天然富有机质含铵伊利石高温高压稳定性研究

含铵伊利石等含铵黏土矿物是地壳中重要的储氮矿物,研究其高温高压稳定性对地球壳–幔圈层间氮循环具有重要意义。本研究通过高温高压(HTHP)模拟实验,初步探索了天然富有机质(具类石墨结构)的含铵伊利石矿物结构及其携带的C、N元素的稳定性。结果表明,在高温(600)℃常压环境下,含铵伊利石层状结构发生塌陷,结构羟基脱失,层间NH_(4)^(+)脱失,其表面类石墨的结构有序度下降,部分含C、N官能团脱失,但仍有近一半得以保存。伊利石层间NH_(4)^(+)的热稳定性受矿物层状结构的制约,当伊利石因高温发生层间塌陷时,NH_(4)^(+)失去伊利石片层保护后受热发生分解。而不同形态有机氮的热稳定性主要与其在类石墨有机质芳香结构中的位置有关。含铵伊利石结构在高温高压(600℃、2 GPa)下保持稳定,类石墨的有序度以及石墨化程度均增强,表明压力在一定程度上补偿了温度的影响。此外,伊利石表面具网状片层结构的类石墨有机质对矿物结构有物理保护作用。同时,有机质中的部分C、N元素在高温高压下与伊利石结构中的Al和O等元素形成稳定的化合键,亦可增强有机质的稳定性。含铵伊利石在高温高压下的稳定性表明,含铵黏土矿物很有可能是携带地壳中的氮经俯冲进入地球深部的载体矿物。有机质中C、N元素的高温高压稳定性表明,地层中含N类石墨有机质可成为地球深部C、N元素的潜在来源。

高温高压下UH_(3)结构稳定性及其冲击分解

利用统计物理模型构建了UH_(3)晶体及其化学分解产物的状态方程,通过比较Gibbs自由能获得了UH_(3)的高温高压相图,并将其应用于疏松和密实UH_(3)冲击压缩性质研究中。结果表明:等温压缩下,UH_(3)晶体在压力约74.0 GPa时发生化学分解,提高温度有助于化学分解的发生,但压力对UH_(3)化学分解相边界的影响是非单调的;冲击加载下,密实UH_(3)在35~50 GPa压力范围内发生化学分解,并且由于冲击分解伴随着明显的体积塌缩,分解产物的雨贡纽曲线位于等温压缩线下方,曲线位置关系反常;UH_(3)的冲击分解压力随着疏松度的增大而减小,当UH_(3)材料的初始疏松度为1.5时,在化学分解转变压力范围内,UH_(3)的分解产物比UH_(3)晶体更难压缩,表现出类似大疏松度材料在冲击作用下的“反常膨胀”现象。研究结果丰富了对UH_(3)材料动态压缩特性的认识,为锕系金属氢化物的高温高压物理化学性质研究提供了理论参考。

Mo_(2)C-TiN_(0.3)复合材料的高温高压制备及性能

将Mo_(2)C和TiN_(0.3)粉体采用机械合金化和高温高压烧结相结合的方法进行分层烧结,并制备30%Mo_(2)C-70%TiN_(0.3)的烧结体复合材料,分析Mo_(2)C-TiN_(0.3)烧结体的物相组成、微观组织结构及力学性能。结果表明:Mo_(2)C和TiN_(0.3)间存在明显的相互扩散,且形成了2层不同的扩散层;随着烧结温度不断升高,Mo_(2)C-TiN_(0.3)烧结体的晶粒尺寸逐渐变大,会导致烧结体的机械性能变差;在烧结过程中有高硬高脆的MoC生成,能够维持Mo_(2)C-TiN_(0.3)烧结体的硬度在19.0~20.0 GPa,但会降低其断裂韧性。

高温高压高产气体封隔器卡瓦力学行为的分析与实验

为了提高海上“三高”气井管柱的安全性,确保卡瓦良好的工作性能,以HPC070401封隔器双向筒式卡瓦为例,将滑移线理论法、数值模拟和实验法相结合,研究卡瓦咬入过程的力学行为,分析卡瓦与套管的接触应力分布规律、卡瓦牙咬入套管的深度和疲劳寿命,建立了封隔器卡瓦系统工作可靠的充分必要准则。研究结果表明:坐卡压力增加,卡瓦牙咬入套管的深度也随之增加,在坐卡压力为35、42、48、55 MPa时,卡瓦咬入套管深度为0.25993、0.29425、0.32353、0.36561 mm;坐卡压力增加,卡瓦牙尖局部塑性变形增大,在坐卡压力35、42、48、55 MPa下,对称循环波动20%时,卡瓦疲劳循环次数为951110、789540、717160、629260;通过高温高压封隔器卡瓦锚定实验,卡瓦咬入套管的实测深度介于0.350~1 mm之间,与有限元模拟结果较吻合;结合评价准则和高温高压封隔器疲劳实验可知,套管因疲劳累积损伤产生的应力松驰系数为0.18。

南海高温高压凝析气藏凝析水产出机理及产量预测方法

针对南海高温高压凝析气藏中凝析水产出量上升的问题,以东方气田为研究对象,采用地层水蒸发实验方法,分别在地层条件下的PVT筒和长岩心中进行水气比测试,并提出了高温高压凝析气藏凝析水产量计算方法,预测东方气田凝析水产出程度。研究表明:高温高压凝析气藏中的流体受多孔介质微小孔径以及临界性质偏移的影响,饱和蒸气压发生变化,导致凝析水产出大幅度增加。考虑水、气相间传质的数值模拟方法可以准确预测高温高压凝析气藏中凝析水产出变化。对东方气田的日产水进行模拟,设置井底流压限制为1.5 MPa,预测时间为5 a,历史产水量拟合精度大于90%,能够很好地模拟凝析水产出情况。研究成果对高温高压凝析气藏制订合理开发方案,改善油藏开发效果具有重要指导意义。

高温高压条件下含瓦斯煤解吸-自燃演化特性研究

随着矿井开拓水平的延深,煤岩赋存环境呈现出高瓦斯压力、高地温特征,而温度、压力是影响含瓦斯煤吸附-解吸-氧化特性的重要因素。为了探究高温高压下遗煤中瓦斯解吸特征及自燃特性的变化,选用高瓦斯易自燃矿井不同埋深的煤样作为试验对象,设计不同温度和压力下煤中甲烷解吸的正交试验,并对原煤样和解吸煤样进行孔隙及表面积测试、TG-FTIR联用、程序升温试验。结果表明:在整个解吸试验过程中,温度的抑制都显著大于压力的促进作用;高温高压环境主要改变了煤中的微孔结构,致使煤体的比表面积和总孔容都出现增加;解吸后,标高320 m和标高343 m煤样的温度突变点提前了8.7%和4.9%,同时虽然煤中的官能团种类相同,但含量出现了不同程度的降低;标高320 m和标高343 m解吸煤样和原煤样CO生成的交叉温度点分别为78℃和74℃,C_(2)H_(4)、C_(2)H_(6)的浓度始终低于原煤样;同时解吸煤样的耗氧量在相同煤温下出现了下降,在170℃时差距最大,标高320 m和标高343 m解吸前后煤样的氧气含量为9.3%、13.1%和10.3%、14.3%,两者的耗氧量最大相差42.3%、41.2%。综合分析表明,煤体经过高温、高压解吸后煤样在氧化初期更易自燃,产生更多的CO,可以选择CO作为指标气体,而在高温阶段反应剧烈程度有所降低。此外推导出了煤中甲烷解吸对采空区气体环境的实时变化公式,并以1304综采工作面为模型,对“高瓦斯压力、高地温”特征下采空区遗煤中瓦斯解吸影响下的“氧化带”区域进行了更细致的划分,将范围缩小了63.5%。研究成果可为高瓦斯易自燃煤层瓦斯与火耦合灾害防控提供基础支撑。

添加二氧化硅的煤石墨化高温高压模拟实验

为研究自然条件下二氧化硅矿物对煤石墨化作用的影响,将二氧化硅添加剂与分选后的煤中镜质组(来自中国西南部贵州省格目底矿区)充分混合后,开展实验条件为600~1 200℃、1.5~2.0 GPa的高温高压模拟实验,对煤系石墨形成环境进行反演。通过X射线衍射、拉曼光谱和高分辨率透射电镜对石墨化产物进行分析,研究二氧化硅对煤的石墨化过程的影响。研究发现,二氧化硅在高温高压环境下存在阻碍石墨化作用的效果,抑制煤石墨化程度的增长。这一结果可为自然条件下构造强烈地区煤石墨化程度较低的现象提供一种解释。

古龙页岩油高温高压注CO_(2)驱动用效果

为了明确古龙页岩油高温高压注CO_(2)驱动用效果,首先根据页岩压汞和氮气吸附实验结果,给出页岩T2值与孔喉半径转换系数,根据饱和页岩的T2谱特征,将页岩孔隙分为小孔、中大孔和页理缝;然后通过计算页岩油采出程度,考察吞吐周期、闷井时间、裂缝对吞吐驱油效果的影响,并且分析吞吐后岩心孔隙结构的改变程度;最后对比页岩油CO_(2)吞吐和CO_(2)驱替的驱油效果,并给出最优的驱油方式。结果表明:吞吐动用幅度最大的是中大孔和页理缝中的页岩油,小孔中的页岩油采出程度最低,增加闷井时间,页岩油采出程度仅提高0.81百分点,压裂可以使小孔中的页岩油采出程度提高11.33百分点,使小孔中的页岩油得到有效动用;吞吐比驱替可以使页岩油采出程度提高30.98百分点,并且可以动用干岩样中的页岩油,效果优于驱替;驱吞结合驱油方式比只进行吞吐可以使页岩油采出程度提高12.88百分点以上,并且可以大幅度提高小孔中页岩油的采出程度;吞吐后岩心孔隙结构发生明显变化,页岩砂砾含量不同是导致页岩吞吐前后孔隙结构变化差异大的重要原因。研究成果可为古龙页岩油矿场实践提供重要的基础参数。

高温高压合成掺杂金刚石研究进展

金刚石具有超高热导率、宽禁带等优点,通过掺杂引入电子和空穴等缺陷,提升载流子浓度,可以使金刚石具有适合半导体应用的电导率,被称为第三代终极宽禁带半导体材料。本文首先介绍了金刚石单晶的高温高压合成方法,接着系统综述了基于高温高压法的金刚石掺杂研究现状和发展,然后分析了N、B、P和S等单元素掺杂及多元素共掺杂对金刚石晶体生长和电学性能的影响,并且对第一性原理计算研究金刚石掺杂进行了分析总结。高温高压退火可以有效改变金刚石中掺杂元素与空位等缺陷组合和分布状态,本文明晰了金刚石中含氮色心形成的原因及高温高压退火对色心的调控机制。最后对金刚石掺杂以及掺杂后金刚石的光学性能和电学性能研究前景进行了展望,指出可进一步探索多元素共掺杂的理论与实验方法,对提升掺杂金刚石性能具有重要意义。

高温高压实验揭示俯冲带蛇纹岩熔融行为与高镁岩浆成因

近年来一些研究在岛弧岩浆中发现了蛇纹岩组分,这表明俯冲至弧下的蛇纹岩不仅为地幔楔提供流体,而且可以通过部分熔融参与岛弧岩浆形成。然而,蛇纹岩在地幔楔中的熔融行为及其在俯冲带物质循环中的作用仍未进行深入研究。因此,本研究选择3种蛇纹岩样品:蚀变原岩分别为二辉橄榄岩(SE2)和方辉橄榄岩(SE3)的天然蛇纹岩,以及模拟含有大量滑石的合成蛇纹岩样品(SEQ),在700~1300℃和4 GPa的温度压力条件下进行了模拟实验,限定了蛇纹岩的熔融温度,分析了实验产生的熔体成分。研究发现,不同类型蛇纹岩的固相线存在显著差异,SE3、SEQ和SE2蛇纹岩的固相线分别为900~960℃、960~1100℃以及1150~1200℃。这3种蛇纹岩的固相线均高于俯冲板片上表面的温度,要求蛇纹岩通过底辟作用进入地幔楔以发生部分熔融。根据实验结果,本研究认为SE2和SEQ蛇纹岩可以在地幔楔底部相对较低的温度条件下(960~1100℃)即发生熔融,产生科马提质岩浆;而在上覆地幔楔更高温度条件下(>1200℃),SE2蛇纹岩可以发生更广泛、更高程度的部分熔融,产生玻安质岩浆。

限域条件下氮分子的高温高压诱导聚合

聚合氮被认为是一种极具潜力的新型高能量密度材料,但是高温高压条件下合成的聚合氮结构往往具有较低热力学稳定性.限域策略有助于聚合氮高压结构的稳定,为氮聚合提供了新的调控途径.本文在氮化硼纳米管中限域分子氮,利用高压原位拉曼散射光谱表征技术研究不同含氮量限域体系的高压诱导氮聚合及聚合氮结构的卸压稳定性.研究表明,在高含氮量的体系中,限域到氮化硼纳米管内的N_(2)与非限域的N_(2)的拉曼特征振动峰表现出不同的拉曼光谱压力响应行为.在123 GPa压力下,利用激光加热诱导氮分子间聚合,生成cg-N聚合氮结构.卸压过程中,未被限域的cg-N在40 GPa左右发生爆炸性分解,分解产生的能量影响了限域cg-N的稳定性,使其同样发生分解.环境压力下限域N_(2)可能以液态形式稳定存在.在低含氮量限域体系中,高温高压下限域N2结晶生成了含有N=N双键的晶体结构,其中的N=N双键有两种长度,分别接近N_(3)阴离子及N_(4)^(+)团簇中N=N双键的键长.在卸压过程中这种结构可以稳定至25 GPa.

CuTe_(2)单晶的高温高压合成和物性表征

具有黄铁矿结构的3d过渡金属硫族化合物MX_(2)(M=Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn;X=S,Se,Te)因呈现丰富的新奇物性而备受关注,其中CuX_(2)是该体系中唯一的超导体,超导转变温度(T_(c))分别为1.5K(CuS_(2))、2.4K(CuSe_(2))和1.3K(CuTe_(2))。由于CuX_(2)系列材料只能在高温高压条件下合成,因此,早期关于CuTe_(2)的少数报道均基于多晶样品,到目前为止仍缺乏单晶样品物性的详细报道。采用川井型6/8式二级推进多砧压机,在900℃和5GPa的高温高压条件下合成了高质量的CuTe_(2)单晶样品,并对其进行详细的晶体结构、电输运、磁化率及比热容等物性表征。研究结果表明:CuTe_(2)单晶样品为弱耦合Ⅱ类超导体,T_(c)约为1.3K。通过总结对比同体系CuS_(2)、CuSe_(2)以及CuTe_(2)的超导参数,进一步揭示了CuTe_(2)费米面附近的态密度与超导演化的联系。

钙钛矿结构氧氮化物SrTaO_(2)N的高温高压结构稳定性研究

N2是地球大气的主要组分,N元素是生命起源的基础元素,了解N在地球深部高温高压环境中的赋存形式是探讨全球N循环和宜居性地球大气环境的重要基础。本研究应用金刚石对顶砧(DAC)高压装置和激光加温技术模拟地球深部的压力和温度环境,通过高压原位同步辐射X射线衍射和拉曼光谱对钙钛矿结构氧氮化物SrTaO_(2)N开展高温高压结构稳定性研究。高压X射线衍射结果表明,在0~40.5 GPa的压力范围内,四方结构SrTaO_(2)N没有发生相变,其体积模量为K_(0)=290(3) GPa,并具有a轴和c轴的压缩各向异性。压缩过程中,Ta(O,N)_(6)八面体主要发生刚性旋转,旋转角为0.25°~12.64°,但保持四方结构稳定。常温高压(300 K,40.2 GPa)与高温高压(1800±200 K,41.3 GPa)拉曼对比实验结果显示,在高温高压条件下,SrTaO_(2)N仍保持初始的拉曼谱特征,结构稳定。本研究结果揭示,常压高温条件下通过N^(3-)替代O^(2-)合成的钙钛矿结构氧氮化物,能够在地球内部下地幔上部的温压环境下稳定存在。这种以钙钛矿结构存在的氧氮化物可能是地球深部隐藏的N储库,为解释地球N亏损现象提供了重要线索,同时也为探索N在地球深部中的赋存及其对全球N循环和宜居性大气环境的影响提供了新的研究方向。

高温高压气井测试井筒温度应力场耦合分析

海上高温高压气井测试期间,井口温度升幅过大易导致水泥环发生破坏,近井口出现密封失效,而目前针对上述问题涉及的温度应力耦合方面的基础理论研究还不够深入。文中基于传热学和弹塑性力学等相关理论,建立了深水高温高压气井测试期间井筒温度应力场耦合模型,并采用PIPESIM模拟和实测2套温度数据验证了模型的高精度与准确性。进一步利用建立的模型对测试期间的井筒温度及水泥环应力分布进行分析,提出了测试期间存在“最佳测试产量”,并对温度应力场的影响因素开展了参数敏感性分析。结果表明,测试产量和气油比对井筒温度应力场的影响较大。选择壁厚较大的套管、低弹性模量及高泊松比的弹韧性水泥浆,更能在井口升温幅度较大时保持良好的水泥环密封性。本研究可为海洋气井测试过程中井筒温度应力场的准确预测提供理论依据,对井筒安全评价具有重要工程意义。

高温高压氛围下煤体吸附瓦斯特性研究

深部开采面临着高温高压环境,为厘清深部煤体的吸附瓦斯特性,采用等温吸附试验、分子动力学等温吸附模型及理论分析相结合的方法,从宏观角度和微观角度,探究高温高压氛围下煤体吸附瓦斯特性。结果表明:瓦斯压力较低时,不同温度下,绝对吸附量与过剩吸附量的差值差别不大;瓦斯压力较高时,绝对吸附量与过剩吸附量的差值随着温度的升高而增大;瓦斯压力从0 MPa逐渐增加到20 MPa的过程中,煤体吸附瓦斯量分为前期快速增加、中期短暂稳定、后期逐渐减小3个阶段;煤的等量吸附热与吸附量满足指数函数关系;基于等量吸附热推演的温度-压力吸附模型可以预测任意温度和压力条件下的等温吸附瓦斯量,预测值与实测值相对误差小于12%。

高温高压下铁热导率的第一性原理研究

铁在高压高温下的热导率是研究地球动力学和热演化的关键参数.在以往的研究中,铁的热导率主要归结于电子热导率,我们发现铁在高压下晶格振动对热导率的贡献不可忽略.本文利用晶格动力学和玻尔兹曼输运理论计算了铁的声子色散、Hugoniot状态方程和热导率.预测了铁在核幔边界附近温度约为3500 K,在地球内核边界条件约为6500 K.考虑晶格振动的热导率在地球核幔边界附近为112 W/mK,在内核边界条件约为200 W/mK.

高温高压合成含硼金刚石的研究进展

在掺杂金刚石中,含硼金刚石凭借其诸多优良的物化性能成为了近年来的研究热点之一。文章简单介绍了含硼金刚石的结构特征和性能,并以触媒掺硼和石墨掺硼两个分类,对高温高压合成含硼金刚石近年来的研究进行了概括综述。并对采用石墨层间化合物配合触媒合成含硼金刚石进行了总结分析,探讨目前含硼金刚石在导电性能方面所面临的难题,并对其发展进行了展望。

高温高压下不同结构形式裂缝充填花岗岩热力学特性

深部干热岩地热能储层一般为非完整岩体,含有大量因地质构造运动形成的裂缝。构造裂缝随后被热液充填,这种储层被称为裂缝充填储层。为指导深部干热岩地热开发,利用太原理工大学自主研制600℃高温高压岩体三轴试验机研究了中国山西芦芽山花岗岩母岩(Ⅰ类花岗岩)、热液充填体(Ⅱ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面横向贯通试样花岗岩(Ⅲ类花岗岩)、充填体与母岩胶结界面纵向贯通试样花岗岩(Ⅳ型花岗岩)等4类花岗岩高温(500℃)高压(20 MPa围压)条件下的热力学特性。研究得出4类花岗岩热膨胀系数随温度升高可分为低温缓慢波动段、中低温快速增加段以及中高温快速减小段3个阶段。4类花岗岩弹性模量随温度升高先缓慢增加后快速降低,溶蚀孔隙结构以及低键合强度矿物的存在导致热液充填体弹性模量最低。此外,得出裂缝充填花岗岩体内原生裂缝闭合的临界温度大约为200℃;胶结界面附近充填体恢复弱面结构特性的临界温度为250℃左右。最后,得出了4类花岗岩高温高压条件下的破坏形式。裂缝充填花岗岩体内的母岩粗晶粒边界处、热液充填体溶蚀孔隙处和胶结界面处极有可能会在水力压裂建造储层过程中形成大范围高效导水通道,为干热岩地热开采储层建造理论和技术提供新的思路。

碳化硼陶瓷的高温高压制备及性能研究

利用六面顶液压机,以铝、钴为烧结助剂,在压力5.0-5.5 GPa、温度1 350-1 700℃、保温时间5 min的条件下制备出碳化硼陶瓷,并通过XRD衍射仪、SEM扫描电镜、维式硬度仪对其进行了物相分析、微观形貌表征和硬度测量,研究了压力、温度对碳化硼复合陶瓷力学性能的影响。实验结果表明,在5.5 GPa、1 550℃时,碳化硼陶瓷具有较好的综合性能,维式硬度为4 022 HV、磨耗比为2.5。其中铝、钴作为烧结助剂不仅降低了烧结温度还促进烧结反应,增强颗粒间的扩散促使陶瓷更快地达到高致密度,改善其力学性能。

氢对600合金在高温高压水中电化学行为的影响

通过动电位极化曲线、电化学阻抗谱和计时电流图,研究了电化学充氢对两种热处理态的600合金暴露在高温高压水中电化学行为的影响。结果表明:电化学充氢会增大合金阳极氧化电流密度,并且在70℃NaCl溶液、300℃高温脱氧纯水和高温脱氧模拟一回路冷却水中,充氢会使合金腐蚀电位负向移动,降低耐蚀性能。此外,轧制退火试样表面氢还原反应速率更快,而固溶退火试样在70℃NaCl溶液、300℃高温脱氧纯水和氢化脱氧模拟一回路冷却水中表现出更好的耐腐蚀性能。