(dòng)態(tài)表面親和參數(shù)，如圖19所示。第1峰、總峰和第2峰對(duì)應(yīng)的分別為2，1 000和∞，其中為1 000和∞分別對(duì)應(yīng)中等水濕和強(qiáng)水濕性。FFC在分析多孔介質(zhì)流體分子動(dòng)力學(xué)特征方面極具優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)前還沒(méi)有將此技術(shù)應(yīng)用于煤介質(zhì)的研究。

圖19 縱向自旋弛豫率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化[53]

靜態(tài)、動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試方法僅能分析煤表面潤(rùn)濕性，而核磁共振是少有的煤內(nèi)部潤(rùn)濕性測(cè)試方法，尤其是通過(guò)最新的空間頻率編碼技術(shù)，可以分析內(nèi)部不同層位的水飽和過(guò)程，精準(zhǔn)評(píng)價(jià)潤(rùn)濕性差異。核磁共振在研究液-固耦合作用方面有廣泛的應(yīng)用前景，借助低場(chǎng)核磁共振方法的煤的潤(rùn)濕性分析可以應(yīng)用于水力壓裂過(guò)程的水基壓裂液優(yōu)選、潤(rùn)濕性抑塵劑降塵效果評(píng)價(jià)、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(jié)合核磁孔隙度和孔徑尺寸相關(guān)參數(shù)，建立滲透率預(yù)測(cè)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(guān)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(dá)式為

(18)

式中，為與地層有關(guān)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(jì)算為

=

(19)

式中，為與地層有關(guān)系數(shù)。

許多學(xué)者將核磁滲透率模型的預(yù)測(cè)值與氦氣測(cè)滲透率或水測(cè)滲透率進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)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(shí)際的煤樣條件選擇合適的滲透率模型求取相關(guān)系數(shù)的具體值或針對(duì)現(xiàn)有的滲透率模型補(bǔ)充相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正。同時(shí)，由于煤的孔隙-裂隙介質(zhì)雙重發(fā)育，裂隙的滲流能力遠(yuǎn)大于孔隙，更需要開(kāi)發(fā)考慮裂隙發(fā)育狀況的滲透率預(yù)測(cè)模型。

3 應(yīng)用案例分析

3.1 致裂效果評(píng)價(jià)

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)采用不同致裂技術(shù)處理前、中和后期的煤樣譜進(jìn)行對(duì)比和分析，可以全面、定量、精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)致裂過(guò)程煤體孔隙結(jié)構(gòu)的演化，探究不同致裂增透技術(shù)或同一技術(shù)的不同參數(shù)對(duì)煤孔隙分布和流體運(yùn)移的影響規(guī)律，為致裂增透技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供相應(yīng)指導(dǎo)。表4為目前應(yīng)用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)進(jìn)行致裂效果評(píng)價(jià)的研究成果統(tǒng)計(jì)。

表4 基于低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的煤體致裂增透效果評(píng)價(jià)

以筆者團(tuán)隊(duì)在液氮循環(huán)冷沖擊致裂煤體的相關(guān)研究為例，介紹利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)進(jìn)行致裂效果評(píng)價(jià)的大致思路。首先，測(cè)試獲得了煤樣在液氮處理前、中、后的譜，如圖20所示。通過(guò)對(duì)比譜可以發(fā)現(xiàn)，譜的幅值增加、范圍拓寬，說(shuō)明液氮冷沖擊處理使煤的孔隙數(shù)量增加、尺寸擴(kuò)展。進(jìn)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?？梢钥闯?，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(guò)程的煤樣T2譜變化[48]

很多學(xué)者利用單重/多重分形理論對(duì)分布進(jìn)行了分析，通過(guò)分形參數(shù)評(píng)價(jià)了煤的孔徑分布特征。SUN等對(duì)具有典型的單峰、雙峰和三峰分布的煤樣的曲線進(jìn)行了多重分形解析，獲得了廣義分形維數(shù)譜(圖21)，進(jìn)而提取了多個(gè)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(guān)聯(lián)性。單重分形是基于壓汞曲線的分形方法，將曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榻茐汗€后進(jìn)行分析。單重/多重分形均是對(duì)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(duì)象在不同尺度的分形特征，分層次刻畫孔隙結(jié)構(gòu)，分析孔隙分布的復(fù)雜性和非均質(zhì)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(jì)算不同組分對(duì)應(yīng)譜面積相較于初始狀態(tài)的變化率，可以精細(xì)評(píng)價(jià)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(shí)間的變化，如圖22所示。隨著液氮冷沖擊時(shí)間的增加，自由流體空間顯著增加，束縛流體空間小幅減??；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(kuò)散和滲流?；谝阎目紫抖葮?biāo)線，將譜面積轉(zhuǎn)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(jìn)一步細(xì)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(guān)，而殘余孔隙度與冷沖擊次數(shù)負(fù)相關(guān)；有效孔范圍內(nèi)的中孔對(duì)液氮冷沖擊的敏感性最強(qiáng)；說(shuō)明液氮冷沖擊使孔隙尺寸擴(kuò)展，中大尺寸孔隙占比增加，同時(shí)部分封閉孔隙打開(kāi)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(shí)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(jié)合評(píng)價(jià)致裂效果，例如：① 將核磁孔隙度與稱重測(cè)孔隙度或氦氣測(cè)孔隙度對(duì)比，將核磁估算滲透率與氦氣/水測(cè)滲透率對(duì)比，驗(yàn)證致裂過(guò)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(xué)參數(shù)、滲透率等其他測(cè)試方法獲得的參數(shù)耦合，通過(guò)尋找不同物性參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，綜合評(píng)價(jià)煤的物理性質(zhì)變化。SUN,ZHENG和QIN等將核磁孔隙度與滲透率、波速進(jìn)行了回歸分析(圖23)，發(fā)現(xiàn)孔隙度與P/S波速呈負(fù)相關(guān)，而與滲透率呈二次函數(shù)正相關(guān)，并且相關(guān)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(chǎng)核磁共振技術(shù)在煤致裂效果評(píng)價(jià)方面有著廣泛的應(yīng)用，其主要有以下優(yōu)勢(shì)：① 在測(cè)試過(guò)程僅需對(duì)煤樣飽和水，不會(huì)損壞煤樣；特別地，對(duì)于部分水敏性煤(如低階煤)，測(cè)試時(shí)可采用其他含氫質(zhì)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(cè)試的煤樣尺寸相對(duì)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(cè)試或者力學(xué)測(cè)試的樣本尺寸一致，方便測(cè)試結(jié)果的耦合；③ 測(cè)試時(shí)間相對(duì)較短但卻能提供豐富的物理性質(zhì)信息，省時(shí)且高效。當(dāng)然，關(guān)于致裂效果評(píng)價(jià)的研究向著模擬原位條件下致裂過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)只能從宏觀水平研究目標(biāo)煤樣總的甲烷吸附/解吸量變化。甲烷CH同樣含有H質(zhì)子，采用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)試甲烷，可以將甲烷的吸附和解吸研究聚焦于微觀水平，動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)孔隙對(duì)甲烷的吸附與解吸，使甲烷在煤中的運(yùn)移過(guò)程可視化。

由于常規(guī)的低場(chǎng)核磁共振分析儀僅能測(cè)試無(wú)溫壓加載的煤樣，無(wú)法保壓測(cè)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(cè)試系統(tǒng)。在測(cè)試過(guò)程，首先，以?shī)A持器中的氟油為介質(zhì)，通過(guò)溫壓模塊對(duì)煤樣施加特定溫度和圍壓來(lái)模擬原位煤層環(huán)境。然后，控制甲烷進(jìn)、出口壓力及開(kāi)閉狀態(tài)實(shí)現(xiàn)甲烷在煤中的吸附、解吸、擴(kuò)散和滲流。具體地，關(guān)閉出口，逐步提高進(jìn)口甲烷壓力，模擬甲烷吸附過(guò)程；控制進(jìn)口壓力>出口壓力，模擬甲烷滲流過(guò)程；關(guān)閉進(jìn)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(guò)程。最后，利用核磁成像還可以監(jiān)測(cè)甲烷的運(yùn)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(gè)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(zhì)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(cāng)與樣本之間的空隙中，最長(zhǎng)，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(jìn)行甲烷的核磁共振測(cè)試前，首先需要對(duì)甲烷量進(jìn)行標(biāo)定，建立甲烷量與核磁信號(hào)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。QUAN等分別利用高階煤、人工砂巖和空樣品倉(cāng)對(duì)吸附態(tài)、顆粒間游離態(tài)和自由空間游離態(tài)甲烷進(jìn)行了標(biāo)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(kuò)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(jìn)一步地，QUAN，YAO和ZHENG等分別確定了甲烷質(zhì)量與核磁信號(hào)量的關(guān)系，如圖25所示(a和b來(lái)自QUAN等測(cè)試得游離態(tài)和吸附態(tài)甲烷；c和d來(lái)自YAO等測(cè)試得游離態(tài)和吸附態(tài)甲烷;e和f來(lái)自ZHENG等測(cè)試得游離態(tài)和吸附態(tài)甲烷;g來(lái)自SUN等測(cè)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(xiàn)不同，一般將2種信號(hào)分開(kāi)進(jìn)行標(biāo)定。受測(cè)試參數(shù)差異影響，不同學(xué)者測(cè)得的甲烷質(zhì)量與核磁信號(hào)量的對(duì)應(yīng)大小不同，但是在相同測(cè)試參數(shù)下，甲烷質(zhì)量與核磁信號(hào)量成正比，并且相同強(qiáng)度的核磁信號(hào)對(duì)應(yīng)的自由甲烷質(zhì)量要高于吸附甲烷。準(zhǔn)確的甲烷量-核磁信號(hào)量標(biāo)線是進(jìn)行核磁共振甲烷譜定量化分析的基礎(chǔ)。

圖24 不同壓力下的瓦斯T2譜標(biāo)定[74]

圖25 甲烷信號(hào)標(biāo)線[73-76]

本文展示了煤在等溫吸附過(guò)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(guó)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(cāng)間空隙的壓力有關(guān)。隨著甲烷壓力的升高，3個(gè)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(guò)程不同壓力下的T2譜[73]

ZHENG等還通過(guò)對(duì)吸附甲烷峰的面積量化，計(jì)算對(duì)應(yīng)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(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者十分接近，證明了核磁共振法測(cè)試吸附甲烷含量是準(zhǔn)確、有效的。

圖27 體積法與核磁法等溫吸附曲線對(duì)比[73-75]

通過(guò)核磁共振成像，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)瓦斯在煤心中的運(yùn)移與分布。熊武侯對(duì)煤心吸附飽和甲烷過(guò)程進(jìn)行了低場(chǎng)核磁共振實(shí)時(shí)成像，如圖28所示(其中，紅色代表CH信號(hào)，藍(lán)色代表煤基質(zhì)信號(hào))。隨著時(shí)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(kuò)散，在473 min后緩慢擴(kuò)散，并在633 min后達(dá)到飽和。甲烷擴(kuò)散過(guò)程受到壓力差和質(zhì)量分?jǐn)?shù)差作用，導(dǎo)致出氣口甲烷吸附量小于進(jìn)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(guān)。

圖28 瓦斯吸附過(guò)程的核磁共振成像[77]

相較于傳統(tǒng)的體積法測(cè)試甲烷吸附/解吸過(guò)程，低場(chǎng)核磁共振可以打開(kāi)煤內(nèi)部的“黑匣子”，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同相態(tài)甲烷的變化，使甲烷在煤心內(nèi)的運(yùn)移過(guò)程精細(xì)化、定量化，為探究煤與瓦斯耦合關(guān)系提供了一種全新的技術(shù)思路。該技術(shù)目前尚存在以下問(wèn)題：① 受儀器測(cè)試精度影響，有部分弛豫時(shí)間小于0.1 ms的吸附甲烷不被測(cè)到，因此難以直接對(duì)吸附甲烷進(jìn)行定量；② 煤樣中的原始水分信號(hào)會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾，在測(cè)試前需要特別注意；③ 對(duì)吸附甲烷的直接標(biāo)定需要更精準(zhǔn)的模型或方法；④ 當(dāng)甲烷信號(hào)量較少時(shí)，現(xiàn)有儀器的核磁共振成像存在較大難度。

3.3 注氣驅(qū)替

煤對(duì)CO，N，HO和CH的吸附能力不同，當(dāng)多流體共存時(shí)會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)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(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯并通過(guò)抽采管路(井)抽出，達(dá)到強(qiáng)化開(kāi)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(chǔ)層；CO對(duì)煤的吸附能力是CH的2～10倍，驅(qū)替效率更高，同時(shí)CO吸附存儲(chǔ)于煤層中還能起到地質(zhì)封存作用，但CO的吸附膨脹會(huì)使煤層滲透率降低，也會(huì)帶來(lái)突出風(fēng)險(xiǎn)，適合高滲透儲(chǔ)層；HO對(duì)煤的吸附能力遠(yuǎn)大于CH，當(dāng)注入熱水(蒸汽)時(shí)還會(huì)促進(jìn)甲烷的解吸，但在部分煤層可能會(huì)存在水鎖或黏土礦物水化膨脹阻塞滲流通道的問(wèn)題。

在多流體核磁共振實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先對(duì)樣品倉(cāng)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(dá)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(fù)壓瓦斯抽采過(guò)程；最后，注入CO，N或HO等流體，驅(qū)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(hào)相互干擾，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，驅(qū)替過(guò)程需確保驅(qū)替相和被驅(qū)替相中僅有一相含H信號(hào)：當(dāng)CO或N驅(qū)CH時(shí)，僅有CH具有氫信號(hào)，因此可以通過(guò)CH的核磁譜或成像圖推測(cè)2種流體的相對(duì)增減過(guò)程；當(dāng)HO驅(qū)CH時(shí)，為避免2種含氫信號(hào)相互干擾，需要將HO替換為DO(重水)，從而屏蔽水信號(hào)，僅測(cè)試甲烷信號(hào)。

ZHENG等測(cè)試的無(wú)煙煤在吸附、解吸以及二氧化碳循環(huán)驅(qū)替甲烷過(guò)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(guò)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(qū)替后，吸附甲烷逐漸離開(kāi)吸附位，轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x甲烷；在循環(huán)驅(qū)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(qū)替CH4過(guò)程的CH4譜變化[75]

進(jìn)一步，可以測(cè)試驅(qū)替過(guò)程不同時(shí)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(qū)替過(guò)程的甲烷生產(chǎn)率，即

(20)

其中，為時(shí)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(jì)算了不同學(xué)者進(jìn)行的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的甲烷生產(chǎn)率，如圖30所示(其中，a和b來(lái)自KANG等測(cè)試的煤在氮?dú)怛?qū)甲烷過(guò)程的吸附甲烷和游離甲烷生產(chǎn)率；c和d來(lái)自ZHENG等測(cè)試的無(wú)煙煤在解吸和二氧化碳驅(qū)替過(guò)程的甲烷生產(chǎn)率；e來(lái)自熊武候等測(cè)試的二氧化碳驅(qū)甲烷過(guò)程的甲烷生產(chǎn)率)。氮?dú)馀c二氧化碳驅(qū)替相較于單純的負(fù)壓解吸具有更高和更快的甲烷生產(chǎn)率(>44.6%)；驅(qū)替過(guò)程游離甲烷的生產(chǎn)率高于吸附甲烷，但隨著驅(qū)替時(shí)間的增加，游離與吸附甲烷的生產(chǎn)率最終均能達(dá)到較高水平。JIANG等還通過(guò)MRI監(jiān)測(cè)了驅(qū)替過(guò)程不同流體信號(hào)的變化，如圖31所示(其中，紅色代表HO，藍(lán)色代表CO)。在2種流體構(gòu)成的體系中，通過(guò)其中一種流體信號(hào)(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(qū)替裝置僅能通過(guò)進(jìn)、出口流量及氣體性質(zhì)推斷驅(qū)替過(guò)程，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)可以直接、實(shí)時(shí)、定量地監(jiān)測(cè)驅(qū)替過(guò)程甲烷的運(yùn)移與分布，將驅(qū)替過(guò)程可視化、精細(xì)化。

圖30 驅(qū)替過(guò)程產(chǎn)氣率變化[75,77-78]

圖31 CO2驅(qū)替水過(guò)程的核磁成像[80]

3.4 應(yīng)力敏感性

煤本身的機(jī)械強(qiáng)度較低，具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。開(kāi)采過(guò)程中有效應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)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(jìn)而影響煤層氣產(chǎn)量。通過(guò)高溫高壓核磁共振分析與成像測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)飽和水煤樣施加不同的應(yīng)力路徑，可以分析孔裂隙的應(yīng)力敏感性，尤其適合探究深部煤炭開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)煤體孔裂隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。應(yīng)力敏感性測(cè)試的核心是對(duì)夾持器內(nèi)的煤樣施加不同的圍壓，當(dāng)無(wú)流體注入壓力時(shí)，圍壓即為有效應(yīng)力；當(dāng)存在流體注入壓力時(shí)，圍壓與流體注入壓之差為有效應(yīng)力。圍壓的逐級(jí)升高與降低可以代表實(shí)際加、卸載過(guò)程的有效應(yīng)力變化。對(duì)不同壓力下的飽和水煤樣進(jìn)行譜測(cè)試，對(duì)比孔徑分布、孔隙度和孔隙分量變化，預(yù)測(cè)相對(duì)滲透率，計(jì)算孔隙壓縮系數(shù)，可以分析有效應(yīng)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(cè)試的完整煤心在圍壓增加過(guò)程的核磁共振譜，如圖32所示。隨著圍壓(即有效應(yīng)力)的增加，譜幅值呈減小趨勢(shì)，這主要是壓力增大孔隙收縮閉合所導(dǎo)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(shuō)明大尺寸孔裂隙有更強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。

圖32 不同圍壓加載下的煤樣T2譜[84]

進(jìn)一步，將譜劃分不同的組分并計(jì)算對(duì)應(yīng)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(duì)變化率隨圍壓的變化。孔隙組分相對(duì)變化率Δ的計(jì)算公式為

(21)

其中，為圍壓下孔隙組分對(duì)應(yīng)的譜面積;為初始常壓下孔隙組分對(duì)應(yīng)的譜面積。DANIEL等對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(duì)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(jié)了不同學(xué)者對(duì)于孔隙組分隨圍壓變化的相關(guān)研究結(jié)果，其中a和b來(lái)自DANIEL測(cè)試的人造巖心的束縛/自由流體；c來(lái)自HOU等測(cè)試的高階煤心總孔；d和e來(lái)自ZHANG等測(cè)試的煤心吸附孔和滲流孔；f，g和h來(lái)自ZHAO等測(cè)試的煤心總孔、吸附孔和滲流孔；i來(lái)自ZHU等測(cè)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(zhì)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(shuō)明滲流孔的應(yīng)力敏感性更顯著，主導(dǎo)滲流行為；總孔呈指數(shù)下降趨勢(shì)。

圖33 不同孔隙組分隨圍壓變化[82-86]

對(duì)于飽和水煤心，譜面積可以代表對(duì)應(yīng)孔隙的體積，因此可以利用譜面積計(jì)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(shí)對(duì)應(yīng)的體積，不同尺度孔隙在圍壓與時(shí)的譜面積之比=/=/，其中和為不同孔隙在圍壓與時(shí)對(duì)應(yīng)的譜面積。根據(jù)此方法，劉廳、HOU和ZHAO等計(jì)算了孔隙壓縮系數(shù)隨有效應(yīng)力的變化，如圖34所示(其中a，b和c來(lái)自劉等測(cè)試的單裂縫頁(yè)巖的總孔、吸附孔和滲流孔壓縮系數(shù)；d，e和f來(lái)自HOU等測(cè)試的完整高階煤的總孔、不可動(dòng)孔和可動(dòng)孔壓縮系數(shù)；g，h和i來(lái)自ZHAO等測(cè)試的單裂縫煤的總孔、吸附孔和滲流孔壓縮系數(shù))?？偪住⑽娇缀蜐B流孔壓縮系數(shù)均隨有效應(yīng)力呈指數(shù)下降，當(dāng)圍壓增加到一定程度后，壓縮系數(shù)的減小趨緩。對(duì)于每組試樣，壓縮系數(shù)對(duì)有效應(yīng)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(yīng)力敏感性也越高。

圖34 壓縮系數(shù)隨有效應(yīng)力變化[84,86-87]

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

圖35 含裂隙煤心在圍壓增加過(guò)程的MRI圖[84]

與常規(guī)的應(yīng)力敏感性測(cè)試方法相比，利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)分析孔裂隙應(yīng)力敏感性，首先其測(cè)試結(jié)果與常規(guī)方法的測(cè)試結(jié)果是對(duì)應(yīng)的，證明了該方法的可靠性；其次，該方法通過(guò)將譜細(xì)分可以得到不同孔隙組分的應(yīng)力敏感性，研究結(jié)果更加細(xì)致。但是該方法僅能測(cè)試煤巖在飽和水相條件下的孔裂隙應(yīng)力敏感性，無(wú)法進(jìn)行氣相或部分飽和水條件下的測(cè)試。

4 結(jié) 語(yǔ)

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)通過(guò)測(cè)試孔隙含氫流體在外加磁場(chǎng)下的弛豫過(guò)程同時(shí)得到孔隙結(jié)構(gòu)與流體分布信息。橫向弛豫時(shí)間與孔徑存在正比關(guān)系：越長(zhǎng)，孔徑越大；幅值越高，對(duì)應(yīng)孔徑的孔隙體積就越大。

結(jié)合氮?dú)馕交驂汗目讖椒植记€，可以得到轉(zhuǎn)換系數(shù)，進(jìn)而將分布曲線轉(zhuǎn)換為孔徑分布曲線。在“飽水-離心”聯(lián)測(cè)法的基礎(chǔ)上，“雙法”可以將孔隙流體細(xì)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(shí)別水、甲烷信號(hào)方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。利用MnCl溶液可以消除水信號(hào)的特性可以測(cè)試連通孔隙。有效孔隙度是煤層氣儲(chǔ)量評(píng)估和致裂效果評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)煤樣自滲吸過(guò)程或煤粉飽水過(guò)程的譜或二維核磁共振譜可以分析煤的潤(rùn)濕性差異。

基于低場(chǎng)核磁共振的煤體物理性質(zhì)表征體系可以應(yīng)用于不同致裂增透技術(shù)的致裂效果評(píng)價(jià)。結(jié)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(shí)現(xiàn)瓦斯吸附與解吸、注氣驅(qū)替、應(yīng)力敏感性等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的煤心核磁共振測(cè)試傾向于模擬深部原位煤層環(huán)境的實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。核磁測(cè)試與分析傾向于由一維到二維-，-，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)，提升核磁物理性質(zhì)表征的準(zhǔn)確性和豐富性。鉆屑分析與微型核磁共振分析儀開(kāi)發(fā)則是下一步低場(chǎng)核磁共振技術(shù)應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方向。

5 應(yīng)用展望

(1)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的煤心核磁共振測(cè)試傾向于模擬深部原位煤層環(huán)境的三軸應(yīng)力+高溫條件下的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。目前大多數(shù)的煤心測(cè)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(yuǎn)，其測(cè)試結(jié)果也必然存在較大誤差。尤其在我國(guó)煤炭開(kāi)采轉(zhuǎn)入深部的趨勢(shì)下，高地應(yīng)力與高地溫的影響將成為不可忽略的因素。利用低場(chǎng)核磁共振測(cè)試速度較快的優(yōu)勢(shì)，配套相應(yīng)的溫壓加載裝置和電磁兼容設(shè)計(jì)，可以連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)煤心在三軸高溫條件下致裂損傷過(guò)程的孔隙結(jié)構(gòu)演化，打開(kāi)煤心內(nèi)部孔隙變化與流體運(yùn)移的“盲盒”。

(2)低場(chǎng)核磁共振測(cè)試與分析傾向于由一維到二維-，-，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)，提升核磁物理性質(zhì)表征的準(zhǔn)確性和豐富性。一維核磁共振譜存在不同流體信號(hào)重疊的問(wèn)題，而二維核磁共振在流體特征區(qū)分方面則獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。二維核磁共振對(duì)煤介質(zhì)分析的適用性及結(jié)果的精細(xì)定量化仍是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。近幾年，利用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的核磁數(shù)據(jù)深度分析是石油測(cè)井領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，這也為煤的核磁共振測(cè)試與分析提供了啟發(fā)。利用計(jì)算機(jī)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(jìn)一步應(yīng)用。

(3)鉆屑是低場(chǎng)核磁共振在煤礦現(xiàn)場(chǎng)分析的紐帶，而微型核磁共振分析儀則是下一步儀器的開(kāi)發(fā)方向。當(dāng)前絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試都是對(duì)大尺寸煤塊取心后測(cè)試，但煤礦現(xiàn)場(chǎng)井下取心困難。煤礦井下有大量的鉆孔，取鉆屑是簡(jiǎn)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(chǎng)進(jìn)行測(cè)試分析，可以獲得大量豐富的煤層物理性質(zhì)信息。進(jìn)一步，開(kāi)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(shí)時(shí)采集水或者瓦斯信息，這對(duì)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(kāi)發(fā)。