页岩内部气-固耦合燃烧传播特征及对孔隙微观结构改变的机理研究

In order to increase the production of shale gas, high temperature combustion was employed to improve the porosity of the shale recently. Under high temperature combustion condition, organic matters in the shale was oxidization in order to reduce the absorbed methane gas and increase of the porosity. The main objective of this project is to investigate the effect of different combustion parameters on the porosity changes and the combustion propagation characteristics inside the shale. In order to achieve this goal, the shale samples collected from Shangxi province were burned and pyrolyzed at a furnace. The change of the microscopic pore structure was compared and analyzed for combusted and pyrolyzed samples, and the key parameter affected the porosity were determined. Based on the kinetic parameters obtained from the experiment, the shale combustion model will be built to analyze the characteristics of the combustion wave transfer inside the shale and to identify the existence of homogeneous and heterogeneous reactions. The heat and mass transfer during the combustion were also analyzed. And the effective high-temperature heat treatment method of shale porosity is determined, which provides a theoretical reference for realizing large-scale economic extraction of shale gas.

为了增加页岩气的开采产量，使用高温燃烧方法提高页岩的孔隙率已经受到越来越多的关注。本项目以掌握不同的燃烧工况对页岩孔隙率的影响规律，以及高温燃烧在页岩内部的传播特性为目标，以山西上洪水庄组开采的页岩为研究对象，针对其孔隙率低的特点，使用高温燃烧方法减少页岩中的有机质含量，减少对甲烷气体的吸附和提高孔隙率。首先使用高温燃烧和热解实验手法对页岩进行高温热处理，在页岩热解的基础上分析不同的燃烧工况对页岩孔隙率影响的规律，确定影响孔隙率变化的关键因素和微观机理；基于实验获得的动力学参数，建立页岩燃烧动力学模型，分析燃烧波在页岩内部传播特征和存在的均相和非均相反应，分析燃烧传播过程中的传热传质现象和孔隙结构变化；最后确定提高页岩孔隙率的高效高温热处理方法，为实现页岩气的大规模经济开采提供一定的理论参考。

水力压裂技术开采页岩气在美国了取得成功，并促进了美国的能源革命。我国主要页岩产气区的页岩具有孔径小、有机质含量高、渗透率低等特点，水力压裂开采过程中页岩气产量存在早期产量高，衰减快，而后伴随相对较长时间的低产率。水力压裂开采需要大量的水资源，会对环境生态系统产生负面影响。基于以上原因，本项目提出用燃烧热力压裂开采的方法来提高页岩的采收率。主要以四川和重庆等地页岩为研究对象，针对其孔隙率低的特点，流动性差等问题，使用高温燃烧方法对页岩进行热力开采。首先了测试页岩的孔径、空隙率等基本物理化学参数。 揭示页岩纳米级孔径造成的非理想气体效应对页岩赋存状态的影响。同时通过实验的方法分析燃烧对页岩储层物性的影响规律，揭示影响孔隙率变化的关键因素和微观机理:发现和揭示了燃烧能促进页岩孔径增大, 有效增加空隙率, 同时热裂缝生成，同时渗透率和气体扩散系数等流动参数随燃烧温度和时间的增加逐步提高。围绕着“燃烧如何影响页岩内部气体的输运模式？”这一科学问题，研究燃烧热力压裂过程中吸附气和热解气中甲烷气体的流动输运模式，揭示了热力工况下致密页岩内部未知的气体分子流动和扩散的微观分子运动现象。新鲜的页岩岩心在低温加热(55 oC)条件下，随着大量自由气的逸出，页岩产气率快速的下降，加热到(110oC)，由于大量残余气体脱附,产气量又快速上升。低温燃烧 (280 oC)促进大量吸附气的脱附变成游离气，提高页岩内部压力并促进页岩内部气体的流动，提高了页岩气的产率。高温燃烧（> 400 oC）提供的能量一方面促使干酪根的热解生烃，另一方面促进了甲烷分子在孔表面的脱附成为游离态的气体，并使游离态甲烷分子在扩散过程中能够克服流动障碍的束缚。高温燃烧页岩内部压力明显上升的要比低温燃烧块。针对页岩多孔介质的流动特征，使用自相似的方法模拟了页岩内部气体的非线性扩散包括达西流和努森扩散等非连续流动过程，并和实验数据很好的验证。发表SCI论文16篇；培养博士生2人，硕士生4人；授权发明专利2项。