基于NMR成像技术的煤体渗吸创新性实验设计与教学实践

马衍坤， 邓子墨， 张 曦， 唐 明， 刘 静

（安徽理工大学 a.安全科学与工程学院；b.医学院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

习近平总书记在“努力成为世界主要科学中心和创新高地”的文章中提出：“全部科技史都证明，谁拥有了一流创新人才、拥有了一流科学家，谁就能在科技创新中占据优势。”在培养一流创新人才方面，大学教育发挥着非常重要的基础作用［1］。而在大学教育中，实验教学又是启发本科生创新思维的关键环节。如何充分发挥实验教学的作用，真正培养学生的创新思维，是实验教学面临的重大难题［2-3］。

近年来国家对高等教育的投入不断增加，各高校实验室内的大型仪器设备数量、质量均大幅提高。大型科研仪器不仅是科学研究的“利器”，更是人才培养的“重器”，各类高精尖的大型仪器在科学研究和教学实践中发挥着愈发关键的作用［4-6］。然而，在本科实验教学环节中大型仪器的应用却极少，造成这种现象原因有两个，①科研与教学环节存在脱节；②大型仪器普遍较为贵重，难以满足大批量本科生使用。

现代科学本身就起源于科学仪器的使用，科学仪器发展极大促进了科学的进步。在新工科形势下，培养新时代创新性人才必须让学生掌握最前端的科学仪器［7-9］。受传统实验教学理念的影响，以常规教学实验设备为核心的验证性实验很难调动学生的积极性，无法激发学生的好奇心。实验教学必须改革教学理念，设计先进性、科学性、趣味性的实验，深度激发学生的兴趣和好奇心，进而提高学生科研能力和综合素质，满足新形势下创新型人才培养的需求［10-12］。

因此，借助NMR核磁成像技术，设计了煤体渗吸水分的创新性实验，通过对煤体内水分渗吸过程的可视化研究，让学生深刻理解水分在多孔介质内的运移规律。该实验再现了水分的运移轨迹，具有显著的趣味性，能深度激发学生探索未知的好奇心。

1 实验设计背景及意义

深地资源开发中，将水注入地层提高开发效率是一种有效技术手段，例如油气开发过程中的注水驱气、渗吸驱替等［13-14］。煤体、岩体均属于富含孔隙、裂隙的多孔介质，水在该类介质中的运移较为复杂。固、液两相润湿性差异作用下，煤、岩体对水分的渗吸导致了水分运移。水的渗吸会置换微孔隙中残存的煤层气或油，进而提高产气、产油效率。然而，由于煤体、岩体均为不透明介质，实验教学无法利用演示性实验展示煤、岩渗吸水过程。

核磁共振成像技术可反演出水分运移过程，由于不同的原子核在固定磁场中具有不同的共振频率，因此可以通过激发特定的共振频率的脉冲来识别原子核。对于煤、岩渗吸水这一过程，当无外部静磁场时，水所含的氢原子核处于无序状态，施加静磁场后氢原子核会呈现有序排列。通过激发与氢质子共振频率相同的脉冲，一部分氢原子核吸收能量发生能级跃迁，移除脉冲后，跃迁为高能级的氢原子会逐渐释放能量，直到恢复到热力学平衡状态。在这个能量释放的过程中，会产生自由衰减的指数信号（核磁共振弛豫）。对这些信号进行处理，即可得到水在不同孔隙中的分布情况。

2 实验设计

2.1 实验原理

核磁共振弛豫的时间分为纵向弛豫时间（t1）和横向弛豫时间（t2）。由于t1远远大于t2，因此实验t2经常用于测量孔隙中的流体分布。横向弛豫时间t2主要由3种弛豫时间组成，体积弛豫时间（t2，体积）、扩散弛豫时间（t2，扩散）和表面弛豫时间（t2，表面），其表达式为［15］：

由于扩散弛豫和体积弛豫的影响在实验中通常可以忽略不计。因此，t2主要由表面弛豫时间决定，其表达式为：

式中：ρ2为表面松弛度；S／V为内表面积与孔隙体积之比。

核磁共振成像技术是在外部恒定磁场条件下，在X、Y、Z方向施加梯度磁场，通过激发与某一磁场强度下的氢质子共振频率相同频率的脉冲，可获得氢质子在试样中的具体空间位置。

2.2 实验目的

通过实验达到如下教学目的。

（1）通过基于NMR成像的煤体渗吸水实验，了解核磁共振成像的工作原理和仪器的操作流程，让学生了解国家对人才培养的巨大投入，培养学生的“四个自信”［16］。

（2）理解固、液两相表面张力在渗吸中的作用，明白煤体渗吸水的动力来源，掌握水在煤体内渗吸运移规律。

（3）掌握文献查阅方法，获得国内外煤体渗吸方面的研究进展，了解煤体渗吸过程的影响因素及特征规律。

（4）培养学生发现问题、解决问题等能力，深度激发学生探索未知的好奇心，培养学生创新思维，增强学生的科研意识。

2.3 实验仪器与材料

（1）实验仪器。实验采用的测试仪器主要包括中尺寸核磁共振岩心分析系统（MecroMR12-150HVTHP），磁场强度为（0.3±0.05）T，磁体温度采用的非线性控制的控温器，温度设置为32℃。实验采用的样品加工仪器包括岩石取芯机、岩石烘干机、真空饱和仪器、核磁共振监测仪。

（2）实验材料。实验材料主要采用煤体（Φ25 mm×50 mm）、水。在准备实验材料的过程中，将学生划分为4组开展实验教学，每组为7或8人。对所有学生进行实验室安全教育，明确安全责任。在教师指导下，学生利用岩石取芯机加工煤体，并进行烘干等操作。

煤样取自山西省，按照不同层理角度，将煤样加工成Φ25 mm×50 mm的标准试样。层理角度总共有3种，分别为0°、45°、90°，典型的样品如图1所示。

图1 不同层理角度煤样

2.4 实验流程

实验主要包括以下流程。

（1）将制备好的煤样放入烘干箱中，烘干24 h，烘干温度为70℃。

（2）将烘干后的煤样放入25 mm探头中，并测试T2谱。

（3）在烧杯中倒入10 mL的水，将测试完成后的煤样垂直放入烧杯中，开始渗吸实验，渗吸示意如图2所示。每隔30 min，取出试样，擦拭干净煤样表面的水，放入核磁仪器中，测试T2谱以及MRI。

图2 自发渗吸示意图

（4）待T2谱不再发生变化后，视为渗吸饱和。

（5）对其他层理角度的煤样重复上述步骤。

3 教学实例

3.1 实验参数设置

实验采用25 mm的探头，相关核磁参数设置如下：回波时间：0.1 ms，回波个数：12 000，等待时间：3 000 ms，采样次数：32。

硬脉冲CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）序列是横向驰豫时间的函数，被用于测量不同尺度孔隙的横向弛豫（T2），观察不同时间段煤样中水在不同孔径的孔隙中的分布情况，再利用核磁共振成像对渗吸过程中水信号的空间分布进行分析。

3.2 实验结果

3.2.1 自发渗吸过程中的T2谱变化

各小组开展了不同角度层理煤样的渗吸实验，得到不同时刻煤样T2谱变化曲线，如图3所示，其中红色曲线表示烘干状态下获得的煤样T2谱。

图3 不同层理角度的试样在自发渗吸过程中T2谱的演化

0°层理角度的试样在渗吸30 min时，小孔已经达到渗吸饱和状态；在120 min时，T2谱大孔和层理所对应的峰值有所下降。这是由于0°层理试样的层理平行于渗吸方向，水沿着孔隙和层理向上运移，煤样吸水发生膨胀，导致内部孔隙-裂隙结构发生改变，孔隙连通性增强，从而导致层理中的水运移出煤样。该结果表明，渗吸时间过长会导致层理扩张，从而影响煤的渗吸效应。

45°层理的试样在渗吸时间达到180 min后，其T2谱基本不发生变化，表明该试样已经渗吸完全，而对于90°层理的试样，直到渗吸时间达到570 min时，T2谱基本不发生变化，表明该试样达到渗吸完全的状态。

根据三者达到渗吸饱和的所需时间来看，层理与渗吸方向的夹角越大，渗吸完全所需的时间越长。这表明，层理角度对煤样的渗吸效应有着较为显著的影响。

3.2.2 水分布的二维表征

将实验数据进行二维可视化分析，获得了水在煤样中的空间分布规律，如图4所示。图中蓝色表明水信号弱，红色代表水的信号较强。

图4 90°层理水信号二维表征

取90°层理的试样进行分析，可以看出在渗吸过程中，水从煤样底部渗吸进入孔隙中并向试样上端运移。在运移过程中，水由于毛细管力先进入试样近水端的孔隙中，逐渐向试样上端运移，在运移过程中水沿着孔隙进入煤体最下方层理中，并逐渐增多。

随着时间的增长，水在毛细管力的作用下逐渐上升，并缓慢渗吸进入煤体上方的孔隙中，并进入下一个层理中。这个水向上运移的过程中，第1个层理既是储水空间又是第2个层理的输水通道。随着渗吸的进行，当第2个层理中水较多时，上部孔隙开始渗吸第2个层理中的水，并再次向上方运移，如此循环，直到试样渗吸完全。

3.2.3 自发渗吸过程的三维表征

采用核磁共振成像技术，结合Matlab进行图像处理，实现了自发渗吸的过程中水信号的三维空间表征，如图5所示。

图5 自发渗吸过程中水信号的三维表征

取90°层理试样的信号图进行分析，在自发渗吸过程中，试样呈现出明显的条纹状的信号分布情况，这表明煤样中水的分布也是呈现条纹状，这是因为层理中储存的大量的水所导致的。

渗吸前期，层理主要是承担输水作用，渗吸后期，层理主要承担储水作用。并且由于渗吸后期层理的储水作用，层理角度越大，试样顶部的孔隙的渗吸效应越弱。

4 实验教学效果

对于本创新性实验，必须充分挖掘课程思政元素，有机结合实验过程，从德智体美劳全方位培养学生，增强学生的“四个自信”。在探索性实验分析中，引导学生意识到中外科技的差距，尤其传达出国外对我国科技的封锁，这种不利环境中我国科学家如何自主研发仪器，从无到有的发展历程中，充满了先辈的血泪。学生在利用仪器开展实验时，应汲取精神力量，让自己浑身充满奋发向上的能量。

在试样的准备过程中，需要利用取芯机将大块煤体加工成标准试样，这个过程又脏又累，既需要强健的体格来搬运煤块，又需要细致的观察来确认尺寸。而且实验室内会出现很多污水、粉尘，对学生体力和品质均是考验。在实验过程中，由于煤体渗吸过程较为缓慢，需要学生明确分工，相互配合做好实验工作，培养了学生团结协作精神。

在获取数据后，学生需要进行分析，发散性探索数据背后的规律。自学Matlab、Origin或Excel等软件对数据进行分析，获得一组让自己满意、同组同学满意、教师满意的曲线，从数据中寻找美的元素，从曲线中发现美的元素。

学生通过团队合作，完成所有探索性实验。更通过体力、智力的劳动，达到了德智体美劳全方位的锻炼。在发现问题、分析问题和解决问题的过程中，有机融入思政内容（见图6），滴灌式导入学生的脑海，最终达到坚定学生中心“四个自信”的目的。

图6 有机结合实验过程的课程思政教育路线图

5 结 语

将高精尖的国产科学仪器引入本科生的探索性实验教学中，充分挖掘我国科学研究中的思政元素，有机结合实验过程，滴灌式导入学生脑海，可以实现学生创新能力培养和爱国主义情怀培养的双重目的。

该实验要求学生从试样加工、样品处理、数据获取、数据分析全过程深度参与，锻炼了学生组织管理、分工合作的能力。而且本实验操作简单，原理清楚，能从德智体美劳全方位培养学生能力。实验图片美观，真实再现无法肉眼观测的内容，深度激发了学生的科研兴趣和好奇心。