【摘 要】
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作为重要的常规天然气替代能源,页岩气的勘探与开发对于优化我国能源消费结构,降低我国能源对外依存度以及缓解由化石燃料消费引发的环境污染问题至关重要。基于我国页岩气主产区水资源缺乏、地表环境复杂,气藏埋藏较深及储层孔隙率和渗透率较低的现状,实施传统水力压裂技术开采页岩气具有局限性。作为可行的水力压裂开采页岩气的替代技术,微波辐照能够改造页岩气储层并促进页岩气在基质内部的解吸和扩散,从而强化页岩气开采。
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作为重要的常规天然气替代能源,页岩气的勘探与开发对于优化我国能源消费结构,降低我国能源对外依存度以及缓解由化石燃料消费引发的环境污染问题至关重要。基于我国页岩气主产区水资源缺乏、地表环境复杂,气藏埋藏较深及储层孔隙率和渗透率较低的现状,实施传统水力压裂技术开采页岩气具有局限性。作为可行的水力压裂开采页岩气的替代技术,微波辐照能够改造页岩气储层并促进页岩气在基质内部的解吸和扩散,从而强化页岩气开采。实际页岩气储层常含有一定的原生水。鉴于原生水的理化特性及在页岩储层中的赋存规律,其能够改变页岩基质的微波穿透性和介电特性,进而影响微波辐照对页岩气的增采效果。为了进一步探究微波增采页岩气技术的可行性,本论文以干燥和含原生水页岩样品为研究对象,重点探究了页岩原生水对含气页岩关键理化性质及CH4吸附/解吸性能微波响应的作用规律和机理。主要研究内容和结论如下:（1）通过测量可控源微波场中干燥和含原生水页岩样品的升温曲线,研究了原生水对含气页岩吸波升温行为的作用规律。结果表明:微波辐照时,所有含原生水状态下的页岩样品升温速率和最终体相温度均高于干燥状态。微波场中页岩样品的吸波升温能力主要受控于自身矿物组成及原生水含量。具体地,干燥页岩样品的吸波升温能力取决于黄铁矿和白铁矿（二者均为强吸波矿物）含量;含原生水页岩样品的吸波升温能力则取决于原生水含量。（2）联用多种仪器分析方法表征干燥和含原生水页岩样品微波辐照前后的失重率、矿物组成、孔隙结构和表面化学性质,研究原生水对含气页岩理化性质微波响应的作用规律。结果表明:（1）微波辐照促使页岩有机质和无机矿物（主要为黄铁矿、白铁矿和碳酸盐矿物等不稳定矿物）分解,样品质量下降。原生水会进一步促进微波场中页岩有机质和无机矿物的分解。（2）微波辐照主要影响页岩介孔结构参数,而其对页岩微孔结构的影响较小。具体地,干燥和含原生水页岩样品的介孔表面积和体积均减小,原生水进一步降低了微波辐照后页岩的介孔表面积和体积。此外,微波辐照显著减少了直径介于2-7 nm的CH4吸附孔数目,间接表明微波辐照有利于吸附态CH4的解吸。原生水进一步降低了微波辐照后低总有机碳（TOC）含量页岩中上述孔径范围内的孔隙数目,但增加了高TOC含量页岩中上述孔径范围内的孔隙数目。分形维数计算结果表明,微波辐照降低了干燥和含原生水页岩孔隙形态的复杂程度,其中含原生水页岩样品孔隙形态的复杂程度较干燥页岩样品进一步降低,表明微波辐照有利于CH4在页岩基质内的扩散,原生水进一步增强了微波对页岩CH4扩散性能的促进作用。（3）微波辐照后,干燥和含原生水页岩样品的含氧官能团总量增加,芳香性降低。含原生水页岩样品微波辐照后含氧官能团含量和芳香性的变化更为显著。页岩含氧官能团含量增加,芳香性降低表明基质对CH4的吸附强度降低,即微波辐照有利于页岩吸附态CH4的解吸,尤其是对于含原生水页岩。（3）利用容量法测量微波辐照前后干燥和含原生水页岩样品的CH4吸附/解吸等温线,并结合吸附模型研究结果,探究原生水对含气页岩CH4吸附/解吸性能微波响应的作用规律。结果表明:（1）微波辐照降低了干燥和含原生水页岩样品的CH4吸附量。原生水会进一步增强微波辐照对页岩CH4的吸附能力的削弱作用。表明微波辐照可以促进储层吸附态CH4解吸,而原生水进一步促进了微波辐照对页岩气的开采效果。（2）整体上,微波辐照后,CH4在所有页岩样品内的微孔扩散系数增大,且微波辐照后的含原生水页岩样品中的微孔扩散系数的大于微波辐照后的干燥页岩样品,表明微波辐照可以促进CH4在页岩基质内部的扩散。（3）整体上,微波辐照使得页岩CH4吸附/解吸滞后效应增强;原生水进一步增强微波辐照后页岩CH4吸附/解吸滞后效应。综上,页岩原生水会显著影响可控源微波场中含气页岩的吸波升温行为、孔隙结构和表面化学性质,进而影响页岩样品的CH4吸附/解吸性能。整体上,原生水会增强页岩上述性质对微波辐照的响应程度,并有望增强微波辐照对页岩CH4解吸和扩散的促进作用,最终提高页岩气采收率。本论文的研究结果和结论,有助于完善和弥补我国现有页岩气开采技术的不足,并为从事页岩气开采的科研和技术人员提供新的研发思路。
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