煤层气赋存运移的核磁共振成像理论和实验研究

论文摘要

煤层气是21世纪的战略性接替能源，其开发受到了世界各国的高度重视。由于我国特殊的地质条件，至今还没有建立一套符合我国国情的煤层气赋存运移理论，且已有理论还远没有达到机理清晰、规律明确的程度，急需用新的实验手段加以验证和完善。核磁共振成像技术(简称NMRI)作为一种先进的无损检测技术为此提供了崭新的技术途径。本文从新的实验角度出发，首次将核磁共振成像技术引入煤层气赋存运移规律研究领域，通过相关理论研究和直观、实时地实验观测，揭示煤层气在煤层中赋存运移机理，完善煤层气在煤层中赋存运移理论，从而寻求提高我国煤层气产量的技术措施，因此对我国煤层气开发具有重大的实际应用意义和理论价值。论文主要研究内容如下： 1、在前人基础上，详细并系统论述了煤层气成臧、赋存和运移机理及其相关因素的影响规律，在此基础上明确提出了煤层气产出过程中存在三效应主导作用阶段(有效应力、基质收缩和滑脱效应)； 2、自主设计并研制完成了具有实用新型专利的、由非磁性聚碳酸酯材料制成的自压式三轴渗透仪，该渗透仪可同时改变围压、轴压和孔隙压，即实现三维应力状态； 3、利用自主研制完成的非磁性三轴渗透仪进行了煤层气解吸渗流特性实验研究，得到了新的煤层气解吸特性、渗流特性与有效应力间关系等的实验结论，验证了煤层气三效应主导作用阶段的存在，从而为煤层气赋存运移规律的NMRI实验提供了前期实验基础和信息； 4、在阐述NMRI机理的基础上，重点进行了煤和煤层气NMRI机理研究，揭示了NMRI的本质含义，分析了煤和煤层气NMRI性质，给出了煤层气NMRI成像测量方法； 5、将核磁共振成像理论与煤层气赋存运移理论相结合，建立了煤储层核磁渗透率模型，进行了煤层气微观扩散机理NMRI理论研究，给出了菲克扩散系数与核磁扩散系数间关系； 6、将装有煤试件的三轴渗透仪置于核磁共振成像仪磁体腔中，进行了自然状态下煤试件的NMRI实验、饱和水煤试样的核磁渗透率测定实验、气驱水NMRI实验、水驱气NMRI实验，期间根据情况选择了原煤试件和型煤试件，直观、实时观测了水在煤试样中的渗流过程、气驱水过程和水驱气过程，得到了大量具有实际工程价值的实验结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 煤层气赋存运移规律研究现状
• 1.3 多孔介质核磁共振成像研究现状
• 1.4 存在问题
• 1.5 本文主要研究内容
• 参考文献
• 2 煤层气成藏、赋存、运移机理
• 2.1 煤层气成藏机理
• 2.1.1 煤层气生成机理
• 2.1.2 煤层气藏形成条件
• 2.2 煤层气赋存和运移机理
• 2.2.1 煤孔隙裂隙特征
• 2.2.2 煤层气赋存机理
• 2.2.3 煤层气运移机理
• 2.2.4 煤层气产出机理
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 3 非磁性三轴渗透仪研制及煤层气解吸渗流特性实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 非磁性三轴渗透仪研制
• 3.2.1 研制背景
• 3.2.2 渗透仪设计、加工和制造
• 3.2.3 聚碳酸酷材料强度验算
• 3.3 煤层气解吸渗流特性实验方法及步骤
• 3.3.1 实验设备和采集煤样
• 3.3.2 实验步骤
• 3.4 实验结果分析
• 3.4.1 孔隙压与解吸特性关系
• 3.4.2 轴压与解吸特性关系
• 3.4.3 受载方式与解吸特性关系
• 3.4.4 渗透率与解吸特性关系
• 3.4.5 有效应力与解吸、渗流特性关系
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 4 煤层气NMRI机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 NMRI机理
• 4.2.1 NMRI物理学机理
• 4.2.2 NMRI机理
• 4.3 煤层气NMRI机理研究
• 4.3.1 煤层气核磁共振性质
• 4.3.2 煤核磁共振性质
• 4.4 煤层气NMRI测量方法
• 2弛豫时间的测定'>4.4.1 T₂弛豫时间的测定
• 2谱含义'>4.4.2 核磁共振T₂谱含义
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 5 煤层气赋存运移的NMRI理论研究
• 5.1 引言
• 2谱确定煤孔隙结构'>5.2 核磁共振T₂谱确定煤孔隙结构
• 2谱与煤孔隙结构对应关系'>5.2.1 核磁共振T₂谱与煤孔隙结构对应关系
• 2谱确定煤孔隙结构方法'>5.2.2 核磁共振T₂谱确定煤孔隙结构方法
• 5.3 煤层气扩散系数D的NMRI测定
• 5.3.1 扩散系数D的传统测定方法
• 5.3.2 扩散系数D的NMRI测定方法
• 5.4 煤层气微观扩散机理NMRI理论研究
• 5.5 吸附时间和解吸速率的NMRI测定
• 5.6 煤层气核磁渗流率理论模型建立
• 5.6.1 传统孔隙度和渗透率测定方法
• 5.6.2 新核磁渗透率模型建立
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 6 煤层中气水两相运移的NMRI实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 自然状态下煤试件NMRI实验
• 6.2.1 实验过程与结果
• 6.2.2 实验结果分析
• 6.3 煤试件饱和水NMRI实验
• 6.3.1 实验过程与结果
• 6.3.2 实验结果分析
• 6.4 煤层中水渗流NMRI实验
• 6.4.1 实验过程与结果
• 6.4.2 实验结果分析
• 6.5 气驱水NMRI实验
• 6.5.1 实验过程与结果
• 6.5.2 实验结果分析
• 6.6 型煤试件研制
• 6.7 水驱气NMRI实验
• 6.7.1 实验过程与结果
• 6.7.2 实验结果分析
• 6.8 本章小结
• 参考文献
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 作者攻博期间参加的科研工作和发表论文
• 致谢