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。

超临界CO_(2)喷涂雾化试验研究

超临界CO_(2)喷涂是近年来出现的一种绿色高效喷涂技术,雾化效果是影响其喷涂质量的主要因素之一。采用响应曲面法和自主开发的超临界CO_(2)喷涂装置,以索特尔液滴粒径D32作为雾化效果的表征参数,研究了CO_(2)温度、CO_(2)压力、CO_(2)质量分数和喷嘴尺寸对雾化效果的影响。研究结果表明CO_(2)压力、CO_(2)质量分数和喷嘴尺寸对雾化效果影响显著,CO_(2)压力和CO_(2)质量分数两因素之间交互作用显著;各影响因素的显著性由大到小依次为喷嘴尺寸、CO_(2)压力、CO_(2)质量分数和CO_(2)温度;喷嘴尺寸与索特尔液滴粒径D32呈正相关,CO_(2)压力、CO_(2)温度和CO_(2)质量分数与索特尔液滴粒径D32呈负相关。在超临界CO_(2)喷涂雾化参数分别为CO_(2)压力10 MPa,CO_(2)温度53℃,CO_(2)质量分数50%和喷嘴尺寸0.33 mm时,得到最优雾化液滴索特尔液滴粒径D32为69.6μm。该研究结果可为超临界CO_(2)喷涂工业化设计及生产提供理论指导。

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。

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。

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。

超临界CO_(2)管道止裂韧性预测模型研究

碳中和目标下,超临界态CO_(2)管道输送已成为碳捕集利用与封存(CCUS)技术发展的必然趋势。然而,目前超临界CO_(2)管道止裂控制体系尚未构建,管材止裂韧性难以预测,成为限制其广泛应用的瓶颈问题之一。针对该问题,通过归纳国内外相关文献及规范标准,对超临界CO_(2)管道止裂控制研究进展及最新标准体系进行了简要综述;在系统收集已开展CO_(2)管道全尺寸爆破试验信息及数据的基础上,对现有止裂韧性预测模型适用性进行了讨论,由此确定了CO_(2)管道止裂韧性预测模型修正形式,并对不同模型适用范围及预测结果进行了讨论。研究结果表明,建立的修正模型解决了传统止裂预测模型过于激进的问题,同时降低了DNV推荐方法的保守性。建议将修正模型与DNN预测方法相结合,以使管材韧性值处于止裂区域;同时开展高效准确的CO_(2)管道裂纹动态扩展数值模拟。所得结果可为我国CO_(2)管道止裂设计提供指导。

煤中超临界CO_(2)解吸滞后机理及其对地质封存启示

将CO_(2)注入不可采煤层地质封存既是降低温室气体效应最理想选择之一,也是煤炭工业降低CO_(2)排放、实现低碳化可持续发展的必由之路,然而,煤层CO_(2)地质封存悬而未决的关键问题是:“注入煤层中的CO_(2)到底能否长期停留而安全封存?”。鉴于此,在弄清煤体CO_(2)解吸滞后规律的基础上,揭示超临界CO_(2)解吸滞后机理,建立煤层CO_(2)地质封存量化模型,探讨利用解吸滞后实现煤层CO_(2)长期安全封存。研究表明:煤中超临界态CO_(2)解吸滞后程度大于亚临界态CO_(2),在超临界阶段,吸附与解吸等温线形成近似“平行线”的稳定滞后特征;解吸滞后的本质原因是煤中微纳米级亲水性孔隙形成弯液面、产生强大毛细压力、渗吸液态水、截断并固定超临界CO_(2)流体、最终形成了CO_(2)残余封存,例如,煤中直径40~10 nm圆柱形无机孔隙可产生7.30~29.12 MPa毛细压力,足以封堵超临界态CO_(2);以九里山煤样解吸等温线数据为例,采用基于煤层CO_(2)解吸滞后的地质封存量化模型,评估出900~1500 m深部二1煤层封存总量稳定在35~37 m^(3)/t,其中,吸附封存约占80%,残余封存约占15%,而结构封存仅占5%;解吸滞后启示应尽可能采取措施提高煤层残余封存CO_(2)比例,原因是毛细堵塞的残余封存CO_(2)较围岩密封的游离和吸附CO_(2)更安全且没有泄露风险,煤层灰分、水分、孔隙尺寸和形貌等物性参数是影响残余封存效率的主要因素。

不同超临界CO_(2)浸蚀时间后冲击煤体能量演化与破坏特征

在未采煤层封存CO_(2)时,注入的CO_(2)受高温高压影响会处于超临界态,影响煤层稳定性。为研究超临界CO_(2)浸蚀后煤体受扰动影响引起的能量耗散与破坏特征,基于自主研发的高压气体吸附/解吸试验系统对煤体开展不同超临界CO_(2)浸蚀时间(0、2、4、6 d)的吸附试验,利用分离式霍普金森压杆试验系统对超临界CO_(2)作用后的煤体开展冲击压缩试验,并结合高速摄像仪拍摄了冲击过程,分析了冲击煤体的能量耗散规律,阐明了煤体的破坏裂纹演化与破碎分形特征。研究结果表明:相同冲击荷载下,不同超临界CO_(2)浸蚀时间后煤样的应力-应变曲线变化趋势类似,可划分为弹性能量耗散、塑性能量耗散和峰后能量耗散3个阶段。随超临界CO_(2)浸蚀时间增长,煤样吸能能力减弱,冲击煤样表面裂纹数量增多,裂纹网络及扩展方向逐渐复杂,煤样破碎更加剧烈,破碎粒径减小,破碎形态更加复杂,最后确定了不同浸蚀时间后煤样破碎分形维数与耗能密度的线性相关关系。研究结果对于开展注CO_(2)强化深部煤层气开采工程探索具有一定的理论意义。

超临界CO_(2)作用下无烟煤孔隙结构演化时间效应规律

CO_(2)地质封存技术是实现减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一,但煤层孔隙结构在CO_(2)注入后的变化具有时间效应,其演化规律将直接影响CO_(2)地质封存潜力。为了探索作用时间增加后煤层孔隙结构变化的真实情况,提高CO_(2)地质封存量计算精度,通过对重庆市南桐矿区无烟煤进行超临界CO_(2)吸附实验、低温氮气吸附实验、X射线衍射测试、核磁共振测试、扫描电镜测试等实验,研究了不同超临界CO_(2)作用时间对该区域内煤样孔隙结构的演化规律。研究结果表明:①超临界CO_(2)作用后煤样孔隙度的变化主要发生在7 d内,处理7 d后煤样孔隙度增加了3.20%,7~14 d内煤样孔隙度仅增加了0.05%;②随作用时间增加,煤样孔隙的比表面积增加但变化量逐渐减小,7 d内日均增长19.74%~24.50%,7~14 d内日均增长2.37%~4.60%,其变化规律近似呈对数函数关系;③超临界CO_(2)与煤产生的化学反应引起矿物质的溶解,增大了煤体的表面粗糙度,表征煤样粗糙度的分形维数随着作用时间的增加持续增大;④超临界CO_(2)作用后能有效改变煤样的孔隙度及表面形貌,为CO_(2)吸附提供了更多吸附点位,超临界CO_(2)对孔隙结构的改造效果在7 d内比较明显。结论认为,超临界CO_(2)作用下无烟煤孔隙结构的变化随作用时间增加最终会趋于稳定,研究结果可为无烟煤储层CO_(2)地质封存潜力评价提供理论指导。

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。

超临界CO_(2)作用下高阶煤微观结构及力学特性-声发射特征研究

超临界CO_(2)压裂技术作为极具发展潜力的压裂煤体增透瓦斯技术,明晰其对煤体的影响机制,有助于推动该技术的机理研究和实践工程应用。为准确表征超临界CO_(2)作用下高阶煤的孔裂隙结构及力学特性变化,以焦煤集团中马村矿的高阶煤为试验对象,通过自主搭建的超临界CO_(2)浸泡试验系统,结合全自动物理吸附仪(BET)以及全自动压汞仪(MIP),对超临界CO_(2)处理前后高阶煤的孔裂隙结构变化进行分析,并利用单轴压缩和声发射试验系统对超临界CO_(2)处理前后高阶煤的单轴压缩力学特性和声发射特征进行测定。结果表明:超临界CO_(2)对高阶煤具有良好的扩孔增渗作用。超临界CO_(2)处理后高阶煤的微小孔孔容占比降低,中大孔孔容占比增大,且高阶煤的总孔容增大;超临界CO_(2)对高阶煤的力学特性具有明显的劣化作用。超临界CO_(2)处理后高阶煤单轴抗压强度和弹性模量均显著下降,降幅分别为70.06%和55.56%,且超临界CO_(2)处理后高阶煤的内部声发射信号活跃度明显下降,高阶煤单轴抗压时间、累计振铃计数以及累计能量分别降低了98.68 s、95.14×10^(3)个、200.30 V·ms,降幅分别为46.65%、37.65%、50.03%,高阶煤累计振铃计数以及累计能量平静期占比均显著增加,缓增期占比均降低,激增期前者占比降低,后者占比小幅度增加。研究成果将有助于推动超临界CO_(2)压裂技术的机理研究,对深部高阶煤的煤层气开采和CO_(2)地下封存具有一定指导意义。

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。

非均质多孔介质超临界CO_(2)非混相驱替特征及机理研究

为深入理解超临界CO_(2)在非均质储层中的非混相驱替过程,探索其流动特性及对多孔介质流体动力学的影响,为CO_(2)增强油气采收率和地质碳储存技术提供科学依据,采用基于Navier-Stokes方程与Cahn-Hilliard方程耦合的微观两相流模型,结合Voronoi多边形构造技术建立了具有真实孔隙结构特征的非均质多孔介质模型。通过模拟计算,详细描述了不同条件下CO_(2)驱替过程中的流体动力学行为和界面特征,研究了流体界面形态的演变和驱替效率的影响因素。结果表明:超临界CO_(2)注入后,不同模型内均出现了指进特征和复杂的非混相界面;孔道结构特征决定了毛细力大小,影响CO_(2)驱替前缘的稳定性,大孔道易形成指进现象,而狭窄孔道受毛细阻力与黏滞力影响,促使CO_(2)渗流路径转向或分叉,并导致孔隙压力不均匀分布;孔道内的黏滞力阻碍CO_(2)推进,适度调节CO_(2)的黏度和密度有助于提高驱替效率;高毛管数条件下,驱替压力导致流体相界面变得不稳定,CO_(2)优势渗流通道数量增多,指进渗流通道宽度拓宽,在黏滞力作用下出现了非连续的卡断现象;长时间的驱替过程显著提高CO_(2)饱和度,但伴随高能耗损失,驱替效率在CO_(2)突破后期逐渐下降。因此,调控超临界CO_(2)的物理性质、优化控制注入速率,能有效改善CO_(2)在地层中的分布和驱替路径,是提高CO_(2)驱替效率和优化地层开发的重要手段。

超临界CO_(2)压裂物理模拟实验研究进展

超临界CO_(2)(SC-CO_(2))压裂技术是一种极具潜力的新兴非常规油气储层增产技术,该技术不仅可有效避免传统水力压裂引发的地层损害、环境污染、水资源浪费等问题,还具有起裂压力低、成缝复杂等优势。SC-CO_(2)压裂实验是在室内开展SC-CO_(2)压裂工艺研究、压裂增产机理认识和总结的重要技术手段。综述SC-CO_(2)压裂实验研究进展,以指导SC-CO_(2)压裂技术的发展。首先,介绍室内SC-CO_(2)压裂实验系统的组成及功能,针对实验装置存在的不足提出建议。然后,归纳分析SC-CO_(2)压裂实验研究成果,认为SC-CO_(2)渗透性强,因此相较于水力压裂其起裂压力低,同时SC-CO_(2)能够沟通岩石内部的微裂缝和微孔隙,促进复杂裂缝网络的形成。最后,总结各项实验研究所得的裂缝内SC-CO_(2)携支撑剂运移规律。研究表明,SC-CO_(2)携支撑剂的运移规律与水基压裂液相似,但运移效果稍差之。目前,需加强SC-CO_(2)携支撑剂运移室内实验研究,以进一步优化SC-CO_(2)压裂的工艺参数。

CO_(2)注入量对超临界发泡聚丙烯材料结构及性能影响

采用超临界双阶连续挤出发泡设备,以超临界CO_(2)作为物理发泡剂,进行聚丙烯(PP)材料的发泡试验研究,明确CO_(2)注入量对聚丙烯的熔融结晶性能、泡孔结构和发泡倍率的影响。结果表明,随着注入CO_(2)流量增加,聚炳烯材料的熔点逐渐升高,结晶度逐渐升高;CO_(2)注入量为20 mL/min、15 mL/min时,泡孔分布较为均匀,CO_(2)注入量25 mL/min时,出现大量的坍塌的大气孔;CO_(2)注入量15 mL/min、20 mL/min、25 mL/min时,发泡倍率分别为4.6、6.1、5.3。因此,合适的CO_(2)注入量是影响聚丙烯挤出发泡过程控制的关键。

考虑超临界CO_(2)损伤的椭球形三维裂缝计算新模型

目前超临界CO_(2)压裂研究成果多集中于室内岩石损伤机理和劣化力学参数测试,对压裂形成的三维裂缝形态研究较少。为刻画超临界CO_(2)压裂过程的裂缝形态展布,基于Griffith断裂力学理论,建立了平面应变条件下椭球形裂缝扩展的三维计算新模型;结合前人室内测试结果,回归了岩石弹性力学参数与超临界CO_(2)多浸泡因素关联式,讨论了超临界CO_(2)压力、温度、施工排量、初始弹性模量、初始泊松比、缝内净压力、储层厚度等参数对裂缝扩展形态的影响。结果表明:针对上下存在水层的目的层采用超临界CO_(2)压裂时更应采取控缝高的措施;针对低渗储层,可优先考虑超临界CO_(2)压裂;超临界CO_(2)压裂工艺更适用于最小水平主应力大的储层;超临界CO_(2)压裂时,有助于低排量下获得相同的平均缝宽。研究成果对非常规油气水平井超临界CO_(2)压裂裂缝参数优化具有重要意义。

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%。

酸枣仁油的超临界CO_(2)萃取工艺及其抗氧化性研究

采用超临界CO_(2)萃取技术对酸枣仁进行油脂萃取。利用单因素实验方法考查了孔径、萃取温度、萃取压力、萃取时间四个因素对酸枣仁出油率的影响,最佳萃取条件下对酸枣仁油脂样品进行GC-MS组分分析及DPPH清除能力测定。结果表明:超临界CO_(2)萃取酸枣仁油的最佳工艺为过筛目数80目,温度为45℃,萃取压力40 MPa,时间30 min,在最佳萃取工艺条件下,出油率为29.40%。GC-MS检测结果表明酸枣仁油含有27种化合物,DPPH的清除率IC_(50)值为29.12 mg/mL。