随着人们对煤炭资源粗放式发展弊病的认识,煤炭资源的洁净高效开发利用受到越来越多的重视。褐煤高含水率、高挥发分及发热量低等特点,决定了褐煤开采与利用的低效率。因此,结合褐煤热稳定性差、易热解等特点,太原理工大学赵阳升教授提出了褐煤原位注蒸汽开采油气理论与技术。在此背景下,本文采用宏观与细观相结合的研究方式,对褐煤高温渗透特性与压力气体热解褐煤细观特征进行了系统与深入的研究。另外,以多孔介质多场耦合理论为基础,对褐煤注蒸汽开采过程中温度场、应力场及岩层移动进行了数值模拟。主要研究内容与结论如下:(1)采用我校自主研制的高温三轴渗透试验台,研究了三轴应力下褐煤高温(室温~650℃)渗透特性,得到了不同孔隙压力下褐煤渗透率随温度升高而不断增大的趋势,且200℃以后渗透率远高于室温下测试结果,其渗透率在200~650℃出现了3次降低,但在不同孔隙压力下渗透率的数值依然维持在110 md以上,说明褐煤具有良好的渗透性。通过对褐煤的渗透特性进行分段研究,发现褐煤失水与热解是引起褐煤渗透率波动的主要因素。通过研究褐煤变形与温度的关系,结果表明25~200℃与300~650℃是褐煤变形的两个主要阶段。(2)采用自制高温气体加热反应装置,应用核磁共振技术与X-CT扫描技术相结合的方式,研究了不同温度下褐煤孔隙裂隙结构的演化规律。由核磁共振测试结果可知,褐煤孔隙孔径随温度的升高不断增大,且在450℃时μm级孔隙裂隙占主导地位,占比达55%以上。结合相关计算模型,计算得到的核磁法渗透率与宏观测试得到的渗透率变化规律具有高度的一致性。通过X-CT扫描技术发现,室温~250℃褐煤孔隙率随温度升高不断增大,350℃时出现一次降低,450℃时大幅升高至16.02%,是室温下的12.7倍,此时褐煤孔隙裂隙结构十分发育。同一研究尺度下两种方法测得孔隙率结果完全一致,核磁共振技术在区分褐煤有效孔隙率方面具有优势,可以探测到nm级孔隙,而X-CT扫描技术则可以全方位多角度表征褐煤的孔隙裂隙结构信息,通过二者相结合可以实现对褐煤孔隙裂隙类型、有效孔隙率、孔隙结构分布和孔隙裂隙空间配置的精细定量化表征。(3)通过对高温压力气体热解褐煤孔隙结构的演化规律研究,发现0.1MPa、0.5 MPa、1 MPa压力气体热解褐煤,孔隙率呈现出随温度的升高而增大的变化规律,且同一温度下气体压力越高,孔隙率越高,500℃时,孔隙率分别为23.01%、27.11%和28.63%。通过对比分析不同热解条件下褐煤不同尺度孔隙数目和体积的变化规律,发现气体压力越大越有利于小孔隙的发育,同时能促进各孔隙间的相互贯通,即有利于渗流通道的形成。通过对比热辐射加热与压力气体热解褐煤,发现气体压力可通过与颗粒内部气体的交互作用影响褐煤的热解,进而改变褐煤孔隙结构。(4)以多孔介质多场耦合理论为基础,应用原位注蒸汽开采油气的固-流-热耦合数学模型及得到的相关基础参数,编制相关程序,数值模拟研究了褐煤原位注蒸汽开采油气过程中温度场、应力场及岩层移动情况。结果表明:随时间增加,温度沿地层方向以圆盘形状向远离注热井方向扩展,垂直地层方向温度的发展以压裂层为中心向周围逐步扩展,其中压裂层温度扩展到生产井只需要5 h左右;普通煤层注热204.7 h后,注热井到生产井区域内煤层已达褐煤热解开采温度500℃。随着地层温度的上升,垂直应力σz逐步由压应力演化为拉应力,并随时间延长,拉应力影响区域以注热井与压裂层为中心不断向外扩展。随着热量的不断注入,注热井和生产井之间的地层出现了明显的膨胀变形,且随时间的延长,鼓起量不断增加。因热膨胀和孔隙压力,注热1311 h后,地表注热井处鼓起量为8.5 mm;生产井处鼓起为4 mm。