深水井控的七组分多相流动模型

针对深水井控的特点,考虑深水钻井外部的多温度梯度环境和天然气水合物相变,将井筒内流体分为7种不同组分,建立了七组分井筒多相流控制方程。利用全尺寸实验井对井筒多相流动规律和井筒压力计算精度进行了验证。以墨西哥湾MississippiCanyon井钻井工况为例,应用所建立的七组分多相流动模型算法,从溢流和井喷过程模拟、压井过程模拟及天然气水合物相变对井控参数影响等几个方面对深水井筒多相流动规律进行了分析。模拟发现,气体在沿井筒上升初期膨胀量比较小,进入隔水管内后开始明显膨胀,越靠近井口膨胀越剧烈。从溢流发展到井喷可分为3个阶段:井涌发展阶段、井喷阶段和井内喷空阶段。在井涌阶段末期,井底压力、泥浆池增量、隔水管内的气体体积分数等会发生剧烈变化,在极短的时间内演化为井喷。在深水压井过程中,由于节流管线内气体交换效应,节流压力的调节速度要高于陆地井控。由于水合物的生成,减小了泥浆池增量,降低了关井套压,给溢流的检测及气侵程度判断带来困难。

多孔介质内多相多组分渗流磁共振成像检测实验系统研制

针对探头内径较小的磁共振成像仪器,设计了专用的小直径环压式岩心夹持器以及相应的实验配套系统,整套设备可以实现多孔介质内多相多组分渗流的可视化及量化分析实验研究,并以水驱及随后超临界CO2混相驱实验为案例详细介绍了该实验系统的使用步骤和方法,该系统对开展油气藏、煤层气、天然气水合物等地下能源开采,以及温室气体地下埋存、地下水和污染物运移等领域的相关教学和科研工作具有重要意义。

未饱和土壤中多相多组分热质迁移过程的动态模拟研究

本文研究了未饱和土壤中热、湿与盐分的复合迁移过程的机理和动态特性．建立了描述多相多组分热质迁移过程的动态模型和相应的微分方程组并进行了数值模拟，获得了土壤中温度分布、盐分分布和湿分分布的动态分布特性．模拟结果和实测值相比较，表明本文建立的模型是合理可信的．

二氧化碳—原油多相多组分渗流机理研究

二氧化碳与烃类体系的多相多组分渗流机理,对于深入理解实际油田注二氧化碳的驱替特征、提高采收率及地质埋存等都具有非常重要的意义。应用细管和多次接触实验以及包含相间传质的多相多组分CO2驱油藏数值模拟模型,系统研究了CO2—原油体系的相变规律以及多组分体系的变相态渗流特征。结果表明,CO2能够大量蒸发C11以下的烃组分,甚至能够蒸发C32等重烃组分;CO2气驱过程是一个蒸发与凝析的混合过程,混相带出现在气驱前缘附近;温度越高,CH4和N2含量越大,最小混相压力越大。

氢/氩热等离子体裂解煤碳-氢-氧-氩多相多组分体系的热力学分析

采用Gibbs自由能极小化法对等离子体裂解煤制乙炔碳-氢-氧-氩多相多组分体系的化学反应平衡组成进行了计算,结果表明,在C-H-Ar平衡体系中,惰性组分氩的存在降低了乙炔的最高平衡产率,氩在5000K以下基本不电离,典型组成为C:H:Ar=1:13.39:0.6的液化石油气裂解反应体系的最佳反应温度区间为2800～3200K.在C-H-Ar-O多相平衡体系中,氧作为杂质同样降低了乙炔的平衡产率,体系中氧以CO的形式存在,典型组成为C:H:O:Ar=1:8.638:0.160:3.339的煤裂解反应体系的最佳反应温度区间为3000～3200K.

流固耦合多相多组分渗流数学模型的建立

根据流固耦合渗流的基本思想，首次建立了流固耦合渗流的运动方程，并在此基础上建立了流固耦合多相多组分渗流的数学模型，为流固耦合渗流油藏数值模拟奠定了理论基础。

多相多组分Peng-Robinson流体的正则化格子Boltzmann方法研究及模拟

为了提高石油、天然气等能源的采收率,并最大限度地保护环境.需要对油藏储层内的多相多组分石油混合物的热力学性质和界面行为进行深入研究.Peng-Robinson状态方程被广泛应用于描述和预测烷烃类混合物的热力学性质.文章根据扩散界面理论和Peng-Robinson自由能模型,得到描述多相多组分流体热力学性质和界面行为的流体动力学方程组.该耦合方程组中的交叉扩散项和Peng-Robinson自由能模型的强非线性,给数值求解带来了极大的挑战.文章基于格子Boltzmann方法,针对每个组分的质量守恒方程,构建了带有多分布函数的正则化格子Boltzmann方法.针对势形式的动量守恒方程,构建了能有效降低两相界面虚假速度的正则化格子Boltzmann方法.通过Chapman-Enskog多尺度分析,能够准确恢复至耦合的流体动力学方程组.最后,通过一系列的数值实验,如气-液两相共存线,丙烷和戊烷、甲烷和乙烷共存时的相平衡状态等,验证所发展的多相多组分正则化格子Boltzmann方法满足还原一致性和热力学一致性,同时具有较好的数值稳定性.此外,该正则化格子Boltzmann方法能够有效消除两相界面处的虚假速度,并能准确刻画多相多组分流体的热力学性质和界面行为.

考虑扩散的CO_2驱多相多组分分区渗流模型

在注CO2开采原油的过程中,当注入井井底压力高于最小混相压力时,注入气与原油体系达到混相,流体的渗流阻力降到最低,大幅度地提高了原油采收率。此过程中,存在混相驱区域和非混相驱区域;同时注入气与地层流体之间存在分子间的扩散作用。从相平衡和物质平衡规律出发,利用达西线性渗流定律,推导出传统的注CO2多相多组分渗流数学模型。在此基础上,考虑CO2的扩散作用,首次推导出考虑扩散的CO2非混相驱和混相驱多相多组分的分区渗流数学模型。

构建多活性位点的单组分金属卤化物@吡啶/咪唑多孔有机框架用于CO_(2)的高效吸收与催化

定向设计的多孔有机框架被认为是提高CO_(2)捕集与利用效率的优异纳米材料。本研究通过ZnCl_(2)催化的氰基离子热聚合反应以及合成后修饰法构建了一系列多活性位点的单组分金属卤化物@吡啶/咪唑多孔有机框架材料(M@PIPOFs),并详细探讨了不同单体浓度和聚合温度对材料结构及性能的影响。作为具有较高比表面积、多层次孔隙结构的多相催化材料,M@PIPOFs同时含有丰富的氢键供体基团、Lewis酸/碱基团和亲核基团,在吸收CO_(2)以及催化CO_(2)与环氧化物耦合制备环状碳酸酯方面表现出极好的性能。结果表明,该类材料对CO_(2)的吸附性能较强,在273 K、100 kPa CO_(2)压力下吸附量最高,为3093μmol/g。考察了M@PIPOFs结构和反应条件对其催化性能的影响,结果表明,单组分1.0ZnI_(2)@PIPOF-400-30材料具有最高的催化性能。其能够在无溶剂、无助催化剂的条件下,高活性、高选择性地催化CO_(2)与含有不同终端基团的环氧化物耦合,并以88%~98%的收率生成相对应的环状碳酸酯。此外,该M@PIPOFs催化剂回收简单,具有持久的高稳定性和催化活性。最后,基于对M@PIPOFs材料的表征和催化数据分析,提出了一种可行的多活性位点单组分催化机理。本研究希望能够为后续高效多相催化体系的设计、开发提供参考。

多相选择氧化/氨氧化催化中活性位分离和相间协同作用

本文基于烃类选择氧化领域中的大量实例从起源、实现途径及应用状况几个角度对活性位分离和相间协同作用进行了评述。这两条原则已构成多相选择氧化催化的两大支柱:活性位分离是选择氧化催化剂获得选择性的必要条件,并在其他一些重要反应中起着重要的作用;相间协同则是不同晶相间发挥作用的一种方式,主要通过界面内聚和遥控机理发生作用。

致密砂岩气藏注CO_(2)提高天然气采收率微观机理

中国致密砂岩气藏资源储量丰富,复杂的气水渗流关系和气水同产特征制约了单井产能的发挥和天然气采收率提高,注CO_(2)是提高气藏采收率(EGR)和实现碳埋存的双赢途径。为明确致密砂岩气藏CO_(2)驱替微观渗流和提高天然气采收率机理,指导致密砂岩气藏CO_(2)-EGR方案设计,基于格子玻尔兹曼方法(LBM)建立了孔隙尺度多相多组分流动模型,揭示了致密砂岩气藏储层微观气水分布特征和CO_(2)-EGR的微观渗流机理,并明确了CO_(2)-EGR的主控因素。研究结果表明:①驱动压差显著影响了致密砂岩气藏的气水微观分布和水锁程度,使得气水流动能力和气水相对渗透率特征不同;②CO_(2)-EGR微观渗流过程包括气水两相的非混相驱替和CO_(2)-CH_(4)的混相驱替,对应EGR机理为分别受生产压差和地层压力控制的黏性驱替和混相扩散;③注入的CO_(2)可有效缓解水锁现象和贾敏效应,与CH_(4)良好的混相能力能促进沟通分散气泡,微观驱气效率可达42%~94%;④含水饱和度、孔隙结构和驱动压差显著影响微观驱气的作用机制和驱气效率的改善幅度。结论认为,在进行致密砂岩气CO_(2)-EGR的方案设计时,可优先考虑中—低含水饱和度的区块作为试验靶区,并根据靶区储层孔隙结构特征,优化不同注气阶段的注采参数,可充分发挥CO_(2)对CH_(4)的黏性驱替和混相扩散作用。

天然氢开采和集输中的相平衡分析

为了提升对天然氢这种新兴能源的开采工艺和长距离输送技术,着眼于天然氢产物作为多组分混合物复杂的热力学性质,旨在探索根据多组分相平衡结果提升天然氢开采、提纯和管道运输工艺.从热力学第二定律入手,遵循系统总能减少、总熵增加的准则,借助昂萨格倒易关系构造物质的量和体积随时间的演变格式,形成一套热力学守恒的闪蒸计算方法,并证明该算法的能量递减性质.在此迭代型闪蒸计算方法的基础上,建立热力学嵌入的神经网络架构.基于热力学分析提取环境温度和总摩尔浓度作为环境参数,选用各组分的临界温度、临界压力、偏心因子和摩尔分数作为组分热力学特征,共同构成输入参数.输出层将得到相稳定测试的结果,即平衡态时流体中总的相数以及相分离计算的结果,可得平衡态时气液两相的摩尔组成,从而应用于多组分相平衡的快速预测.利用迭代型闪蒸算法获取足量数据用于机器学习模型的训练与神经网络架构的调参,设计了高度自适应的深度学习算法和相应的深层神经网络结构,采用机器学习技术,调优网络超参和基本架构,获得提升神经网络的训练效率和预测精度.借助这套准确、快速的相平衡预测技术,分析不同天然氢产物组成下的相平衡状态分布,并为氢气提纯和二氧化碳分离封存提供可行性工艺建议.将相平衡快速预测模型耦合到输气管道智能调控系统中,实现对天然气管道掺氢输送中管道运行安全的智能检测和满足输气供应需求的智能调控.

ZnO-WO_3纳米复合氧化物的气敏性能研究

以纳米ZnO为原料掺入4种质量分数的纳米WO3,经不同温度烧结制作了ZnO-WO3纳米复合氧化物气敏元件,讨论了掺杂质量分数和烧结温度对材料的相组分和气敏性能的影响。研究表明:Zn-W-O敏感体系中,WO3等辅相对材料气敏性能的影响十分明显,与纯纳米ZnO比较,450℃烧结、掺入质量分数为30%的WO3的敏感材料对200×10-6体积分数的乙醇和苯的灵敏度分别达到150和16。由于WO3与ZnO的酸碱中心相互催化作用,致使ZnO-WO3复合氧化物有着优异的敏感性能。

海岛结构环氧树脂材料的抗冲磨试验研究

本文首先分析了海岛结构环氧材料的增韧、抗冲磨机理.通过断裂韧性、抗冲磨性能及强化开裂试验得出,与环氧-固化剂体系相比,加入增韧剂ZRJ后制成的海岛结构环氧树脂其断裂韧性提高约9～20倍;抗高速含砂水流冲磨强度提高46%;在-20℃～80℃强化开裂试验中的抗裂性能也显著提高,其中增韧剂为环氧树脂的80%时效果最佳.文中还给出了各种配方的海岛结构环氧材料的扫描电子显微照片,从中可观测到微观形貌的变化,看到粒径为0.2μm的海岛结构.试验结果证明,具有海岛结构的环氧树脂材料可用于水工建筑物表面抗含砂水流冲磨破坏和低温环境防裂环氧砂浆涂层,极具实用价值.

天然气水合物数值模拟方法及其应用

在开采天然气水合物前有必要用数值模拟方法对其形成或分解的规律进行研究以及对开采方案进行评估。数值模拟可根据野外和室内实验数据,定量计算压力、温度和天然气水合物的动力学转换关系,评价天然气水合物的开采潜力,从而预测复杂系统的热物理动力过程。TOUGH+HYDRATE因其能够模拟水合物分解的多组分多相流过程,较其他软件相对成熟而得到广泛应用。概述其模拟的基本原理和方法,总结利用该软件模拟包括降压、注热以及降压和注热相结合等方法的应用实例,结合我国天然气水合物调查与研究现状提出数值模拟方面的工作建议。

混注烟道气辅助蒸汽吞吐驱替机理数值模拟研究

混注烟道气辅助蒸汽吞吐多相多组分渗流机理研究,对深入了解不同于常规蒸汽吞吐渗流物理场的变化和提高热采开发效果都具有重要的意义。通过建立多相多组分渗流数学模型和油藏数值模拟,系统研究了烟道气、蒸汽和原油的相变规律以及多组分体系的变相态渗流特征。结果表明,混注烟道气可有效将油层中蒸汽干度提高至原来的2倍以上,烟道气溶解膨胀作用使原油降粘区域增大,同时烟道气中二氧化碳溶解可有效降低油水界面张力,提高微观驱油效率;混注烟道气辅助蒸汽吞吐周期累积产油量是常规蒸汽吞吐的1.7倍以上,周期日产油量峰值均为常规蒸汽吞吐的1.5倍。烟道气混注参数优化数值模拟结果表明,随着混注比的增加,周期累积产油量呈线性递增的趋势,并且随着烟道气中二氧化碳组分体积含量的增加,周期累积产油量递增的趋势也明显增大。

二氧化碳地质封存问题和地震监测研究进展

二氧化碳(CO2)的捕获和封存技术(CCS)是近年提出的减少CO2排放的重要方法,经过近二十年的发展已经为国际社会所公认.了解长时间封存CO2的变化规律对于成功实施CO2封存非常重要,而限于现场试验的困难性,数值模拟已成为监控长时间封存CO2变化的最重要方法.因此,需要加强CO2封存所涉及的多孔隙介质中多组分多相流运移模拟和地球化学反应模拟研究.在CO2注入地下储层之后,需要长时间监测所封存CO2的运移情况,以及时发现泄漏并采取相应的应对措施.地震监测方法是众多监测方法中最重要的方法之一,四维地震已经在世界上几个大型的封存项目中进行了多次实施,并且取得了很好的效果.为了使地震监测方法更加准确,并能做到常态性地有效监测或实时监控,不仅需要不断发展岩石物理理论和方法,而且需要在岩石物理学研究中充分考虑CO2封存问题的特殊性,即CO2的溶解和化学反应所引起的岩石物理性质的改变.这是研究地球环境和全球气候变化等重大地球科学问题的基础性研究课题,具有重要的理论和实际意义.

非水相液体传输的耦合动力学模型及数值解

基于多孔介质流体力学和溶质运移动力学原理,建立了非水相液体在地下环境系统中传输过程的多组分多相流耦合数学模型,对多相流渗流场模型和污染物传输浓度场模型分别采用了IMPES和特征有限差分方法进行数值离散,模型中充分考虑了污染物在地下环境体系中扩散、吸附解吸、界面间分配以及微生物降解等化学反应以及气相作用,并以苯在土壤中传输的浓度分布为例,验证了模型的可靠性。该数值模型较以往数值模型相比,可有效地克服在数值解过程中的弥散和振荡,对于石油工程领域中油气藏多相流数值模拟奠定基础。

低场核磁共振在天然气水合物实验研究中的应用

天然气水合物作为一种储量巨大的非常规天然气资源,是最具有商业开发前景的清洁能源之一,为了实现水合物的有效开采,需深入研究与天然气水合物开采相关的复杂多孔介质中多相、多组分流体的相变和运移。基于自主研发的高压低温核磁共振天然气水合物实验检测装置,实现了多孔介质内天然气水合物生成相变过程的原位检测,采用先进的纯相位编码多参数核磁共振技术获得甲烷水合物生成相变过程中微观孔隙内所赋存的气、水、水合物多相多组分流(固)分布规律,实现了各相流(固)体含量、空间分布动态过程的定量描述,为研究天然气水合物提供了重要的实验检测方法。

云南铜业股份有限公司艾萨炉熔炼过程热力学计算模拟

运用多相多组分同时平衡的原理和计算方法并借助于计算机对铜梳熔炼过程行计算模拟，并把计算结果与设计值进行比较，二者吻合较好．本模拟结果可以用来在连续稳定生产条件下分析炉内各种化学物质的行为和组成，这对于即将建成投产的云南钢业股份有限公司是大有益处的．