低渗透含水煤储层微波汽爆增透机理研究

Xinjiang abundant coalbed gas resources, but the extraction of coalbed gas requires a large amount of water resources, fragile ecological environment and the Xinjiang arid and semi arid contradiction, for the conservation of water resources to be used as microwave heating water to coal seam in coal reservoir, the rapid evaporation of moisture to form steam explosion so as to achieve the purpose of increasing permeability. This project is based on the variation of coal reservoir permeability aquifer under microwave irradiation as the research object, the water change rule of coal permeability system under microwave irradiation, characteristics of coal rock pore fissure structure evolution research before and after microwave irradiation, reveal the mechanism of coal reservoir water layer microwave steam explosion through the key to determine the critical index of microwave the steam explosion generated; establish electro thermo mechanical coupling model, the clear "microwave moisture coal" about mutual relationship features, microwave steam explosion method through, Xinjiang coal seam gas drainage and efficient water-saving provide theoretical basis and guidance technology.

新疆煤层气资源丰富，但抽采煤层气需要大量的水资源，这与新疆干旱半干旱的脆弱生态环境相矛盾，为节约水资源拟采用微波作为热源加热含水煤储层，促使煤层内水分快速蒸发形成汽爆从而达到增透目的。本项目以含水煤储层在微波辐照下渗透率的变化规律为研究对象，系统研究微波辐照下含水煤岩渗透率的变化规律，重点研究微波辐照前后煤岩微观孔裂隙结构的演变特征，揭示含水煤储层微波汽爆增透的机理，确定微波汽爆产生的关键临界指标；建立电-热-力多场耦合模型，明确“微波—水分—煤岩”相互作用关系的特征，提出微波汽爆增透的实现方法，为新疆煤层气的高效节水抽采提供理论依据和技术指导。

微波加热含水煤体可促使孔隙内部的水分蒸发，孔隙在蒸汽压力作用下破裂，增大渗透率。为探明微波汽爆含水煤体增透的机理，测定了煤体的介电参数，通过核磁共振等测试技术获取了微波辐照后煤体内部的孔/裂隙变化特征以及渗透率变化规律，并开发了T型温压测试装置，测试了微波辐照下煤体内部温度和蒸汽压力的实时变化情况；为了进一步探明煤体内部孔隙变形特征，使用COMSOL Multiphysics软件建立了三种不同充填状态下的单孔数值模型，分析了热应力及蒸汽压力耦合作用下煤体内部孔/裂隙的应力演变过程；通过上述物理及数值实验的结果，总结分析了微波功率、含水率与煤体内部温度间的数学关系，提出了微波作用下煤体升温升压的理论计算公式，发现了离子溶液可对促进微波汽爆增透效果有着显著的作用。获得了以下主要结论：.（1）微波辐照能够促使煤体孔隙向更大级别的孔隙转变，随着煤样含水率的增加，微波辐照下煤体试样的累计孔隙度提升了21.17%。小孔减幅约为21.18%、中孔体积整体变化波动不大、大孔体积大幅增加约74.49%。煤体试样的渗透率大幅度提升，增幅约为4.78倍。.（2）发现三组不同含水率（0.1%、2.0%、6.0%）条件下微波辐照100s时，内部的温度分别为60.0℃、85.4℃和135.8℃、煤体内部孔隙绝对蒸汽压力的极值随含水率的增大而增大。煤体内部的温度和孔隙内部的蒸汽压力基本符合理想气体状态方程。.（3）通过COMSOL Multiphysics软件建立了含有单一裂隙的多孔介质煤体数值模型，煤体内部孔隙的变形，真空状态为内缩变形，受最大为-0.12MPa压应力，而饱和湿空气以及含液态水为外扩变形，拉应力最大为+1.1MPa、+2.5MPa。同时推导得出了温度与微波辐照时长之间的数学模型∆T/t=2πfƐrƐoE2/pCp。.（4）改变孔隙溶液离子浓度，能够提升储层对微波的敏感性，提升微波增透煤储层效果。随着离子溶液浓度的增大，整体的渗透率平均增长率为196.37%、216.39%、343.51%、465.80%、466.18%。在同一含水率的情况下，NaCl浓度的提升也能带来1.91倍的渗透率的提升。.项目执行期间发表高水平论文9篇，其中SCI收录8篇，中文核心1篇，出版专著1部，培养硕士研究生1名。