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摘要
低温流体液氮向煤层钻孔内注入过程中的传热传质规律及煤损伤分析，是目前液氮在煤层增透领域应用中亟待研究的关键问题。通过利用流量计、内视镜、热电偶、质量天平和超声探测仪，可视化分析了液氮注入过程中煤钻孔内液氮的初始累积过程和液位状态变化，探究了不同注入速率下钻孔内液氮的实际液位、净液位和注入效率随注入时间的变化规律，并对3个不同时刻下的煤体进行超声损伤检测。研究发现，液氮初始累积时会在钻孔底部煤的交界面处形成明显的莱顿佛洛斯特效应，随着钻孔底部煤温的不断降低，辐射换热系数不断减小，进而蒸汽膜厚度随之降低。不同注入速率下，1 m长钻孔内液氮的净液位最大增加量均为35 cm左右，这意味着，向长钻孔内注入液氮时，应实施分段注入，仅增加液氮注入时间会造成液氮的浪费。实际液位与净液位比值的变化规律均为先降低然后趋于稳定，稳定状态下2者的液位比相近。不同注入速率下液氮注入效率随注入时间的变化规律，均为降低—升高—稳定—降低。低速注入速率下的液氮注入效率更高，提升注入速率后单位体积液氮所相变的氮气，在钻孔内换热时间更短、向钻孔外排出温度更低，进而增大了液氮损耗，使注入效率变低。超声波测试结果表明，液氮能够渗入裂缝内部，使裂缝两侧在冷冲击的作用下冻缩，增加原有的裂缝宽度并使缝尖受到裂缝两侧冻缩力的作用拉伸扩展变形，形成新的裂缝。
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