复杂微纳米孔隙中煤层气解吸-扩散动态过程与控制机理

The accurate quantitative characterization of micro-/nano-pore structure and to reveal the complex flow mechanism of coalbed methane (CBM) are key to the efficient development of CBM. And it is also the research hotspot in the area of dynamic evaluation of coal reservoir as well. Therefore, this project will focus on the kernel scientific problem of the dynamic process and control mechanism of CBM desorption-diffusion in complex micro-/nano-pores, and select different types of coal reservoir in coal bearing basins as research objects. The research method of combining laboratory tests, three-dimensional (3D) reconstruction technology and Lattice Boltzmann method (LBM) simulation is adopted to construct the 3D digital core with micro-/nano-scale, and systematically analyse the development model, heterogeneity characteristics and geological control factors of micro-/nano-pore structure in coal reservoir. Moreover, the dynamic process of CBM desorption-diffusion in micro-/nano-pores is simulated by using 3D digital core and LBM, and the established multiporous diffusion model is also furtherly optimized. Finally, the CBM desorption-diffusion characteristics in micro-/nano-pores of different types of coal reservoir can be revealed, and the coupling interaction mechanism between micro-/nano-pore structure and CBM desorption-diffusion can be clarified as well. Therefore, this research is not only beneficial to the optimization of CBM ground development block, but also provide theoretical basis for efficient extraction of CBM.

精细定量表征煤储层微纳米孔隙结构和非均质性，揭示煤层气在微纳米孔隙中的复杂流动机理，是煤层气高效开发的关键，也是煤储层动态评价领域的热点问题。本项目围绕“复杂微纳米孔隙中煤层气解吸-扩散动态过程及控制机理”这一核心科学问题，以我国主要含煤盆地的不同类型煤储层为研究对象，采用实验测试、三维重构技术和LBM模拟相结合的研究方法，构建微纳米尺度三维数字岩心，系统分析煤储层微纳米孔隙结构的发育模式、非均质性特征及地质控制因素；模拟研究煤层气在微纳米孔隙中的解吸-扩散动态过程，优化所建立的煤层气多孔扩散模型，揭示不同类型煤储层微纳米孔隙中气体的解吸-扩散特征，阐明微纳米孔隙结构与煤层气解吸-扩散的耦合作用机理。研究成果不仅有利于煤层气地面开发区块的优选，而且也为煤层气高效开采提供理论依据。

煤层气在微纳米孔隙中的复杂流动过程控制着气体的产出规律，本项目围绕这一关键科学问题，精细定量表征了煤储层微纳米孔隙的差异演化特征，并引入分形理论阐明了微纳米孔隙的非均质性，同时基于煤层气多孔扩散模型的构建和微观渗流的格子Boltzmann模拟研究，揭示了煤层气在复杂孔隙结构约束下的多阶段扩散特征，以及煤层气在微纳米孔隙中的微观渗流动态过程和控制机理。取得以下成果和认识：（1）综合利用多种技术定量表征了煤储层微纳米孔隙的形态、孔径分布、连通性以及三维空间分布等特征，揭示了不同煤级煤储层微纳米孔隙的差异演化规律，同时构建了三维数字岩心；（2）基于煤储层微纳米孔隙结构定量表征参数和不同的分形数学方法，综合分析了不同煤级煤储层微纳米孔隙结构的尺度非均质性、形态非均质性和连通非均质性特征，阐明了煤变质程度、煤岩组分、煤质和孔隙差异演化特征等对孔隙结构非均质性的综合控制作用；（3）构建了更为高效的煤层气升压吸附-扩散过程的低场NMR测量方法和适用于煤储层复杂孔隙结构的多孔扩散模型，揭示了煤层气在复杂的孔隙结构约束下呈现初期快速扩散、过渡性扩散和后期慢速扩散的三阶段特征，并将多孔扩散模型应用于古交区块煤层气现场解吸数据中，验证了多孔扩散模型在现场解吸中的适用性，阐明了煤体的破坏程度和局部地区含气量分布以及埋深的非均质性对古交区块煤层气不同扩散阶段的综合影响，提出了煤层气解吸-扩散行为的三种典型模式并揭示其地质控制机理；（4）利用渗流孔隙分形维数和Kozeny-Carman方程，建立了渗流孔隙非均质性与微观渗透率变化的耦合模型，揭示了煤储层微纳米孔隙的孔径分布及连通性对微观渗透率大小的控制作用，此外利用不同煤级煤的REV尺度三维数字岩心和格子Boltzmann方法，模拟了甲烷在煤储层微纳米孔隙中的微观渗流动态过程，揭示了微纳米孔隙中甲烷流速分布的高非均质性主要受控于孔裂隙连通性、孔喉比和孔径分布等特征。