非常规油气资源的规模化开发与利用是夯实能源安全保障基础、推进能源结构清洁转型的关键战略路径,煤层气已成为我国天然气增产与产业发展的重要补充。然而,含瓦斯煤层“微孔隙-强吸附-低渗透”的成藏机理与赋存特性严重制约了煤层气资源潜能释放、延缓了煤炭清洁利用进程。实现煤层气规模开发与增储上产,关键在于高效的煤储层改造技术。因此,提出微波-液氮冻融循环的煤层致裂增渗方法,借助微波辐射热效应诱导煤体原生孔裂隙的开放与扩展,从而加强液氮的垂向渗流能力,利用微波致裂与液氮冻融耦合作用改造煤储层特征、促进瓦斯解吸收。本文通过物化实验与理论分析等手段重点探究了不同冻融循环参量下煤体微观-宏观孔裂隙结构、自由流体空间以及孔喉分布的演化机理;揭示了煤中大分子结构的形态变化与孔隙形成之间的关系,主要研究内容及结论如下: (1)微波-液氮循环下煤体多尺度孔裂隙结构的演化机制。微波热效促使裂隙致裂、扩展,形成次生孔隙,液氮沿其垂向渗流至煤体内部产生局部冻胀力;周期性循环作用致使煤体中孔体积最高膨胀至90.78%,大孔体积最高膨胀至101.42%;冻融循环加速了煤体内部微-中-大孔的迭代进程,煤颗粒之间的位移促使次生孔隙发育。煤体微孔的平均孔径普遍发育,中、大孔的孔径分布与其连通程度得到有效改善。随着微波辐射能量的累积,煤体内部水蒸气对孔隙产生冲蚀作用,疏通了闭合孔隙;液氮冷浸诱导煤基质发生收缩-解吸作用,使得中孔发生非均质扩张并形成连通的大孔及微裂隙网络。 (2)煤体核磁共振二维谱及含氢组分流体的分布趋势。冻融循环后,煤体T₂谱中第二峰和第三峰的面积与循环参量之间呈现强正相关性,M-LC₅的第三峰面积增幅高达49.71%,更多的微中孔隙相连、扩容,煤体渗透性能得到加强。在煤体T₁-T₂谱中,Ⅲ区和Ⅳ区的连通状态逐渐断开。同时,Ⅴ区信号强度大幅增强,更多有机微孔中的束缚水开始转化为无机的中孔、大孔和断裂中的自由水,促使自由流体赋存空间得到扩展。当循环参量n>15,较大孔径对应的流体信号强度及其峰值显著,孔隙迭代现象进入到了深度和高效阶段。 (3)煤体核磁共振特征参数的演化机制。冻融循环后,煤体宏观孔喉发育良好,缩颈孔喉的分布与T₂谱第三峰面积均呈线性上升趋势,煤样内部孔隙和喉道结构得到了有效的改造。冻融循环后煤体增渗率最高可达2878.96%,自由流体饱和度最高可达69.92%;自由流体空间膨胀,渗透率变化随着循环参量的增加而愈发显著,在循环后期改造效果更佳。煤体核磁渗透率与有效孔D_e表现出良好的拟合关系,不同尺度孔隙结构的相互贯通,粘土束缚空间呈现缩小趋势,煤体的渗透率级数显著提升,形成了贯穿孔隙-裂隙的连续运移通道,有利于甲烷分子在基质孔隙与割理系统间的运移。 (4)煤体表观形态与表面结构的演化机制。微波辐射热效应致使煤体原生孔裂隙扩展,有效增加了煤体孔隙水的初始渗流通道;液氮注入后引发煤体基质收缩,造成孔隙压力骤降,孔隙结构得以改善,原本以微孔为主的孔隙结构逐渐转变为以中、大孔隙为主导的结构。冻融循环后,煤体表面出现微米级孔洞以及新生裂隙和连通网络,其表面的粗糙度持续增加,表面亲水性增强,分形维数平均增加75.10%。煤体的断裂演化趋势为“贯穿裂缝形成-次级裂缝衍生-裂缝网络连接-局部断裂形成”。 (5)煤体微晶形态及“大分子-孔隙”结构的演化机制。微波-液氮循环使煤的大分子结构缩合,芳构化得到增强,分子链的排列更趋于有序。煤体的微晶碳和无定形碳发生转变,对于芳香层的横向尺寸,呈现出双相调控特性。芳香层横向尺寸得到了显著的促进作用,间接影响了微纳米孔隙的分布与形态。微波辐射穿透煤大分子矩阵结构后,在组分间形成温度梯度并由此诱发热应力,再与液氮循环作用下促进了煤大分子结构演化进程,对“大分子-孔隙”系统产生良好的改造作用,促进了芳香层片的位移、定向堆叠和平行排列,结构重组引发了多级孔隙协同演化。 (6)煤储层微波-液氮循环致裂增渗的微观机制。微波辐射后煤中极性分子迅速响应并快速升温,在局部热集中作用下煤体孔隙和微裂隙扩张,为后续液氮注入提供了有利的垂向渗透通道。液氮注入后煤体孔隙中的水分相变为冰,产生的体积膨胀压力作用于孔隙壁后,煤体内部原生微孔隙及薄弱的裂隙界面会发生破裂与扩展,新形成的裂隙与原有孔隙相互连通,使得孔隙尺寸增大,孔隙结构进一步优化。微波体积性加热可以快速提高煤体温度,加速孔隙冰水相变过程,融化后的流体在孔隙中流动,能够进一步冲刷孔隙壁,促进孔隙间连通性的增强。 本论文共有图62幅,表11个,参考文献106篇。