注气条件对CO_(2)置换驱替CH_(4)影响的实验研究

为研究不同注气压力与注气温度对CO_(2)置换驱替煤层CH_(4)的影响规律,利用Materials Studio分子动力学模拟软件,通过煤体在2元组分混合气体间的竞争吸附量、竞争吸附热及能量分布等变化规律,从微观研究煤吸附CH_(4)与CO_(2)之间的机理,并利用物理实验平台,选用3种高变质程度煤进行注CO_(2)置换驱替CH4实验。结果表明:同一种变质程度煤,随着注气压力或注气温度的增大,置换率呈增长趋势、驱替比呈下降趋势、CO_(2)突破时间变短;相同注气压力与注气温度时煤的变质程度越高,置换效率越大、驱替比越小、CO_(2)突破时间越长。并且注气压力对于CO_(2)置换驱替CH_(4)的效果要优于注气温度。

高压注入条件下N_(2)对含水煤中CH_(4)置换效应的影响

为了揭示高压注入条件下N_(2)对不同含水率煤中CH_(4)置换效应影响,基于含水率为0.75%、1.5%和3%的3种煤样,开展了高压注N_(2)置换CH_(4)实验。实验结果表明:随着煤含水率的增加,煤吸附CH_(4)和N_(2)的能力表现出逐渐减弱的趋势,N_(2)的吸附量始终小于CH_(4)的吸附量,且N_(2)置换CH_(4)的能力逐步下降;在本实验压力条件下,CH_(4)预吸附平衡压力超出0.75 MPa越大,其N_(2)利用率越低。同时随煤含水量的增加,CH_(4)置换率、N_(2)注置比均出现逐步减小的趋势,因此可得CH_(4)置换率、N_(2)注置比均与煤的含水量呈负相关关系。实验含水煤样更好的还原井下处于潮湿环境中的原煤,通过CH_(4)置换率和N_(2)注置比的反馈得出,过大的注气压力并不能得到良好的注气效果,反而会降低该置换源气体的利用率,因此对井下注N_(2)置换煤层CH_(4)的工程技术来说,为避免盲目提高注气压力而造成N_(2)的置换效率下降的现象,建议井下煤层注N_(2)置换CH_(4)时,CH_(4)吸附平衡压力控制在0.75 MPa最佳。

不同注气压力下CO_(2)驱替置换CH_(4)试验研究

现有的CO_(2)驱替置换CH_(4)研究大多针对微观的注气驱替机理和宏观的驱替置换效率影响因素方面,且多为模型层面的理论分析或模拟试验层面的多因素分析,具有针对性的物理模拟试验及量化分析较少。针对上述问题,利用注CO_(2)气体驱替煤层CH_(4)试验系统,研究了不同注气压力下的驱替过程中煤体内CO_(2)驱替CH_(4)的渗流扩散演化规律和时变特性,分析了全过程中出气口CO_(2)、CH_(4)浓度、累计CH_(4)驱替量及驱替置换比等方面的变化规律,利用物理模拟试验探究注气压力对驱替置换效率的影响规律,并进行了量化分析。试验结果表明:①不同注气压力下的CO_(2)、CH_(4)气体浓度变化趋势基本一致,可划分为原始平衡阶段、动态平衡阶段和新平衡阶段3个阶段,随着注气压力依次增大,CO_(2)、CH_(4)气体打破原始平衡阶段的时间逐渐缩短,动态平衡阶段时间增加,而新平衡阶段的时间大致相同。②不同注气压力下,累计CH_(4)驱替量随着注气时间的增加而增加,增加速率先快后慢,最终趋于定值。注气压力由0.6 MPa升至1.4 MPa,累计CH_(4)驱替量增加,驱替置换比由4.99降至4.10,即驱替置换单位量CH_(4)所需吸附的CO_(2)量减少,驱替置换效率提升。注气压力为1.4 MPa时驱替置换比最小,驱替效率最好。该结论可为低渗透性煤层开展CO_(2)-ECBM相关技术理论研究及现场技术实施中注气压力参数的选取提供参考。

热力作用下煤层注CO_2驱替CH_4试验研究

为研究体积应力和温度对于煤层注CO2条件下CH4驱替量的影响规律,利用自制三轴吸附解吸试验装置,对煤试件开展考虑煤层体积应力和温度热力作用影响的与煤层等孔隙压注CO2驱替CH4试验研究。试验结果表明：相同温度条件下,气体吸附量随体积应力增加逐渐减小,下降梯度明显;体积应力是煤层CH4驱替量的主要影响因素,拟合得出20～50℃区间内煤层CH4驱替量随体积应力变化的计算公式。在相同温度条件下,随着体积应力增加,CH4驱替效率逐渐减小,近似于线性变化规律;随着温度升高,CH4驱替效率上升显著且梯度明显。在相同温度条件下,随着体积应力增加,置换体积比相应增加;随着温度升高,置换体积比减小,近似呈等梯度下降规律。

超临界CO_2驱替煤层CH_4装置及试验研究

自主研发了MCQ-Ⅱ型大试件(100mm×100mm×200mm)超临界CO2驱替煤层CH4试验装置,该装置不仅能够保障试验过程中CO2始终处于超临界状态,而且可测量煤体吸附过程中的体积膨胀。借助本装置对同一温度不同体积应力条件下的超临界CO2的渗透性及其驱替CH4效果进行了试验研究。试验结果表明:在50℃、恒定体积应力为48~60MPa条件下,超临界CO2的渗透率与注入渗透压呈正相关关系,与体积应力呈负相关关系。超临界CO2在煤体中的渗透特性远远高于其在常态条件下的渗透性。试验同时发现,超临界CO2在煤体中的吸附量与孔隙压力及体积应力均呈正相关,在48和60MPa的体积应力下,单位体积的煤体分别可累计吸附10.82~17.52体积和16.12~20.40体积的CO2;试验还测得了不同条件下煤体吸附CH4、超临界CO2及超临界CO2驱替煤体CH4过程中,煤体体积膨胀百分比。在超临界CO2驱替CH4试验中,2号焦煤煤样试件中注入气体体积(包括CH4,CO2)均小于1号弱黏煤煤样,但是两煤样中的CO2/CH4置换比及CO2最终储存率相当,分别为4.01/4.16,20.05%/20.09%。

CO2驱替CH4置换效率测试与分析

为研究多因素耦合对CO2驱替CH4置换效率的影响,选取潞安集团常村煤矿煤样,利用自主研发物理模拟试验平台测定置换效率,并采用Design Expert软件设计Box-Behnken试验,构建置换效率在三因素、三水平条件下的二次回归响应曲面模型,分析了煤体含水率、注气压强及注入温度三因素耦合对置换效率的影响。结果表明:置换效率随注气压强和注入温度增大而增大,随含水率增大而减小;对置换效率影响程度为含水率>注气压强>注入温度;二次项影响程度为注气压强和注入温度>注入温度和含水率>注气压强和含水率,且注气压强和注入温度间存在交互作用,注气压强和含水率、注入温度和含水率之间无交互作用。

CO_(2)及混合气体提高CH_(4)水合物置换率机理研究

CO_(2)置换开采天然气水合物法可在开采CH_(4)的同时将CO_(2)以固态水合物形式封存海底,对于解决能源和环境问题意义重大,但目前该技术尚不成熟,置换率较低。以构建CO_(2)及混合气体置换水合物团簇及晶体超胞结构为基础,通过计算置换能、相互作用能及态密度建立了CO_(2)占据孔穴状态、相互作用能和置换能三者之间的关联,研究了置换反应的可行性和CH_(4)开采率受限的微观机理,同时进一步通过分子动力学预测了晶体结构的稳定性。结果表明,CO_(2)优先置换水合物51262大笼中的CH_(4),相比于CH_(4)与5^(12)6^(2)大笼间的相互作用能,其相互作用能增大2.26 eV,可稳定水合物结构,置换能为2.16 eV。当CO_(2)开始占据5^(12)小笼时,其相互作用能比5^(12)6^(2)大笼小0.17 eV。以n(CO_(2)):n(N_(2))=1:3的混合气体全部置换CH_(4)具有热力学可行性,且晶体结构在3 MPa、263 K下可稳定存在,水分子的均方位移小于CH_(4)水合物,表明混合气体置换CH_(4)后水合物晶体具有动力学稳定性。该结果为CO_(2)及混合气体置换天然气水合物技术的基础研究和应用提供了科学依据和理论指导。

煤层注热CO_(2)驱替CH_(4)特性实验研究

为研究注CO_(2)增产煤层气过程中注气温度对煤层渗透特性变化的影响,利用自主研发的CO_(2)置换驱替CH_(4)实验系统,在注气温度为40,50,60℃条件下进行CO_(2)置换驱替CH_(4)实验,定量分析置换驱替过程中出口气体流量、孔隙压力以及煤层渗透率等变化规律。研究结果表明:在实验测试的40~60℃范围内,提高CO_(2)注入温度有助于产出更多的CH_(4)及封存CO_(2),CO_(2)注入温度越高,出口混合气体流量和CH_(4)气体流量越大,呈现出先升高后降低并趋于稳定的变化趋势,实验结束时置换体积比分别为2.704,2.741和2.595,注气温度为60℃时驱替效果较好,每产出单位体积的CH_(4)注入的CO_(2)量最少;煤层孔隙压力随注气时间呈现先逐渐上升后趋于平稳的变化趋势,逐渐趋近注气压力0.8 MPa;注CO_(2)置换驱替CH_(4)及提高CO_(2)注入温度会降低煤层的渗透性,注气温度恒定时,渗透率随注气时间增加呈现先逐渐降低后趋于平稳的变化规律,注气温度由40℃升至60℃时,渗透率从0.0171×10^(-15)m^(2)下降至0.0098×10^(-15)m^(2),降低幅度为34.50%~42.69%。

煤层注CO_(2)驱替CH_(4)影响因素试验研究

为明确多因素耦合对CO_(2)驱替CH_(4)过程中CH_(4)产出与CO_(2)封存效果的影响特征,开展不同注气温度θ、压力P和煤样含水率W条件下注CO_(2)驱替CH_(4)试验,研究分析不同条件下CH_(4)产出率η和CO_(2)储存率ξ变化特性,基于响应曲面法,构建η和ξ二次回归响应曲面模型,分别考察注气温度A、注气压力B、含水率C对η和ξ的单独影响及各因素间的交互作用。结果表明:η随θ和P增加而增大,随W增大而减小;ξ随P增大而增大,随θ和W增加而减小。影响因素中A、B、C均为η的显著项,B和C是ξ的显著项,一次项对η和ξ影响程度均为C>B>A;交互项对η的影响程度为BC>AC>AB,且AC和BC交互作用显著,AB交互作用不显著;交互项对ξ的影响程度为AB>AC>BC,且AB和AC交互作用极显著,BC交互作用不显著;4组η和ξ编码区间外试验值与模型预测值平均偏差分别为3.64%、2.605%。

压力驱动条件下页岩微纳米孔隙CO_(2)/CH_(4)竞争吸附特性

流动状态下的CO_(2)/CH_(4)竞争吸附特性对高效开采页岩气具有重要作用。引入吸附选择性系数和置换效率,建立石墨烯微纳米孔隙模型,采用非平衡分子动力学方法,在压力驱动条件下,模拟微纳米孔隙中注入压力、温度及压差对CO_(2)/CH_(4)二元混合物竞争吸附行为的影响。结果表明:CO_(2)吸附能力强于CH_(4),流动状态下吸附选择性系数和置换效率与注入压力呈正比,与温度呈反比;流动状态下的CO_(2)/CH_(4)的吸附选择性较无流动时的低。该结果为研究页岩储层中CO_(2)/CH_(4)竞争吸附机理提供依据。

CO_(2)置换CH_(4)水合物技术中主、客体分子间作用的DFT研究

天然气水合物是新型清洁能源,围绕CO_(2)置换CH_(4)水合物技术的研究对天然气水合物的资源开采和减少全球碳排放具有重要意义。其中,置换机理的解析是CO_(2)置换CH_(4)水合物技术的关键问题,对提升置换效率具有重要作用。为深入阐述置换机理的本质,采用量子力学(QM)方法对水合物中主、客体双分子聚体间的相互作用进行模拟。利用不同的密度泛函理论(DFT)方法对双分子聚体的结构及单点能进行计算分析,在对CO_(2)置换CH_(4)水合物过程的研究中,获得QM方法下进行几何结构优化和单点能计算的较优的计算参数。采用对称性匹配微扰理论(SAPT)进行能量分析,解析主、客体相互作用中各分子的贡献,并通过计算波函数信息分析约化密度梯度函数(RDG)、独立梯度模型(IGM)和静电势,定向研究主、客体分子间最主要的相互作用。研究结果表明CO_(2)置换CH_(4)水合物过程中主、客体分子间的作用主要由静电作用贡献,色散和诱导作用占比较小;在置换过程中,客体分子由CH_(4)转变为CO_(2)时色散作用影响减弱,静电作用影响加强。因此,静电作用是置换过程的关键,提高与H2O的静电作用是提升置换效率的有效方法。所得结果为CO_(2)置换CH_(4)水合物技术的发展提供了理论指导。

煤孔隙发育特征对原位注CO_(2)置驱CH_(4)的影响

注CO_(2)增产煤层气的机理有置换、载携和稀释扩散等,均与煤孔隙息息相关。为厘清煤孔隙对原位注CO_(2)置驱CH_(4)的影响,分析了3个原煤煤样的孔隙特征,采用自行研制的受载煤体注气置驱甲烷实验台,研究不同条件下原煤渗透性和吸附性,开展原位注CO_(2)置驱CH_(4)分步实验,深入探讨置驱的全过程。实验结果表明:YCW褐煤、SL肥煤和YMY无烟煤吸附孔占比依次为28.71%、88.24%和89.24%,渗流孔发育程度依次降低;随煤变质程度升高,煤吸附性变大、渗透性变小;置驱过程分为3个时期,早期阶段注入CO_(2)主要起置换作用,中期阶段注入CO_(2)起置换、载携和稀释作用,后期阶段注入CO_(2)起载携、稀释作用;吸附孔和渗流孔均发育的YCW褐煤,提高注气压力或降低外部载荷能有效促进置换、载携、稀释作用,对整个置驱过程改善大,但对仅吸附孔发育的SL肥煤和YMY无烟煤的置驱过程改善小,如注气压力1 MPa、外部载荷6 MPa下,YCW褐煤、SL肥煤、YMY无烟煤的置驱效率依次为62.4%、48.4%和62.3%,当注气压力为2 MPa、外部载荷为4 MPa时,3个煤样的置驱效率依次为94.4%、72.2%和71.0%。

页岩储层纳微米孔隙CO_(2)/CH_(4)吸附及驱替特性研究进展

利用CO_(2)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CO_(2)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,CO_(2)在储层中具有超临界特性,致使开采机理复杂,无法得到CO_(2)开采页岩气微观机理的准确认识,所以研究CH_(4),CO_(2)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CH_(4)的吸附特性、CO_(2)/CH_(4)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CH_(4)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CH_(4)吸附能力均有一定程度的影响.在相同条件下,CO_(2)比CH_(4)更易被页岩储层吸附,在页岩储层中注入CO_(2)可以促进CH_(4)的解吸,并有利于CO_(2)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CO_(2)注入速率对开采方案进行优化.

热力耦合条件下超临界CO2驱替煤层CH4实验

为提高煤层CH4抽采效率,利用自主研发的实验系统,模拟超临界CO2在深部煤层中驱替CH4的过程,开展了不同温度和注入压力条件下原煤试样中超临界CO2渗流、吸附及驱替CH4实验。结果表明:在恒定温度条件下,随着超临界CO2注入压力逐渐增大,煤体渗透率提高,CO2吸附量增加。超临界CO2注入压力和温度对驱替效果影响显著。不同温度条件下,当超临界CO2注入压力从8 MPa增至12 MPa,CH4驱替量平均增长了0.076 cm^3/g,CH4驱替效率增加了17%~23%,超临界CO2置换体积比呈线性递减趋势;相同注入压力条件下,温度每升高10℃,驱替效率平均增加8%,置换体积比平均下降0.5。研究结果为高效抽采煤层CH4和实现CO2封存提供理论依据。

CO_(2)/N_(2)置换-降压强化开采天然气水合物

将天然气水合物中的CH_(4)置换为CO_(2)水合物是未来能源生产和温室气体控制的一种创新方法,但通常条件下CO_(2)对水合物中CH_(4)的置换效率较低,因此采用混合气联合降压强化置换的开采方法被提出。模拟(海底静水压力)在三轴应力约束状态下,通过注入固定比例[n(CO_(2))∶n(N_(2))=4∶1]的置换气体,研究降压强化置换过程中储层气相组分、CH_(4)开采率与CO_(2)封存率的变化。结果表明:CO_(2)+N_(2)联合降压强化置换法大幅度提高CH_(4)水合物置换效率,CH_(4)置换率相较于传统置换法的15.2%提升至35.22%,其中N_(2)直接贡献率占8.66%。通过降压强化,显著增强分解后期阶段气体扩散效果,提高CH_(4)开采率与CO_(2)封存率,对提高水合物转换开采具有良好的应用前景。

不同温度和含水率条件下CH_(4)和CO_(2)吸附热力学特性的分子模拟

为了进一步明确CH_(4)和CO_(2)在煤中的吸附热力学特性,采用巨正则系综蒙特卡洛方法模拟CH_(4)和CO_(2)在不同温度、不同含水率煤中的吸附行为。结果表明:煤分子中CH_(4)/CO_(2)的吸附量随温度的升高和含水率的增加而降低,通过双组分吸附量的对比,发现高温和水分子的存在均不利于CO_(2)驱替CH_(4);CH_(4)的平均吸附热和温度、含水率呈负相关关系,CO_(2)的平均吸附热和温度呈负相关关系,和含水率呈正相关关系,水分子更倾向于和CO_(2)进行反应;CH_(4)/CO_(2)的吸附势整体和温度、含水率呈负相关关系,当压力较低时,随着温度的升高,CO_(2)的吸附势有微弱的增加;CH_(4)/CO_(2)的吸附熵随温度的升高而增加,随含水率的增加而降低,水对CO_(2)的影响要强于CH_(4),双组分注入时,水分子的存在使得整个系统更加稳定,不利于CH_(4)的产出。

Zn/Cu单晶转换MOF材料的CO_(2)/CH_(4)分离性能研究

CO_(2)的捕获和分离具有重要的工业和环境意义。采用溶剂热法,以羧基和路易斯碱位点功能修饰的配体和锌离子构筑了阴离子型金属有机框架材料{[Zn_(2)(N)·(DMF)_(3)·(CH_(3))_(2)NH_(2)]·(DMF)_(2)}n(NEM-7-Zn)。为了提高骨架的稳定性,通过金属离子置换工艺,将NEM-7-Zn转化为高稳定性的铜基框架材料NEM-7-Cu。采用EA、PXRD、TGA及比表面积分析等技术对多孔材料进行综合表征,并测定了NEM-7-Cu对二氧化碳、乙炔和甲烷单组分气体的吸附等温线。实验结果表明,NEM-7-Cu不仅具有较高的CO_(2)吸附性能(74 cm^(3)·g^(−1)),更表现出优异的CO_(2)/CH_(4)(11.5)和C_(2)H_(2)/CH_(4)(7.1)吸附选择性。通过巨正则Monte Carlo方法(GCMC)计算得到CO_(2)在NEM-7-Cu中的主要吸附位点为功能基团羧基与路易斯碱位点附近以及Cu的金属团簇附近。

水分对CO_(2)置换煤中甲烷的影响效应研究

为了研究水分对CO_(2)置换煤中甲烷的影响效应,选择无烟煤作为试验煤样,采用水蒸气吸附法分别配制不同含水率的煤样,通过优化的BET模型计算出煤对水的吸附势能,并展开CO_(2),CH_(4)及混合气体等温吸附试验。结果表明:优化的BET模型可以很好地拟合煤对水蒸气的吸附量;无烟煤对水的一级吸附势能E1与二级吸附势能E2分别为44.20 kJ/mol和42.27kJ/mol,大于煤对CH_(4)与CO_(2)的吸附势能,说明水分对煤中气体具有置换作用;相同条件下,CO_(2)的吸附能力大于CH_(4);随着含水率提高,煤吸附CO_(2)与CH_(4)的能力逐渐减弱;水分对煤中甲烷的置换效果显著增强;CO_(2)对煤中甲烷置换量随含水率提高而降低,置换率基本不变,水分对CO_(2)置换起到抑制作用。

等离子体协同Ce-Mn催化火驱尾气中甲烷转化的实验研究

文章采用非平衡态等离子体放电技术协同Ce-Mn催化的方法促进火驱尾气中稀薄甲烷低温高效转化。实验对比分析了纯催化、纯等离子体以及二者协同作用下对稀薄甲烷的转化性能,重点考察了CH_(4)/O_(2)摩尔比(0.1~0.5)、加热温度(250~375℃)和等离子体放电功率(9~21 W)对甲烷转化率的影响。结果表明,等离子体放电与Ce-Mn催化协同作用效果显著,在375℃,21 W时甲烷转化率高达62.93%,相比纯等离子体和纯催化作用下分别提高了约50%和60%。等离子体放电与Ce-Mn催化协同作用下,甲烷转化率随着加热温度的升高而提高,当加热温度从325℃升到375℃时,甲烷转化率平均提高幅度约20.7%;甲烷转化率随等离子体放电功率的增加而基本呈线性增长,平均增幅约为2.46%/W;甲烷转化率与CH_(4)/O_(2)摩尔比成反比,当CH_(4)/O_(2)摩尔比从0.5降至0.1时,甲烷转化率增加约29.46%。

采空区对CO_(2)置换开采海域天然气水合物置换效果影响的实验研究

为揭示固体开采形成的采空区对CO_(2)置换开采天然气水合物置换效果的影响,开展了含采空区储层与完整储层的CO_(2)/N_(2)置换开采不同天然气水合物饱和度对比实验研究。结果表明:对于水合物饱和度分别为30%和45%的试样,含采空区储层较完整储层的CH_(4)置换率分别提高了5.5%和9%,单位体积CO_(2)封存量分别提高了26.5%和39.8%。采空区的存在提高了置换介质与天然气水合物的摩尔比率,从而提供了更高的置换驱动力;且在较高水合物饱和度试样中采空区还会提高置换介质的扩散作用,导致含采空区储层的置换效果好于完整储层。因此,在固体开采后进一步进行CO_(2)置换开采,可以提高置换开采效率,同时有助于碳封存与地层稳定,是一种潜在的海域天然气水合物安全、绿色开采模式。