液氮冷冲击作用对煤岩微纳米尺度孔隙结构及力学性质的影响

杨睿月 丛日超 刘 晗 黄中伟 温海涛 洪纯阳

1.油气资源与探测国家重点实验室·中国石油大学（北京） 2.中国石油大学（北京）煤层气研究中心

3.中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院

0 引言

我国煤层气资源丰富，但是开采难度大，煤层气井产气量普遍较低[1]。为了提升煤层气储层渗透性，我国90%煤层气地面开采井进行了水力压裂[2]，但是由于煤岩脆性指数小，无论是垂直井、丛式井或水平井，直接在碎软煤层中压裂，裂缝延伸长度短，煤层气井泄流半径小，单井产气量低并且衰减快，水力压裂改造效果有待进一步提高[3]。现阶段我国煤层气储层改造技术面临以下3个方面的问题：①受到煤岩特征的影响，煤层气储层压裂产生长缝的难度大；②压裂液阻碍了气体的产出；③水力压裂需要消耗大量的水资源，同时压裂液对环境造成污染，并且后期处理困难[4-5]。

液氮具有超低温（常压下温度为－196 ℃）、低黏度、无色、无臭、无腐蚀性、不可燃并且成本低的特点[6]，将其应用到页岩、煤岩的储层改造中，已逐步受到关注[7]。自20世纪90年代以来，国内外对液氮伴注及液氮压裂页岩、煤岩等非常规储层展开了大量研究[8-9]。在液氮冻结或冻融对岩石的损伤劣化作用机制方面，前人通过电镜扫描（SEM）、CT扫描、核磁共振（NMR）、声发射探测、单轴/三轴伺服加载等方法测试了岩样经液氮冷浸后物理参数（密度、波速、渗透率、孔隙度）和宏观力学性质（应力—应变、抗压强度、抗拉强度、弹性模量和泊松比等）的改变[10-13]，揭示了冻结致裂机理[14-15]。研究结果表明：在液氮作用下岩石的损伤程度增加、渗透率和孔隙度增加、波速降低、抗拉和抗压强度降低、弹性模量降低、应力—应变曲线上出现了诸多由微破裂导致的应力突降点。在储层改造方面，国内外学者就液氮压裂[8,16-18]、液氮辅助氮气压裂[19-20]、液氮伴注水力压裂[21]、液氮喷射压裂[6]等方面进行了现场试验、室内试验和数值模拟。研究结果表明相比于清水压裂，液氮压裂会显著降低裂缝起裂和扩展压力；液氮压裂所形成的裂缝网络由“近井筒热损伤区即热应力微裂缝＋主裂缝＋天然裂缝”组成。其原因在于以下3个方面：①液氮急剧冷却井周岩石，使其体积收缩并产生拉应力。热应力诱导的井周周向拉应力远大于流体压力诱导的井周周向拉应力，利于降低裂缝起裂压力，并且造成大面积岩石损伤破裂。②液氮与储层岩石之间的热交换会改变流体渗流场和岩石应力场，流体压力和热应力叠加后诱导的拉应力大于远场地应力对岩石产生的压应力，从而使附近岩石更容易发生裂缝扩展。③热应力诱导产生的微裂缝和孔洞，有助于原始裂隙的扩展与连通，从而增加近井地带储层渗透率，构建起由水力裂缝—天然裂缝—热应力微裂缝组成的裂缝网络体系。此外，温度压力变化引起的液氮相变可以进一步促进裂缝扩展与缝网的形成。

因此，液氮压裂是提高煤层气储层改造效率的潜在可行性技术之一。我国包含多种煤阶的煤层，并且煤是一种非均质性和各向异性都极强的多孔介质[22]，对于不同变质程度、不同尺度的煤岩，液氮的致裂增透效果也不同[23]。煤岩渗透率及宏观力学性质主要受到煤岩组成、层理层面、孔隙/裂隙等宏观结构的影响，而在研究液氮作用下煤岩渗流能力及力学性质的改变时，则需要消除上述因素的影响。目前，对于液氮作用下煤岩孔喉连通性及微观渗流特征的可视化研究较少，导致液氮冷冲击作用对煤岩微纳米尺度渗流特征与力学性质的影响机制尚不清楚。此外，目前的研究多是针对煤岩宏观力学性质开展，而液氮对煤岩微纳米尺度力学性质的影响机制研究较少，尤其是液氮冷冲击作用下煤岩基质和矿物分别会发生怎样的响应？煤岩经液氮冷冲击作用后微纳米尺度孔隙结构的变化如何影响其力学性质？为此，笔者基于CT扫描和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，缩写为AFM）来研究液氮冷浸前后煤岩微纳米尺度孔隙结构及力学性质的变化，从微纳米尺度揭示液氮冷冲击作用对煤岩渗流能力的影响机制，以期为液氮压裂煤层提供理论依据。

1 煤样准备与实验过程

1.1 煤样准备

实验煤样选自沁水盆地寺河煤矿3号煤层，显微组分中镜质体反射率为3.1%，煤样的工业分析、无机矿物组分含量如表1、2所示，煤样为干燥样品。根据扫描精度要求对岩样进行切割、氩离子抛光。首先，将岩样置于恒温干燥箱中加热到50 ℃（模拟煤岩储层温度）。然后，将煤样放入液氮中冷浸20 min。最后，将处理后的煤样用锡纸包裹并放入真空袋中密封保存。

表1 煤样工业分析数据表

表2 煤样无机矿物组成及线性热膨胀系数统计表

1.2 CT扫描实验过程

将CT扫描[25]与图像处理技术[26]相结合，笔者建立煤岩样品三维数字岩心模型，利用VG软件进行煤岩孔隙结构三维可视化，开展孔隙特征分析。在此基础上，采用AVIZO软件进行孔喉连通性分析和渗透率模拟，研究煤岩在液氮冷浸前后微观孔隙结构和渗流特征的变化。此次CT扫描实验依据《无损检测工业计算机层析成像（CT）检测通用要求：GB/T 29070—2012》[27]进行，所使用仪器为美国通用电气公司生产的纳米CT扫描仪，其基本参数见表3。

表3 纳米CT扫描仪基本参数统计表

利用CT扫描仪对煤岩样品进行扫描的实验过程如下：①样品扫描，将煤样固定在CT扫描仪的载物台上，调节扫描仪设备参数（测试电压为100 kV，测试电流为135 mA，扫描分辨率为0.60 μm），对煤样整体进行扫描，每个样品形成1 400张投影照片；②三维重建，为去除伪影进行了滤波降噪处理，使用Datos软件进行三维重建，并将重建好的数据导入VG软件，获得了煤岩孔隙结构三维可视化模型，导出二维切片图；③数据分析，利用VG软件和AVIZO软件对三维模型数据进行煤样微观孔隙结构特征分析。

1.3 原子力显微镜观测实验过程

此次实验采用的原子力显微镜为生物型快速原子力显微镜（Bio-FastScan AFM）。实验扫描区域的长度、宽度、高度分别为5 μm、5 μm、3.5 μm，扫描速度为0.8 Hz，峰值力为70 nN，振幅为30 nm。采用的探针型号为OMCL-AC160TN-R3，针尖长度为14 μm，半径为7 nm，共振频率为300 kHz，弹性系数为26 N/m。

利用AFM测量煤岩微纳米尺度力学性质的实验过程如下：①测前校正，在扫描煤样之前，需要对实验仪器及探针进行校正；②样品扫描，利用峰值力轻敲模式的力学性能量化模块对液氮冷浸前后的煤岩样品进行扫描；③数据分析，利用原子力显微镜数据专业处理软件NanoScope Analysis对扫描得到的数据进行处理，可以获得测试煤样的表面形貌特征及微纳米尺度力学性质特征参数。

实验测得的形貌数据采用平面化处理，以展示形貌的三维特征细节。力学性质特征参数为原始测定值，没有经过特殊处理。

2 煤岩微观孔隙结构特征

2.1 煤岩样品切片

CT成像基于不同材质的密度差异，呈现不同的灰度信息，通过灰度阈值分割选取不同组分进行分析。CT扫描的煤样二维水平切片显示，高密度组分呈现亮白色（如黄铁矿），中等密度组分呈现浅灰色（如石英、碳酸盐矿物、黏土矿物），低密度组分呈现深灰色（如有机质），孔隙和裂缝则呈现黑色，红色和蓝色框分别对应后续进行AFM测试选定的煤岩矿物区域和基质区域；液氮冷浸后，可以清晰地看到一条横穿岩样的裂缝，并伴随有分支裂缝和诸多孔洞（图1）。可以看出，煤岩经过液氮冷浸处理后内部产生温度梯度和热应力，当热应力大于煤岩抗拉强度时会产生微裂缝和微孔洞，从而改变煤岩内部孔喉结构和渗透性。

2.2 液氮冷浸前后煤岩孔隙分布特征

煤样在液氮冷浸前后的三维孔隙结构重构模型如图2所示，基质呈现灰色，孔隙（包含裂缝）通过VG软件进行渲染处理。液氮冷浸前，煤样内部多为微纳米级的小孔，孔隙体积介于0.81～1 749.39 μm3，平均为2.22 μm3，孔隙度为0.03%；液氮冷浸后，煤样内部孔隙体积增大，并且形成了多条带状微裂缝，孔隙体积介于0.86～16 012.52 μm3，平均为78.74 μm3，孔隙度为0.1%。可以看出，经过液氮低温冷浸后，煤岩孔隙数量增加，并且孔隙尺度增大。究其原因，认为是煤岩中含有多种矿物组分，当矿物颗粒的热膨胀系数存在较大差异时，颗粒与颗粒之间会发生非协调变形，进而产生错动，有利于孔隙和裂缝相互沟通，从而形成尺度更大的孔隙和微裂缝。

根据煤岩孔隙直径分类标准[20,28]（表4），进一步对比液氮冷浸前后煤岩孔隙的分布特征。XOДOT[28]认为微孔构成煤层气的吸附区域，小孔构成煤层气的毛细管凝结和扩散区域，中孔构成煤层气缓慢层流渗透区域，而大孔则构成剧烈层流渗透区域。如图3所示，在此次CT扫描精度下，液氮冷浸前，测试煤样以大孔为主（孔隙直径介于1.000～10.000μm），其分布频率为99.9%，体积占比为92.3%；液氮冷浸后，测试煤样内部微裂缝（孔隙直径大于10.000 μm）比例增加，其分布频率由0.1%增至13.8%，体积占比也由7.7%增至90.0%；同时，大孔数量减少，其分布频率降至86.2%，体积占比降至10.0%。由此可见，液氮的冷冲击作用导致煤样内部产生了新裂缝，同时诱导原始裂缝扩展，改善了煤层气的运移空间。

表4 煤岩孔隙分类标准统计表

2.3 液氮冷浸前后煤岩孔喉连通性

特征单元体（Representative Elementary Volume，缩写为REV）是在CT三维孔隙结构重构模型中选取的物理性质比较稳定的区域。通过REV在反映煤岩微观结构特征的同时，还可以减少数据处理过程中计算机的运算量和运行时间。根据本文参考文献[29-30]提出的REV选取方法，确定煤岩REV为边长300 μm的立方体区域，在此基础上开展孔喉连通性分析和渗透率模拟。

如表5所示，液氮冷浸后，煤岩喉道数量、总长度、总体积均呈现不同程度的增加，与液氮冷浸前相比，上述喉道特征参数分别增加了1.7倍、1.4倍和1.3倍。如图4所示。液氮冷浸前，煤岩内喉道长度主要介于3～6 μm，喉道长度介于4～5 μm的喉道数量占比为44%；液氮冷浸后，形成了液氮冷浸前不存在的长度介于1～3 μm的小尺寸喉道，并且其数量占比达4%，这些喉道是在液氮冷冲击作用下形成的；此外，液氮冷浸后，长度大于6 μm的喉道数量增加，尤其是液氮冷浸前不存在的长度大于12 μm的喉道，在液氮冷浸后数量占比达7%。可以看出，液氮冷浸有助于增加煤岩内部喉道的长度，进而改善孔喉连通性。

表5 煤岩REV内部喉道数据统计表

喉道半径与孔喉连通性关系密切，是表征喉道特征的另一个重要参数。如图5所示，液氮冷浸前，煤岩内部以半径为0.3～0.4 μm的喉道为主，其数量占比达99.0%，相应喉道体积占比为95.5%，仅有极少的、半径大于0.4 μm的喉道；液氮冷浸后，喉道半径分布变得分散，其中半径介于0.2～0.3 μm的喉道数量占比为48.3%，半径大于0.4 μm的喉道数量明显增多；相较于液氮冷浸前，液氮冷浸后半径大于0.4 μm的喉道体积占比由4.4%增至74.0%。可以看出，液氮冷浸扩大了原有的喉道半径，同时有助于形成新的喉道，增大了孔喉连通空间。

为了直观反映煤样内部孔隙与喉道之间的连通性，利用AVIZO软件建立煤岩REV的球棍模型，并且进行孔喉连通性评价[30-31]。在球棍模型中，红色节点代表孔隙，连接线代表喉道。在表证连通性时，颜色越红则表示喉道尺寸越大，连通性越好。如图6所示，液氮冷浸前，煤岩内部孔喉连通性较差，并且以微纳米级的小孔隙为主；液氮冷浸后，煤岩内部的红色节点和连接线数量显著增加，并且形成一条贯穿研究区的裂缝。如图7所示，裂缝的出现增加了连通的孔隙数量。因此，液氮对煤岩的冷冲击作用有助于形成新的喉道、裂缝，从而改善煤岩内部孔喉连通性。

2.4 液氮冷浸前后煤岩绝对渗透率测定及渗流模拟

渗透率是影响煤层气产能和采收率的关键因素[32]。采用AVIZO软件对煤样REV进行绝对渗透率测定及渗流模拟。以甲烷气体为流动相，进口压力设置为3.5 MPa，总流量设置为7.66×106μm3/s。煤样在液氮冷浸前后的渗流模拟结果如图8所示，从中可以看出，液氮冷浸前煤样绝对渗透率较低（仅0.025 3 mD），微纳米尺度的孔隙—喉道结构为主要渗流通道；液氮冷浸后，热应力作用使得煤岩内部形成新的微裂缝，微裂缝成为主要的渗流通道，改善孔喉连通性，进而提高煤样绝对渗透率（达1.956 0 mD），为液氮冷浸前的77倍。在实际生产过程中，煤层气运移的主要通道为割理和其他开放性裂隙，割理的尺寸、间距、连通程度是影响煤层气产量的关键因素[33-34]。若能够激活各级割理、裂隙，打通流动通道，形成主次相融、流动通畅的网络，则可以显著提高煤层气井的产能。在液氮冷冲击作用下，煤岩内部形成多条微裂缝，有助于建立起微裂缝与割理、割理与割理、割理与人工裂缝之间的连接，从而构建高效连通的裂缝网络。

3 煤岩微纳米尺度力学性质特征

采用AFM分别测量了煤样基质区域和矿物区域在液氮冷浸前后的表面形貌特征和弹性模量。

3.1 液氮冷浸前后煤岩表面形貌特征

针对选定的测试煤样基质区域和矿物区域，分别测量液氮冷浸前后煤样表面形貌特征。如图9所示，液氮冷浸后煤岩基质和矿物区域都有孔洞形成；对于煤样基质区域，较之液氮冷浸前，形成了大的孔洞和连通的微裂缝（图9-a、c）；对于煤样矿物区域，较之液氮冷浸前，形成了多个孔洞及连通的微裂缝（图9-b、d）。液氮冷浸前，煤样基质区域表面粗糙度算术平均值（Ra）[35]为2.64 nm，液氮冷浸后Ra=11.10 nm；矿物区域在液氮冷浸前Ra=12.3 nm，液氮冷浸后Ra=30.1 nm。可以看出，液氮冷浸后煤岩表面粗糙度明显增加。这是由于液氮的冷冲击作用使得煤岩中形成了新的孔洞和微裂缝，增加了煤岩表面形貌特征的复杂度。另外，在液氮压裂过程中粗糙度增加有利于形成自支撑裂缝。

3.2 液氮冷浸前后煤岩弹性模量

在选定的测试煤样基质区域和矿物区域，分别测量液氮冷浸前后煤岩的弹性模量。如图10、11所示，液氮冷浸后煤岩基质和矿物的弹性模量都有所下降，这说明煤岩内部损伤程度增加，岩石力学性质发生劣化。液氮冷浸前，基质区域弹性模量介于0.90～1.90 GPa，平均值为1.32 GPa；液氮冷浸后，弹性模量介于0.17～0.39 GPa，平均值为0.25 GPa，与液氮冷浸前相比弹性模量平均值降低了81.06%。相比于煤岩基质，矿物的弹性模量较高（9.20～95.40 GPa），液氮冷浸前的平均值为19.90 GPa；液氮冷浸后，矿物区域弹性模量介于0.32～2.57 GPa，平均值为1.82 GPa，降低了90.85%。在液氮冷冲击作用下，一方面会使煤基质收缩，另一方面由于不同矿物颗粒的热膨胀系数不同，矿物颗粒在不同方向上会发生不同程度的变形。因此，煤岩基质与矿物之间、矿物与矿物之间的非协调变形产生了应力集中，引起煤岩内部损伤开裂，从而使得弹性模量显著下降。热膨胀系数非均质程度越高，这种非协调变形现象越明显，基质—矿物边界处、不同矿物颗粒边界处越容易产生裂缝。同时，由于受到应力的作用，煤基质内部和矿物颗粒内部也会发生变形、开裂，形成微细观缺陷，进而对煤岩的力学性质产生显著影响。综上所述，在液氮冷冲击作用下，煤岩微观孔隙结构发生改变，使得煤岩微纳米尺度力学性质发生变化，进而影响煤层的渗透率及宏观力学性质。因此，明确液氮冷冲击作用对煤岩力学性质的尺度效应将成为今后的研究重点。

4 结论

1）CT扫描结果显示，液氮冷浸后，煤岩孔隙数量和孔隙尺度均增大，此次实验条件下孔隙度增大2倍，并且微裂缝占主导，微裂缝体积占比由液氮冷浸前的7.7%增至90.0%。

2）基于CT三维孔隙结构重构模型，液氮冷浸后，煤岩喉道数量、总长度、总体积均显著增加，较之液氮冷浸前，分别增加了1.7倍、1.4倍、1.3倍，煤岩孔隙连通性得到明显改善。

3）液氮冷浸后，煤岩的绝对渗透率显著提高，此次实验条件下为液氮冷浸前的77倍。热应力形成的微裂缝成为液氮冷浸后煤岩的主要渗流通道，从而有望实现微裂缝与割理、割理与割理、割理与人工裂缝之间的搭接，构建主次相融、流动通畅的裂缝网络。

4）液氮冷浸后，煤岩基质区域和矿物区域均有孔洞及裂缝形成，煤岩表面粗糙度增加；同时，煤岩基质区域和矿物区域的弹性模量均有所下降，弹性模量平均值数值分别降低81%、91%。

5）液氮冷冲击作用使得煤岩微观缺陷增多、力学性质劣化，液氮压裂有望成为一种高效、绿色的新型煤层气储层压裂技术。