页岩储层纳微米孔隙CO2/CH4吸附及驱替特性研究进展

利用CO₂开采页岩气不仅能够提高页岩气采收率, 还能够节省水资源并且对CO₂进行地质封存, 有助于实现页岩气开采过程的碳中和. 富有机质页岩储层纳微米孔隙中气体运移机制不同于常规储层, CO₂在储层中具有超临界特性, 致使开采机理复杂, 无法得到CO₂开采页岩气微观机理的准确认识, 所以研究CH₄, CO₂及其二元混合物在页岩储层纳微米孔隙中的吸附及驱替特性对准确评估和高效开采页岩气至关重要. 本文从实验、理论以及模拟方面对页岩储层纳微米孔隙中CH₄的吸附特性、CO₂/CH₄二元混合物竞争吸附特性以及驱替特性进行了综合分析, 对气体在纳微米孔隙中吸附及驱替特性的基础研究及关键问题进行讨论分析并提出了展望. 研究表明CH₄在页岩储层中表现为物理吸附, 有机质特征(丰度、成熟度、类型)、孔隙结构、无机矿物组成、温度和压力、含水率对页岩的CH₄吸附能力均有一定程度的影响. 在相同条件下, CO₂比CH₄更易被页岩储层吸附, 在页岩储层中注入CO₂可以促进CH₄的解吸, 并有利于CO₂的地质埋存. 开采方案的部署可采用井网形式的注采方式, 可以通过调整注入井的位置、数量以及CO₂注入速率对开采方案进行优化.      

中国海域盆地CO2地质封存选址方案与构造力学分析

本文围绕“碳达峰、碳中和”国家战略目标,从断裂活动、盆地压力、构造沉降特征、地震活动性和地温梯度等角度综合分析中国海域盆地适宜大规模CO₂地质封存的条件与目标,在宏观上认为东海陆架盆地、珠江口盆地、琼东南盆地东部以及南海中央海盆是最佳CO₂地质封存区域,但这并不排除其他盆地内部存在适宜的CO₂地质封存点,因为具体某个地质封存工程目标的范围相对较小.东海陆架盆地、珠江口盆地和琼东南盆地内适用于CO₂地质封存的地层包括盆地晚期快速沉降期沉积层的底部咸水层和热沉降沉积层内的含油气单元,在适宜的海底之下800～4000 m深度范围内,孔隙度大于10%,静水压力约在8～40 MPa之间、静岩压力约在13～83 MPa之间变化.在此压力范围和合适的地温梯度范围内, CO₂以超临界状态存在,其密度随温压变化相对稳定,有利于CO₂的流动和渗透.另外,盆地内的基性岩浆岩建造的规模和数量也为CO₂地质封存和永久矿化提供了很好的条件.虽然工程难度大和代价高...     

CO2微气泡溶解动力学及提高采收率机理研究

CO₂微气泡是一种具有潜力的提高采收率与碳埋存方法,本文在自主设计的CO₂微气泡发泡装置的基础上,表征了高温高压条件下微气泡形态,进一步研究了微气泡的溶解特征,研究结果表明:10 MPa下制备出的微气泡直径10～70μm,平均直径34.43μm; 15 MPa下制备的微气泡直径更小,平均直径25.03μm;地层水高矿化度条件下,平均气泡直径277.17μm,且气泡稳定性降低.微气泡的溶解实验结果表明CO₂微气泡的溶解速率较高,但是未溶解的CO₂仍以气泡的形式在地层中运移,微气泡注入地层后将形成“碳化水+微气泡”的运移模式.采用可视化微流控平台,首次研究了高温高压条件下无化学剂辅助CO₂微气泡的提高采收率机理:(1)提高微观洗油效率;(2)通过体积膨胀、溶解携带作用将油滴带出盲端,采出盲端中的剩余油;(3)打破油滴的毛管压力平衡状态,采出柱状残余油;(4)在流动中产生“贾敏效应”,封堵大孔隙、提高波及效率.本文研究可为CO₂微气泡提高油藏采收率与碳封存提供指...     

初始温度对CO2抑爆作用的影响

将CO₂充入的液化石油气中并进行点火,研究不同初始温度下CO₂对多元混合气液化石油气爆炸的抑制作用。实验显示:初始温度15℃时CO₂体积分数达到36%时,混合气体退出可爆范围,临界氧浓度为12.8%;初始温度50℃时CO₂体积分数达到39%时,混合气体退出可爆范围,临界氧浓度为12.2%。结果表明:CO₂对液化石油气爆炸的抑制效果在一定程度上要受环境温度的影响。     

A numerical investigation of CO_2 dilution on the thermochemical characteristics of a swirl stabilized diffusion flame

The turbulent combustion flow modeling is performed to study the effects of CO₂ addition to the fuel and oxidizer streams on the thermochemical characteristics of a swirl stabilized diffusion flame. A flamelet approach along with three well-known turbulence models is utilized to model the turbulent combustion flow field. The k-ω shear stress transport(SST) model shows the best agreement with the experimental measurements compared with other models. Therefore, the k-ω SST model is used...     

CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响

为了研究CO₂和超细水雾对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性的影响,采用高速纹影系统和定容燃烧弹对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性进行了研究。分别改变CO₂稀释体积分数和超细水雾质量浓度,分析在二者单独和共同作用下球形火焰传播过程、火焰传播速度和爆炸超压的变化规律。结果表明:58.3 g/m3超细水雾增强了火焰不稳定性,促进了火焰加速和爆炸超压增加,表明超细水雾不足能产生促爆作用,只有当超细水雾充足时才会抑制甲烷爆炸;CO₂和超细水雾共同作用时能避免因超细水雾带来的促爆现象,可以明显减弱火焰不稳定性,减小火焰传播速度,降低爆炸超压和平均压升速率,以及明显推迟超压峰值来临时间。     

New printed circuit heat exchanger with S-shaped fins for hot water supplier

A new PCHE with an S-shaped fin configuration was applied to a hot water supplier in which cold water of 7 °C is warmed to 90 °C through heat-exchange with supercritical CO₂ of 118 °C and 11.5 MPa pressure. The fin and plate configurations were determined using 3D CFD simulations for the CO₂ side and H₂O side and the thermal–hydraulic performance of hot water supplier was evaluated. Compared with a hot water supplier that is currently used in a residential heat pump, the new PCHE provides about 3.3 times less volume; and lower pressure drop by 37% in the CO₂ side and by 10 times in H₂O side.     

N2与CO2对合成气爆炸特性影响的实验研究

为了研究惰性气体(氮气及二氧化碳)对合成气爆炸特性的影响,利用20L球形爆炸仪器,开展不同体积分数氮气与二氧化碳作用下不同当量比合成气的爆炸实验,从爆炸峰值压力、爆炸压力到达峰值时间、爆炸指数方面分析惰性气体对合成气爆炸特性的影响。研究结果表明:惰性气体体积分数的增加会降低合成气的爆炸压力和爆炸指数,推迟爆炸压力到达峰值的时间;在相同体积分数下,CO2比N2能更有效地降低合成气的爆炸峰值压力和爆炸指数,减小爆炸反应的剧烈程度,CO2在抑制合成气爆炸方面比N2的效果明显。     

磁控溅射NbSe2和MoS2薄膜不同湿度下的摩擦学行为

针对MoS₂在潮湿环境易氧化和润滑失效的问题,从增强离子键强度的角度探索改善其抗氧化以及润滑湿度适应性. 选择了离子键更强的NbSe₂进行对比,采用磁控溅射法分别制备了NbSe₂和MoS₂薄膜,研究了两种薄膜在不同湿度下的摩擦学性能,对比其在摩擦稳定阶段的结构和化学组成,探讨了NbSe₂在大气高湿度环境下的优势与作用机理. 结果表明:NbSe₂薄膜在大气环境下的摩擦表现出更佳的湿度适应性,在20% RH、35% RH和55% RH下摩擦系数稳定在0.08左右,直到75% RH下摩擦系数才开始增大,而MoS₂薄膜在35% RH下面临润滑性能快速失效的问题,进一步结合XPS和XRD等表征结果发现:相较于MoS₂,NbSe₂在大气摩擦条件下更难氧化,其层层滑移状态能较好维持,能保持长时间的润滑性能,这为大气高湿度服役润滑材料的改进提供了新的思路.      

CH4/N2、CH4/CO2二元和CH4/N2/CO2三元混合气体爆炸极限的实验与估算

为了获取甲烷与不可燃组分组成的混合物的爆炸极限,采用一种基于绝热火焰温度的混合物爆炸极限估算方法,对CH₄/N₂和CH₄/CO₂这2种二元混合气体及3种不同阻燃剂体积分数的CH₄/N₂/CO₂三元混合气体的爆炸极限进行实验研究,并将实验结果与估算值进行比较。CH₄/N₂与CH₄/CO₂二元混合物实验值与估算值在爆炸上限处的平均绝对偏差为0.34%,在爆炸下限处的平均绝对偏差为0.15%。3种不同比例的三元混合物实验值与估算值在爆炸上限处的平均绝对偏差为0.43%,在爆炸下限处的平均绝对偏差为0.20%。结果表明,估算方法对甲烷与不可燃组分的二元混合物与三元混合物爆炸极限的估算均具有较高的准确度。     

不同重力下90°弯管内气液两相流流型及流动特性研究

研究了不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型分布形态及流动特性. 通过建立90°弯管内气液两相流流动的三维数学物理模型,采用VOF 方法,对10-6g₀, 10-4g₀, 10-2g₀, 1g₀ (g₀= 9.8m/s2) 重力下的90°弯管内气液两相流流型分布特征、截面空隙率、滑速比及气相尾部最大斜向角进行了比较分析. 研究结果表明:所建立的模型能够正确模拟不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型和截面空隙率,并得到气液两相弯管二次流与单相二次流的不同特性. 随着重力水平的提高,90°弯管对气相流型的影响作用减弱,气相整体向弯管内侧积聚靠拢,弯管对尾部的斜向作用减弱.      

Measurement of propagation speeds in adiabatic cellular premixed flames of CH4 + O2 + CO2

Experimental measurements of the propagation speed of adiabatic flames of methane + oxygen + carbon dioxide are presented. The oxygen content O₂/(O₂ + CO₂) in the artificial air was 31.55% and 35%. Non-stretched flames were stabilized on a perforated plate burner at atmospheric pressure. A heat flux method was used to determine propagation speeds under conditions when the net heat loss of the flame is zero. Under specific experimental conditions the flames become cellular; this leads to significant modification of the flame propagation speed. The onset of cellularity was observed throughout the stoichiometric range of the mixtures studied. Measurements in cellular flames are presented and compared with those for laminar flat flames. Cellularity disappeared when the flames became only slightly sub-adiabatic. Visual and photographic observations of the flames were performed to quantify their cellular structure. Increasing the oxygen content in the artificial air and increasing the temperature of the burner plate led to increase of the number of cells observed.     

超临界CO2磨料射流流场影响因素的模拟分析

为了揭示超临界CO₂磨料射流流场特性,利用计算流体动力学模拟软件,对超临界CO₂磨料射流结构及不同因素对射流流场的影响规律进行了研究。结果表明:超临界CO₂磨料射流轴向速度和冲击力随着喷距的增大,先增大后减小,即存在最优喷距,喷射压差为10~30 MPa时最优喷距为3~6倍喷嘴直径;喷射压差一定时,围压由10 MPa增至30 MPa对射流速度场及液相冲击力会造成较小的负面影响。通过超临界CO₂射流破岩实验对上述2因素进行了辅助对比验证;流体温度由333 K增至413 K,固液两相轴向速度增大,而流体密度降低,导致液相冲击力减弱;磨料浓度由3.0%连续增至11.0%,射流固液两相轴向速度逐渐降低,降幅逐渐减小。     

不同温度条件下含流体砂岩裂隙摩擦特性的试验研究

砂岩储层中由流体注入导致的地震活动与砂岩断层(裂隙)的摩擦行为有关.为了揭示不同温度条件下含流体砂岩裂隙的摩擦特性,在温度范围为25°C～140°C和有效法向应力范围为4～12 MPa的试验条件下,本文分别对干燥、水饱和以及注CO₂锯切砂岩裂隙进行了速度分级加载试验.试验结果表明:(1)对于干燥砂岩裂隙,增大有效法向应力和升高温度均能增大裂隙的初始摩擦系数,而改变有效法向应力对裂隙摩擦稳定性影响不明显,仅升高温度会略微降低其摩擦稳定性;(2)对于水饱和砂岩裂隙,裂隙的初始摩擦系数同样会随着有效法向应力的增大而增大,但会受到升温的弱化作用,而增大有效法向应力和升高温度均能降低裂隙的摩擦稳定性;(3)对于注CO₂砂岩裂隙,裂隙的初始摩擦系数受有效法向应力和温度变化的影响与水饱和砂岩裂隙相反,但裂隙的摩擦稳定性仅会随着温度的升高而降低,受有效法向应力的影响不明显.因此,砂岩裂隙的摩擦特性受有效法向应力、温度和注入流体类型的共同影响.该试验结果对理解流体注入诱发地震有一定的指示作用.     

CL-20/HMX共晶冲击起爆模拟

采用非平衡分子动力学方法模拟了CL-20/HMX共晶炸药冲击压缩和化学反应行为,获得了密度以及粒子速度的时空分布、冲击雨贡纽、冲击起爆压力、爆轰压力等数据,以及主要中间产物和稳定产物分布。模拟结果显示,共晶的初始分解路径是CL-20中N—NO₂键断裂,主要稳定产物是N₂、CO₂和H₂O。CL-20和HMX的分解速率随着冲击波速度的增加而增加,并且逐渐接近,但各冲击条件下CL-20分子的衰减速率均大于HMX。     

Generalizing J 2 flow theory: Fundamental issues in strain gradient plasticity

It has not been a simple matter to obtain a sound extension of the classical J₂ flow theory of plasticity that in- corporates a dependence on plastic strain gradients and that is capable of capturing size-dependent behaviour of metals at the micron scale. Two classes of basic extensions of clas- sical J₂ theory have been proposed: one with increments in higher order stresses related to increments of strain gradi- ents and the other characterized by the higher order stresses themselves expressed in terms of increments of strain gra- dients. The theories proposed by Muhlhaus and Aifantis in 1991 and Fleck and Hutchinson in 2001 are in the first class, and, as formulated, these do not always satisfy ther- modynamic requirements on plastic dissipation. On the other hand, theories of the second class proposed by Gudmundson in 2004 and Gurtin and Anand in 2009 have the physical deficiency that the higher order stress quantities can change discontinuously for bodies subject to arbitrarily small load changes. The present paper lays out this background to the quest for a sound phenomenological extension of the rate- independent J₂ flow theory of plasticity to include a de- pendence on gradients of plastic strain. A modification of the Fleck-Hutchinson formulation that ensures its thermo- dynamic integrity is presented and contrasted with a compa- rable formulation of the second class where in the higher or- der stresses are expressed in terms of the plastic strain rate. Both versions are constructed to reduce to the classical J₂ flow theory of plasticity when the gradients can be neglected and to coincide with the simpler and more readily formulated J₂ deformation theory of gradient plasticity for deformation histories characterized by proportional straining.     

内分液结构调控竖直管间歇流型建模研究

内分液流型调控管依靠微尺度网孔阻气通液的毛细力学特性,调控气液两相间歇流型以实现传热强化.基于Lockhart-Martinelli 分相模型以及Zuber-Findlay 漂移流动模型,建立描述内分液竖直管内流体动力特性的一维数学模型. 采用模型求解实验工况,计算结果与实验结果误差均在20% 以内. 计算发现,液速对流动现象起决定作用,而气速影响通过丝网的渗透程度. 在定性分析基础上,采用三角立方插值与最小二乘B 样条拟合获得了流动特性与气速、液速的定量函数关系. 据此得出结论,当Re_l < 693 7 时,一定出现第1 类工况;当Re_l > 693 7,且Re_g < 67 时,可能会出现第2 类工况,此时较低的气速会促进第2 类工况的出现. 根据建立的模型与拟合关系式可实现内分液调控管的优化设计.      

基于CN自由基的火星再入流场温度测量

利用氰自由基（CN）B2Σ+→X2Σ+ 电子带系的发射光谱温度测量技术诊断模拟火星再入流场高温气体的温度. 以双原子分子光谱理论为基础,通过确定CN 自由基B2Σ+→X2Σ+ 电子带系中 Δv = 0 振动带系发射光谱的跃迁波数、Einstein 跃迁几率以及不同振转能级粒子数等参数,得到了任意转动温度和振动温度下的理论光谱强度分布,结合经窄线宽半导体激光器标定的仪器展宽（Lorentz 线型,半宽度FWHM 为0.154 nm）,为CN自由基B2Σ+→X2Σ+ 电子带系发射光谱测温技术提供理论依据. 利用激波管模拟火星再入流场环境,通过分析激波波后不同时刻处高时间、空间分辨率的CN 自由基发射光谱,得到了激波波后高温气体不同时刻处的转动温度和振动温度,并根据得到的温度信息给出了激波诱导时间和弛豫时间.      

磁场效应对甲烷爆炸影响的机理

为了揭示磁场对甲烷爆炸特征的影响机理,开展了磁场对甲烷爆炸影响实验,得出了磁场对甲烷爆炸压力、火焰传播速度、爆炸产物组分及体积分数的影响规律。利用Chemkin-Pro软件模拟甲烷爆炸链式反应过程,得到了甲烷爆炸过程中的关键自由基和基元反应。通过理论计算,对不同自由基在磁场作用下的受力进行分析,揭示了磁场对甲烷爆炸的影响机理。研究结果表明,磁场能够降低甲烷爆炸压力和火焰传播速度,降低CO和CO₂的生成量,增加甲烷的残余量;·H、·O、·OH、·CH₃、·CH₂O是甲烷爆炸的关键自由基,由于·O的磁化率较高,被吸引到磁感线密集的区域,·O与其他自由基的碰撞几率减少,从而降低·HCO→CO→CO₂的链式反应速率,导致CO和CO₂生成量降低,且甲烷爆炸强度降低。     

沙水润滑下纳米改性NBR材料的摩擦学性能

丁腈橡胶(NBR)是一种优异的水润滑减摩耐磨材料,但硬质颗粒的介入对其产生较大的材料损失. 利用硅烷偶联剂TESPT改性纳米SiO₂颗粒,并填充至NBR基体,获得改性纳米SiO₂/NBR标记为NBR-1. 改性后的纳米SiO₂颗粒在NBR基体中均匀分散. 将纳米SiO₂颗粒、微米SiO₂颗粒填充至NBR基体标记为NBR-2、NBR-3作为对照组. 三种复合材料在武汉理工大学自制的SSB-100型摩擦磨损试验机上进行沙水润滑工况下的摩擦磨损试验. 结果表明:三种复合材料在沙水工况下摩擦系数均随载荷和转速的增加而下降. 在相同的载荷和转速条件下,NBR-1的摩擦性能最为优异. 对比三种材料的耐沙磨损性能,沙粒对NBR表面的磨损主要为犁沟磨损,NBR-2和NBR-3材料磨损量远远大于NBR-1,NBR-1材料更适用于含沙水区域.