扩散吸附作用下CO_(2)非混相驱微观渗流特征模拟

利用数值模拟方法建立CO_(2)非混相驱数值模型,使用水平集法模拟扩散吸附作用下CO_(2)非混相驱和近混相驱的微观渗流规律,并对CO_(2)在孔隙中的微观渗流特征及扩散吸附特征进行研究,选取注入速度、扩散系数、吸附反应速率常数等参数研究近混相驱微观渗流特征的影响因素。研究结果表明:①相场法CO_(2)驱数值模拟采出程度为51.29%,水平集法CO_(2)驱数值模拟采出程度为53.60%,因此水平集法更适用于CO_(2)非混相驱的渗流过程模拟。②非混相驱条件下,CO_(2)优先向大孔隙扩散,采收率为87.7%,出口气体体积分数为71.60%,CO_(2)最大表面吸附浓度为3.16×10-4mol/m^(2);近混相驱条件下,CO_(2)更易向小孔隙扩散,采收率为91.1%,出口含气率为97.01%,CO_(2)最大表面吸附浓度为5.81×10-4mol/m^(2)。③近混相驱微观渗流特征受注入速度、扩散系数、吸附反应速率常数等因素影响。注入速度增大,出口含气率和采收率均提高;扩散系数和吸附反应速率常数增大,会使采收率提高,出口含气率下降。

海上平台超临界CO_(2)管道泄漏扩散规律实验研究

CO_(2)封存是实现中国“双碳”目标的有效技术途径之一,海上CO_(2)封存通常依托海上油气平台管道回注,CO_(2)回注过程中可能发生泄漏而严重影响作业人员安全。以恩平15-1海上平台为研究对象,开展超临界CO_(2)泄漏扩散规律实验研究。通过缩比设计,搭建与恩平15-1相应的物理模型实验平台,利用相似理论和量纲分析方法,设计了超临界CO_(2)泄漏扩散参数,开展了海上平台管道CO_(2)在不同泄漏压力(1.5~3.0 MPa)、泄漏孔径(0.5~6.2 mm)、泄漏方向(水平、竖直、斜45°)及环境风速(0~0.5 m/s)下的相似模型实验,研究泄漏CO_(2)在平台上的扩散情况及浓度分布规律。结果表明:压力和环境风速的变化,会影响CO_(2)泄漏后的近场射流,但对其远场扩散的影响较小;CO_(2)浓度会在泄漏约20 s后达到峰值并保持稳定,不会随泄漏时间的增加而增大;泄漏口径会显著影响泄漏口轴向CO_(2)浓度的分布规律。研究结果为海上平台CO_(2)泄漏监测与安全防护设计提供了参考。

地质埋存下CO_(2)在盖层中吸附扩散行为的微观机理研究

为解决温室气体减排领域中二氧化碳(CO_(2))地质埋存的关键问题,采用分子模拟手段(巨正则蒙特卡洛模拟、分子动力学模拟、密度泛函理论),对CO_(2)在SiO_(2)纳米狭缝中的吸附扩散行为进行了理论计算研究。研究表明:在SiO_(2)纳米狭缝中,CO_(2)吸附量随着压力的升高和温度的降低而增强,且亲水性的SiO_(2)纳米狭缝比亲油性SiO_(2)纳米狭缝的CO_(2)吸附量大;随着狭缝宽度的增加,CO_(2)吸附和扩散能力也逐渐增强。此外,根据吸附能、吸附高度和电荷转移量等参数分析了CO_(2)在不同润湿性SiO_(2)表面吸附的微观机理。研究结果为理解不同岩石物性的SiO_(2)狭缝表面与CO_(2)的相互作用机制提供了分子水平上的见解,这对于解释CO_(2)分子在盖层中的吸附机理以及在地层中的长期封存具有重要的理论指导意义。

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。

扩散作用控制下CO_(2)矿化封存实验及模拟研究

玄武岩地层由于富含钙、镁、铁等二价金属元素,能够通过高效的矿化反应将注入的CO_(2)转化为碳酸盐岩,实现CO_(2)安全有效的永久封存。但围绕CO_(2)矿化封存机制的研究尚不完善,多数研究忽略了扩散作用对CO_(2)矿化机制的影响。通过试管填充及烧杯平铺实验,开展了不同矿物、不同粒径及不同反应时间下的CO_(2)-水-岩反应,并对反应后岩样开展多维度分析,包括拉曼光谱、无机碳含量以及SEM-EDS等,从而阐明了扩散作用在CO_(2)矿化封存中的重要性以及扩散作用控制下CO_(2)矿化产物的时空演变规律。同时,通过TOUGHREACT建立了扩散作用控制的试管填充实验的数值模拟模型,并通过与物理实验结果拟合,确保数值模拟模型的准确性。在此基础上,开展了更多影响因素的作用规律研究,并为物理实验现象提供机理解释。结合物理实验及数值模拟结果表明:①在不存在扩散作用的烧杯平铺实验中,反应14 d后无矿化产物,28 d后仅有微量菱镁矿生成。②相反,在扩散作用控制下的试管填充实验中,橄榄石填充管中的主要的沉淀物是菱镁矿,天然玄武岩填充管中的沉淀物以方解石、菱铁矿为主,菱镁矿为辅。在相同矿物粒径、相同反应时间下,天然玄武岩中CO_(2)矿化速率远小于橄榄石,这是由于橄榄石与玄武岩其他组成矿物相比溶解速度最快。③在橄榄石或玄武岩填充管中,碳酸盐沉淀物沿填充管均呈非均匀分布。通过数值模拟解释了造成这一现象的根本原因,即在扩散作用控制下,填充床中H+、DIC(Dissolved Inorganic Carbon)以及二价金属阳离子存在浓度梯度,且浓度梯度方向不同。④矿物比表面积对CO_(2)-水-岩反应有显著影响,不仅影响矿化效率而且影响矿化产物空间分布,并最终影响反应后多孔介质孔隙度分布。⑤与压力相比,温度对CO_(2)矿化的影响更大;当温度从65℃升高到85℃时,方解石、菱铁矿及碳酸盐沉淀总量明显增加,但从85℃升高100℃,仅菱镁矿沉淀量增加明显。压力对方解石沉淀的形成影响较小,而对菱镁矿及菱铁矿的形成几乎没有影响。

板式气冷器中超临界CO_(2)侧表面换热系数研究

为了探究板式气冷器中主导超临界CO_(2)侧表面换热系数h最值出现的因素及最值点的中移对平均换热系数大小的影响,采用基于MATLAB的换热器分布参数分析方法,研究了超临界CO_(2)侧表面换热系数h沿气冷器板片上的分布规律,并针对h最值出现的主导因素、改变板片尺寸和流量使最值点移动对平均换热系数的影响进行研究。结果表明,伪临界温度对板式气冷器中h最值的出现更具有决定性;一定压力下的C_(p)最大值会随着压力的增加不断增大,但伪临界温度逐渐降低;减小板片尺寸或者增大质量流量,可以使得平均换热系数增加,对应的换热量也会增大,而且由质量流量增加所带来的换热量增加幅度在3种工况下分别为12.72%,12.79%,11.75%,同时压降也会增加;当h最大值保持在6170 W/(m^(2)·K)或5120 W/(m^(2)·K)附近时,最值点中移不会使平均换热系数增加明显,而且对应的换热量也会减小。

PI-RADS v2评分联合表观扩散系数在前列腺癌中的诊断价值分析

目的探究前列腺影像报告和数据系统第二版(PI-RADS v2)评分联合表观扩散系数(ADC)对前列腺癌的诊断价值。方法选取2017年7月—2021年7月治疗的80例前列腺疾病患者为研究对象,根据前列腺穿刺活检结果分为前列腺癌组51例和非前列腺癌组29例。所有患者在病情稳定状况下进行MRI平扫,测量ADC值,进行PI-RADS v2评分。比较2组PI-RADS v2评分及ADC值,采用受试者工作特征曲线评估PI-RADS v2评分联合ADC值对前列腺癌的诊断效能。结果前列腺癌组PI-RADS v2评分明显高于非前列腺癌组,ADC值明显低于非前列腺癌组(P<0.01)。PI-RADS v2评分(阈值为4分)诊断前列腺癌的敏感度为82.35%,特异度为75.86%,准确度为80.00%,曲线下面积(AUC)为0.829;ADC值(阈值为850×10^(-6)mm^(2)/s)诊断前列腺癌的敏感度为78.43%,特异度为79.31%,准确度为78.75%,AUC为0.816;二者联合诊断前列腺癌的敏感度为92.16%,特异度为89.66%,准确度为91.23%,AUC为0.868。二者联合诊断前列腺癌的AUC明显大于PI-RADS v2评分和ADC值单独诊断(P<0.05)。结论PI-RADS v2评分联合ADC值对前列腺癌有较好的诊断价值,且较单一检测的准确度更高。

超临界CO_(2)板式扩散焊矩形微通道换热器扰流格栅结构优化研究

为提升超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))布雷顿循环系统中印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)的流动传热综合性能,该文通过数值模拟的方法,基于一种全蚀刻工艺的新型矩形截面PCHE,建立以冷热通道换热单元为研究对象的数学物理模型。研究不同运行工况下,通道内扰流格栅间距对S-CO_(2)流动传热特性的影响机理和影响规律。结果表明:不同格栅间距的热通道内S-CO_(2)的流速均沿程逐渐减小,而冷通道内S-CO_(2)的流速反而沿程逐渐增大。冷热通道内的流动摩擦阻力系数(f)和努塞尔数(Nu)均随着格栅间距的增大而逐渐增大,但不同格栅间距的冷通道内的f和Nu均大于其对应的热通道内的f和Nu。当格栅间距为5.97 mm时,矩形截面通道具有相对最优的综合性能,可以在阻力损失较小的情况下实现强化换热。研究结果可为全蚀刻工艺矩形截面PCHE的性能提升和结构优化提供理论依据和数据支撑。

VCrAl_(1.21)Ni_(0.93)Co_(1.85)高熵合金中间层真空扩散连接TC4钛合金和T2铜

根据伪二元合金设计策略和共晶高熵合金设计理念,设计并制备了VCrAl_(1.21)Ni_(0.93)Co_(1.85)共晶高熵合金中间层用于真空扩散连接TC4钛合金和T2铜,研究了不同连接温度对TC4/T2扩散连接接头微观组织和力学性能的影响规律.结果表明,所有接头界面结合良好无缺陷产生,在TC4侧的连接界面附近发生了部分相变,由α-Ti向β-Ti进行转变,并且形成了部分魏氏体组织.Ti_(2)(Co,Ni),Ti_(2)(V,Cr,Al),Ti(V,Cr,Co)和(V,Cr)(Al,Ni,Co)相形成在TC4/VCrAl_(1.21)Ni_(0.93)Co_(1.85)界面上,而VCrAl_(1.21)Ni_(0.93)Co_(1.85)/T2界面上形成了(V,Cr)(Al,Ni,Co)和(V,Cr)(Cu,Ni,Co)_(3)相.界面上形成高熵微观组织结构起到高熵固溶强化作用,扩散层Ⅰ和Ⅱ对应的生长激活能分别为229 kJ/mol和191 kJ/mol,接头抗剪强度在880℃时达到最大为194 MPa,接头主要沿着BCC基体相和B2相交替位置断裂,断口表面出现河流花样特征,属于一种典型的解理断裂模式.

延长油田CO_(2)大气扩散数值模拟研究及监测点位优化

由于陕北地区局部气象环境复杂,造成CO_(2)浓度扩散方向的不确定性,同时,延长油田地处黄土塬,地貌沟壑纵横高低起伏,导致布置CO_(2)大气监测点位困难。本文基于Fluent软件模拟了不同泄漏情景下CO_(2)驱油与封存泄漏后在大气中的扩散规律,优化监测点位布局,并开展了监测实践。研究结果表明:随着风速的不断增加,CO_(2)云的浓度在纵向上呈现出一直缩小的趋势,但是CO_(2)云的浓度在横向上的扩散距离呈现出先增大后缩小的趋势;当风速为2.0 m/s时,CO_(2)云的扩散距离最远为47 m,浓度最大的CO_(2)云扩散距离为15 m;随着泄漏速度的增大,近地表处CO_(2)云的浓度无论是在纵向上还是在横向上都在不断增大;当泄漏速度小于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO_(2)云的扩散距离增加得较快;当泄漏速度大于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO_(2)云的扩散距离增加速率变缓。结合模拟结果、陕北地区气象环境、裂缝发育方向、“注气”优势方向和近地表植被高度,确定监测点位布局:方向上为北东—南西向;平面上为距离井口下风向15 m;纵向上为采样高度50 cm。CO_(2)浓度大气监测点的监测结果表明并未发生泄漏。

气体压力与粒径对煤CO_(2)动态扩散-吸附特征影响研究

为探究粒径及气体压力对煤中CO_(2)动态扩散规律的影响机制,利用自主研制的煤层高压吸附解吸实验系统,以容量法吸附实验为基础,结合经典单孔扩散模型对不同时间下的CO_(2)扩散系数进行计算,分析煤中气体吸附平衡前的动态扩散特征。结果表明:吸附平衡时间与煤样粒径呈正相关,随吸附平衡压力增加呈减小趋势,且煤样粒径越大,吸附平衡时间减小趋势越明显;有效扩散系数比扩散系数能更好地解释粒径大小与平衡时间的关系,煤样粒径越小,有效扩散系数越大,达到吸附平衡的时间越短;有效扩散系数与时间成幂函数关系;初始有效扩散系数(De0)和有效扩散衰减系数(β)都随粒径增大而减小,De0随平衡压力增大先增大后减小,不同粒径煤样β随平衡压力增大呈现不同规律。粒径越小的煤孔隙间的连通性越好,气体分子扩散路径越短、扩散阻力越小,更容易进行吸附。气体压力对CO_(2)吸附扩散有驱动作用,但随着煤样不断吸附,煤基质膨胀堵塞孔隙,扩散通道变窄,驱动作用减弱。

CH_(4)/CO_(2)在SiO_(2)孔隙中的吸附和扩散性能研究

在模拟页岩气藏体系中研究了CH_(4)和CO_(2)在页岩主体矿物成分SiO_(2)孔隙中的吸附和扩散性能。结果表明:CH_(4)和CO_(2)之间存在着强烈的竞争吸附,高压低温能够促进两种组分气体的吸附,但不利于其扩散行为,同时CH_(4)比CO_(2)更容易扩散。孔壁对CH_(4)的吸附以非键相互作用为主,CO_(2)争夺吸附位点的行为可以有效抑制CH_(4)的吸附,而随着CO_(2)占比的增加,抑制效果更加显著。CO_(2)和CH_(4)在孔隙中的吸附行为均是典型的物理吸附,且CO_(2)具有更高的平均等量吸附热。

CH_(4)/H_(2)O/CO_(2)在煤大分子中自扩散的分子模拟

通过巨正则蒙特卡罗和分子动力学方法,计算不同系综条件下CH_(4)、CO_(2)、H_(2)O在煤分子中的扩散系数,并考察了温度和压力的影响。结果表明:在NPT系综下,随着温度的升高,CH_(4)和CO_(2)的扩散系数逐渐增大,H_(2)O的扩散系数呈现波动式增加;在每个温度下,H_(2)O扩散系数均大于CH_(4)和CO_(2);扩散活化能表现为E(H_(2)O)<E(CO_(2))<E(CH_(4)),表明CH_(4)的扩散最难发生,CO_(2)的扩散更容易发生;随着压力的升高,各种气体分子的溶胀率逐渐越大;高压时,分子溶胀作用显著,预示着H_(2)O和CO_(2)吸附在提高煤层气采收率过程中可以引起显著的煤基质溶胀,从而导致气体传输通道变窄,不利于煤层气的产出;CH_(4)、H_(2)O和CO_(2)扩散活化能均随着压力的升高而逐渐升高,且增幅有增大的趋势,预示着在压力较高时激活CH_(4)、H_(2)O和CO_(2)扩散需要克服更高的分子结构能垒,CO_(2)应以较快的速度注入煤体中,从而提高煤层气采收率。

基于PHAST软件的CO_(2)管道泄漏扩散定量模拟分析

目前,国内油气田已陆续采用CCUS技术用于减少温室气体排放,实现企业的清洁化和低碳化。为防止因CO_(2)泄漏造成温室气体效应或人员窒息,采用PHAST软件进行了管道工艺建模,通过文献证实了软件的准确性和可靠性,分析了泄漏孔径、泄漏压力、风速、大气稳定度和泄漏方向等参数变化时,对CO_(2)扩散浓度的影响,并对最不利工况下的扩散范围进行模拟,确定了合理的安全疏散距离。结果表明:不同工况主要影响CO_(2)在下风向的扩散距离,对云团高度和云团宽度的影响不大;CO_(2)的射流角度随泄漏角度的增加而增加,水平泄漏方向下的危害性最大;超临界CO_(2)的最大水平扩散范围为365 m,室内居民应在15 min内完成撤离。研究结果可为CCUS技术的全面推广与应用提供实际参考。

页岩纳米孔隙中CO_(2)和CH_(4)吸附扩散分子模拟研究

为进一步揭示多组分气体在页岩纳米孔隙中的分子动力学行为,采用石墨烯构建了页岩纳米孔隙模型,基于巨正则蒙特卡洛方法(GCMC)和分子动力学方法(MD),研究了不同温度下CO_(2)和CH_(4)在页岩纳米孔隙中的竞争吸附和扩散的微观机理,对吸附等温线、吸附选择性、径向分布函数和气体扩散系数进行了相关分析。结果表明,CO_(2)吸附量始终高于CH_(4),CO_(2)和CH_(4)吸附选择性系数大于1,即页岩中注入CO_(2)能够置换出CH_(4);CO_(2)、CH_(4)分别与页岩在0.389、0.761 nm处出现峰值,峰值大小的关系为g_(ab)(CO_(2))>g_(ab)(CH_(4)),说明CO_(2)与页岩之间的相互作用更强;扩散系数的关系为D(CO_(2))>D(CH_(4))。研究结果从微观角度为注气驱替和高效开发页岩气提供一定的理论指导。

多孔介质内CO_(2)-油扩散系数NMR原位测量实验方法

将CO_(2)注入地下油藏,可以实现提高原油采收率与CO_(2)地下永久埋存的“双赢”,是最具应用前景和经济效益的“碳中和”有效手段之一。为了有效评价CO_(2)驱油效率,以及准确预测CO_(2)地质埋存量与长期安全性,必须对多孔介质中CO_(2)-油扩散机理进行深入的理论和实验研究。该文利用低场磁共振(NMR)技术实现CO_(2)-油扩散过程的原位动态监测,通过纯相位编码SE-SPI脉冲序列得到溶液随时间和位置变化的一维质子密度曲线,进而得到油相膨胀系数、CO_(2)无量纲浓度等参数;基于菲克第二定律构建了考虑溶液体积膨胀的物理模型,采用非迭代有限体积法计算得到随时间和位置变化的CO_(2)扩散系数,为多孔介质内气-液扩散参数原位测量提供了重要的理论方法与实验数据,对CO_(2)提高石油采收率与地质埋存工程设计、安全性和经济性评价具有重要指导意义。

CO_(2)在饱和油岩心中扩散系数的测试方法及扩散规律

CO_(2)驱油技术能够在有效提高采收率的同时实现碳埋存,兼顾经济效益与环境保护,因此研究CO_(2)在油藏中的扩散规律很有必要。通过自行设计的高温高压扩散夹持器进行CO_(2)在饱和油岩心中的扩散实验,建立计算CO_(2)在饱和油岩心中扩散系数的数学模型,拟合实测压力曲线和计算的理论压力曲线,从而得到CO_(2)扩散系数,并分析渗透率对CO_(2)在饱和油岩心中扩散的影响规律。结果表明,该数学模型能够较为准确地反映CO_(2)在饱和油岩心中的扩散规律,所测得的扩散系数具有较高的精度;在实验范围内CO_(2)在饱和油岩心中的扩散系数处于10^(-8) m^(2)/s数量级;CO_(2)在岩心中的扩散系数随着渗透率的增加而增加,但增幅越来越小。

CO_(2)注气压力对瓦斯扩散系数影响规律实验研究

煤层CH_(4)解吸效率低、扩散慢的特点严重制约着煤层瓦斯抽采的效率,为解决低透气性煤层瓦斯抽采困难的问题,选取晋城赵庄煤矿煤样,研究不同注气压力对驱替CH_(4)过程的影响以及驱替过程中CH_(4)扩散系数的变化规律,利用自主研发的CO_(2)驱替CH_(4)试验平台,在0.6、0.8、1.0 MPa等不同注气压力条件下分别进行CO_(2)驱替CH_(4)实验。结果表明:驱替压力越大,达到最大CH_(4)排放量的时间越短,CO_(2)突破时间越快,置换效率越大,驱替效果越好;CH_(4)气体驱替过程分为3个阶段,先急剧增加再缓慢增加最后保持平稳;在同一注气压力下,瓦斯扩散系数随时间呈先增大后减小的变化规律,注气压力为0.6、0.8、1.0 MPa时,瓦斯扩散系数的最大值分别为2.27×10^(-5)、3.36×10^(-5)、4.62×10^(-5) cm^(2)/s。从实验结果可知,不同注气压力下,CO_(2)对CH_(4)主要起到驱替作用、置换吸附-解吸作用及稀释驱替作用;每个阶段的CH_(4)气体运移情况不同,根据实验阶段合理调整注气流量、压力等参数,使注驱技术搭配更高效。研究结果对CO_(2)深埋与瓦斯(煤层气)高效抽采具有理论指导意义。

CO_2在多孔介质中扩散系数的测定

为了研究注CO2开采原油时CO2在地层中的扩散系数,采用一维扩散的数学模型,利用一维菲克第二定律和连续性方程推导出了CO2扩散系数的计算公式,设计了多孔介质采用露头砂填充,实验模型装置水平放置而消除了"对流扩散"的影响,室内测定CO2扩散系数的双测压点的1 m长的物理模拟装置,得出了在60℃时不同压力下的扩散系数,实验条件更符合矿场实际,研究规律可用于矿场CO2驱过程中的参数优选。

CH_4和CO_2在活性炭微球内扩散系数的测定

活性炭微球是一种储存及净化天然气的新型碳材料.采用高精度的重力分析仪(IGA003,HIDEN)对天然气主要成分CH4和CO2杂质在活性炭微球材料内的扩散性质进行了研究.运用Fick扩散模型关联得到了CH4及CO2在活性炭微球内的扩散系数.研究结果表明,CH4与CO2在活性炭微球内的扩散属于晶体扩散,二者的扩散系数处于10-13m2·s-1数量级上.同时,CH4与CO2在介孔活性炭微球内的扩散速率均随着温度的增加而增加,随着体系平衡压力的增加而减小,而且CH4的扩散速率要略大于CO2的扩散速率.研究结果可用于活性炭微球吸附剂应用中传质性质的计算.