论文题目：CO<sub>2</sub>增产煤层过程流体微观动态作用机理研究
摘要：论文以含水煤层中注入CO2后引起的气、水微观动态相互作用为研究切入点,利用建立的基于低场核磁共振煤的润湿性、气-水相对渗透率等分析新技术,系统研究了煤层注入CO2引起的气体置换效应、煤储层润湿性变化效应和气-水相对渗透率变化规律等,建立了评价CO2注入置换效率的定量化评价模型,实现了对CO2注入过程中气、水动态变化的定量评价。主要成果和认识如下:（1）利用自主搭建的实验平台结合低场核磁共振技术,对CO2置换甲烷过程中煤中吸附态及自由态甲烷变化进行了定量模拟,系统分析了CO2气体注入对不同煤样中甲烷解吸和置换作用的影响规律,即随注入量增加,CO2对甲烷的置换效率逐渐减弱;低煤阶煤的置换效率比高煤阶煤明显较差;较低的注入温度、较高的注入压力和减低的煤层初始含水饱和度等都有利于提高置换能力。（2）结合非稳态法,搭建了一套基于低场核磁共振的气、水相对渗透率测量装置,并建立了相对渗透率测量新方法。通过NMR直接计算煤样中水的定量变化从而获得被驱替水量,克服了常规方法难以准确获取驱替水量的难题。利用该方法对系列烟煤和无烟煤样品开展了不同应力下气、水相对渗透率模拟实验。结果表明:烟煤和无烟煤样品的相渗曲线总体呈现出“残余水饱和度高、等渗点含水饱和度高、两相流区窄”等特点;随着有效应力的增大,相对渗透率曲线向低气体饱和度方向移动。（3）建立了一套利用低场核磁共振判断煤润湿性的新方法:利用NMR获得反映煤中不同状态水分布的T2谱图;根据谱峰的位置和幅度获得了反映润湿性的T2谱的几何平均值(T2g)结合常规方法测的润湿角（θ）进行回归分析,建立了T2g与润湿角的关系式:θ=84.6×T2g+52.5;利用该式和样品的核磁共振T2谱来定量评价煤的润湿性。开展了基于低场核磁共振的煤-水-气（CO2）润湿性变化物理模拟实验,CO2注入可明显改变煤的润湿性。注入CO2气体的压力越大、温度越低,对煤样的润湿性改变越大;煤的吸附作用、气/液/固三相界面张力和CO2的水溶解三个要素决定了润湿性的改变。（4）基于低场核磁共振技术,物理模拟了煤层中注入CO2置换煤中水的作用过程。研究发现CO2注入对煤中的吸附态水具有明显的置换作用,并建立了CO2气体注入对水的置换量的计算模型:（?）。CO2的注入置换效率与煤的气体吸附能力以及煤样的煤岩、煤质和孔隙结构等有关。
关键词：煤层气;煤储层;CO2注入;低场核磁共振;润湿性;相对渗透率
学科专业：矿产普查与勘探
中文摘要
abstract
1 绪论
1.1 选题背景
1.2 研究目的与研究意义
1.3 研究现状及进展
1.3.1 煤中多相气体竞争吸附
1.3.2 煤中气水两相渗透率研究
1.3.3 CO_2与煤中水的相互作用
1.4 研究内容与技术路线
1.4.1 存在问题及对应研究内容
1.4.2 技术路线
1.5 完成的工作量
1.6 样品的采集
1.7 主要创新成果
2 核磁共振基本原理
2.1 原子核自旋及极化现象
2.2 宏观磁化矢量的扳转
2.3 弛豫和弛豫时间
2.3.1 纵向弛豫
2.3.2 横向弛豫
2.3.3 弛豫时间
2.4 脉冲序列及弛豫时间测量
2.4.1 FID脉冲
2.4.2 反转恢复脉冲序列与纵向弛豫时间
2.4.3 CPMG脉冲序列与横向弛豫时间
2.5 孔隙中流体核磁共振现象
2.5.1 孔隙中流体多弛豫特性
2.5.2 孔隙中流体多指数衰减
2.5.3 CPMG测试参数
3 煤中多相气体的竞争吸附研究
3.1 竞争吸附实验
3.1.1 实验样品
3.1.2 CO_2置换甲烷实验仪器及方法
3.2 煤的甲烷吸附
3.3 CO_2对甲烷的置换
3.3.1 CO_2的吸附量计算
3.3.2 基于气体组成成分的混合气体压缩因子计算
3.3.3 CO_2对甲烷的置换
3.4 CO_2置换甲烷作用的影响因素
3.4.1 煤岩性质对置换作用影响
3.4.2 温度对置换作用的影响
3.4.3 水分对置换作用的影响
3.5 本章小结
4 煤的气、水相对渗透率研究
4.1 相对渗透率实验
4.1.1 实验样品
4.1.2 实验仪器及方法
4.2 相对渗透率计算
4.2.1 JBN计算方法
4.2.2 计算方法分析
4.3 煤样特征
4.3.1 样品孔裂隙系统特征
4.3.2 样品压缩性特征
4.4 煤样相对渗透率结果
4.4.1 两相流过程
4.4.2 相渗曲线
4.4.3 实验结果可靠性
4.5 相对渗透率动态变化
4.6 本章小结
5 基于NMR的煤岩润湿性定量分析方法
5.1 NMR判定润湿性实验
5.1.1 实验样品
5.1.2 型煤润湿接触角测量
5.1.3 NMR实验
5.2 基于NMR煤润湿性判定
5.2.1 样品特征
5.2.2 样品的NMR实验测试结果
5.2.3 润湿性判断
5.3 润湿性判定方法可行性
5.4 本章小结
6 CO_2增产煤层气过程中的气、水多相作用
6.1 CO_2对水的置换作用
6.1.1 实验部分
6.1.2 煤岩样品核磁共振特征
6.1.3 CO_2对水的置换作用
6.1.4 实验过程误差分析
6.1.5 CO_2对水置换作用的影响因素
6.2 CO_2对煤中水分布的影响
6.2.1 实验方法
6.2.2 煤中水分布的改变
6.2.3 煤中水分布改变的影响因素
6.3 本章小结
7 结论及建议
致谢
参考文献