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。

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。

高压CO_(2)管道泄漏动态压力计算模型研究

高压CO_(2)管道运行过程中可能因为腐蚀或外部因素发生泄漏,由于CO_(2)相态复杂,管内压力相应产生复杂动态响应变化,管内压力动态变化规律对于减压波预测、管材韧性止裂具有重要影响。为研究不同工况下管道泄漏过程中管内压力变化特性,基于等熵原理建立了高压CO_(2)管道泄漏管内动态压力计算模型,并结合工业规模CO_(2)管道泄漏实验数据以及HYSYS软件计算结果对模型进行了验证。结果表明:相比HYSYS软件,新建模型对于高压CO_(2)管道泄漏过程压降的预测与实验结果更吻合,平均预测误差为3.9%,表明新建模型可以准确预测高压CO_(2)管道泄漏过程管内压力的动态响应变化规律。研究成果可为高压CO_(2)管道泄漏过程管内动态减压特征预测提供理论支撑。

一种新型材料固井水泥石的抗高CO_(2)分压腐蚀性能评价

井下高温、高CO_(2)含量条件使水泥环长效封固周期寿命缩短,水泥环完整性保障难度增大,由于在较高的压力环境下CO_(2)呈现低黏度、高扩散性和高压缩性的超临界特性,会加剧水泥石的腐蚀。本文与常见的6种防腐材料进行防腐性能对比测试,研发了可用于井下高温、高CO_(2)分压环境中的一种新型防腐材料。室内实验结果表明,新型火山灰混合材料由于二次水化反应消耗Ca(OH)_(2)提高水泥石长期强度,且电镜下微观观察分析,新型火山灰混合材料水泥石渗透率更低,CO_(2)环境中养护30 d后水泥石表面仍存在CaSiO_(3),表明侵蚀仍在表层进行。新型火山灰混合材料的水泥石具有30 d腐蚀深度1.17 mm、抗压强度衰退率2.6%、渗透率变化率2.1%更好的抗CO_(2)腐蚀能力,且具有良好的综合施工性能。

5Cr套管钢在不同CO_(2)分压下高温高压腐蚀特性研究

为了研究5Cr套管钢在不同CO_(2)分压下的腐蚀特性,进行了5Cr套管钢高温高压腐蚀失重和高温高压电化学试验,并采用XRD、SEM和EDS等手段对其腐蚀产物进行微观分析。结果表明,在高温高压腐蚀环境下随着CO_(2)分压从低到高,其表面点蚀坑的深度和直径均无明显变化,而点蚀速率则出现逐渐减小的趋势;其腐蚀产物膜由Cr(OH)_(3)、FeCO_(3)和CaCO_(3)共同组成,且随着CO_(2)分压的升高Cr的富集量逐渐增加;在电化学测试中,随着CO_(2)分压的不断升高,5Cr套管钢表现出半钝化特征,产物膜逐渐增厚且致密,且极化电阻逐渐增大,阳极反应受到抑制,电化学反应阻力增大,其抗局部腐蚀能力不断提高。

高压断路器中C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的开断性能

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体是一种潜在的SF_(6)替代气体,开展其在高压断路器中开断性能的研究,对推动环保输电方式发展、支撑双碳目标实现具有重要的工程意义。基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)理论,仿真计算了充有0.6 MPa 5%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、10%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、15%C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体和纯SF_(6)的40.5 kV断路器20 kA短路电流开断过程,分析C_(4)F_(7)N混合比例对电弧温度特性、灭弧室气压与喷口气流特性的影响规律,并与纯SF_(6)进行比较。研究结果表明:与混合气体相比,SF_(6)气体电弧具有更高的弧芯温度和更小的电弧半径,随着C_(4)F_(7)N比例的增加,混合气体弧芯温度升高、电弧半径减小。断路器短路开断过程中,SF_(6)气体建立起更高的吹弧气压,气吹速度明显高于混合气体,可以形成更好的气吹效果来冷却电弧。最后,基于Mary电弧数学模型计算得到电流零区不同气体的电弧时间常数与电弧功率耗散系数,并以临界恢复电压上升率(rate of rise of TRV,RRRV)定量评判气体开断性能,0.6 MPa的5%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、10%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、15%C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体临界RRRV分别为1.54、2.22和2.28 kV/μs,远低于SF_(6)的4.98 kV/μs。

基于TDLAS的CO_(2)高温高压谱线参数测量研究

气体谱线参数的准确性对于应用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)开展燃烧流场参数的精确测量十分重要。针对目前谱线数据库参数在高温高压环境的不确定性,以主要燃烧产物CO_(2)作为目标气体,开展了CO_(2)高温高压谱线参数测量研究。设计了耐高温高压气室,在三段管式炉上搭建了一套气体谱线参数高温高压校准装置,以分布反馈式(DFB)半导体激光器作为光源,对中心频率4 988.655 cm-1的CO_(2)吸收光谱进行了测量,获得了373~673 K温度范围内,1~3 atm多个压强下的纯CO_(2)高温高压吸收光谱,经过Voigt线型拟合等数据处理,得到了线强、自展宽系数、温度指数等谱线参数,与HITRAN2016数据库对应的参数进行对比,线强相对误差在-8.6%~-2.4%,线强不确定度约为4.1%,自展宽系数相对误差在-8.8%~2.1%,所测数据对现有的谱线数据库起到了修正和补充。

超高压高CO_(2)气藏偏差系数图版扩展与应用

Standing-Katz图版法确定天然气偏差系数是目前最常用、最基础的方法之一,但存在人工读值误差大、在超高压(拟对比压力大于15)和高CO_(2)含量天然气使用受限等问题。设计单组分偏差系数测定实验,结合Standing-Katz图版曲线变化规律,将图版拟对比压力扩展到30,拟对比温度扩展到3.6,并将图版数字化;基于不同CO_(2)含量偏差系数测定实验结果,推导了考虑不同CO_(2)含量的天然气拟临界压力、拟临界温度计算新模型,与常规非烃校正模型相比,新模型计算精度更高,适用范围更广。进一步将新临界参数校正模型嵌入到偏差系数扩展图版中,得到不同CO_(2)含量的偏差系数扩展图版,该图版在南海西部超高温高压、高CO_(2)含量天然气偏差系数计算中误差较小(不超过3%),应用效果良好。

CO_(2)环境中管线钢高压冲刷腐蚀研究进展

高压多相流冲刷腐蚀是油气田集输管线安全运行面临的重要问题。针对CO_(2)环境中集输管线的高压冲刷腐蚀失效问题,介绍了CO_(2)环境中集输管线高压冲刷腐蚀试验装置,主要有高压喷射冲击系统、高压转子旋转系统和高压环路测试系统;综述了高压冲刷腐蚀机理,指出冲刷腐蚀受控于电化学腐蚀和冲刷磨损;总结了流速、固体颗粒速度、固体颗粒尺寸、温度、pH值、CO_(2)分压等因素对高压冲刷腐蚀的影响作用,最后对CO_(2)环境中集输管线的高压冲刷腐蚀研究的发展方向进行了展望。

高压CO_(2)水热处理对香蕉假茎理化性质和燃烧特性影响

香蕉假茎废弃量大,但由于其含水量高、富含碱金属及碱土金属、能量密度低等问题,限制了燃料化利用,而高压CO_(2)水热处理为非蒸发湿法转化处理工艺,可高效的脱水、脱碱,并提高热值。利用电子扫描显微镜(SEM)、气体吸附分析仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析仪(TGA)等表征手段,考察了高压CO_(2)水热处理对香蕉假茎理化性质及燃烧特性的影响。研究表明,随水热温度升高,固体产率降低,其高位热值增加,且最大可增至25.76 MJ/kg。随水热温度升高,样品层间三维结构被破坏形成片状结构,随刻蚀程度的进一步加剧,进而形成新的三维网状结构。因此,样品比表面积呈现先增加,后减小,随后升高。而表观形貌复杂程度加剧,孔隙结构发达,使得样品的燃烧性能改善。与此同时,水热温度在120~200℃时,由于易燃的半纤维素与非晶纤维素解聚成小分子,直至完全消失,样品着火温度增加,综合燃烧特性指数增加。当水热温度在200~280℃时,纤维素Ⅰ开始分解并转化为热稳定性更高的纤维素II,进而样品着火温度降低,综合燃烧特性指数降低。此外,随着水热温度升高,木质素的含量增加,燃尽温度升高。利用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法燃烧动力学分析,除280℃水热样品,其余样品的平均活化能均高于原样。综合比较能量回收率及燃烧性能,经过240℃的高压CO_(2)水热处理后获得的水热焦其综合理化性能最优。

基于核磁共振的CO 2驱喉道动用界限——以朝阳沟油田为例

依据核磁共振基本原理,通过孔隙的简化,推导出核磁共振T_(2)驰豫时间与孔隙喉道半径关系,利用数值差值和最小二乘基本方法,结合高压压汞岩心孔喉分布,将核磁共振T_(2)图谱转换为岩心孔喉半径分布。在此基础上,利用岩心驱替过程中含油饱和度的变化,信号幅度同步变化的基本规律,分析水驱和CO_(2)驱不同孔喉半径的信号幅度变化曲线,判断出不同开发方式下的最小孔喉动用界限。研究表明,朝阳沟油田特低渗透区块为亲水特性,低压水驱岩样采出程度28.0%,高压水驱岩样采出程度30.0%,非混相气驱岩样的采出程度为48%,混相气驱岩样的采出程度为64%;水驱主要动用孔隙中喉半径大于1.00μm孔的可动油,非混相驱替不可动用的最小孔喉半径为0.15μm,混相驱没有提高喉道动用界限,但是驱替效率却大幅度提高;CO_(2)驱替出原油中的轻质组分,残余油黏度变大,不可动流体在原有的基础上增加了1/3~3/4,核磁共振图谱发生左移现象。研究结论为CO_(2)驱开发方案提供重要的参考依据。

13Cr钢高温高压CO_2腐蚀电化学特性研究

通过模拟塔里木油田环境进行腐蚀实验 ,利用电化学方法研究高温高压条件下 13Cr油井管钢的 CO2 腐蚀的电化学特性。结果表明 :在 15 0℃时 ,13Cr钢的自腐蚀电位较低 ,而自腐蚀电流密度很高 ,钝化区间不太明显 ;2 4 ,4 8,72 ,96 h时的交流阻抗图谱均具有三个时间常数 ,并且随腐蚀时间的延长 ,腐蚀孔内溶液的粘度不断加大 ,使电荷传递和扩散传质的阻力越来越大 ,Warburg阻抗逐渐增加 ,整个电极表面金属 /钝化膜与溶液之间的双电层电容

高温高盐油藏CO_(2)混相调节剂效果因素室内评价

针对国内高温高盐油藏陆相沉积气驱混相压力高、不能实现混相驱的问题,开展了CO_(2)驱混相压力调节剂的研究,如增加CO_(2)溶解度、提升CO_(2)萃取轻烃能力、降低原油黏度、降低气液表面张力。通过室内实验,量化了17种调节剂4个方面混相因素,明确了调节剂对CO_(2)驱混相压力的影响。研究表明,对开展CO_(2)驱的某个油藏来说,不同调节剂混相因素的效果差异显著:乙二醇丁醚以原油降黏和增加CO_(2)萃取的能力为主,正丁醇增加CO_(2)的萃取能力最强,石油醚类降低原油黏度和油气表面张力的效果显著,苯类主要是促进CO_(2)在原油中溶解,柠檬酸酯类增加CO_(2)在原油中溶解度和提高CO_(2)萃取抽提烃类的能力。研究的认识和成果有利于提高高温高盐油藏CO_(2)驱的采出程度,同时为混相调节剂的改进、研发新型混相调节剂提供理论和实验数据支撑,进而扩大高温高盐油藏混相驱的适用范围。

高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩流场及携岩增强机理

对于深井难钻地层采用欠平衡气体钻井技术,可以显著提高机械钻速、延长钻头寿命、减轻地层损害,但现有的欠平衡空气钻井技术存在着井底燃爆风险较大、喷嘴低喷射压力的破岩及携岩效率差等问题。为此,提出了高压CO_(2)气体射流—PDC齿复合破岩技术,并采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟软件与实验室试验相结合的方法,分析了喷嘴直径、喷距、压降对高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩井底流场的影响,进而分析了井底高压CO_(2)射流携岩增强的机理。研究结果表明:(1)提高喷嘴压降和增大喷嘴直径有利于增强射流对岩石的打击效果,增大喷嘴直径还可以增加射流冲击范围;(2)增大喷距会导致高压CO_(2)射流对岩石表面打击力大幅度降低;(3)岩屑的运移轨迹规律在有、无射流切削的情况下差别明显,花岗岩在射流的作用下,切削齿前部的累积岩屑很少,岩屑在射流携带作用下沿切削齿两侧呈扇形向后运移;(4)高压气体射流可以显著提高岩屑的排出,进而提高PDC齿切削效率。结论认为,该研究成果可以指导高压CO_(2)射流—PDC齿复合破岩工具的研制,有助于欠平衡高压气体钻井技术的进一步完善。

高温高压CO_(2)/O_(2)共存流体中N80钢腐蚀特性分析

在高温高压釜中进行CO_(2)和O_(2)共存流动液体环境中N80油管钢的腐蚀实验,采用失重法测量腐蚀速率,扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)测试腐蚀表面形貌和成分的方法,得到N80钢在流动多元热流体中的腐蚀规律与形貌特征。实验结果表明:在CO_(2)和O_(2)共存环境下,N80钢腐蚀以均匀腐蚀为主伴有部分局部腐蚀,腐蚀速率呈现随温度的升高先快速增大后缓慢减小的趋势;200℃时生成的腐蚀产物以碳酸亚铁和铁的氧化物为主,该腐蚀产物膜更为致密,腐蚀速率更小;在CO_(2)和O_(2)共存环境下相比于介质中仅含CO_(2)或O_(2)环境下N80钢的腐蚀程度更严重。

超高压水力割缝和CO_(2)相变致裂联合增透技术研究与应用

针对鲁班山北矿14采区8^(#)煤层地质构造复杂、瓦斯抽采难的问题,提出了超高压水力割缝和CO_(2)相变致裂联合增透技术,并分析其泄压增透原理,同时进行了不同增透方案条件下的现场抽采效果对比试验。结果表明,该联合增透方案的平均单孔瓦斯体积分数分别是普通抽采和超高水力割缝的1.79倍和1.20倍;单孔瓦斯抽采平均纯量分别是普通抽采和超高压水力割缝的3.2倍和1.9倍,90d抽采时间瓦斯抽采影响半径分别是普通抽采和超高压水力割缝的4.58倍和1.38倍,在同等条件下施工钻孔时间分别比普通抽采和超高压水力割缝缩短50.5%和40.6%,瓦斯达标抽采时间分别比普通抽采和超高压水力割缝缩短了66.7%和50%。相较于常规治理技术方案,超高压水力割缝和CO_(2)相变致裂联合增透技术对瓦斯灾害治理的应用效果更为理想。

高压CO_(2)水合物的生成机理实验和模拟

温室气体CO_(2)的捕捉和储存对减缓温室效应具有重大意义。CO_(2)水合物法储存CO_(2)具有效率高、储量大、易运输等优点。为了更高效制备CO_(2)水合物,对其生成机理进行实验和模拟研究。通过建立水合物生成的热力学模型,对水合物生成条件进行预测,利用高压静态釜式反应容器开展水合物生成实验,通过温度压力数据验证模型的准确性。在选取化学势能差作为水合物生成驱动力的基础上建立气体消耗速率模型,并与实验结果对比,结果表明:模型的预测值与实验值相对吻合。在低于水合物相平衡温度的条件下,升高容器的内反应压力可以促进气-液质量交换过程,提高生成效率。在生成过程中测得不同位置的电阻率变化数据,发现容器内的电阻率随固态水合物的生成而升高,并且首先在容器上部靠近壁面处结晶、团聚。

基于GA-SVR算法的CO_(2)在地层水中溶解度模型研究

利用高温高压反应釜开展了不同温度、压力条件下CO_(2)在不同矿化度地层水中的溶解度实验,采用支持向量回归(SVR)和遗传算法(GA)建立模型(GA-SVR)来计算CO_(2)在地层水中的溶解度大小,利用实验溶解度数据对GA-SVR模型进行训练和验证。结果表明,GA-SVR模型预测结果的相对误差最小为1.60%,最大为3.73%,平均为2.46%,均方根误差为0.094,与其他3种模型(Chang模型、Furnival模型和PR-HV模型)计算结果相比,GA-SVR模型具有更高的精度。该研究成果为CO_(2)在地层水溶解度的计算提供了一种新方法。

改良CO_(2)输送与全自动注射系统在血液透析动静脉通路造影的运用研究

目的探索构建CO_(2)气体输送系统并联合全自动高压注射系统在血液透析动静脉通路(arteriovenous access,AVA)CO_(2)造影的运用。方法用飞利浦Allura Xper FD10数字剪影血管造影机,将医用无菌塑料袋CO_(2)气体输送系统连接Medrad Mark V ProVis自动高压注射系统,对33例尿毒症患者AVA进行血管造影术,对可获得清晰血管影像时CO_(2)使用剂量、注射速度、摄像频率、副反应等技术参数进行观察和记录。结果33例患者安全完成既定198次造影检查,31例患者执行了腔内治疗,2例完成开放手术治疗;AVA常见外周血管使用CO_(2)5~20ml/次,速度5~10ml/s;中心静脉60~80ml/次,速度25~30ml/s可以获得清晰影像;仅1例患者造影部位出现疼痛数字评价量表(numeric rating scale,NRS)6级疼痛,其余患者无任何不良反应。结论本研究所构建CO_(2)塑料袋气体输送系统简便安全,结合全自动高压注射系统可以自动精准注射CO_(2),减少医护人员射线暴露,对有残余肾功能和碘剂过敏AVA患者提供了安全可靠的血管造影手段,可以推广。

存储式多参数测试技术在注CO_(2)井中的应用

为评价注CO_(2)井的注入效果、优化注入方案,需要详实掌握注入过程中井筒内相态分布剖面和各层吸气剖面。通过分析注CO_(2)井的特性,开展测试方法适应性研究,结合注CO_(2)井高压、低温、腐蚀及相态变化复杂等特性,优选钢丝高压密闭施工工艺,并通过防腐蚀密封件的比选试验、加强人员伤害防护设计、改进测前防喷装置保护液注入工艺和采用测后快速放空工艺,探索出了一种高压、低温非常规流体存储多参数测试工艺。依据传热学知识、流体力学原理和气体的状态方程,建立井筒相态模型和解释方法,成功应用于现场测试和资料解释。