楊睿月 叢日超 劉 晗 黃中偉 溫海濤 洪純陽(yáng)

1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)（北京） 2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）煤層氣研究中心

3.中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院

0 引言

我國(guó)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(chǔ)層滲透性，我國(guó)90%煤層氣地面開采井進(jìn)行了水力壓裂[2]，但是由于煤巖脆性指數(shù)小，無(wú)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(zhǎng)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(jìn)一步提高[3]?，F(xiàn)階段我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層改造技術(shù)面臨以下3個(gè)方面的問(wèn)題：①受到煤巖特征的影響，煤層氣儲(chǔ)層壓裂產(chǎn)生長(zhǎng)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(shí)壓裂液對(duì)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(wú)色、無(wú)臭、無(wú)腐蝕性、不可燃并且成本低的特點(diǎn)[6]，將其應(yīng)用到頁(yè)巖、煤巖的儲(chǔ)層改造中，已逐步受到關(guān)注[7]。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)液氮伴注及液氮壓裂頁(yè)巖、煤巖等非常規(guī)儲(chǔ)層展開了大量研究[8-9]。在液氮凍結(jié)或凍融對(duì)巖石的損傷劣化作用機(jī)制方面，前人通過(guò)電鏡掃描（SEM）、CT掃描、核磁共振（NMR）、聲發(fā)射探測(cè)、單軸/三軸伺服加載等方法測(cè)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(xué)性質(zhì)（應(yīng)力—應(yīng)變、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等）的改變[10-13]，揭示了凍結(jié)致裂機(jī)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(qiáng)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(dǎo)致的應(yīng)力突降點(diǎn)。在儲(chǔ)層改造方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就液氮壓裂[8,16-18]、液氮輔助氮?dú)鈮毫裑19-20]、液氮伴注水力壓裂[21]、液氮噴射壓裂[6]等方面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)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(huì)顯著降低裂縫起裂和擴(kuò)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(gè)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(dǎo)的井周周向拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于流體壓力誘導(dǎo)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(chǔ)層巖石之間的熱交換會(huì)改變流體滲流場(chǎng)和巖石應(yīng)力場(chǎng)，流體壓力和熱應(yīng)力疊加后誘導(dǎo)的拉應(yīng)力大于遠(yuǎn)場(chǎng)地應(yīng)力對(duì)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(kuò)展。③熱應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)生的微裂縫和孔洞，有助于原始裂隙的擴(kuò)展與連通，從而增加近井地帶儲(chǔ)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(jìn)一步促進(jìn)裂縫擴(kuò)展與縫網(wǎng)的形成。

因此，液氮壓裂是提高煤層氣儲(chǔ)層改造效率的潛在可行性技術(shù)之一。我國(guó)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(qiáng)的多孔介質(zhì)[22]，對(duì)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(xué)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(xué)性質(zhì)的改變時(shí)，則需要消除上述因素的影響。目前，對(duì)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(dǎo)致液氮冷沖擊作用對(duì)煤巖微納米尺度滲流特征與力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制尚不清楚。此外，目前的研究多是針對(duì)煤巖宏觀力學(xué)性質(zhì)開展，而液氮對(duì)煤巖微納米尺度力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)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(huì)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(xué)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(lái)研究液氮冷浸前后煤巖微納米尺度孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的變化，從微納米尺度揭示液氮冷沖擊作用對(duì)煤巖滲流能力的影響機(jī)制，以期為液氮壓裂煤層提供理論依據(jù)。

1 煤樣準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 煤樣準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)煤樣選自沁水盆地寺河煤礦3號(hào)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(wú)機(jī)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(duì)巖樣進(jìn)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(chǔ)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(wú)機(jī)礦物組成及線性熱膨脹系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.2 CT掃描實(shí)驗(yàn)過(guò)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)依據(jù)《無(wú)損檢測(cè)工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像（CT）檢測(cè)通用要求：GB/T 29070—2012》[27]進(jìn)行，所使用儀器為美國(guó)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(jì)表

利用CT掃描儀對(duì)煤巖樣品進(jìn)行掃描的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：①樣品掃描，將煤樣固定在CT掃描儀的載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)掃描儀設(shè)備參數(shù)（測(cè)試電壓為100 kV，測(cè)試電流為135 mA，掃描分辨率為0.60 μm），對(duì)煤樣整體進(jìn)行掃描，每個(gè)樣品形成1 400張投影照片；②三維重建，為去除偽影進(jìn)行了濾波降噪處理，使用Datos軟件進(jìn)行三維重建，并將重建好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入VG軟件，獲得了煤巖孔隙結(jié)構(gòu)三維可視化模型，導(dǎo)出二維切片圖；③數(shù)據(jù)分析，利用VG軟件和AVIZO軟件對(duì)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

此次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)掃描區(qū)域的長(zhǎng)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(hào)為OMCL-AC160TN-R3，針尖長(zhǎng)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(cè)量煤巖微納米尺度力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：①測(cè)前校正，在掃描煤樣之前，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器及探針進(jìn)行校正；②樣品掃描，利用峰值力輕敲模式的力學(xué)性能量化模塊對(duì)液氮冷浸前后的煤巖樣品進(jìn)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(duì)掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得測(cè)試煤樣的表面形貌特征及微納米尺度力學(xué)性質(zhì)特征參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)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(xì)節(jié)。力學(xué)性質(zhì)特征參數(shù)為原始測(cè)定值，沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(guò)灰度閾值分割選取不同組分進(jìn)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(jī)質(zhì)），孔隙和裂縫則呈現(xiàn)黑色，紅色和藍(lán)色框分別對(duì)應(yīng)后續(xù)進(jìn)行AFM測(cè)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）?？梢钥闯?，煤巖經(jīng)過(guò)液氮冷浸處理后內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度和熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于煤巖抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)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(guò)VG軟件進(jìn)行渲染處理。液氮冷浸前，煤樣內(nèi)部多為微納米級(jí)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%?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)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(rèn)為是煤巖中含有多種礦物組分，當(dāng)?shù)V物顆粒的熱膨脹系數(shù)存在較大差異時(shí)，顆粒與顆粒之間會(huì)發(fā)生非協(xié)調(diào)變形，進(jìn)而產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)[20,28]（表4），進(jìn)一步對(duì)比液氮冷浸前后煤巖孔隙的分布特征。XOДOT[28]認(rèn)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(xì)管凝結(jié)和擴(kuò)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(cè)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(cè)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(shí)，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(dǎo)致煤樣內(nèi)部產(chǎn)生了新裂縫，同時(shí)誘導(dǎo)原始裂縫擴(kuò)展，改善了煤層氣的運(yùn)移空間。

表4 煤巖孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)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(guò)REV在反映煤巖微觀結(jié)構(gòu)特征的同時(shí)，還可以減少數(shù)據(jù)處理過(guò)程中計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量和運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[29-30]提出的REV選取方法，確定煤巖REV為邊長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度主要介于3～6 μm，喉道長(zhǎng)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(zhǎng)度介于1～3 μm的小尺寸喉道，并且其數(shù)量占比達(dá)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(zhǎng)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(zhǎng)度大于12 μm的喉道，在液氮冷浸后數(shù)量占比達(dá)7%?？梢钥闯?，液氮冷浸有助于增加煤巖內(nèi)部喉道的長(zhǎng)度，進(jìn)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(jì)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(gè)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(dá)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%?？梢钥闯?，液氮冷浸擴(kuò)大了原有的喉道半徑，同時(shí)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(jìn)行孔喉連通性評(píng)價(jià)[30-31]。在球棍模型中，紅色節(jié)點(diǎn)代表孔隙，連接線代表喉道。在表證連通性時(shí)，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(jí)的小孔隙為主；液氮冷浸后，煤巖內(nèi)部的紅色節(jié)點(diǎn)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(duì)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(duì)滲透率測(cè)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(duì)煤樣REV進(jìn)行絕對(duì)滲透率測(cè)定及滲流模擬。以甲烷氣體為流動(dòng)相，進(jìn)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(duì)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(jìn)而提高煤樣絕對(duì)滲透率（達(dá)1.956 0 mD），為液氮冷浸前的77倍。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，煤層氣運(yùn)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(jí)割理、裂隙，打通流動(dòng)通道，形成主次相融、流動(dòng)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(xué)性質(zhì)特征

采用AFM分別測(cè)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(duì)選定的測(cè)試煤樣基質(zhì)區(qū)域和礦物區(qū)域，分別測(cè)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(duì)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(duì)于煤樣礦物區(qū)域，較之液氮冷浸前，形成了多個(gè)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?？梢钥闯?，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(fù)雜度。另外，在液氮壓裂過(guò)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(cè)試煤樣基質(zhì)區(qū)域和礦物區(qū)域，分別測(cè)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(shuō)明煤巖內(nèi)部損傷程度增加，巖石力學(xué)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(huì)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(huì)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(shí)，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(huì)發(fā)生變形、開裂，形成微細(xì)觀缺陷，進(jìn)而對(duì)煤巖的力學(xué)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(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響煤層的滲透率及宏觀力學(xué)性質(zhì)。因此，明確液氮冷沖擊作用對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的尺度效應(yīng)將成為今后的研究重點(diǎn)。

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(shí)驗(yàn)條件下孔隙度增大2倍，并且微裂縫占主導(dǎo)，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(zhǎng)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(duì)滲透率顯著提高，此次實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)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(shí)，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(xué)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(chǔ)層壓裂技術(shù)。