SCCO_(2)作用下不同含水性煤孔裂隙结构变化机制

深部煤层封存CO_(2)增产CH_(4)产出过程中,处于超临界状态的CO_(2)(SCCO_(2))与煤中矿物质发生反应,改变煤的孔隙性,进而影响煤层封存CO_(2)的效果和甲烷增产效果。为发现SCCO_(2)–H_(2)O–煤岩作用对煤中孔隙的影响特征,以焦煤为研究对象,开展了不同含水条件下的超临界CO_(2)改造煤实验,基于矿物组成和孔隙性测定结果,对比煤中主要矿物质和不同尺度的孔裂隙变化的差异,探讨了不同含水状态下SCCO_(2)流体对孔裂隙性的作用机制。研究表明:①SCCO_(2)作用后,煤体表面粗糙、疏松,且由于矿物溶蚀使得一些裂隙得到贯通,微裂隙连通性增强。②SCCO_(2)流体对煤具有“扩孔”作用,表现为微、小孔含量下降,中、大孔占比升高,也即微、小孔隙向大孔隙的转化,且孔隙连通性改善;进一步发现,萃余煤吸附孔的分形维数稍微增加,粗糙度增大,而渗流孔的分形维数显著降低,复杂性和非均质性降低。③SCCO_(2)对煤中碳酸盐类矿物的溶解性最好,其次是黏土矿物,且随着含水率增加,萃余煤中的碳酸盐矿物占比先增加后减小。SCCO_(2)使干燥基态、饱和水态煤样中碳酸盐矿物显著溶解,有效改善了孔隙结构,且对饱和水态煤样作用效果更好。空气干燥基态煤样经SCCO_(2)作用后,新生成的白云石矿物聚集在孔喉中造成堵孔效应,缩小原有大孔隙尺寸,是引起不同含水性煤孔隙差异性变化的主要原因。

不同溶剂预处理煤在ScCO_(2)作用下的谱学差异及其机制

为了探究溶剂预处理后超临界二氧化碳(ScCO_(2))对煤化学结构的影响,以长治霍尔辛赫贫煤为研究对象,分别用四氢呋喃(THF)、盐酸(HCI)和氢氟酸(HF)对煤样进行预处理,采用傅里叶红外光谱(FTIR)、固体核磁共振(^(13)C-NMR)和X射线衍射(XRD)测试,探讨了ScCO_(2)对预处理煤的化学组成和结构的影响机理。研究表明:①FITR分峰拟合谱图实验曲线基本一致,而各官能团吸收峰位置及峰强度仍出现一定的偏差,酸(HCI、HF)预处理后部分波段脂肪族峰位消失。两类酸预处理顺序不同,对煤中含氧官能团、脂肪结构及芳烃结构作用效果也不相同。HF-HCI处理后芳烃C=C结构和含氧官能团峰强度均增强,而HCI-HF处理后芳烃C=C结构强度减弱,含氧官能团结构峰强度变化不明显。THF预处理后煤样芳烃C=C结构峰强度增强,含氧官能团结构峰强度降低。总体芳烃C=C结构峰强度远大于脂肪族结构和含氧官能团结构的峰强度。②^(13)C-NMR谱中主要官能团谱峰的化学位移出现了一定程度的偏移,芳香碳f_(a)^(B)化学位移向增大的方向偏移。大分子结构参数中,芳香碳含量远大于脂肪碳含量,说明煤大分子结构中芳香碳占主要组成部分。③XRD谱中002峰与101峰衍射强度明显增大,芳香微晶层网面间距d_(002)呈现升高趋势,说明THF、酸(HF、HCI)处理和ScCO_(2)对煤大分子结构产生了一定程度的改造作用,使煤的大分子网络结构变得疏松,进而使微晶结构参数d_(002)整体增大。研究认为,溶剂作用后煤的谱学特征变化不仅与溶剂性质有关,还与无机酸处理顺序有关,由此使得官能团组成和大分子结构不同程度改变,进而影响ScCO_(2)对预处理煤的萃取效果。

人工裂缝参数对CO_(2)-ESGR中CO_(2)封存和CH_(4)开采的影响

目的页岩储层中的裂缝系统对CH_(4)产量和CO_(2)封存量有着重要的影响,不同的储层地质特征有其对应的最优压裂方案。对鄂尔多斯盆地延长组页岩储层人工裂缝参数对CO_(2)封存和CH_(4)开采的影响进行分析。方法基于鄂尔多斯盆地延长组页岩储层地质条件建立了页岩基质-裂缝双孔双渗均质模型,分析CO_(2)增强页岩气开采技术(CO_(2)-ESGR)中人工裂缝半长、裂缝宽度、裂缝高度、裂缝间距和裂缝数量对CO_(2)封存量和CH_(4)产量的影响。结果CO_(2)封存量和CH_(4)产量与裂缝半长、裂缝宽度和裂缝高度呈正相关,其中裂缝宽度的影响最大,从5 mm增加到25 mm时,最多可使CO_(2)封存量和CH_(4)产量分别增加112.69%和87.11%。裂缝间距和裂缝数量增加可提高CO_(2)封存量和CH_(4)产量,但水平井长度相同时裂缝数量增加对CO_(2)封存量和CH_(4)产量的影响幅度远大于裂缝间距,当裂缝数量从2条增加到6条,最多可使CO_(2)封存量和CH_(4)产量分别增加151.92%和137.81%。结论在开发过程中,合理增加人工裂缝的半长、高度、宽度和数量,可以实现高效CO_(2)封存和CH_(4)开采。

超临界CO_(2)强化页岩气开采技术研究现状及展望

介绍了页岩的储层特征,从页岩不同尺度渗流机理、CO_(2)/CH4竞争吸附原理及CO_(2)-水-页岩相互作用机理着手,分析了超临界CO_(2)在强化页岩气开采技术中的作用与优势,最后指出了超临界CO_(2)强化页岩气开采技术在技术经济性、设备研发以及环境风险等方面面临的挑战。

scCO_(2)强化页岩气开采与地下封存一体化展望

利用超临界CO_(2)开发页岩气是当前国际研究的前沿,开展该领域的研究对页岩气增产、CO_(2)减排、节约水资源具有重要的现实意义。scCO_(2)-ESGR技术可以显著提升页岩气的单井产量和采收率,同时可对CO_(2)实施就地埋存,减少碳的排放。在介绍超临界CO_(2)特性的基础上,着重论述了scCO_(2)-ESGR工艺的核心技术,剖析了scCO_(2)强化开采页岩气的技术优越性,并指出了其目前尚需解决的科学问题及存在的弊端和不足,最后提出了从室内理论研究和现场应用效果评价两方面出发,双管齐下,全面实现页岩气的高效开发和规模化生产。

超临界CO_(2)对烟煤Ⅰ型断裂韧性影响的实验研究

为探究超临界CO_(2)在强化开采煤层气(ScCO_(2)ECBM)过程中烟煤断裂力学的响应特征,对3种层理方向的烟煤试样开展超临界CO_(2)(ScCO_(2))不同吸附时长条件下的三点弯曲实验、低温氮气吸附实验,研究ScCO_(2)作用下烟煤Ⅰ型断裂韧度及其孔隙结构的变化规律。研究结果表明,烟煤的Ⅰ型断裂韧度随ScCO_(2)吸附时长的增加持续劣化,当吸附时间延长至30 d时烟煤Ⅰ型断裂韧度达到最低,且烟煤的断裂韧度大小为载荷正交层理型>载荷垂直层理型>载荷平行层理型。同时,随着吸附时间的增加,烟煤的比表面积和总孔体积的变化与断裂韧度基本一致,而平均孔径则呈相反趋势。这些微观结构的变化与其断裂韧性密切相关,从而造成烟煤的抗断裂能力弱化,研究结果可为预测ScCO_(2)ECBM过程中煤储层物性变化及评价CO_(2)封存的稳定性提供理论指导。

页岩气藏超临界CO_(2)压裂—提采—封存研究进展

为了解决页岩气开发过程中使用水基压裂液造成的耗水量大和储层伤害等问题,将CO_(2)注入页岩气藏,利用超临界CO_(2)(SCCO_(2))独特的物理化学性质,可在提高页岩气采收率的同时封存CO_(2),达到“利用与封存一体,增产与减排双赢”的效果。为实现SCCO_(2)强化页岩气开采与地质封存一体化,系统综述了SCCO_(2)页岩气压裂、置换驱替及地下封存的研究进展,梳理了目前研究存在的主要问题及技术瓶颈,并针对性地提出了未来研究方向。研究结果表明:①相较于水基压裂液压裂,CO_(2)进入储层后将弱化页岩的力学性能,导致起裂压力更低,并且易于形成更复杂、更粗糙的裂缝网络;②页岩对于CO_(2)的吸附能力远大于CH4,利于有效置换出CH4,且CO_(2)不会与CH4进行大范围的混合,而是倾向于对CH4进行类活塞状驱替,从而提高页岩气采收率;③目前缺乏定量评价不同封存机制对CO_(2)封存潜力贡献的计算模型,同时长时间尺度上CO_(2)与盖层相互作用机理及突破压力的变化研究有待完善;④提升SCCO_(2)携砂能力、解决地面与井下设备腐蚀问题、降低CO_(2)的捕集与运输成本,是超临界CO_(2)提高页岩气采收率(SCCO_(2)-ESGR)技术大规模工程应用的前提。结论认为,SCCO_(2)-ESGR为我国页岩气资源规模效益开采提供了一种绿色、高效的新技术,能够加快我国“双碳”战略目标的实现。

注CO_(2)提高页岩气采收率实验研究

注CO_(2)提高页岩气采收率(CO_(2)-ESGR)是一种既可以提高CH4采收率,又可以实现CO_(2)安全封存的技术,研究CH_(4)和CO_(2)在页岩上的动态吸附有助于更好理解CO_(2)-ESGR的动力学机制.以页岩样品为研究对象,利用高压吸附仪进行了不同温压条件下的吸附动力学实验.结果表明,CH_(4)和CO_(2)在页岩上的动态吸附均分为初期的快速吸附和后期的吸附平衡阶段,整个过程中气体的过剩吸附量和吸附速率都随压力增大而增大,随温度升高而减小.温度的升高虽然加快了气体的扩散,但却降低了气体的吸附量,总的结果是降低了气体在页岩上的吸附速率.当压力小于5 MPa时,CO_(2)在竞争吸附中占据优势,有利于CO_(2)-ESGR的实施.同时,利用准一级动力学模型计算了吸附速率常数,结果与实验结果相吻合.

ScCO_(2)作用下高阶构造煤吸附热变化特征及机制

CO_(2)注入深部煤层强化煤层气开采(CO_(2)-ECBM)具有减少温室气体排放、提高深部煤层气开采效率的意义。为了揭示深部煤层实施CO_(2)-ECBM中超临界二氧化碳(ScCO_(2))对不同破坏程度煤的吸附性的影响规律,对变质程度较高的贫煤和无烟煤开展ScCO_(2)改造试验,基于煤的矿物组成、孔隙性的差异和吸附热变化测试结果,探讨ScCO_(2)对高阶构造煤吸附热的影响机制。结果表明:ScCO_(2)对碳酸盐类矿物改造效果最好,其次是黏土矿物,而对石英影响最小;ScCO_(2)对贫煤的改造效果强于无烟煤,贫煤构造煤的积分吸附热大于原生结构煤,且ScCO_(2)改造后构造煤的积分吸附热增加幅度更明显;ScCO_(2)改造后,温度增加,强化了温度对煤样积分吸附热的影响,压力增加,无烟煤积分吸附热的降低幅度变大,而贫煤积分吸附热的增幅先变大后减小。

CO_(2)-ESGR技术全生命周期碳排放分析

在页岩气井开采后期,将CO_(2)注入页岩气藏可在提高页岩气采收率的同时实现CO_(2)地质封存(CO_(2)-ESGR),但目前对于CO_(2)-ESGR技术减碳潜力尚缺乏从全生命周期角度进行的研究。为此,分别以重庆市双槐电厂、涪陵页岩气田作为CO_(2)源和汇,采用全生命周期评价方法,建立了CO_(2)-ESGR技术全过程CO_(2)排放量核算模型,进而基于多场耦合作用下CO_(2)、CH_(4)渗流数学模型得到了CO_(2)封存量及页岩气产量,并系统核算了CO_(2)-ESGR全过程CO_(2)排放量,分析了CO_(2)注入压力、页岩中CO_(2)相对CH_(4)的吸附选择性系数(α_(CO_(2)/CH_(4)))等参数对CO_(2)净减排量的影响。研究结果表明:①CO_(2)注入压力和α_(CO_(2)/CH_(4))对于CO_(2)净减排量具有重要影响,α_(CO_(2)/CH_(4))越大,CO_(2)净减排量越大,CO_(2)注入压力增加,CH_(4)累计产量、CO_(2)封存量、CO_(2)净减排量均越大,不同CO_(2)注入压力条件下CO_(2)净减排量为0.85~2.06 tCO_(2)/tCH_(4),而在不同α_(CO_(2)/CH_(4))条件下可达1.59~5.45 tCO_(2)/tCH_(4);②CO_(2)捕集、运输、注入环节是影响CO_(2)-ESGR技术全生命周期CO_(2)净减排量的关键因素,需要考虑不同行业组合、源汇匹配情况对CO_(2)净减排量的影响,进而对全流程CCUS工程实施方案进行优化。结论认为:①该CO_(2)-ESGR工程CO_(2)封存量大于CO_(2)捕集、运输、注入及页岩气生产与利用环节的CO_(2)总排放量,可实现CO_(2)-ESGR全过程CO_(2)负排放,说明CO_(2)-ESGR是实现中国“碳中和”的重要技术路径之一;②下一步研究应综合考虑CO_(2)注入时机、压力、速率等工程参数以及页岩气储层条件等地质因素对于CO_(2)封存量和净减排量的影响,对CO_(2)-ESGR系统进行优化。

基于原位观测法研究超临界二氧化碳与水影响煤储层矿物和孔裂隙结构的新方法

CO_(2)提高煤层气采收率(CO_(2)-ECBM)技术能够在封存CO_(2)的同时增产煤层气,兼具碳减排和能源开发的双重效益。在深部储层高温、高压、含水状态下,超临界CO_(2)(ScCO_(2))-H_(2)O-煤体系会发生一系列的地球化学作用,进而导致煤储层矿物与孔裂隙结构发生显著变化,并直接影响CO_(2)-ECBM的有效性。通过室内物模实验,充分利用全自动矿物分析系统(AM)具有提供大尺寸高分辨率背散射图像的优势,实现了原位观测,并结合图像处理方法,对反应前后矿物和孔裂隙的参数变化进行定量分析,由此揭示了不同尺度矿物和孔裂隙在数量、面积及分形维数上的变化规律,形成了研究ScCO_(2)-H_(2)O-煤地球化学作用下矿物变化对孔裂隙影响机理的新方法。研究结果表明:①ScCO_(2)-H_(2)O对煤中碳酸盐矿物的溶解作用最为显著,而对长石、磷灰石和黏土矿物的影响相对较弱;②碳酸盐矿物的溶解和煤体的溶胀作用促进了新的孔裂隙和裂缝的形成,尤其是在直径大于10μm的孔裂隙;③碳酸盐矿物部分溶解可增加孔裂隙形态的复杂性,而晶胞型充填碳酸盐的完全溶解则会降低孔裂隙的分形维数。结论认为,该研究方法可更直观和科学地揭示ScCO_(2)-H_(2)O-煤地球化学作用下,矿物变化对孔裂隙的影响机理,还可应用于其他研究背景中储层物性原位改造的机理分析,如压裂液作用、微生物作用、酸化作用等。

“双碳”背景下泸州市天然气(页岩气)产业发展机遇

随着我国“双碳”目标的提出,能源转型必将经历一个从“品种更替”到“外部取代”的过渡期。天然气(页岩气)以其低碳、清洁、高效、灵活、易储等特点,在“品种更替”阶段将成为代替存量煤、石油的主要能源,在“外部取代”阶段将成为新能源的“伴侣”,弥补新能源的缺陷。泸州市页岩气资源丰富,未来的利用方向将主要集中在制氢、发电、城市燃气、LNG、化工原料等领域。

二氧化碳地下封存与页岩气开采联合技术研究进展

在介绍超临界二氧化碳特性的基础上,着重论述了scCO_(2)-ESGR工艺的核心技术,剖析了scCO_(2)强化开采页岩气的技术优越性,并指出了目前尚需解决的科学问题及存在的弊端和不足,最后提出了从室内理论研究和现场应用效果评价2方面出发,双管齐下,全面实现页岩气的高效开发和规模化生产。

页岩CO_(2)封存中的矿物溶蚀/沉淀特征及作用规律

超临界CO_(2)(scCO_(2))反应会引起页岩的物质成分和储渗条件发生动态变化,但目前对于以溶蚀/沉淀等为特征的水-岩反应及其作用规律研究鲜有报道。基于高压水热反应实验装置和系列表征测试,分析了scCO_(2)-水-页岩反应过程中页岩在化学组分、矿物成分、表面形貌和孔隙结构方面的变化特征,揭示了在CO_(2)封存条件下页岩产生矿物溶蚀、离子溶出和沉淀作用的规律。研究结果表明:在短期反应过程中,页岩主要表现出溶蚀特征,其内方解石形貌发生改变,次生溶蚀孔发育;在长期反应过程,页岩仍以溶蚀作用为主,并在局部伴有碳酸盐沉淀现象。溶蚀过程主要受方解石的发育条件控制,方解石溶蚀导致页岩的孔体积和比表面积增大;沉淀过程受以伊利石和伊/蒙混层为代表的黏土矿物的影响,二者含量的增加会导致更多碳酸盐沉淀产生。scCO_(2)-水-页岩反应总体上表现为一种以溶蚀作用为主、沉淀作用为辅的地球化学行为。在溶蚀/沉淀作用下,页岩的封存空间呈正向递增演化;方解石的溶蚀有利于提高页岩的封存能力;而黏土矿物可为CO_(2)的矿化封存提供必要的阳离子。研究页岩在CO_(2)封存中的溶蚀/沉淀特征有助于了解在CO_(2)封存条件下的矿物-流体地球化学作用规律,对于揭示页岩的CO_(2)地质封存机理和发展页岩气强化开采技术有重要的参考价值。

地质封存二氧化碳与深地微生物相互作用研究进展

地质封存将工业和能源相关领域生产活动产生的二氧化碳(CO_(2))进行捕集并注入到深部地下岩石构造中,以实现长期储存的目标,是降低温室气体排放、实现CO_(2)长期封存的重要可行性手段之一。向深部地下地质构造中注入大量CO_(2)会导致深地环境发生显著变化,进而引起原生微生物活性及群落结构发生明显改变。因此,地质封存CO_(2)能够直接或间接影响深地微生物驱动的生物地球化学过程。同时,微生物在短期和长期的超临界CO_(2)(scCO_(2))胁迫作用下,也会通过不同的适应性进化方式影响CO_(2)在地下环境中的迁移、转化和赋存形态。本文介绍了国内外二氧化碳捕获与封存发展现状以及地质封存CO_(2)影响条件下的scCO_(2)-水-微生物-矿物的相互作用领域的最新科研进展,并展望了利用深地微生物强化CO_(2)固定以及将其转化为高附加值产物的潜力。