我国煤储层的低渗透性与煤层气的高吸附性是制约煤层气开采的核心问题。微波加热是将电磁能转化为热能的一种可有效提高煤层气采收率的加热方式。煤样的渗透率与孔隙度变化是探究微波辐射下煤体渗透性变化的关键。为探究微波辐射下煤层温度与煤体渗透性变化规律及微波加热促进煤层气解吸而实现煤层气增产。本文通过微波辐射煤样实验、数值模拟方法和理论分析手段,以提出的新型煤层气增产工艺为基础,研究了微波辐射下煤层温度响应特性、煤体渗透性变化,预测了微波辅助增产时煤层气产量,得到了以下主要结论: 首先,通过实验室微波炉加热煤样,采用气测渗透率装置与真空饱和装置对比煤样受热前后渗透率、孔隙度变化,后分别通过PCAS与扫描电镜(SEM)分析对比煤体宏观裂隙与微观裂隙、孔隙变化,探究微波对煤体的致透作用:微波可以有效诱导煤样热破裂,改善煤体渗透性;煤样的渗透率随着微波加热时长的增加呈现先减小、后增大的趋势;微波诱导煤样出现裂缝后,煤样的渗透率由5.01 m D提高至444 m D,渗透率提高了两个数量级;微波加热前后煤体表面裂缝、裂隙、孔隙都有一定程度的发展与延伸。 其次,基于石油工程中的定向钻井和连续油管技术,提出了一种可实现大范围煤层微波加热的煤层气增产工艺。在考虑了温度对真实煤层介电常数的影响下,建立了微波间歇加热厚煤层的电磁-热双向耦合数学模型,采用COMSOL Multiphysics模拟软件计算不同参数下微波间歇加热煤层的温度场分布,探究了加热时长,输入功率对煤层温度场的影响:新型煤层气增产工艺解决了微波远距离传输的损耗问题与煤层气倒流微波传输管道的问题,实现了煤层的大范围连续受热;微波功率为1600 W时,新型煤层气开采工艺加热时长为90 d时煤层温度响应或为最佳;微波功率对煤层平均温度与中心轴线方向温度分布影响显著,且呈正相关。在2400 W时煤层平均温度最大为401 K,中心轴线方向最小温度为446 K。从节能方向考虑,采用2000 W的微波可获得更优的温度分布。 最后,基于提出的新型煤层气增产工艺建立了电磁-热-流-固全耦合模型,并考虑煤层气解吸附、空间压力变化与温度变化对瓦斯解吸附的影响,结合COMSOL Multiphysics软件预测此工艺下煤层气产量与新型煤层气增产工艺的高效性:新型煤层气增产工艺下,随着微波加热的持续,煤层平均温度上升,温度梯度减小。微波功率为1600 W加热120 d时,促进煤层气解吸的有效半径至少为3.6 m;微波功率为1600 W加热120 d时,煤层远离井口瓦斯含量由41.1 m³/t下降到8.2 m³/t;在微波功率为1600 W加热120 d条件下,新型煤层气开采工艺中的部分开采工作相较于常规开采效率提高了15.7%,整个工作过程中开采效率可以得到量级的提升;为保持瓦斯抽采率同时避免煤层过热,微波功率采用1600W,可以在解吸效率和煤层安全之间达到平衡。 本文所取得的研究成果进一步完善了煤体在微波辐射下的热响应规律及渗透性演变规律,微波场作用下预测煤层气产量为微波注热强化低渗煤层瓦斯高效抽采提供了数据支撑。