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.      

储层含水条件下致密砂岩/页岩无机质纳米孔隙气相渗透率模型

页岩及致密砂岩储层富含纳米级孔隙,且储层条件下页岩孔隙(尤其无机质孔隙)及致密砂岩孔隙普遍含水,因此含水条件下纳米孔隙气体的流动能力的评价对这两类气藏的产能分析及生产预测具有重要意义.本文首先基于纳米孔隙内液态水及汽态水热力学平衡理论,量化了储层孔隙含水饱和度分布特征;进一步在纳米孔隙单相气体传质理论的基础上,考虑了孔隙含水饱和度对气体流动的影响;最终建立了含水饱和度与气相渗透率的关系曲线. 基于本文岩心孔隙分布特征,计算结果表明:储层含水饱和度对气体流动能力的影响不容忽视,在储层含水饱和度20%的情况下,气相流动能力与干燥情况相比将降低约10%;在含水饱和度40% 的情况下,气相流动能力将降低约20%.      

页岩有机质纳米孔隙气体吸附与流动规律研究

页岩储层孔隙结构复杂, 气体赋存方式多样. 有机质孔隙形状对受限空间气体吸附和流动规律的影响尚不明确, 导致难以准确认识页岩气藏气体渗流机理. 为解决该问题, 本文首先采用巨正则蒙特卡洛方法模拟气体在不同形状有机质孔隙(圆形孔隙、狭长孔隙、三角形孔隙、方形孔隙)内吸附过程, 发现不同形状孔隙内吸附规律符合朗格缪尔单层吸附规律, 分析了绝对吸附量、过剩吸附浓量、气体吸附参数随孔隙尺寸、压力的变化, 研究了孔隙形状对气体吸附的影响. 在明确不同形状有机质孔隙内气体热力学吸附规律基础上, 建立不同形状有机质孔隙内吸附气表面扩散数学模型和考虑滑脱效应的自由气流动数学模型, 结合分子吸附模拟结果研究了不同孔隙形状、孔隙尺寸有机质孔隙内吸附气流动与自由气流动对气体渗透率的贡献. 结果表明, 狭长孔隙内最大吸附浓度和朗格缪尔压力最高, 吸附气表面扩散能力最弱. 孔隙半径5 nm以上时, 吸附气表面扩散对气体渗透率影响可忽略. 本文研究揭示了页岩气藏实际生产过程中有机质孔隙形状对页岩气吸附和流动能力的影响机制.      

CH4/O2/CO2预混体系爆炸动力学研究

为探究甲烷在富氧条件下的火焰动力学规律,以CH₄/O₂/CO₂预混体系为研究对象,在小尺度方形透明管道中进行了一系列爆炸实验,探讨了初始环境温度波动对爆炸参数的影响,并对预混体系的燃烧机理进行分析。结果表明:在273 K的环境温度下,化学当量比φ=0.8~1.0且氧气相对比γ<0.30和φ=1.2且γ<0.35的预混体系不能被点燃,而其他预混体系均可被点燃,最终产生郁金香与非郁金香两种火焰类型,并且根据郁金香火焰独特的演变特征,又划分为T形郁金香火焰和不对称郁金香火焰;随着γ的增大,无量纲火焰传播速度v/(S_Lσ)的变化趋势由“两升两降”转变为“一升一降”。初始环境温度的升高并未对火焰传播速度和爆炸超压的变化趋势产生影响,但是会导致最大爆炸超压p_max和最大火焰传播速度降低。值得注意的是,初始环境温度对爆炸强度的影响随化学当量比的减小而增强。另外,与最大爆炸超压相比,最大火焰传播速度与层流燃烧速度之间的关系更紧密。从敏感性分析中可知:层流燃烧速度对自由基链式反应R38(即H+O₂=O+OH)表现出最大的正敏感度,对R52(即H+CH₃(+M)=CH₄(+M))表现出最大的负敏感度,并且对自由基OH的生成速率最敏感,当初始环境温度升高至303 K时,层流燃烧速度对R38(正)和R52(负)的敏感度降低;H、O和OH自由基总摩尔分数的增大会削弱热扩散的不稳定性,增强流体力学的不稳定性。     

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。     

CF3I和CO2抑制甲烷-空气爆炸实验研究

为了探究三氟碘甲烷CF₃I和二氧化碳CO₂复合使用对甲烷爆炸的抑制效果,采用容积为20 L的球形爆炸实验装置,研究了单独和复合使用三氟碘甲烷和二氧化碳对甲烷爆炸压力特性的影响。研究结果表明:添加三氟碘甲烷和二氧化碳后,甲烷爆炸极限范围逐渐缩小,且三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响更显著,当三氟碘甲烷和二氧化碳的体积分数分别达到5.5%和32.0%时,甲烷爆炸上下限重合,临界氧的体积分数分别为17.85%和12.50%。可见三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响机制与二氧化碳不同,并不是通过降氧为主而发挥抑制作用的。三氟碘甲烷对甲烷爆炸的抑制效果明显优于二氧化碳,对比体积分数为9.5%的甲烷爆炸最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率下降的比率,5.0%三氟碘甲烷的抑爆效果约是等量二氧化碳的6倍和5倍。二氧化碳掺混少量三氟碘甲烷后,抑爆效果大幅提升,掺混比例越,高效果越明显,且对抑制甲烷爆炸压力作用的提升更显著。三氟碘甲烷掺混体积分数大于等于1.0%时,二氧化碳单位增量导致甲烷最大爆炸压力下降的幅度有所增加。这说明三氟碘甲烷的加入具有改善抑爆效果和增强抑爆效率的双重作用。     

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。     

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...     

基于等温吸附的页岩水分传输特征研究

研究页岩的水分传输特征至关重要,不仅有助于认识页岩的物理化学性质,而且也有助于评价页岩气的吸附扩散和流动能力.本文设计了页岩的水分传输实验装置,采用美国伍德福德和中国南方龙马溪组页岩为研究对象,开展了不同温度、不同湿度下页岩的水分传输实验,研究了页岩的水分传输特征和影响因素.结果表明,页岩的水分吸附属于II型曲线,包含着单分子层吸附、多分子层吸附和毛细凝聚的过程,GAB模型可用于描述页岩的水分吸附过程;水分吸附随着相对压力的增大而增强,有机碳含量和温度对页岩水分吸附起着增强作用,而方解石会抑制页岩的水分吸附;随着相对压力的增大,页岩的水分扩散系数呈现先增大后减小随后增加的趋势,其系数大约在8.73$\times$10$^{ - 9}\sim $5.95$\times $10$^{ - 8 }$m$^{2}$/s之间;伍德福德页岩的等量吸附热均大于龙马溪页岩的等量吸附热,这与其页岩的成熟度有关.研究结果为认识页岩的物理化学性质和力学性能以及评价页岩气的吸附流动能力提供参考依据.      

超临界CO2气爆非均质煤体破裂规律模拟研究

为揭示超临界CO2气爆含割理裂隙非均质煤体的致裂规律,开发了识别实际煤体图像获取其割理裂隙几何信息的M atlab程序,将几何信息与煤体非均质物性参数关联并导入Abaqus中,实现了非均质煤体有限元表征,并采用SPH与FEM联合求解的方法模拟超临界CO2气爆非均质煤体的致裂过程,得到了弱面倾角、弱面到爆孔中心距离及初应力的变化对煤体气爆致裂效果的影响规律.模拟结果表明,初应力对主裂缝的萌生和扩展具有导向作用,气爆裂缝沿最大初应力方向扩展;弱面倾角相同时,弱面离爆孔越近,穿过弱面的裂缝尺度和密度越大,弱面离爆孔较远时,弱面完全阻断了裂缝的扩展;弱面到爆孔中心距离相同时,弱面倾角越大,弱面对裂缝扩展的阻碍作用越大,穿过弱面的裂缝尺度和密度越小,应力波透射率越小.现场气爆增透煤体时,应考虑割理裂隙和地应力特征合理布置气爆孔位置及爆破参数.     

振动对充填裂隙渗透率影响的实验研究

为了研究振动和充填泥沙的共同作用对裂隙岩石渗透率的影响,通过对裂隙试件在充填和振动后条件下的渗流实验,得到了频率和振幅与充填裂隙岩石渗透率的关系曲线。结果表明,充填泥沙后的相对渗透率低于充填前,最小降幅为10.19%,最大降幅为59.74%。在相同的振幅下,试件的相对渗透率随频率的增加都基本呈下降趋势;振动后的渗透率低于振动前的渗透率;充填试件在较大频率振动下,渗透率减小的更为显著。在相同的频率下,充填试件振动后的渗透率基本上都减小了,最小降幅为8.90%,最大降幅为51.23%;而未充填试件振动后的渗透率与振幅存在一定关系;相对渗透率与振幅的变化之间存在拐点,相对渗透率并没有随着振幅的增加而一直减小。     

基于气体吸附法和压汞法对页岩孔隙结构的研究1)

四川盆地威远、渝西地区下志留统龙马溪组页岩广泛发育,为定量研究该区页岩孔隙结构特征,以威远、渝西地区页岩样品为例,运用二氧化碳吸附、低温氮吸附和高压压汞等实验技术,研究了目标储层的孔隙结构及孔径分布特征。结果表明,微孔发育主要集中于0.45 ~ 0.65 nm之间,介孔发育主要集中于2 ~5 nm之间,宏孔发育相对较差且分布不均匀;比表面积与微孔成正相关性,主要孔隙类型是细颈广体的墨水瓶孔等无定形孔隙,并含有一定量四周开放的平行板孔。     

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.      

页岩黏土孔隙含水饱和度分布及其对甲烷吸附的影响

考虑储层原始含水特征,甲烷在页岩的吸附特征属于气液固三相复杂作用结果,水分在很大程度上影响页岩吸附能力,将成为制约页岩气资源量评估可靠性的主要原因之一.鉴于页岩水分主要分布于黏土等无机矿物孔隙内部,分析了甲烷-水膜-页岩黏土三相作用特征,结果表明:甲烷在干燥黏土表面吸附满足气固界面Langmuir吸附特征,在黏土水膜表面吸附满足气液界面Gibbs吸附特征,在气液固三相作用下满足"气固"与"气液"界面混合吸附特征;同时研究还发现:不同尺度孔隙内含水饱和度分布特征存在差异,部分小孔隙可以被水分充满,而大孔隙仅吸附一定厚度水膜.因此,水分对甲烷吸附能力的影响主要表现为两个方面:小孔隙被水分阻塞而失去吸附能力;大孔隙表面水膜改变甲烷吸附特征(气固界面吸附转变为气液界面吸附),以黏土样品为例,两者综合效应可以致使甲烷吸附能力降低约90%.从微观角度揭示了水分对页岩吸附能力的影响机理,将为建立合理评价页岩吸附气含量的方法奠定理论基础.     

纳米SiO2/CeO2复合磨粒的制备及其抛光特性研究

以尿素[CO(NH2)2]、(NH4)2Ce(NO3)6和SiO2为原料,采用均相沉淀法制备1种新型纳米SiO2/CeO2复合磨粒,通过X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、飞行时间二次离子质谱仪和扫描电子显微镜等分析手段对其结构进行表征,并将SiO2/CeO2复合磨粒配置成抛光液在数字光盘玻璃基片上进行化学机械抛光试验.结果表明所制备的SiO2/CeO2复合磨粒的平均晶粒度为19.64 nm,粒度分布均匀;经过1 h抛光后,玻璃基片的平均表面粗糙度(Ra)由1.644 nm降至0.971 nm;抛光后玻璃基片表面变得光滑、平坦,表面微观起伏较小.     

煤炭地下气化腔CO2埋存的研究进展及发展趋势

CO₂捕集与埋存(CCS)可助力碳达峰、碳中和战略目标实现,是解决温室效应的重要手段.在众多地质埋存空间中,煤炭地下气化(UCG)后的气化腔近年来成为埋存研究的热点,但与传统埋存方式相比,相关工作仍处于理论探索阶段,缺乏现场实施案例.为推动该埋存方式的发展,文章从以下3方面开展工作.(1)介绍UCG和CO₂气化腔埋存的国内外研究进展,并将后者的发展划分为概念提出阶段、潜力评价和可行性分析阶段以及机理分析阶段,目前尚处于理论探索阶段.(2)从注入性、密闭性、经济性、储容量和CO₂埋存机理等多个角度出发,通过与其他埋存方式对比,分析了气化腔埋存的特点与优势:注入性良好;密闭性与未开发煤层类似,但更为复杂;显著节约CO₂运输成本;埋存潜力巨大;埋存机理非常复杂,需要考虑气化腔形态、边壁性质以及超临界CO₂与气化腔流体间复杂相互作用对注入和长期埋存过程的影响.(3)阐明CO₂气化腔埋存所涉及的关键科学问题和工程问题,并指出未来发展趋势.在以上工作的基础上,建议国家...     

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...     

开放空间H2/CH4/空气爆炸实验与数值模拟研究

近年来氢的使用范围逐渐发展到各个领域, 含氢多元混合物气体在工业生产及生活燃料中被普遍使用. 为了保障含氢气体在生产、运输、使用等各个环节的安全性, 构建了开放空间混合气体爆炸测试实验系统, 研究了H₂/CH₄/空气混合气体爆炸压力及火焰传播特性, 给出了不同氢摩尔分数(100%, 75%, 66.67%, 50%, 33.33%)、混合气体当量比(0.8, 1.0, 1.1, 1.2, 1.4)、可燃云团尺寸(1 m3, 4 m3, 8 m3)及障碍物约束等因素对混合气体爆炸压力及火焰的影响规律. 基于经典TNT当量法, 建立了考虑混合气体组分比及可燃云团尺寸的最大爆炸超压预测模型, 修正了爆炸火焰传播半径理论模型. 结合高精度数值模拟技术揭示了加气站内建筑结构对混合气体爆炸的影响. 研究表明, 氢气的加入能够明显增强气体爆炸强度, 最大爆炸超压、火焰传播速度均随氢摩尔分数的增加而增大, 随当量比的增大先增大后减小, 当量比为1.1~1.2时最大; 通过对大尺度混合气体爆炸数值仿真与分析发现, 加气站内不同建构筑物条件下爆炸火焰传播距离、传播速度、最大爆炸超压等关键参数明显不同, 顶部和背部同时约束时, 爆炸伤害范围及事故后果最严重, 因此在划定加气站安全距离时, 应充分考虑不同建筑结构的影响.      

Mo/Al2O3复合材料的耐磨性

无压烧结制备了不同组分的Mo/Al2O3复合材料样品,对样品的磨损行为和磨损机理进行了研究,并用电子探针分析了其磨损形貌.结果表明:Mo/Al2O3复合材料的磨损率随Mo含量的增加呈上升趋势,在30vol.%Mo时出现峰值;摩擦系数随着Mo含量的增加而增大,20vol.%Mo样品的摩擦系数较小;Mo含量不超过60%时,当出现Mo的连续相或者Al2O3的连续相时复合材料表现出较好的耐磨性;Mo含量较低时磨损机理表现为脆性脱落,而Mo含量较高时材料的磨损机理主要为磨粒磨损.