【摘要】：水力壓裂是目前我國(guó)煤層氣行業(yè)的主要增產(chǎn)措施。在壓裂過(guò)程的高壓注入作用下,壓裂液勢(shì)必會(huì)引起造縫帶附近煤儲(chǔ)層的傷害,影響煤層氣井的產(chǎn)能。因此,開展壓裂液高壓作用對(duì)煤儲(chǔ)層傷害特征及其控制機(jī)理的研究,對(duì)于煤層氣開發(fā)儲(chǔ)層保護(hù)理論和新型低傷害性壓裂液體系的研制具有重要意義。本論文選取低、中階煤樣品,先用砂線切割機(jī)將煤樣切成直徑為25mm,高度約為50mm的煤柱,然后開展模擬高壓壓裂液注入處理實(shí)驗(yàn),并針對(duì)處理前后煤的微觀結(jié)構(gòu)特征變化開展了系列實(shí)驗(yàn)研究和控制機(jī)理探討。采用二氧化碳吸附、低溫液氮吸附等分析技術(shù)對(duì)比壓裂液處理前后河曲煤樣與柳林煤樣的孔隙差異,并根據(jù)液氮吸附中的相關(guān)數(shù)據(jù)得到煤樣的分形維數(shù),以此得到壓裂液對(duì)煤中吸附孔及滲流孔等孔隙的影響;借助FTIR、XRD、~(13)C-NMR等測(cè)試手段來(lái)對(duì)比壓裂液作用前后煤分子中官能團(tuán)及微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)等微觀結(jié)構(gòu)的變化;利用壓裂液對(duì)孔隙及煤分子結(jié)構(gòu)的影響來(lái)解釋壓裂液對(duì)滲透率與潤(rùn)濕性的變化;從高壓作用下煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的變化和流體作用下煤儲(chǔ)層表面性質(zhì)的變化來(lái)綜合探討壓裂液處理對(duì)煤儲(chǔ)層吸附性和滲透性的影響機(jī)制�；趯�(duì)上述測(cè)試手段所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,得到以下結(jié)論:(1)經(jīng)壓裂液作用后,在二氧化碳和液氮的等溫吸附曲線中,煤的總吸附量增加;液氮吸脫附曲線中滯后環(huán)的面積減小,說(shuō)明煤中的細(xì)瓶頸孔和墨水瓶孔的比例下降。原因在于:一方面,高壓作用使得煤儲(chǔ)層更加致密化,從而導(dǎo)致開放型孔隙數(shù)量減少;另一方面,殘留在煤微孔中的高壓注入水和煤粉堵塞了部分孔隙吼道。此外,煤樣的分形維數(shù)減小,表明壓裂作用使得造縫帶附近煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加規(guī)則化,這與宏觀意義上的壓實(shí)作用的影響相一致。(2)從傅立葉紅外的測(cè)試結(jié)果可以看出:經(jīng)壓裂液處理后,兩種煤中芳環(huán)的取代方式、含氧官能團(tuán)、脂肪烴和氫鍵的含量都發(fā)生了一定程度的變化。兩種煤中脂肪鏈的支鏈數(shù)量均有一定程度的減小。從殘液的紅外中可以發(fā)現(xiàn),煤樣殘余液的特征吸收峰相較于參比液蒸餾水發(fā)生了很大變化。其主要原因是煤分子中的含氧官能團(tuán)與水分子之間發(fā)生了氫鍵作用,使氫鍵的類型與大小發(fā)生變化所致。此外,河曲殘液和柳林殘液與蒸餾水的紅外譜圖相比,液體中烴基的含量增加。(3)由XRD的微晶結(jié)構(gòu)參數(shù)可知,經(jīng)壓裂液作用后,兩種煤的層間距d_(002)有輕微的減小,芳香層片直徑L_a與層片的堆砌高度L_c稍有增大。這主要是由于在高壓作用下,煤儲(chǔ)層更加致密,煤分子的結(jié)構(gòu)更趨于定向性的結(jié)果。由未經(jīng)脫灰煤的XRD測(cè)試結(jié)果可知,煤中主要含有蒙脫石、高嶺石與硬石膏等礦物,經(jīng)壓裂液作用后,煤中礦物的含量均有減小的趨勢(shì)。(4)通過(guò)對(duì)煤樣的~(13)C-NMR的數(shù)據(jù)處理及分析,河曲煤中sp~2雜化總碳增加,柳林煤中sp~2雜化總碳減小。河曲煤的sp~3雜化總碳量減小,而甲基含量不變,因此亞甲基或次甲基含量減小。對(duì)于柳林煤而言,sp~3雜化總碳增加,而甲基的含量不變,因此,亞甲基或次甲基的含量增加,這與紅外中脂肪烴的研究結(jié)果保持一致。(5)由煤樣的接觸角可知,經(jīng)壓裂液作用后,河曲煤的接觸角略有增加,柳林煤的接觸角減小,說(shuō)明壓裂液使得河曲煤疏水,柳林煤親水。這與煤樣中羧基的含量有密切關(guān)系。(6)通過(guò)對(duì)壓裂前后的煤樣進(jìn)行氣相滲透率的測(cè)試,可以發(fā)現(xiàn):經(jīng)壓裂液作用后,兩種煤樣的滲透率均出現(xiàn)了下降,這與液氮吸附中一端封閉的平行板狀孔的數(shù)量增加和FHH分形維數(shù)減小(宏觀意義上的壓實(shí)作用)有關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE377

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