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。

吉木萨尔页岩油井区CO_(2)前置压裂工艺参数优化及现场实践

吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油具有原始渗透率极低,原油黏度高等特点,自然条件下无经济产能。通过现场实践,证明密切割+高强度体积压裂,是实现页岩油规模开发的最有效手段之一,但现阶段如何延缓油井递减率,提高单井采收率仍是亟待解决的问题。2019—2022年,在吉木萨尔页岩油区块,开展了CO_(2)前置压裂辅助提产技术研究和现场试验,系统地研究分析CO_(2)前置蓄能压裂和CO_(2)吞吐在吉木萨尔页岩油区块的应用效果。结果表明,超临界态CO_(2)具有混相增能、溶蚀改善储层条件、提高渗吸置换效率、提高缝网复杂程度等作用,并明确最优注入量、注入速度、注入方式等关键工艺参数,初步形成了一套页岩油藏CO_(2)前置压裂的工艺技术体系。根据生产数据预测,CO_(2)前置压裂工艺可将最终采收率提升20%左右,对实现页岩油效益开发,为其他类型页岩油藏提高开发效果提供参考。

裂缝内CO_(2)压裂液相态分布特征的数值模拟研究

CO_(2)干法压裂工艺利用纯液态CO_(2)进行携砂压裂施工,对储层进行改造,该技术已实现大量现场应用。但是,CO_(2)压裂液在裂缝内的相态分布尚未进行系统的研究。运用流体模拟软件,建立二维裂缝的物理模型,分析CO_(2)压裂液在造缝过程中的相态分布。研究结果表明,在造缝过程中,CO_(2)压裂液以液态CO_(2)和超临界CO_(2)两种相态存在,并且以超临界CO_(2)的分布为主;CO_(2)压裂液充满裂缝时,随着测点与井口距离的增加,CO_(2)温度先增加,然后趋于稳定;CO_(2)压裂液进入裂缝内,压裂施工完成20 min时,裂缝内CO_(2)的温度达到地层温度;地层温度越低,液态CO_(2)吸热越慢,达到超临界相态所需时间越长,超临界CO_(2)分布区距离缝口越远。

CO_(2)相变冲击下岩石损伤演化规律研究

【目的】CO_(2)相变致裂技术具有环保、低危险、便于控制等优点,被广泛应用于矿产开采、工程施工等领域。探究CO_(2)相变致裂损伤演化规律对爆破施工参数的选取具有重要意义。【方法】针对等当量炸药损伤模型描述CO_(2)相变破岩过程的局限性,采用理想气体状态方程表述超临界CO_(2)相变过程,结合Mises准则给出相变作用下的岩石损伤半径计算模型,基于LS-DYNA软件建立相变作用下岩石损伤计算模型,分析了CO_(2)相变作用下岩石损伤演化规律,并进一步讨论了破裂压力、致裂管型号等参数对岩石损伤演化的影响。【结果】建立的相变岩石损伤半径计算模型能较好地评价岩石的损伤范围;相变冲击使岩石产生径向裂隙,CO_(2)相变气体嵌入主裂纹附近的裂缝中,裂纹尖端效应促使岩体产生更为密集的环向裂隙及细小的轴向裂隙。数值模拟结果显示,在174、250、290 MPa三种破裂压力下,85型致裂管产生的裂隙区范围分别为0.42、0.43、0.46 m;裂隙长度的增大幅度则随着管径的增大而减小,51型、85型、100型三种型号致裂管在290 MPa的破裂压力下产生的裂隙平均长度比在174 MPa下的分别提高13.2%、5.75%、1.41%;破裂压力为250 MPa时,三种致裂管所产生的裂隙区范围分别为0.42、0.43、0.47 m;在这三种破裂压力下,100型致裂管下的裂隙平均长度比51型致裂管下的分别增加14.2%、11.1%、2.4%;此外,随着破裂压力和致裂管管径两个参数的增大,相变致裂所产生的主裂隙和环向裂隙增多,岩石的裂隙平均长度增大。【结论】研究结果可为CO_(2)相变致裂施工的损伤控制、技术参数选取等提供参考。

O_(2)/CO_(2)气氛下催化裂化烟气循环再生系统模型

富氧燃烧和烟气循环再生技术可实现催化裂化(FCC)再生烟气中CO_(2)的富集。根据采用烟气循环再生的FCC单段再生、并列式两段再生和重叠式两段再生系统型式,基于烧焦动力学模型和充分烧焦设定,分别建立了再生系统模型,并对3种再生系统进行了模拟。结果表明,通过优化O_(2)流量、烟气循环流量等操作条件,单段再生系统烟气、重叠式两段再生系统烟气和并列式两段再生系统第二再生器烟气中CO_(2)体积分数可富集至95%以上,但并列式两段再生系统第一再生器烟气中CO_(2)体积分数难以富集至95%以上。通过再生系统模型可优化再生器操作,在达到较好再生效果的同时,实现CO_(2)的富集。

基于LGR模拟裂缝的页岩油藏注CO_(2)吞吐开发参数优化

页岩油商业化开采需要进行大规模水力压裂来建立高渗流通道,从而提高采收率。但压裂后裂缝易闭合,地层压力衰竭快,导致采收率低。CO_(2)吞吐开发技术能够有效补充地层能量,改善原油流动性,对提高页岩油藏开发效果有极大潜力。不同的CO_(2)吞吐开发参数会对页岩油的采收效果产生影响。采用基质-人工裂缝-天然裂缝的多重介质模型,并结合局部网格加密(LGR)来模拟人工裂缝,以提高模拟精度与效率。基于实例研究,对注气总量、注气速度、焖井时间、吞吐轮次等主要参数进行了优化,以提高CO_(2)吞吐开发的效益。研究结果显示,多重介质数值模拟方法结合CO_(2)吞吐开发可以有效预测生产效果,并优化开发参数,为提高页岩油藏CO_(2)吞吐开发效益提供有力的依据。

利用CO_(2)气相压裂技术提高煤层透气性:以吉宁煤矿为例

为破解复杂低渗高瓦斯煤层瓦斯治理技术难题,本文以山西华晋吉宁煤矿2号煤层2203工作面为研究对象,通过采取CO_(2)气相压裂增透技术,对4组(共12个)抽采钻孔的瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量进行分析,得出有效致裂影响范围,进一步评价瓦斯抽采效果和防突效果。结果表明:该地质单元的有效致裂裂缝影响范围为6~7 m;常规抽采孔的瓦斯抽采纯量为0.018 m^(3)/min,与其相比,4组抽采钻孔百米瓦斯抽采纯量平均值为0.179 m^(3)/min,提升了8.9倍;在衰减区域,瓦斯抽采浓度均值64.7%、纯量均值0.150 m^(3)/min,在稳定区浓度,瓦斯抽采均值为73.2%、纯量均值0.188 m^(3)/min,相比稳定区域瓦斯抽采参数更高。该技术有效增大了2号煤层的透气性,提高了瓦斯抽采效率和煤巷掘进速度,减少了钻孔施工投入,缓解了采掘接替紧张的局面。

液态CO_(2)相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO_(2)相变爆破钻孔布置参数,研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响,基于LS DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征,并在山西某矿15号煤层进行液态CO_(2)相变致裂现场试验。结果表明:液态CO_(2)单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大,两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通,当孔间距为5 m时,致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成,裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO_(2)相变致裂后,平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍,平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。

多因素对液态CO_(2)冻融致裂煤体的影响试验研究

为研究多因素耦合对液态CO_(2)冻融致裂煤体的影响,采用自主研发的液态CO_(2)冻融致裂试验装置,利用核磁共振测试技术,测定不同影响因素下液态CO_(2)冻融致裂后煤体的孔隙度,分别研究液态CO_(2)冻结时间(t)、冻融循环次数(n)和煤体含水饱和度(W)对煤体孔隙度(φ)的影响;采用响应曲面法设计试验,构建φ与t、n和W的二次回归响应曲面模型,分析t、n和W单独及耦合作用时对φ的敏感程度及影响特征,并预测优化与验证不同影响因素下的φ。结果表明:随着t的延长和n的增多,φ呈指数函数关系变化,随W的增大,φ呈线性关系增加;影响因素t、n和W均为φ的极显著项(显著性判别值P<0.01),对φ影响的主次关系为:n>W>t。交互项nt交互作用极显著,nW交互作用次之,Wt交互作用不显著,对φ影响的主次关系为:nt>nW>Wt。模型预测当t、n和W分别为57 min、19次、96%时,φ达到最大值(9.47%),4组试验值与模型预测值平均误差为2.98%,所测φ平均值为9.58%,φ较优化之前(8.94%)提高了7.16%。

不耦合系数对CO_(2)相变致裂影响数值模拟及研究

为了提高液态CO_(2)相变致裂的增透效果,探究孔径尺寸对致裂效果的影响,采用LS-DYNA软件对“不耦合装药”结构下CO_(2)致裂效果进行数值模拟,分别得到了不同径向不耦合系数下的损伤分布云图、孔壁压力时程曲线、峰值速度分布图,采用“Logistic”函数对损伤分布进行描述。研究表明,随着不耦合系数的增大,压碎区范围先快速减小后缓慢减小,裂隙区呈先增大后减小的变化趋势,在K=1.46时破坏区范围最大,此时为最优不耦合系数;当K=1.60时,压碎区与裂隙区的过渡特征变得不再明显,破坏区主要由均匀的裂隙区构成;不耦合致裂结构能改变爆生气体应力波加载方式,降低应力波峰值、延长应力波作用时间,从而能有效降低CO_(2)相变致裂的振动效应,径向不耦合系数K=1.60相较K=1.07,振动强度降低2.48倍。现场试验表明:采用K=1.46致裂结构产生较小的压碎区,裂隙扩展区较K=1.07更大,裂纹发育更长,瓦斯体积分数与瓦斯纯流量较致裂前增加了4.28倍、4.89倍,相较K=1.07瓦斯抽采效果更佳。该研究结果可为CO_(2)相变致裂效果提供理论支撑。

超临界CO_(2)作用下煤岩组合体力学特性损伤及裂隙演化规律

将CO_(2)注入到深部不可采煤层是实现CO_(2)地质封存的有效途径之一,但CO_(2)在高压、高温作用下会处于超临界状态,为了探究超临界CO_(2)作用对煤系储层结构的影响,基于自主研发的超临界CO_(2)浸泡实验系统,结合声发射测试系统及RFPA3D数值模拟,研究了3种煤层厚度和3种顶底板岩性的“岩-煤-岩”(RCR)组合试件在超临界CO_(2)作用下的力学损伤特性及其裂隙扩展演化规律。研究结果表明:(1)超临界CO_(2)作用后,随煤厚增加RCR组合体抗压强度劣化幅度逐渐增大,弹性模量劣化幅度逐渐降低,而当岩煤强度比不同时,抗压强度和弹性模量劣化幅度基本一致,未呈现较大差异;(2)超临界CO_(2)作用会促进煤体塑性破坏,加剧RCR组合体由拉伸劈裂破坏向剪切塑性破坏转变的趋势,RCR组合体塑性破坏程度与煤厚和岩煤强度比均成正相关关系;(3)超临界CO_(2)浸泡作用促使RCR组合体更早进入弹性变形阶段,且经历更为短暂的弹性变形后发生失稳破坏,煤厚越大影响越大,而岩煤强度比影响较小;(4) RCR组合体失稳态势与煤厚成正比、与岩煤强度比成反比,破坏时动力显现强度与煤厚成反比,与岩煤强度比成正比;(5) RCR组合体总能量、耗散能、弹性能、盈余能随煤体厚度增加而逐渐降低,随岩煤强度比的增大而逐渐增大,超临界CO_(2)作用会使RCR组合体试件弹性能占比降低,耗散能占比升高,盈余能占比降低。综合上述研究成果可知,煤层越厚的地层越容易发生失稳,顶底板岩层强度越高的地层越不容易发生失稳,地层失稳破坏时动力显现强度与煤厚成反比、与岩煤强度比成正比。故在满足CO_(2)注入封存量前提的一定区域地层内,应选择顶底板岩层强度较高、煤层厚度较薄的区域地层封存CO_(2)安全性更高。该研究成果可为CO_(2)注入到深部不可采煤层进行地质封存的安全性提供一定的理论借鉴。

30CrMnSi钢CO_(2)焊接冶金缺陷形成机制研究

目的解决30CrMnSi钢焊接性差,用CO_(2)气体保护焊接时易产生裂纹、气孔等缺陷的问题。方法通过刚性拘束焊接裂纹试验模拟某型飞机后边条盒段在实际焊接过程中母材所受到的拘束,针对焊接裂纹类型及形态,确定焊接裂纹的形成机制。同时,对焊缝中的气孔进行了分析。结果接头中容易产生冷裂纹,在高应力条件下,应力集中发生在微裂纹尖端,最终在氢的影响下开裂。结论采用能量密度比较集中的TIG焊替代原来采用的CO_(2)气体保护焊有利于减少或消除气孔缺陷。可以通过优化结构设计和焊接次序,降低应力集中,来减轻焊接热作用对裂纹敏感性的影响。同时,避免在拐角处或焊接可达性差的位置施焊,可以降低气孔率。

CO_(2)相变爆破致裂管内压力变化试验研究

为研究CO_(2)相变爆破过程中致裂管内压力变化规律,通过现场试验获得压力与时间关系曲线,并且通过改变CO_(2)充装质量、激发药剂质量和泄能片厚度,获得致裂管中压力变化规律,采用试验参数计算出73型号致裂器爆破当量。研究结果表明,致裂管体不同位置处达到的峰值压力不同,最大处峰值压力比最小处峰值压力高1.30~1.67倍;爆破过程致裂管中压力变化分为4个阶段,泄压阶段极为迅速,在数微秒间,并且随CO_(2)充装质量增大而增加;在CO_(2)充装质量1100 g、激发药剂质量180 g和泄能片厚度4.0 mm条件下,该型号致裂器爆破当量最大为0.378 kg乳化炸药,研究成果为工程应用提供技术参考。

基于ANSYS/LS-DYNA的液态CO_(2)相变破岩裂纹扩展特征研究

为研究液态CO_(2)相变爆破技术破岩机理,更好地推广这种安全爆破技术,采用ANSYS/LS-DYNA仿真软件对液态CO_(2)相变爆破岩石的裂纹扩展特征及影响致裂结果的关键因素进行研究。基于仿真结果对比CO_(2)爆破和炸药爆破岩石损伤裂纹的区别,并研究岩石爆破裂纹的扩展形式与应力波加载速率和岩石强度的关系,以及地应力对爆破裂纹扩展的影响。研究结果表明:CO_(2)爆破岩石产生裂纹条数较少的原因是其爆炸应力波的加载速率较低,且只有爆炸应力波强度高于岩石动态抗压强度时才会产生粉碎区。初始地应力会抑制爆破裂纹的扩展,在各向异性的地应力作用下,裂纹会朝着最大地应力的方向扩展。研究结果可为实际工程中的爆破参数选取提供参考。

基于SPH算法的CO_(2)相变破岩数值模拟

为解决液态CO_(2)相变爆破破岩仿真中面临的网格畸变等问题,基于光滑粒子流体动力学分析方法(SPH)建立了高压射流冲击破岩数值仿真模型。并通过开展不同射流速度下的液态CO_(2)相变爆破破岩数值仿真研究,探讨了高压射流作用下裂纹扩展的规律和机理。得出对于强度为24 MPa的煤岩,单孔冲击峰值压力在67.2~90.1 MPa,射流冲击速度在250~280 m/s时爆破破裂效果最佳。然后对比了煤岩、大理岩等不同岩体性质下的爆破破坏特征,进一步证实该方法在液态CO_(2)相变爆破仿真中的有效性,为液态CO_(2)相变破岩仿真提供了一种新思路。同时仿真结果可以为液态CO_(2)相变致裂技术在实际工程中的参数选择提供参考。

CO_(2)增采环境下X70管线钢的应力腐蚀开裂行为研究

在CO_(2)增采(CCS‐EOR)环境下,研究了X70管线钢在不同CO_(2)压力下的腐蚀开裂行为及其机理。使用高压反应釜及模拟采出水溶液,对现场环境进行了模拟;通过电化学实验,研究了X70管线钢在CCS‐EOR环境下的腐蚀速率与腐蚀机理;通过慢应变速率拉伸实验,研究了模拟环境下X70管线钢的腐蚀开裂行为;通过扫描电镜,分析了不同CO_(2)压力下X70管线钢的腐蚀开裂机理。结果表明,X70管线钢的腐蚀速率随着CO_(2)压力的增加而增加;X70管线钢表面产生的腐蚀产物膜不能保护金属基体,而且加剧局部腐蚀;在腐蚀产物膜的影响下,CO_(2)压力的增高使X70管线钢应力腐蚀敏感性增加,X70管线钢腐蚀开裂同时受金属表面裂纹的影响。

S30408管材及其焊缝在超临界CO_(2)环境下的腐蚀行为研究

在超临界CO_(2)环境下对S30408管及其焊缝进行了320℃和500℃两种温度下的腐蚀实验,利用XRD、XPS、FE-SEM和EDS对腐蚀产物进行了表征,分析了温度对S30408管及其焊缝在超临界环境下的腐蚀产物及腐蚀机理的影响。实验结果表明,经320 h腐蚀后,高温下S30408管及其焊缝发生了明显的腐蚀,同时观察到了腐蚀裂纹扩展及腐蚀物脱落的现象。管道及焊缝内壁的腐蚀是由氧化和碳化造成的,其腐蚀产物以Fe、Cr的氧化物及碳化物为主。焊缝在高温下产生大块结痂状腐蚀产物,管道及焊缝在500℃时出现了明显的沿晶腐蚀开裂。这种裂纹很容易扩展到管道内部,造成材料失效,对管道和整个设备的安全构成极大威胁。

密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性计算分析

针对密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性预测是研究的热点和难点,且已有的止裂韧性预测模型尚不能准确预测密相/超临界CO_(2)管道的止裂韧性等问题,对现有模型进行对比分析。介绍了目前常用的BTC修正、DNV F104-2021以及ISO 27913—2016方法,同时采用此3种方法分别计算了外径323.9 mm密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性,并对比分析计算结果。结果表明,现有的模型和计算方法都存在着数据不足、精准度较低的缺点,目前无法推荐特定的分析模型来评估密相/超临界CO_(2)管道中的延性裂纹扩展。DNV F104方法基于现有全部CO_(2)管道全尺寸爆破试验数据,其计算结果相对较为保守,对后续开展全尺寸试验的指导性更强。研究结果可为小口径密相/超临界CO_(2)管道的全尺寸爆破试验设计提供理论依据。

CO_(2)输送管道裂纹扩展及止裂技术研究进展

为系统了解CO_(2)管道裂纹扩展及止裂技术的研究现状,从管道止裂判据出发,重点关注裂纹扩展过程,从实验和数值模拟两方面综述了CO_(2)管道裂纹扩展的研究进展,分析了相态、管径、含杂情况等对裂纹扩展的影响,归纳了裂纹扩展仿真模拟的建模方法,并对目前的管道止裂技术进行了综述。研究结果表明:CO_(2)管道裂纹扩展过程具有不同于输气管道的特性,管道韧性更低,危险性更大,Battelle双曲线模型已不再适用于CO_(2)管道,需要开展大量实验进行修正;数值模拟仿真可以有效揭示管道裂纹扩展的过程,是研究CO_(2)管道裂纹扩展的重要手段,开展流固耦合分析是下一步的工作重点;复合型止裂结构具有更优的止裂性能表现,具有较好的发展前景。

文家坝煤矿CO_(2)致裂煤层瓦斯治理技术运用研究

以文家坝一矿一分区A110607运输巷为工程背景,对比了运用CO_(2)致裂技术后进行瓦斯抽采与常规瓦斯抽采的区别,得出使用CO_(2)致裂技术后,单孔瓦斯抽采体积分数平均约为常规瓦斯抽采技术的1.86倍,瓦斯抽采单孔流量平均约为常规瓦斯抽采技术的3.03倍,提高了瓦斯抽采效率的同时也保障了瓦斯抽采的安全性;在实际运用过程中发现了分析了瓦斯钻孔示数异常的问题,针对此类问题针对性的提出了科学建议,为今后高瓦斯矿井运用CO_(2)致裂技术现场瓦斯问题提供了现场指导经验和科学应对方案。