超临界CO_2作用下煤体膨胀变形规律试验研究

为解决采用应变片对超临界CO_2作用下煤体膨胀变形进行点测量时,试验结果离散性大、超临界CO_2作用导致应变片易脱离破损等问题,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温度、压力的超临界CO_2作用下,煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO_2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高,达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加,膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定膨胀变形所需时间随孔隙压力的升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO_2作用下,煤体体积应变随温度和孔隙压力均呈"S型"Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温度和孔隙压力的变化率具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区跨临界区高临界区。     

超临界CO_2-水两相流与CO_2毛细捕获:微观孔隙模型实验与数值模拟研究

CO_2毛细捕获机制是CO_2地质封存中的关键科学问题,然而有关孔隙尺度下(微米极)超临界CO_2毛细捕获的研究较少.采用高压流体-显微镜-微观模型实验装置,开展超临界CO_2条件(8.5 MPa,45?C)下CO_2驱替水(排水)和水驱替CO_2(吸湿)实验,采用高分辨率照相机采集CO_2水两相流运动图像,并借助光学显微镜直接观测孔隙尺度下CO_2毛细捕获特征.同时,采用计算流体动力学方法对实验过程进行三维数值模拟.数值模拟不仅反映了实验过程中两相流驱替锋面的推进过程,还刻画了孔隙尺度下被捕获的CO_2液滴/团簇三维空间形态特征.最后,基于数值模拟给出了CO_2初始饱和度与残余饱和度曲线,即毛细捕获曲线,并对比分析了3种毛细捕获曲线预测模型(即Jurauld模型、Land模型和Spiteri模型)的优劣.分析表明,Jurauld模型的描述能力稍优于Land模型,Spiteri模型的描述能力较弱.由于Land模型只需单个参数,且参数具有明确的物理意义,因此在实际工程中,建议优先采用Land模型.     

超临界CO2在低渗透煤层中渗流规律的实验研究

利用自主研发的THM三场耦合渗流实验系统,进行不同孔隙压力和温度条件下的超临界CO2在低渗透煤层中的渗流实验,得出不同温度下流速和压力梯度之间的关系,从而得到了低渗透煤层注入超临界CO2的非达西渗流规律,即流速与压力梯度变化规律呈现正指数关系.随着压力梯度的增大,渗透系数也不断的增大,且呈现正指数关系;在同一体积应力和压力梯度的条件下,温度越高,流速越快;温度在临界点附近,流速和渗透系数增加很快.     

超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO₂气爆低渗透煤层增透技术的应用水平,进一步研究超临界CO₂气爆煤体致裂机理,利用自主研发的超临界CO₂气爆装置,在多通道电液伺服相似材料试验台上,对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO₂气爆实验,用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息,并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知,距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区,其形成机理为:超临界CO₂冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波,介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏,形成粉碎区;应力波传播能量逐步衰减,不足以使介质产生压缩破坏,然而脆性材料抗压不抗拉,其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙,应力波之后具有准静态加载作用的高压CO₂气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙进一步发育和扩展,形成裂隙区;裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动,未发生明显破坏,即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减,裂隙的高速扩展发生在粉碎区,低速扩展发生在裂隙区;距离气爆孔越远,测点的峰值应变越小,相同距离内节理裂隙等结构面越复杂,峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。     

超临界CO_2作用时间对煤渗透率和孔隙率的影响规律研究

为研究超临界CO_2作用后煤渗透率和孔隙率的变化规律,在超临界CO_2增透实验基础上进行了微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,计算孔隙率,得到了煤孔隙率和渗透率变化的等值线图。结果表明:经超临界CO_2作用后,煤的渗透率较作用前提高了一个数量级,并随超临界CO_2作用时间的延长呈正指数增加,当作用时间为20h时,煤的渗透率较增透前提高了20.2倍;随超临界CO_2作用时间的增加,蜂窝状孔隙逐渐向更为细小的颗粒空间发展,孔隙数量明显增加。增透煤微观孔隙定量结果显示,随着超临界CO_2作用时间的增加,孔隙率等值线密集程度增加,煤各微区孔隙逐渐发育,孔隙率增加,当作用时间增加到20h时,孔隙率较增透前提高了17.20倍。煤的渗透率随孔隙率的增加呈正指数递增,说明宏微观结果是一致的,超临界CO_2增透促进了煤微观结构的有效发育,提高了煤的渗透率。     

CCS工程中盖层渗透率对CO_2逃逸的影响

针对CO_2埋存后可能存在的逃逸问题进行了分析. 在对ABAQUS商用软件进行二次开发的基础上, 针对各个因素进行了计算; 并对简单情况进行了理论推导,验证了数值模型的正确性. 考虑到CO_2逃逸过程中可能发生相态变化, 数值模拟时分别采用理想气体状态方程和范德华方程以对结果进行比较. 结果表明, 在盖层均匀和通常的气藏条件下, CO_2完全渗漏需要15×10^4$年以上; 盖层含井或有裂缝时会导致CO_2快速逃逸, 完全逃逸在1×10^4年左右, 在选址时应该尽量避免.     

粘性土微观结构研究回顾与展望

本文回顾了粘性土微观结构研究的发展历史, 分析了我国微观结构研究现状及存在问题, 展望了今后研究的发展趋势。     

不同温压超临界CO_2气爆喷孔冲击应力变化规律实验研究

为研究不同温压条件下超临界CO_2气爆过程中气爆管喷孔喷射的爆生气体对被爆物体产生的冲击应力变化规律,自主设计了超临界CO_2气爆实验系统及数据采集装置,实验得到了在不同初始温度和压力下对称双喷孔喷射的超临界CO_2气爆爆生气体冲击应力变化规律:喷孔喷出的爆生气体作用于被爆物体的冲击应力经历应力激增、应力剧减和应力减速衰减三个阶段。冲击应力时程变化曲线呈脉冲波形曲线特征,且冲击应力衰减阶段持续时间大于冲击应力激增持续时间。冲击应力随初始温度和初始压力的增大而增加,初始压力变化引起的气爆冲击应力变化比初始温度变化明显,增大超临界态CO_2的初始压力提高气爆冲击应力优于提高超临界态CO_2的初始温度。最后得到了冲击应力峰值P_(max)与初始温度T和初始压力P的关系P_(max)=ɑT+bP+C。     

岩石微观结构CT扫描表征技术研究

岩石微观结构特征研究对非常规油气藏的演化规律、油气赋存状态、运移方式、渗流特征等基础地质问题研究具有重要的科学意义.利用CT 扫描技术对油砂、致密砂岩和页岩样品微观结构表征研究,并对比了常规测试方法与CT扫描表征技术的差异性. 对比CT扫描法和筛分法测试油砂矿物的粒度分布,两者结果十分接近,矿物颗粒大小分布总体趋势上差异小,但小于96μm的颗粒矿物分布差异性稍大.CT扫描结果显示致密砂岩样品的裂缝比较发育,还发育溶蚀孔隙. 由于测试方法和样品大小的差异性,CT扫描获得的孔隙度略大于氦气法孔隙度.微米CT 扫描可以表征页岩的层理发育情况,但无法表征内部的微观孔隙结构.与常规测试方法相比,纳米CT 扫描表征页岩中有机质和黄铁矿的含量等方面准确性好,但孔隙度测试结果偏小.纳米CT分辨率还不能完全满足表征页岩的微观孔隙结构的要求,同时有机质和孔隙的灰度值差异较小,两者区分难度大,因此纳米CT还无法完全准确表征页岩微观孔隙结构.      

初应力条件下超临界CO2气爆致裂规律研究

为研究地下爆破工程中初始地应力条件下超临界CO2气爆的致裂规律,利用自主研发的三轴加载式超临界CO2气爆实验系统,对不同应力组合工况下混凝土试件进行了超临界CO2气爆致裂实验,实验结果表明超临界CO2气爆爆破峰值压力低且高压持续时间长,致裂过程不同于传统炸药爆破,分为动态和准静态过程：应力波将气爆孔附近介质压碎形成粉碎区,在环向拉应力作用下粉碎区周围介质产生径向裂隙的动态过程,高压CO2气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙继续扩展的准静态过程,得到了气爆后试件沿最大初始压应力方向开裂的规律。通过理论计算的方法分析了初应力作用下气爆过程中介质应力状态的变化规律,揭示了初应力影响裂纹起裂和扩展的机理：位于气爆孔最大初始压应力方向的介质产生初始环向压应力最小,在超临界CO2径向冲击产生的环向拉应力作用下首先发生开裂;位于气爆孔最小初始压应力方向介质中初始环向压应力最大,开裂所需的径向冲击压力增大,开裂滞后;垂直裂隙方向的应力抑制裂隙的张开而阻碍CO2气体的进入,同时增大了裂隙扩展所需的气楔压力,气楔作用效果大幅减弱,对裂隙扩展的阻碍作用显著。裂隙的扩展速度与扩展距离呈“S型”曲线关系,初始压应力越大,裂隙扩展相同距离降低的速度值越大,且压碎区和裂隙扩展范围逐渐减小。     

Competitive Methane Desorption by Supercritical CO2 Injection in Coal

A large diameter (∼70 mm) dry coal sample was used to study the competitive displacement of CH₄ by injection of supercritical CO₂, and CO₂–CH₄ counter-diffusion in coal matrix. During the test, a staged loading procedure, which allows the calibration of the key reservoir modelling parameters in a sequential and progressive manner, was employed. The core-flooding test was history matched using an Enhanced Coalbed Methane (ECBM) simulator, in which Fick’s Law for mixed gas diffusion and the extended Langmuir equations are implemented. The system pressure rise during the two loading stages and the CO₂ breakthrough time in the final production stage were matched by using the pair of constant sorption times (9 and 3.2 days) for CH₄ and CO₂, respectively. The corresponding diffusion coefficients for CH₄ and CO₂ were estimated to be 1.6 ×  10⁻¹² and 4.6 ×  10⁻¹² m²/s, respectively. Comparison was made with published gas diffusion coefficients for dry ground samples (ranging from < 0.063 to ∼3 mm) of the same coal at relatively low pressures (< 4 MPa). The CO₂/CH₄ gas diffusion coefficient ratio was well within the reported range (2–3), whereas the CH₄ diffusion coefficient obtained from history matching of the core-flooding test is approximately 15 times smaller than that arrived by curve-fitting the measured sorption uptake rate using a unipore diffusion model. The calibrated model prediction of the effluent gas composition was in good agreement with the test data for CO₂ mole fraction of up to 20%.     

有效应力升降过程中不同饱和度水合物沉积物渗透率实验研究

为了研究天然气水合物开采过程中水合物饱和度和有效应力变化对含水合物沉积层渗透率变化规律的影响,利用自主研制的水合物沉积物合成与三轴渗流实验一体化装置,进行了有效应力升降过程中不同饱和度水合物沉积物渗透性实验。结果表明:有效应力升降过程中,不同饱和度水合物沉积物的渗透率与有效应力均呈负指数规律变化,并表现出在低有效应力阶段渗透率变化的幅度大于高有效应力阶段;有效应力升降过程中,试样产生的不可恢复变形使渗透率不能完全恢复,造成渗透率永久损失;有效应力不变时,水合物沉积物的渗透率与水合物饱和度呈负指数规律变化,且曲线的斜率随饱和度增加由大变小;水合物的饱和度越大,最大渗透率损害率越大,渗透率恢复的程度越差。     

Experimental Study of Bacterial Penetration into Chalk Rock: Mechanisms and Effect on Permeability

Bacterial selective plugging is one of the mechanisms through which microorganisms can be applied for enhanced oil recovery, as bacteria can plug the water-swept zones of a reservoir, thus altering the flow paths and improving sweep efficiency. However, complete understanding of the penetration behavior of bacteria is lacking, especially in chalk formations where characteristic pore throat sizes are comparable with the sizes of bacterial cells. In this study, two bacterial strains, Bacillus licheniformis 421 (spore-forming) and Pseudomonas putida K12 (non-spore forming) were used to investigate the penetration of bacteria into chalk and its effect on permeability reduction. The core plugs were produced from Stevns Klint outcrop with low permeability (2–4 mD) and with pore sizes comparable to bacterial sizes. Both types of bacteria were able to penetrate and to be transported through the cores to some extent. A significantly higher number of B. licheniformis 421 was detected in the effluents as compared to P. putida K12. It was demonstrated that the spore-forming B. licheniformis 421 penetrates in the form of spores. P. putida K12 is found to penetrate the core, however, in smaller numbers compared to B. licheniformis. It was shown that both bacteria, under different injection concentrations, were capable of plugging the porous rock, as indicated by reduction of the core permeability. An incubation period of 12 days did not allow the permeability to return to initial condition. Based on the results it can be concluded that, when injected into chalk, spore forming bacteria have higher chance to survive and penetrate into deeper formation; and both types of bacteria may cause permeability reduction.     

卸压开采损伤煤岩气体渗透率试验研究

我国煤系地层的煤岩体渗透率普遍较低,直接影响煤矿瓦斯抽采效果。卸压开采使采场围岩受采动应力作用具备了峰后力学行为,其渗透率也大幅度增加,有助于瓦斯的高效抽采。本文基于MTS815.02型电液伺服岩石渗透试验系统,对卸压开采后损伤煤岩的气体渗透率进行了测试。研究表明:(1)卸压损伤煤岩石的渗透率在10-5～10-4 m2之间,较受采动影响前要大107～108倍;(2)卸压过程中,煤样的气体渗透率与围压近似呈线性关系,与岩样呈双曲线关系;(3)卸压损伤煤岩逐渐加围压,气体渗透率近似为线性下降,卸压阶段,其渗透率增加;(4)加卸围压对煤岩的气体渗透率有很大影响。研究结果可为卸压瓦斯高效抽采提供理论依据。     

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。     

断层内破碎岩石渗透性的实验研究

断层破碎带岩石的渗透性是影响地下工程中由渗流失稳而引发灾害事故的重要影响因素之一。利用一种专门的破碎岩石压实渗透仪,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上测试了取自断层内的破碎灰岩、破碎砂岩、破碎泥岩的渗透系数,得到并分析了轴向压力、岩样粒径、水流速度与渗透系数的关系曲线。研究表明:破碎岩石渗透系数与其压实状态密切相关,随着轴压的增加,渗透系数都相应降低;在相同的轴向压力状态下,岩样粒径越小,其渗透系数也越小,因此,挤压程度和充填程度都较低的小断层导水性好,容易导致突水;破碎岩石的渗透系数随着水流速度的增大呈减小趋势,但水流速度对破碎岩石渗透系数的影响程度有限;在相同的压力、粒径情况下,破碎泥岩的渗透系数比破碎灰岩、破碎砂岩的要小1～2个量级,说明当断层上下盘为坚硬岩石时,断层带渗透性好、易导水。研究结果可为采动过程中评价断层的导水性提供参考。     

小尺寸管道内二氧化碳抑制甲烷爆炸效果的实验及数值模拟

为了有效防治矿井瓦斯爆炸事故, 以瓦斯的主要成分甲烷作为模拟气体, 运用自主设计改装的XKWB-S型小尺寸石英玻璃管道实验系统, 结合高速摄影仪, 并采用FLACS数值模拟软件, 研究惰性气体抑爆条件下甲烷燃烧爆炸特性, 进行体积分数为6%~27%的CO₂抑制体积分数为9%CH₄爆炸的实验及数值模拟, 结果表明:各组分混合气体在爆炸传播过程中, 爆炸压力、火焰锋面速度和气体运动速度均呈现一定程度的波动, 且压力和速度没有同时达到最大值; CO₂的加入有效抑制了甲烷/空气反应, 且添加CO₂体积分数越大, 抑爆效果越明显, 模拟结果与实验结果基本吻合。     

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。