煤储层微纳米尺度孔隙中流体传输机制研究

Accurate quantification of pore structure and understanding of fluid transport mechanism in micro- and nano-scale pores in coals are the keys to the CBM development. These two points are the research hotspots of coal reservoirs as well. Currently, the fluid transport mechanism in micro- and nano-scale pores in coal reservoirs is seldom investigated. This project will examine the micro- and nano- scale pores and fluids transport mechanism of different rank coals and some specific coals (e.g. magmatism coal, deep coal and deformed coal). The modeling of micro/nano pore structure and analysis of pore heterogeneity of different coals will be also conducted. Morevover, the tandem mass transfer model and equation of coalbed methane (CBM) "desorption, diffusion and seepage" will be established. Finally the mechanism of multiphase flow in micro- and nano-scale pores will be elaborated. Therefore, this research could not only promote the problem solving of "CBM single-well prolific production that constrained by microscopic pore structures and fluids" and enrich the geological theory for CBM development, but also provide the scientific basis for key CBM development technologies.

精确定量微纳米尺度的孔隙结构，揭示微纳米孔隙中流体传输机制，是煤层气开发的关键问题，也是煤储层领域的热点问题。本项目以煤储层微纳米尺度多孔介质和孔隙流体为研究对象，开展不同类型煤储层微纳米孔隙结构建模，剖析微纳米孔结构非均质性发育的地质控制机理，建立微纳米孔隙中煤层气“解吸-扩散-渗流”串联传质模型与方程，最终阐明微纳米孔隙空间中多相流体的微观作用机理。研究成果不仅能够促进“煤层气单井高产的储层微观结构与流体约束”问题的解决，丰富煤层气开发地质理论，而且也为形成煤层气关键开发技术提供科学依据。

煤层气开采过程钻井液、压裂液及后期过程中返排效率及煤储层孔裂隙系统中束缚水状态会直接影响气-水相对渗透率，同时储层中孔、喉和具有亲水性表面的割理会频繁地发生水锁和贾敏效应，从而导致渗透性破坏，这严重制约了煤层气资源的有效开采。本项目聚焦煤储层中微纳米尺度多孔介质煤层气“解吸-扩散-渗流”串联传质过程，利用包括低场核磁共振分析、X射线CT扫描分析、聚焦离子束扫描电镜以及甲烷等温吸附等在内的测试手段，结合常规的三轴应力及渗透率测试实验分析了煤储层中孔裂隙结构特征，揭示了微纳米孔隙中流体传输机制。以郑庄区块为研究对象，分析了煤储层地应力对孔隙结构的控制作用，研究结果表明：超压实储层中存在超压流体降低了压实速率，有利于孔隙度的保存；随储层由欠压实到超压实的转变过程中，煤中兰氏体积增加趋势明显。基于不同模型计算了甲烷动态扩散过程，不同样品单孔扩散系数随平衡压力变化而变化。一方面，基质膨胀将导致煤岩孔隙缩小甚至部分微孔闭合，降低了甲烷在煤中的扩散能力。另一方面，在煤的小孔隙中还会进一步发生Fickian扩散和过渡扩散，从而导致甲烷扩散能力的不断提高。基于分形理论分析了甲烷渗流机理研究，研究结果表明孔隙分形维数与渗透率呈显著的倒U型关系。通过分子动力学模拟算法系统地研究了储层条件下甲烷气体分子的吸附和流动规律，阐明了温度场、压力场和化学场耦合作用下的控制机制。利用常规的三轴应力及渗透率测试实验和CT实验装置，分析了煤岩不同方向煤岩渗透率对围压变化和孔隙压力变化敏感性，渗透率与围压和孔隙压力分别以指数形式和幂形式关系变化。基于结合原位CT实验装置和自发渗吸实验探究了煤储层自发渗吸过程，煤储层中气体相对渗透率随着渗吸时间以指数关系降低，在实际生产过程中压裂液返排过程中时间过长将会对渗透率造成严重的损坏。研究成果可为煤层气有利区优选及高效开发提供理论依据和新的研究思路。