富油煤钻井式地下原位热解提取煤基油气资源的几个关键问题

富油煤是一种具有油气资源属性的特殊煤炭资源,开发富油煤所蕴含的煤基油气资源,实现煤炭这一高碳资源的低碳利用,对于保障国家能源安全、实现“双碳”目标具有重要意义。钻井式富油煤地下原位热解是在工程钻井的基础上,通过煤层人造裂缝,实现多口钻井的连通,然后利用电加热或气体热载体加热等技术加热煤层,使富油煤热解产生油气资源,并在抽采井完成油气采集。目前,煤层加热方式、煤层热解温度、储层改造技术、热解油气的高效抽采等问题亟待解决。(1)反应热加热、传导加热、辐射加热等在富油煤地下原位加热应用中均存在不同缺陷,以气体热载体加热为主的对流加热方式更加适用,但是针对不同的地质条件,优选经济安全的载热流体,营造高效的热解氛围尚需要开展针对性的研究工作。多种加热方式相互配合,有望成为富油煤地下原位加热方法的突破方向。(2)350~450℃是目前普遍较为认可的高效热解温度,但是不同煤质特征以及不同热解氛围,其相应的优势热解温度区间略有不同,富油煤热解的化学热力学和动力学研究是科学预测热解温度的有效手段。(3)在储层改造方面,水力压裂技术、超临界CO_(2)压裂技术和液氮致裂技术,在富油煤地下原位热解应用中均具有一定的适应性,但同时也不同程度的存在一些缺陷,对于不同的地质条件而言,需要做具体客观的评价方可确定相适应的技术手段。可控冲击波技术在岩层致裂方面具有高效可控的优势,未来有望在本领域得到广泛应用。(4)富油煤热解产生的可燃气体以CH_(4)、H_(2)、CO为主,同时伴随较高含量的CO_(2),易于直接抽采,而热解油为高密度、高黏度的煤焦油,其凝结温度高,180℃以下便会大量凝结,存在井筒堵塞的风险,针对性的制定抽采井温压保持方案,是提高热解产物抽采效率的关键所在。此外,未来研究工作中,有关富油煤地下原位热解地质工程一体化综合评价、原位热解反应进程监测、全过程数值模拟等系统性问题同样需要重点关注。

我国煤炭综合利用现状分析

现阶段,我国经济逐渐呈现出平稳增长的状态,随着环境保护压力加剧、我国能源结构调整,导致煤炭价格逐渐下滑,煤炭生产企业经济效益大幅下降。对于煤炭生产企业发展来说,三废污染问题、水资源缺乏、矿产资源枯竭等问题已成为制约煤炭工业可持续发展的重要因素。所以,我们要走综合利用和可持续发展的道路,从根本上改变煤炭资源粗放型开发模式,整合煤炭资源,拓展煤炭产业生产链,实现煤炭资源的综合利用。本文主要针对煤炭资源综合利用现状展开分析,提出煤炭加工和综合利用技术,以及煤炭深加工与综合利用的科学策略。

青藏高原东南部楚雄盆地构造-热演化史及其与油气关系

青藏高原东南部是构造最为活跃、变形最强烈的地区之一.楚雄盆地作为青藏高原东南部重要的中生代含油气叠合盆地,其演化历史复杂,后期改造强烈,热演化史研究薄弱.恢复楚雄盆地构造-热演化史对系统评价盆地油气资源和深入认识青藏高原东南部的构造变形过程有重要意义.本文研究在楚雄盆地全盆地系统采集了裂变径迹样品,分析确定了盆地的抬升过程,结合大量镜质体反射率(RO)、包裹体测温等古温标,系统恢复了楚雄盆地构造-热演化史.裂变径迹研究结果表明楚雄断裂以西靠近哀牢山—红河断裂带地区的冷却年龄在41.9~72.7 Ma之间,主要为始新世41.9~55.5 Ma;楚雄断裂以东冷却年龄在20.0~38.4 Ma之间,主要为渐新世-早中新世.楚雄盆地抬升过程总体具有西早东晚的特征,主体部位20~38.4 Ma以来有一次快速抬升冷却过程.楚雄盆地三叠系热演化程度高,RO异常高值与火成岩活动密切相关.热演化史研究表明三叠系最大古地温在上新世之前达到,最高古地温梯度可达30℃·km^(-1).三叠系烃源岩在侏罗纪开始生烃,白垩纪为主要生烃期,古新世-始新世主要为过成熟生干气阶段.渐新世以来盆地整体抬升,地层温度降低,生烃作用减弱.楚雄盆地构造-热演化史除了受火成岩影响外,还与印度和欧亚板块的碰撞及哀牢山—红河断裂带的活动密切相关.

半焦煤的燃烧及综合利用研究

在对比褐煤与烟煤裂解特性和燃烧特性的基础上,选择综合性能更优的褐煤作为原材料,采用管式炉制取半焦煤。并对比了褐煤煤粉与半焦煤的燃烧特性,结果表明半焦煤的着火温度更高、最大反应速率偏低,燃烧特性较差。随后选择半焦煤的吸附特性和富氧燃烧特性作为研究指标,分别进行试验对不同类型半焦煤的特性展开了研究。结果表明,在氧浓度为40%时,600℃半焦煤的着火温度与煤粉接近,燃烧效果达到最优;在裂解温度为800℃时制取的半焦煤,吸附特性最优。在工业生产中,可根据半焦煤利用方向的不同,调节半焦煤的制取温度和反应氧浓度,从而获得利用价值更高的半焦煤产品。

富油煤热解重质焦油基泡沫炭性能研究

【目的】富油煤热解重质焦油制备石墨化泡沫材料是富油煤资源高值化利用的方式之一。【方法】为探究不同反应条件与泡沫炭性能的联系从而制备高性能泡沫炭材料,以重质焦油制备中间相沥青为前驱体,采用高温自发泡法制备泡沫炭。考察不同反应温度、升温速率和反应压力对煤焦油基泡沫炭性能的影响,最后进行Box-Behnken响应面设计实验建立二次多项回归方程,揭示泡沫炭孔隙率、导热系数与反应条件的关系。【结果和结论】结果表明:反应温度、升温速率和反应压力对煤焦油基泡沫炭性能有显著影响。泡沫炭孔隙率的最优值为72.8%,对应的条件为温度559℃、压力0.48 MPa、升温速率9℃/min,影响因素温度>压力>升温速率;泡沫炭导热系数最优值为0.219 W/(m·K),对应的条件为温度549℃、压力2 MPa、升温速率3.9℃/min,影响因素升温速率>压力>温度。经过响应面模型优化后的工艺参数可制备具有良好孔隙率及导热性的泡沫炭材料,为提升富油煤热解效率提供新方案。

鄂尔多斯盆地西南缘延长组断缝体特征及对油藏的调控作用

鄂尔多斯盆地西南缘断缝体发育,针对断缝体对延长组油藏甜点分布控制作用的研究有待深化。利用大量的地震及测井解释结果,从断缝体演化机制角度对断缝体特征进行精细描述,进而系统探讨断缝体对油气的调控作用。研究结果表明,鄂尔多斯盆地西南缘发育直立走滑断裂,多具有“Y”字型、花状及负花状结构,且断裂常穿过白垩系底、延安组底、长7油层组底等界面,向下则插入基底。部分断裂仍具有早期逆断性质,表明断裂在后期反转程度不彻底。主断裂在不同部位具有不同的形态及偏移量,剖面上表现为张扭及压扭性质的循环转变,平面上则表现为不同类型断裂组合形式的交替出现。构建了断缝体中走滑断裂的发育模式,走滑断裂具有典型的多期活动、继承发育的特征。长8油层组主要发育垂直缝及水平层理缝,水平层理缝的发育频率为62.5%,垂直缝的发育频率为37.5%,且垂直缝含油级别相对较高。裂缝主要发育于分流河道细砂岩。当距主断裂距离大于1.25~1.5 km时,裂缝发育程度急剧降低,存在断缝体边界;在该边界范围内,厚度小于6 m的单砂体裂缝较为发育,当单砂体厚度超过6m,裂缝发育程度急剧降低。所构建的基于沉积(基础)、构造(主导)及裂缝(见效)的指标体系可以有效预测研究区长8油层组断缝体油藏有利区。

中深层地热井地温影响规律及预测方法

中深层地热井初始地层温度、原始地温梯度是影响中深层地热井换热量计算的重要参数,在完井后短时间内所测得的井温并不能真实反映初始地层温度,也不能反映原始地温梯度。为准确地获取初始地层温度、原始地温梯度,通过分析测井数据发现由于钻探过程中钻井液循环致使井筒内部上下温差变小,导致未静井时获取的地温梯度偏低,需要增加静置时间才能保证所测初始地温的准确性和可靠性,但在实际工程中长时间增加钻孔静置时间是难以实现的。结果表明:通过对钻井液循环过程中传热分析可以获得钻柱内钻井液温度与地温梯度的关系式;在建立钻井液与地层瞬态传热解析解模型的基础上,计算出静置较短时间后井内钻井液温度,获得其与完井后所测试的井内钻井液温度的相关系数,可以快速地计算出原始地温梯度、初始地层温度。通过与文献中数据以及测井结果对比,验证了所提出方法的准确性,可为中深层地热井与岩层换热的分析提供准确数据,对中深层地热井换热性能研究具有实际意义。

基于AHP熵权TOPSIS模型的矸石充填方案评价和优选研究

煤矸石井下充填是近年来发展起来的矸石绿色处置方法,但不同的充填开采工艺并没有相关的标准、规范,尚未建立完善的评价体系。依据《煤矿充填开采工作指导意见》,针对陕北生态脆弱区本地特点,根据陕西小保当矿业有限公司矸石充填施工方案,提出了基于多因素指标构建的煤矸石充填评价体系。为了使评价指标权重分配合理,采用层次分析法和熵权法相结合的主客观综合赋权法,在兼顾到陕北地区生态环境突出问题的同时减少主观性,使赋权结果科学、合理。最后,将组合赋权结果运用到TOPSIS模型进行决策分析,科学评判出最优施工方案,最终认为地面钻孔充填为最优方案,并实施了200万t/a的煤矸石充填实例进行验证,得出了煤矸石充填的综合成本值。

陕北地区煤矸石处理方案对比研究——以小保当煤矿为例

煤矸石是我国排放量最大的工业固体废弃物之一,其危害性巨大。为了有效处理小保当煤矿大量的矸石,结合该矿煤矸石特性等情况,对比分析目前已有的煤矸石综合利用和处理方法的特点、处理效率和适用条件等,提出适合该区域的煤矸石高效规模化处理技术,即建议优选井下充填方案。根据煤矿地面现状、地质情况、开采地质条件、地下空间分析等进一步进行适宜性评价,表明地面钻孔对采空区注浆充填是可行的。该方案能够科学合理的利用煤矿地下空间来解决矿井固废处理难题,从而消纳大体量煤矸石,解决煤矿面临的煤矸石处置难题,还能够为其他矿井提供重要借鉴。

“双碳”背景下煤炭原位地下热解采油意义研究

在我国“CO_(2)排放力争于2030年前达到峰值、力争2060年前实现碳中和”(简称“双碳”)的目标要求下,既要保障国家能源安全,又要做到资源的清洁开发利用,尤其是传统的化石能源行业是关注重点。立足于我国最主要的化石能源—煤炭,将煤视为煤基油气资源,从降碳、降损、降滞及能源保障等角度分析了煤炭原位热解采油的意义,以陕西省煤炭为例,论述了富油煤资源的勘查、开发思路,预测了陕西省富油煤的资源量和内蕴焦油资源量,圈定了适于资源开发的富油煤资源区,以煤的原位地下热解采油气资源为目标,基于外加热式地下热解方式,提出对陕北富油煤进行原位热解采油先导工程的工作思路,从资源开采的源头实现了碳封存,为煤的清洁利用奠定基础。

过渡金属改性HZSM-5催化转化煤油共炼重油制轻质芳烃的研究

煤油共炼技术为煤炭和重质油清洁高效利用开辟了新途径,但其产品单一,附加值低。为实现煤油共炼液体产物的高值化利用,本研究以煤油共炼重油(H-CT)为原料,利用热裂解-气相色谱质谱联用仪(Py-GC/MS),通过单、双金属改性的HZSM-5对H-CT催化转化制苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘(BTEXN,B—苯,T—甲苯,E—乙苯,X—二甲苯,N—萘)的性能进行了考察,探究了裂解温度、升温速率和催化剂与原料的质量比对BTEXN峰面积和选择性的影响,利用红外快速加热炉对H-CT的Py-GC/MS结果进行了校正。结果表明:单、双金属负载使HZSM-5的强酸酸性减弱,中强酸酸性增强;Mo,Fe及双金属Mo-Fe的负载增大了HZSM-5介孔比表面积;H-CT裂解的最佳条件为温度700℃、升温速率5℃/ms,催化剂与原料的质量比8∶1,在此最优条件下,催化剂按转化效果由大到小依次为Mo-Fe,Mo-Ni,Mo,Ni,Fe,HZSM-5;HZSM-5和Mo-Fe/HZSM-5催化转化制备BTEXN的总选择性分别为39.78%和60.30%,修正后的BTEXN产率分别为197.3 mg/g与339.0 mg/g。过渡金属改性HZSM-5促进了BTEXN的生成,金属与HZSM-5的结合加速了催化转化过程中氢转移、脱羟基、开环、脱烷基和其他反应。

中深层套管式换热器可持续供热性能及优化设计研究

中深层套管式换热器的热提取具有“取热不取水”的特点,是我国北方地区稳妥推进中深层地热能供暖的重要技术之一。针对当前中深层套管式换热器在长期热提取期间供热性能不明的问题,本文基于可持续供热的运行特点,建立数值换热模型分析换热器水温、性能系数随运行年份的变化规律,并针对性地开展设计优化研究。结果表明:在可持续供热过程中,换热器水温在前5年的下降程度较为明显,运行至20年以后,基本不发生变化。换热器季节性能系数的下降程度受岩土体导热系数的影响较大,在1.5 W/(m·K)条件下的SPF1、SPF2分别下降11.50%和10.56%,在3.0 W/(m·K)条件下的SPF1、SPF2则分别下降4.73%和4.23%。岩土体导热系数越小,换热器供热性能的下降程度越明显。基于可持续供热性能的变化规律,提出以“准稳态特征年”的供热性能为基准进行设计,并综合考虑运行要求与节能性要求优化换热器的运行条件,明确了在不同地热特征参数、埋管深度下的最优运行流速与最佳供热负荷的分布情况,对中深层套管式换热器的高效可持续供热设计具有实际指导意义。

地源热泵系统能效提升途径

浅层地热可被用于路面融雪除冰,建筑供热、制冷等。闭环垂直地埋管是浅层地热资源利用最常见形式,其在终端负荷作用下与岩土体进行热量交换。单根地埋管获取地热资源能力有限,多根埋管组合形式(地埋管群)被广泛应用于地源热泵系统。然而,地下温度场受管群与岩土换热性能影响,在设计、运行等不合理条件下可导致岩土体温度场不平衡,进而造成地源热泵系统能效降低,甚至失效。因此,管群设计、运行等方案优化是解决地温场不平衡问题的必要途径。基于国内外相关研究成果,梳理管群优化设计方法、储能和去能方法、辅助热源和冷源方法、运行控制策略。其中,管群优化设计方法主要聚焦管群间距设计、排布方式等;储能和去能方法主要介绍利用太阳能、工业废热等外部热源和冷源对地下岩土体进行加热和降温等的最新研究成果;辅助热源和冷源部分重点介绍太阳能、冷却塔等在地源热泵系统中的应用;运行控制策略主要分析地源热泵系统运行控制方案,包括峰点冷热负荷运行、间歇性运行、分区运行、系统控制策略等方案。总结了管群优化设计方法、运行控制策略等,剖析了各方案的优点与不足,可为管群岩土体温度场不平衡解决方案与地源热泵系统能效提升途径提供参考。

吸波剂协助低阶煤微波热解能量场分布数值模拟研究

吸波剂协助煤微波热解技术可实现煤的清洁高效转化,吸波剂协助煤微波热解技术与数值模拟技术相结合,可进一步优化微波热解产物特性。将电磁场能量守恒方程、固体热传导方程和几何模型耦合,运用COMSOL软件建立了适用于吸波剂协助低阶煤微波热解反应的电磁-传热模型,考察了兰炭(BC)、Fe_(2)O_(3)和Fe_(2)O_(3)/BC三种不同种类吸波剂协助煤微波热解的微波腔体电场和煤样温度场的分布特性和强度变化,并与煤微波热解实验进行了对比验证。结果表明:吸波剂种类对微波腔体的电场和煤样的温度场的分布位置和分布区域形状没有显著影响,而对两者的分布区域面积和强度存在较大影响。吸波剂按对电场的分布区域面积和强度的影响从大到小依次为Fe_(2)O_(3)/BC、兰炭和Fe_(2)O_(3),煤样的温度场呈现出右高左低的分布趋势,且高温区域形状呈羽状。三种吸波剂中,Fe_(2)O_(3)/BC吸波剂的电场强度最大,约为9.79×10^(4)V/m,其煤样的温度场分布区域面积和煤样最高温也均最大。三种吸波剂模拟升温特性与实际微波热解升温特性相似,但Fe_(2)O_(3)吸波剂条件下热解最高温和终温模拟结果与实验结果差异最小,而Fe_(2)O_(3)/BC吸波剂条件下的模拟升温曲线与实验结果最为相似。

秦岭丹江上游流域水源涵养功能时空变化特征及其影响因素

良好的水源涵养功能可以调节区域水文循环和保障区域生态安全,与人类生产生活密切相关,如何精准评估水源涵养功能已成为当下生态水文学的研究热点。基于分布式水文土壤植被模型(DHSVM)和水量平衡法,分析秦岭丹江上游流域2010—2020年水源涵养量的时空变化规律,并探明气候变化和土地利用变化对流域水源涵养功能的影响。结果表明:(1)丹江上游流域年水源涵养量平均值为61.60 mm,月水源涵养量平均值为4.3 mm,有年际和年内变化大的特征。(2)水文要素中,降水量、蒸散发量和径流量11年都呈增长趋势,水源涵养量为减少趋势。流域内水源涵养量的空间分布规律为由东南部向西北方向递减。(3)不同时间尺度下影响水源涵养量的主要气象因子不同。在年际尺度下,影响水源涵养量的主要气象驱动因子为降水,表现为促进作用;年内尺度下影响水源涵养量的主要气象因子为降水和气温,分别表现为促进作用和抑制作用。(4)丹江上游流域主要土地利用类型水源涵养量由高到低依次为:草地、林地、耕地。在土地利用类型变化后,草地面积增加,林地和耕地面积减少,流域水源涵养功能提高。本研究可为当地水资源管理和制定生态保护决策提供科学依据。

中深层同轴套管井取热损失分析与内管保温影响研究

针对中深层同轴套管井存在的热损失现象,开展了取热损失分析,并探究内管保温对套管井换热性能和机组选型的影响。研究结果表明:套管井底部取热量高于实际取热量,在热提取期间的取热损失比基本不随时间发生变化。在套管井运行流速较低、地质参数较高和套管井长度较大的条件下,取热损失更大,但仍具有取热潜力。内管保温可以提升套管井的换热性能,且当套管井承担更多供热负荷的情况下,内管保温作用更明显。对内管进行保温后,运行流量的减小会导致套管井出口温度升高、入口温度降低,故对内管保温的套管井进行供热能力评估时,应综合进、出口水温对运行要求和能效的影响来决定,采用小流量运行时应考虑进行大温差热泵机组选型。

中深层同轴套管井热提取模式下沿程温度分布特性研究

根据中深层同轴套管井换热原理建立传热模型,开展热提取模式下的沿程温度分布特性研究。结果表明:在热提取过程中,内管中的流体温度沿着流动方向不断下降,且在供暖季前期的下降程度更大。在运行流速较低时,井底流体温度较高,流速在0.3 m·s^(-1)条件下的井底温度与0.7 m·s^(-1)时的温度相比提高了19.4℃,但由于内管流体温度的下降程度较大,导致出口温度优势不明显。套管井长度越大,内管流体温度的下降程度就越大,长度由1500 m增加至3000 m时,内管流体温度损失由1.5℃增加至10.7℃。因此,在流速较低或套管井长度较大时,内管做好保温措施有助于提升热提取能力。此外,由于热提取期间套管井周围的岩土体温度不断下降,以及受运行工况的影响,流体无法与较深处的高温岩土体实现充分换热,套管井的出口温度会低于较深处中深层岩土体未被干扰时的温度。在众多热提取因素中,套管井的沿程温度分布受入口水温、运行流速、套管井长度、岩土体导热系数和地温梯度的影响较大,其与入口温度基本呈线性相关,运行流速和套管井长度对深部位置的温度分布影响更明显,在岩土体导热系数和地温梯度较高的条件下,内管中流体温度的下降程度较大。

中深层地热能套管井取热影响因素分析

为厘清运行参数、地质参数以及管井参数对中深层地热能套管井取热能力的影响程度,基于FLUENT模拟软件建立中深层地热能套管井数值换热模型,开展换热实验测试验证模型的准确性。结合正交试验方法分析取热影响因素的显著性。结果表明:根据影响程度由大到小排序依次为地温梯度、埋管深度、入口温度、岩层导热系数、循环流量、内管导热系数、岩层密度、岩层比热容、内管壁厚、内管外径、外管壁厚、外管外径,且地温梯度与埋管深度的影响程度明显高于其它因素。由F值检验得到地温梯度、埋管深度、入口温度、岩层导热系数的F值分别为60.92,57.91,18.03,8.96,具有高度显著的影响,其作为中深层地热能套管井取热能力设计评估中的主控因素。

中深层U型对接井取热能力影响因素显著性分析

文章根据中深层U型对接井换热原理,建立了数值换热模型。基于正交分析方法,对U型对接井取热能力影响因素开展显著性分析。研究结果表明:在众多因素中,影响程度由大到小依次为地温梯度、埋管深度、入口温度、岩土导热系数、水平长度、岩土密度、循环流量、岩土比热容,且地温梯度、埋管深度的影响程度远高于其他参数。前4个因素具有高度显著的影响,在U型对接井供暖项目中,对地热地质条件尤其是地温梯度和岩土导热系数进行准确地测定与计算是十分必要的。U型对接井换热长度一定的条件下,增加埋管深度更有利于热提取。在满足热泵机组的运行要求下,应尽可能降低U型对接井入口水温,从而提高其取热能力,循环流量调节可作为控制U型对接井出口水温的辅助方法。

关于煤质化验结果影响因素分析

煤炭资源是我国重要的能源战略资源之一,是日常生活以及工业发展过程中主要能源燃料,广泛应用于生产生活中。实际上,煤炭资源根据类型和性能不同,其使用价值也存在一定的差异性。所以,在煤炭开采后需要进一步检测,利用不同的试验方法对煤质进行科学的检验,保证煤炭检验参数的科学性、合理性、准确性,有力推进我国煤炭行业高质量发展。本文主要针对煤质化验结果影响因素进行分析。