超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合试验系统研制与应用

【目的】为了有效强化煤层气抽采效果,将脉动压裂与超临界CO_(2)压裂相结合,提出了利用超临界CO_(2)脉动压裂煤(岩)的新思路。【方法】自主研发了超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统,介绍了该试验系统的主要结构、特点和功能,然后开展了室内真三轴条件下超临界CO_(2)脉动压裂-渗流试验及超临界CO_(2)脉动压裂-声发射监测试验。该系统结合独立伺服系统与中央数字系统控制三向应力,采用双泵型恒速恒压泵脉动给压,具有高精度、全过程、真三轴、承载高温、高压及高应力的特点。【结果和结论】试验结果表明:超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统可以实现良好的脉动压裂功能。超临界CO_(2)脉动压裂后,煤体渗透率较压裂前呈增大趋势,增大了2~9倍,且煤体渗透率皆呈现良好的指数变化规律。在声发射-超临界CO_(2)脉动压裂时期,煤体产生了新的裂隙通道,该通道由压裂孔中心直接贯穿至煤样表面,且可观测到超临界CO_(2)流体直接从煤中喷出,故超临界CO_(2)脉动压裂具有一定的扩展和连通裂隙的作用,能够有效提高煤层气的抽采效果。研究成果为强化深部低渗煤层增透技术提供了一定的试验支撑。

不同流向上小流道加热管内超临界CO_(2)的压降特性

针对不同流动方向上超临界CO_(2)流体在小流道加热管径为0.75mm内的压降特性进行了实验研究。结果表明,不同流动(水平流动、垂直向上流动以及垂直向下流动)方向上,实验总压降、摩擦压降以及加速度压降均随着系统压力的升高而逐渐减小,而随着质量流量的增大、加热功率以及进口温度的升高而增大。然而,在垂直流动方向上重力压降随着系统压力的升高以及质量流量的增大而逐渐增大,但随着加热功率以及进口温度的升高而逐渐减小。当系统压力、质量流量、加热功率以及进口温度保持恒定时,不同流动方向上超临界CO_(2)流体的摩擦压降均在实验总压降中所占有的比例最大,而重力压降在实验总压降中所占有的比例最小。通过两种测试管径的压降数据比较可知,超临界CO_(2)流体在不同流动方向上实验总压降的变化趋势始终保持一致,并且小管径的实验总压降远大于大管径的实验总压降,从而说明测试管径的尺寸大小对实验总压降的变化有着显著影响。

超临界CO_(2)对致密碳酸盐岩力学特性影响

采用超临界CO_(2)破致密碳酸盐岩具有破裂压力低,易形成复杂缝特点,但其作用的力学机理尚未清晰。选用马家沟组致密白云岩样,采用高温高压超临界CO_(2)饱和流体法,研究了岩样在超临界CO_(2)+地层水的流体中浸泡不同时间后的物性、声波响应、岩石力学特性和破裂形态特征。结果表明,随着浸泡时间增加,化学溶蚀作用引起溶蚀孔径增大,岩样孔隙度、渗透率增加,而声波速度、动态和静态岩石力学参数均下降;当浸泡时间大于1.0 d后,岩样物性参数增大和力学强度降低明显;随着浸泡时间增加,岩样破裂形态由单一低角度剪切缝向高角度剪切缝、共轭缝和剪切、张型复合缝等复杂形态发展;压裂短时间内(小于1.0 d)超临界CO_(2)+地层水形成的弱酸对岩石力学强度劣化程度有限。

适合致密油藏的超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐技术

为了进一步提高致密油储层超临界CO_(2)吞吐的开发效果,探索适合致密油藏的超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐技术,通过原油黏度实验、油气界面张力实验、最小混相压力实验、原油膨胀系数实验以及超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐模拟实验,评价了不同类型气溶性表面活性剂的性能及其对吞吐采收率的影响。结果表明:气溶性表面活性剂GRS⁃1的综合性能更加突出,随着气溶性表面活性剂质量分数的不断增大,原油黏度、油气界面张力和最小混相压力均呈现出逐渐降低的趋势,而原油体积膨胀系数则逐渐增大,并且岩心的吞吐采收率和入口端压力也呈现出逐渐增大的趋势;随着混合流体注入量的增加以及闷井时间的延长,岩心吞吐采收率和入口端压力均逐渐增大,并且岩心的渗透率越大,吞吐采收率就越高;超临界CO_(2)-气溶性表面活性剂复合吞吐的最佳实验参数为气溶性表面活性剂GRS⁃1的质量分数0.6%、混合流体注入量0.5 PV、闷井时间3 h、吞吐轮次3次。该复合吞吐技术能够显著提高致密油藏的采收率,对高效开发致密油藏具有指导意义。

含杂质超临界CO_(2)管道止裂分析及控制方案

管道输送作为CCUS技术的关键环节,在超临界高压环境下输送CO_(2)时,由于含杂质CO_(2)特殊的相特性,一旦发生泄漏,压力会维持较高值且温度急剧下降,输送管道易发生裂纹扩展,造成断裂事故。基于延长油田一期36×10^(4)t/a超临界CO_(2)管输预研方案,根据减压波速度计算模型和管道裂纹延性扩展止裂判据,采用修正后的Battelle双曲线法对管道进行止裂分析,对无法满足止裂要求的设计方案进行增加壁厚试算。结果表明:材质为X80、尺寸为Φ140 mm×6.0 mm的L12管线韧性值满足工况下裂纹控制的要求;而同样材质等级、壁厚组合为Φ168 mm×6.0 mm的L11管线所提供的止裂压力低于平台压力,无法保证管线发生裂纹延性扩展时能够自行止裂。对于L11管线,通过将管道壁厚增加至7 mm,其他设计参数不变,可以实现裂纹自行止裂。该研究可为实际工况下Battelle双曲线法在超临界CO_(2)管道断裂控制的应用提供理论基础与实际范例。

多种构型超临界CO_(2)循环热力学解构分析与参数优化

新型超临界CO_(2)(S-CO_(2))循环可通过流程改良提高效率,构型复杂多样。为了直观阐明各种流程改良措施对循环效率提升的作用机制,本文将预压缩、后压缩、再压缩、间冷、再热等五种构型的S-CO_(2)循环解构为若干热功转换过程,建立各解构过程与循环效率之间的关联方程,进而开展流程参数优化。研究结果表明,预压缩、后压缩和再压缩方案均是通过增加压缩耗功,减少吸热量实现循环效率提升,其中再压缩方案效果最优,再压缩流量优化后循环效率提高5.1%;采用部分间冷方案,可有效降低压缩功耗,同时避免高品位热量贬值,间冷压力优化后循环效率提高2.2%;再热方案在不改变压缩耗功的前提下,增加透平出功,再热压力优化后循环效率提高1.9%;最后,循环联用再压缩、间冷和再热三种节能措施,可使效率提高9.3%。

超临界CO_(2)作用下无烟煤结构响应特征及高压吸附机理

中国深部煤层气资源丰富,将CO_(2)注入深部煤层,在提高煤层气采收率同时,还可实现CO_(2)地质封存(CO_(2)-ECBM)。通常,深部煤层CO_(2)处于超临界态并显著影响煤体吸附能力,但对于超临界CO_(2)作用下煤体结构演化及吸附机理尚不清晰。为此,以山西晋城成庄矿二叠系山西组三号煤层为研究对象,开展了无烟煤对超临界CO_(2)的高压吸附实验,结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射光电子能谱(XPS)测试及比表面积(BET)测试,分析了超临界CO_(2)高压吸附引起的无烟煤化学结构与孔隙结构响应特征,最后揭示了无烟煤对超临界CO_(2)的高压吸附特性及吸附机理。研究结果表明:①超临界CO_(2)高压吸附存在突变点,35℃时突变点位于临界压力(8 MPa)附近,在突变点处的吸附能力最小;②超临界CO_(2)可使芳香环枝接官能团、醚氧键、羟基氢键断裂,脂肪结构甲基脱落,可为CO_(2)提供更多的吸附位点,增强了无烟煤表面吸附能力;③超临界CO_(2)改变无烟煤介孔的孔隙结构特征和分形特征,吸附后平均孔径、孔体积、比表面积、分形维数呈增大趋势,孔隙粗糙度增大,对孔隙结构改造作用表现为“增孔、扩孔、粗糙化”,可提供更多吸附空间,增强了无烟煤吸附能力;④在深部煤层中注入CO_(2),应优先选择高孔隙度、高渗透性储层,注入煤层环境应尽可能远离CO_(2)临界点区域,储层对CO_(2)才有最大吸附能力。结论认为,成果认识为深部煤层CO_(2)可注性及封存潜力评估提供了重要的理论依据,对煤层气高效开发具有重要现实意义。

超临界CO_(2)辅助热塑性聚氨酯/热塑性聚酯弹性体的发泡及其回弹特性

为克服热塑性聚氨酯(TPU)发泡后,其发泡材料回弹性不足、压缩强度低及收缩率大等问题,采用热塑性聚酯弹性体(TPEE)改性TPU,并以超临界CO_(2)为发泡剂,制备了TPU/TPEE发泡材料。研究了TPU/TPEE共混物的熔融及结晶行为、流变性能以及TPEE含量对TPU/TPEE发泡材料循环压缩性能、回弹性能、压缩永久变形及发泡性能的影响。差示扫描量热仪与落球回弹、压缩永久形变结果表明,TPEE的加入能使TPU分子链排列的有序性降低,回弹性提高;旋转流变仪结果表明,TPEE的引入可以有效改善共混物熔体的黏弹性,使得弹性作为主导,并显著改善发泡性能;循环压缩结果表明,加入TPEE可以进一步改善泡沫的压缩性能。当添加TPEE的质量分数为7%时,TPU/TPEE发泡体相对于纯TPU泡沫,发泡体落球回弹性提高了7.25%、压缩永久变形值降低了2.84%、压缩强度提高了326%。

分散染料在超临界CO_(2)流体染色聚酯纤维中的扩散行为

为深入研究分散染料的扩散性能在超临界CO_(2)染色过程中影响染色条件及染色质量的理论机制,使用共聚焦拉曼显微镜研究了超临界CO_(2)流体染色在不同工况条件(100~140℃、21~27 MPa、5~90 min)下分散染料(分散红167、分散橙30、分散蓝79)在涤纶中的扩散行为。通过拉曼深度成像图获得了染料在纤维径向分布的数据,计算扩散系数。结果显示:分散染料在染色初期(5 min内)已在纤维内分布均匀,且随染色时间、染色压力的增加,染料在纤维内部均匀上染。对比染色后纤维径向的拉曼光谱数据与纱线上染量数据,验证了拉曼光谱数据的有效性。经计算分散染料中分散橙30的扩散系数最高(9.744×10^(-15) m^(2)/s)。表明拉曼技术用于分析单纤维内染料扩散有着巨大的优势,反应快速,制样简单,同时可在无损纤维的前提下对涤纶内部的染料分布进行测量。

基于过程拆分的半闭式超临界CO_(2)循环热力学分析及流程优化

面对日益紧迫的减碳降耗需求,发展高效低碳的先进热力循环愈发重要。提出了一种基于天然气的零碳排放的半闭式超临界CO_(2)循环,并通过工质拆分,将半闭式循环拆解为开式循环和闭式循环,以阐明循环热功转化的过程;进一步采用循环拆分法将复杂重构循环拆解为若干简单循环,建立不同流程重构措施的热力学评价模型,直观地揭示不同循环构型的节能机理;通过参数敏感性分析获得各个流程改良措施关键参数的最优点。结果表明:再热、分流再压缩、中间冷却、部分冷却等多种循环流程改良措施均可有效提高循环效率,其效率增益为1.79~5.59个百分点;多种流程改良措施集成优化后,系统净发电效率较基础循环提高10.18个百分点。

面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环高级[火用]分析

针对常规[火用]分析方法不能揭示部件总[火用]损中那部分是由自身不可逆性造成的以及有多少可以通过优化而避免的问题,对面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环进行了高级[火用]分析,找出[火用]损来源,探究部件真实提升潜能。首先,从热力学、经济与紧凑性3个角度对回热式循环余热回收系统进行了多目标优化,进行了热经济与常规[火用]分析;继而,将每个部件的[火用]损细分为内源可避免、内源不可避免、外源可避免与外源不可避免4部分,进行了高级[火用]分析;最后,比较了常规[火用]与高级[火用]分析结果,揭示了常规[火用]分析方法的局限性。结果表明,经优化后系统净发电量、平准化度电成本与单位功率面积分别为6.24 MW、4.48美分/(kW·h)与0.19 m^(2)/kW;回热器总[火用]损率最高,约为36.7%。由于关键设备技术限制,系统极限[火用]效率相比理想工况低约7%,系统总[火用]损主要由部件自身不可逆性产生,其中有42.9%可通过部件改进而减少。在不同燃机工况下,透平具有最高的内源可避免[火用]损率。

超临界CO_(2)管道输送流动保障分析要点探讨

近年来,随着碳捕集与封存的需求不断提高,CO_(2)管道成为关键支撑,大规模发展趋势明显。CO_(2)管道可采用气相、超临界相或密相输送的方式。相比气相输送,长距离CO_(2)管道采用超临界输送模式具有更好的经济性。与常规油品输送相比,超临界CO_(2)在输送过程中存在水击超压、热膨胀超压、降压相变、相变低温等问题,受超临界CO_(2)物性特点、输送工艺等影响,超临界CO_(2)流动保障值得系统性探讨。基于超临界CO_(2)输送工艺与运行特点,识别了超临界CO_(2)管道输送流动保障分析要点,探讨了超临界CO_(2)与常规油品的水击超压、热膨胀超压问题,具体开展了超临界CO_(2)计划性放空管体相态与温度分布研究。研究表明:超临界CO_(2)管道水击超压影响相对较小,但存在水击点下游降压相变风险;超临界CO_(2)管道停输后存在热膨胀超压风险;受地形影响,超临界CO_(2)管道计划性放空时存在不均匀相变与不均匀温度分布等问题;超临界CO_(2)管道计划性放空宜同步开展数值模拟分析,泄放过程温度监测方案还需进一步研究。研究成果可为超临界CO_(2)管道设计与运行提供相关借鉴。

适用于超临界CO_(2)管道的稳态输送水力热力计算模型

超临界CO_(2)管道输送是碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)中的重要环节,由于超临界CO_(2)水力热力特性与气液有明显差异,为满足实际CO_(2)管道工艺方案设计要求,需要建立适用于超临界CO_(2)的水力热力计算模型,为CO_(2)管道工艺设计参数选择及方案优选提供理论支撑。基于此,以考虑高程差的管道稳态连续性方程、运动方程、能量方程三大守恒方程为基础,结合相平衡实验选择适宜状态方程计算纯CO_(2)或含杂质CO_(2)的物性参数,采用四阶龙格—库塔法迭代数值求解,通过C++语言采用自适应步长设置来满足实际高程变化影响,自主编程得到了一维非等温考虑地形起伏的超临界CO_(2)管输稳态水力热力计算模型,并分别通过实验和OLGA软件从多个方面验证了模型具有较高的精度。利用建立的模型研究杂质含量及种类对CO_(2)管道稳态输送过程的压降和温降的影响,得到杂质种类对压降和温降的影响规律:O_(2)、N_(2)、H_(2)O、CO、Ar、H_(2)、CH_(4)等杂质对温降数据有相同的趋势,几乎不存在影响;在压降数据上发现H_(2)O杂质会导致压降减少,其余杂质均会造成不同程度的压降增加,影响程度体现为H_(2)>CO>N_(2)>CH_(4)>O_(2)>Ar。结合CO_(2)的独特性质,针对超临界CO_(2)管道稳态运输的计算不应当忽略高程差的影响,同时也应注意杂质导致的温降和压降的变化。

高温超临界CO_(2)工况下气源纯度对油套管腐蚀行为的影响

为明确CO_(2)驱油过程中,CO_(2)气源纯度对管材服役性能的影响,采用高温高压反应釜模拟了高温超临界CO_(2)工况,对N80及13Cr油套管开展了腐蚀模拟试验,结合扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等方法对腐蚀产物膜进行了分析。结果表明:N80及13Cr试样在低纯度的CO_(2)中腐蚀更为严重,且13Cr存在严重点蚀风险。其主要原因为高压下,低纯度的CO_(2)会使溶液中溶氧量上升并引发N80及13Cr发生严重的氧腐蚀。因此,在采用CO_(2)驱油技术时,应严格控制气源纯度。

新疆油田某超临界CO_(2)管道安全停输时间预测

为得到超临界CO_(2)管道安全停输时间,本文采用商业软件OLGA建立了多因素协同作用下管道安全停输时间计算模型。基于中国石油新疆油田分公司规划的超临界CO_(2)管道工程参数范围,开展了对输量、管径、管长、首站出站温度、土壤环境温度、总传热系数、末站进站压力等管道安全停输时间影响因素研究,并基于灰色关联度分析方法,得出了土壤环境温度、管长等为敏感因素。为预测管道的安全停输时间,基于以上参数化分析得到的1728组安全停输时间计算结果,建立了管道安全停输时间数据库,结合量纲分析方法,利用Python拟合得到了用于映射七大可变参数(自变量)与超临界CO_(2)管道安全停输时间(因变量)的高度非线性回归计算公式。结果表明:该拟合公式预测结果的最大相对误差小于10%,预测准确性良好,且该方法具有较高的计算效率。

超临界CO_(2)强化页岩气开采技术研究现状及展望

介绍了页岩的储层特征,从页岩不同尺度渗流机理、CO_(2)/CH4竞争吸附原理及CO_(2)-水-页岩相互作用机理着手,分析了超临界CO_(2)在强化页岩气开采技术中的作用与优势,最后指出了超临界CO_(2)强化页岩气开采技术在技术经济性、设备研发以及环境风险等方面面临的挑战。

不同超临界CO_(2)萃取条件对沙棘果油抗氧化活性的影响

为获得绿色安全且抗氧化活性高的沙棘果油,本文采用超临界CO_(2)萃取方法提取沙棘果油,并分析不同萃取条件对沙棘果油多酚含量和抗氧化特性的影响。结果表明,萃取条件为35℃、25 MPa时,沙棘果油的总酚含量最高,为7.74μg·g^(-1)。沙棘果油在20 mg·m L^(-1)时,DPPH自由基清除率最高,为97.50%,ABTS自由基的清除能力较高,TEAC值为1.93 mmol·g^(-1)。综合考虑,超临界CO_(2)萃取沙棘果油的工艺条件为35℃、25 MPa。

基于超临界CO_(2)介质的织物染色及研究进展

针对传统印染加工方式中耗水量高,排污量大等问题,总结了超临界CO_(2)无水染色的优势,梳理并阐述超临界CO_(2)做介质的染色原理、染料种类、纤维染色工艺及产业化应用的最新研究进展,并展望了超临界CO_(2)染色技术的发展前景。

超临界CO_(2)射流混合器喷嘴的模拟优化设计

提出了一种超临界CO_(2)射流混合器并建立射流模型,通过CFD模拟优化喷嘴结构和射流工况,最终确定涂料和超临界CO_(2)的最优混合效果。曲面响应分析法结果表明,各因素对射流破碎段湍动能的影响程度由大到小依次为压力、温度、喷射锥角。湍动能随压力的升高先减小后增大,随温度的升高而增大,随喷射锥角的增大先增大后减小。结合实际喷涂条件,在10 MPa、60℃条件下,从18°喷嘴锥角射出的超临界CO_(2)可在射流破碎段产生大于3000 m^(2)/s^(2)的湍动能。该研究结论可为超临界CO_(2)射流混合器的优化设计提供理论指导。

澳洲坚果油的超临界CO_(2)萃取工艺及其品质研究

以澳洲坚果为原料,通过超临界CO_(2)萃取制备澳洲坚果油。以澳洲坚果油得率和酸价为指标,在单因素试验的基础上通过正交试验优化萃取工艺,并对澳洲坚果油品质进行分析。结果表明:最优萃取条件为萃取温度35℃、萃取压力45 MPa、分离釜Ⅰ温度45℃、分离釜Ⅰ压力8 MPa、分离釜Ⅱ温度45℃、分离釜Ⅱ压力6 MPa。在此条件下,澳洲坚果油得率达51.33%,酸价为0.43 mg/g。产品品质分析表明,澳洲坚果油中油酸相对含量62.26%、棕榈油酸相对含量15.89%、角鲨烯含量(31.960±1.21)mg/g,表明超临界CO_(2)萃取的澳洲坚果油是高品质的木本油。