国家自然科学基金重点项目结题成果科普性介绍

2024-01-27     发布：[能源学院]    点击：0次

本项目来源于国家自然科学基金，题名：煤层气储层流体微观动力学机理研究（41830427），起止时间：2019.01-2023.12。本项目工作简介总结如下：

1. 主要研究内容及研究方法

煤层气开发利用具有“经济、安全、环保”的多重属性，是“双碳目标”下化石能源向新能源过渡的重要桥梁之一。我国煤层气资源丰富，但经济、高效和规模化开发始终未能成形，究其原因，除了我国煤层气赋存的地质条件复杂外，更重要的是对煤层气储层多元空间与多级流场中多相流体的赋存-储集-运移规律等认识薄弱。为了阐明多元空间、多相流体和多级流场制约下煤层气赋存-富集-成藏-产出的流体动力学过程，本项目开展了4各方面的主要研究：

1）煤储层精细地质建模研究

基于多源物探、二维/三维地震等地质资料，借助主成分分析、多项逻辑回归、随机森林和全连接神经网络等方法，建立煤体结构、含气量、渗透率、煤岩类型、地应力等主要储层参数的地质与地球物理评价模型，揭示了区块尺度的煤储层典型参数分布规律。

除此之外，以地质基础理论为依据把地震资料反演成岩层波阻抗等地层物性参数，以岩层为研究目标进行了地质和储层的解释。在地震精细构造解释和区块尺度的煤储层非均质精细描述的基础上，应用Petrel软件进行了煤储层三维可视化的地质建模，建立了煤储层三维构造模型及煤层含气量等属性模型。

2）微观流体地质模型与赋存规律研究

综合利用多种成像法、流体法孔裂隙测试技术，定量表征了煤的多尺度微观结构及其演化规律，建立了煤的三维孔裂隙网络模型。在此基础上，借助FHH分形模型、Washburn方程、计盒维数法等多种分形理论，对煤中微、纳米孔隙的非均质性进行了表征，并评价了非均质性的影响因素和演化特征。

通过联合传统体积法和核磁法等温吸附实验，建立了不同相态（吸附态和游离态）甲烷的含量测试及原位条件下的甲烷赋存状态精确预测方法。另外，基于不同类型、不同饱水/离心条件下煤岩的核磁共振测试结果，阐明了煤中多相水（气态水、吸附水、非吸附可动水）的赋存规律。在此基础上，进一步开展了煤岩自发渗吸特征研究，揭示了渗吸过程中的气、水相互作用机理。

3）煤层气富集成藏的流体动力学效应研究

将不同类型煤岩在不同测试环境下的等温吸附测试与封闭孔隙体系中的甲烷气体吸附模拟相结合，从煤岩微观结构的角度阐明了甲烷吸附量的影响因素，剖析了甲烷在不同温压条件下的吸附动力学特征，并从公式推导的角度揭示了煤层气微尺度赋存机理。

在此基础上，将煤层气赋存的宏观地质与微观吸附动力学分析相结合，基于典型取心井的煤岩含气量测试结果，阐明了煤层气成藏的地质（构造、岩性组合、水动力）控制，揭示了温度-压力-流体多场耦合作用下的煤层气富集规律。

4）微观流体动力学与煤层气高效产出研究

基于μ-CT、FIB-SEM等测试方法观测的煤岩微尺度裂缝二维图像，构建了煤中多相流体传输的离散型裂缝网络模型，开展了煤中多相流体传输的动力学模拟，阐明了裂缝特征、煤岩润湿性、煤岩含水性等对多相流体渗透率的影响，揭示了煤层气微尺度-多介质传输机理。

在此基础上，将多相流体的动力学分析应用到区块尺度中，剖析了煤储层物性及裂缝扩展的地质（煤体结构、煤岩类型、构造曲率、地应力）控制，建立了煤层气高产区的地质-储层评价方法。

2. 研究技术路线

针对项目主要研究内容，设计的研究技术路线具体如图1所示。

图1 项目研究技术路线

3. 主要研究成果

项目取得的主要研究成果及其意义价值具体如下：

1）建立了煤储层参数的地质-地球物理评价方法体系，为煤储层的精细描述奠定了基础。在此基础上，构建了高精度煤储层精细地质模型。

2）形成了煤岩多尺度微观结构联合表征及煤岩多相甲烷的定量表征等评价技术，并阐明了煤储层的多尺度微观结构及气/水赋存特征。

3）揭示了煤层气吸附动力学效应及富集成藏模式，为煤层气富集区优选提供了理论指导。

4）剖析了煤储层多相流体运移的微观流体动力学机理及煤层气高产规律，为煤层气高产区预测提供了重要参考。

5）发表学术论文72篇，出版学术专著2部，授权国家发明专利2项、软件著作权1项，获得“国土资源科学技术一等奖”1项。

6）培养杰青1名、优青1名、博士后2人、博士10人，硕士19人。