CO2注入对煤储层应力应变与渗透率影响的实验研究

以沁水盆地成庄矿煤样为研究对象,利用实验室自主研发的CO₂注入与煤层气强化开采实验模拟装置进行不同有效应力和CO₂吸附压力下的煤岩渗透率测试。实验结果表明,煤岩的裂隙压缩系数受到CO₂吸附的影响,初始状态下、亚临界CO₂吸附和超临界CO₂吸附煤样裂隙压缩系数分别为0.066、0.086和0.089。引起裂隙压缩系数改变的原因主要有两方面：CO₂和煤中矿物反应提高了煤基质的不连续性;CO₂软化了煤基质同时降低了煤岩的力学性质。利用考虑吸附应变以及内部膨胀系数的渗透率模型对实测渗透率进行拟合,发现有效应力和内部膨胀系数成正比。CO₂吸附压力和有效应力的增大均提高了煤岩的内部膨胀系数,这影响了煤岩孔裂隙的开度,降低了煤储层的渗透率,并最终降低CO₂在煤储层中的可注性。     

CO2吸附对煤岩热弹性模型影响的理论解释

引入煤岩对气体的吸附势函数，并假定吸附势函数是引起多孔介质变形和应力的一个因素，给出了考虑CO2吸附的煤岩热弹性模型的一般形式，分析了CO2吸附对煤岩热弹性模型的影响。结果表明，在弹性范围内，吸附势函数是通过改变热传导方程和热传导的热力学限制条件来间接影响介质的应力和变形的。而对应力一应变之间的关系表达式的形式没有影响。一旦给出自由能函数和吸附势函数的形式，就可以确定考虑气体吸附条件下介质的热弹性本构模型。     

CO2驱煤层气中煤层膨胀对套管稳定性的影响

随着中国经济的快速发展,能源供需矛盾日益突出,由于过度依赖化石能源,大量排放CO2,致使面临的环境压力越来越大。CO2驱煤层气(CO2 enhanced coal-bed methane)技术可同时增产煤层气和大规模减排CO2,在我国具有良好应用前景,但应用该技术在注采生产过程中因煤层吸附CO2产生的膨胀效应对套管稳定性的影响尚未引起重视。通过建立考虑CO2煤岩吸附膨胀效应的套管-充填材料-煤岩平面应变模型计算的套管应力和变形理论解与ABAQUS数值模拟结果具有良好的一致性,并分析了CO2吸附膨胀条件下套管应力的影响因素。分析结果表明,膨胀对套管应力和变形具有显著影响。在给定CO2吸附浓度和套管内径条件下,套管和充填材料的壁厚、充填材料和煤岩的力学参数是影响套管应力的主要因素,可通过增加套管或（和）充填材料壁厚以及改变充填材料力学参数来降低套管应力。开发超低弹模和较大泊松比的充填材料是降低套管应力的有效途径。     

CO2-ECBM技术的环境效益评价模型研究

为解决能源需求与温室气体减排之间的矛盾,采取CO2地质储存方案。地质储存CO2的方法有：非开采煤层储存;含盐贮水层储存;海底储存;地面储存。建立环境效益评价模型,对CO2注入非开采煤层提高煤层气采收率的储存方法进行环境效益评价。结果证明,模型可行,非开采煤层储存CO2的环境效益显著。     

荷载对重塑煤体吸附特性的影响

碎软煤的完整原样制取困难,需要加工制成重塑煤体,为了研究不同压制荷载对煤体物性特征的影响,以重塑煤体为研究对象,基于低温液氮的孔隙测试实验和高压容量法的甲烷吸附实验,探讨不同成型荷载而成的重塑煤体的微小孔结构及其吸附特性的差异。结果表明:不同成型荷载压制而成的重塑煤体,其微孔和小孔的孔容随着成型荷载的增大而略微减少,孔比表面积随着成型荷载的增大而略微增加,总孔体积减少和孔比表面积增加的幅度不大;通过分形理论发现无论高压段还是低压段,孔隙结构具有明显的分形特征,且在高压段的分形维数普遍低于低压段,不同荷载压制而成的重塑煤体的分形维数差别不大;等温吸附线均符合第Ⅰ类等温吸附曲线,Langmuir模型适用于描述重塑煤体的等温吸附,成型荷载对煤的吸附常数有一定的影响,其对吸附常数b值的影响大于对a值的影响。研究不同成型荷载下重塑煤体的吸附特性,为不同条件下型煤制作及冷冻取心实验提供参考。      

火山岩吸附CO2气的成藏潜力及实例分析

火山岩的脱气实验和对昌德东CO2气藏气源的分析结果表明:加热火山岩到250℃时,脱出挥发分总量为0.0299～0.0790mL/g,其中CO2脱出量为0.0218～0.0706mL/g(0.429～1.387wt%);挥发组分以CO2为主,还含有H2、CO、CH4等还原性气体,以及少量低碳烷烃,CO2含量和总烃呈现反比关系;基性岩的CO2脱出量、脱出率高于中、酸性岩;CO2脱出量与岩石碱质含量正相关.松辽盆地北部昌德东CO2气藏成藏模式为“自生自储“,成藏CO2气主要来自深部被火山岩吸附的气.随岩浆上升,在岩浆冷凝成火山岩的过程中被吸附于火山岩的节理、劈理和晶体位错之中的CO2气,连同火山岩包体中的残留气,成为高纯CO2气藏的主要补给源,并非地幔气体沿大断裂上来直接充注成藏.     

碳酸盐岩岩溶作用对大气CO2沉降的贡献

精确预测大气CO2的未来变化对于预测全球气候变化是至关重要的.为此,需要确定大气CO2的源和汇及其随时间的变化.本文作者利用已发表和未发表的资料对一些实例进行了分析:首先讨论了碳酸盐岩岩溶作用(包括碳酸盐溶解及再沉积的共同影响)对土壤CO2和径流变化的敏感性;接着利用水化学-流量方法和碳酸盐岩石片试验方法得出了我国和世界碳酸盐岩地区因碳酸盐岩岩溶作用从大气中吸收的净CO2总量,即碳酸盐岩岩溶作用对大气CO2沉降的贡献.它们分别是:中国每年1800万tC,整个世界岩溶地区1.1亿tC;最后,文章据DBL理论模型计算得出世界碳酸盐岩地区碳酸盐岩溶解吸收CO2一项产生的大气CO2沉降量为每年4.1亿tC,继而得出全世界碳酸盐岩地区因碳酸盐再沉积而释放CO2产生的大气CO2源项为每年3亿tC.     

初始含水率与竖向应力对弱膨胀土残余强度的影响

通过残余强度试验仪对合肥地区弱膨胀土进行四次反复剪切,可以证明弱膨胀土残余强度受初始含水率和竖向应力的影响。试验结果显示:初始含水率越高,竖向应力越大,残余强度下降幅度越大,高达60. 4%。竖向应力为100k Pa、200 k Pa作用下,初始含水率与弱膨胀土残余强度呈线性关系;竖向应力为300 k Pa、400 k Pa作用下,初始含水率与弱膨胀土残余强度呈指数关系。研究发现,初始含水率较低时,通过反复剪切试验可以得到弱膨胀土稳定的残余强度;初始含水率较高时,通过反复剪切试验不能得到稳定的残余强度,建议采用环剪试验。合肥地区弱膨胀土初始含水率分布范围在主要集中在18%～21%,可采用反复直剪试验测得弱膨胀土残余强度。该试验结果对合肥地区膨胀土边坡稳定性分析以及滑坡防治等具有重要意义。 更多还原     

土著微生物对CO2地质储存过程中水岩作用的影响

为了研究土著微生物对CO2地质储存过程中水岩作用的影响,进行了摇瓶实验和高压釜模拟实验。结果表明:细菌的作用促进了含钙碳酸盐的形成;真菌使固碳离子的溶出量增大;放线菌促进了含铁碳酸盐的形成。细菌实验组与高压釜模拟实验中岩石样品表面均形成了未知的硅铝酸盐矿物,这些硅铝酸盐的沉淀为CO2的固定起到积极的作用。如果反应时间足够长,溶液中的碳酸盐就可能以方解石、菱镁矿、菱铁矿等矿物的形式析出,从而实现CO2在地下的永久储存。     

多孔介质应力对孔隙压力影响的研究

通过大量的现场测试发现 ,含瓦斯煤岩是一个复杂的系统 ,煤体应力的变化是引起其他一系列变化的主导因素。随煤体应力的变化 ,孔隙压力呈指数形式变化 ;介质的渗透性受孔隙压力梯度的控制。     

Feasibility study of CO2 geological storage in China

It has been proved to be one effective means to reduce emissions of CO2 to mitigate the worsening global climate change through lots of projects and tests about CO2 geological storage. The sites that are suitable for CO2 geological storage include coal seams that can not be mined, deep saline aquifers, oil fields, and depleted gas fields. The emission of CO2 from fuel combustion is about 3.54 Gt in China in 2003, which is the second biggest in the world. Because the energy consumption in China mainly depends on fossil fuels for a long time in the future, China will become a country with the biggest emission of CO2 in the world, which will make China have to reduce the emissions of CO2 by some methods including geological storage. Based on lots of information about the reserves of coal seam methane and the rank of coal in the 68 coal basins in China, the total CO2 storage capacity in these coal basins was estimated according to the recovery coefficient and exchange ratio of CO2 to CHa.The total storage capacity in deep saline aquifers can be regarded as the total quantity of CO2 that can be dissolved in the saline aquifers at the depth from 1000m to 3000m under ground. The quantity can be estimated by multiplying the solubility of CO2 in the saline water and the volume of the appropriate aquifers. According to the reserve and quality of crude oil in 46 main oil basins in China, the CO2 storage capacity and the quantity of enhanced oil were calculated. The storage capacity of depleted gas fields can be derived from the reserve and depth of the gas fields. The total CO2 geological storage capacity is about 196.2 Gt CO2 that is as against 55.4 times the CO2 emission from fuel combustion in China in 2003. According to the results of the finished projects and tests about CO2-EOR and CO2-ECBM, the CO2 geological storage capacities in coal seams, deep saline aquifers, oil fields and depleted gas fields will be estimated.     

煤体吸附膨胀变形模型理论研究

为了深入探讨煤体吸附瓦斯发生膨胀变形效应的力学行为,基于煤-气吸附界面的表面自由能变化等于煤体弹性能的变化基本假设,从理论上推导了煤体吸附膨胀模型中吸附膨胀变形表达式和吸附膨胀应力表达式,模型中各参数的物理意义明确。通过已有的试验数据分别从低气体压、中气体压和高气体压3个角度对吸附变形模型的适用性和正确性进行了验证。模拟结果表明,模型预测数据与已有的试验数据吻合度较高,能够很好地描述不同气体在不同压力条件下的煤体吸附膨胀差异性,拟合精度均较高;在综合考虑吸附膨胀应力和气体压力对煤体吸附膨胀变形影响前提下,忽略吸附气体体积Va对煤体吸附膨胀变形的影响。     

江苏省CO2 煤层地质封存条件与潜力评价

根据江苏省石炭-二叠纪煤系的分布、煤炭资源量和煤层的储集条件等煤封存CO2地质条件的综合研究,分别对苏南 煤田、徐州煤田、丰沛煤田煤层封存CO2的潜力进行了初步评估,认为该区CO2煤层封存具有一定的潜力和前景。评估结果 表明江苏省煤层可存储CO2总量超过3×108 t,其中苏南含煤区可存储CO2容量为8.1×107 t,徐州煤矿区可存储容量近1.5× 108 t,丰沛煤矿区为8.7×107 t。并对各典型含煤区块CO2煤封存前景进行分类 ：适合存储区（ A 类）、较适合存储区（ B 类）和较差存储区（C类）。     

煤电阻率与其瓦斯含量关系的实验研究

煤体中的瓦斯含量能显著影响煤的电阻率,本文利用高精度电阻测试实验装置,在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下,对煤样的电阻率随瓦斯含量的变化规律进行测定。研究结果表明:煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下,电阻率随着瓦斯吸附量增大先逐渐减小,后趋于平稳;等体积吸附(静态吸附)时电阻率改变较连续吸附(动态吸附)明显,且等体积解吸结束时,煤体电阻率距离原始值较远;在瓦斯解吸过程中,煤体电阻率随煤中瓦斯含量增大呈线性减小。研究结果为利用煤体电阻率与瓦斯含量的线性关系预测矿井瓦斯含量提供了理论依据,对指导现场的瓦斯含量测量具有重要意义。     

CO2流体对岩屑长石砂岩改造作用的实验

通过密闭容器中CO2-H2O-砂岩体系相互作用实验,研究了不同温度和压力下CO2流体对岩屑长石砂岩成分的改造。反应后溶液中总矿化度的变化、样品质量的损失及扫描电镜(SEM)的观察结果表明:长石、方解石和石英的溶蚀强度随温度的升高而增大,CO2流体对岩屑长石砂岩的溶蚀作用与温度正相关;同时通过扫描电镜观察发现,200℃和300℃时样品表面均有一种未知的铝硅酸盐矿物生成,并通过反应液的pH值及各种离子浓度的变化解释了CO2流体-砂岩相互作用过程中矿物溶解、沉淀的机制。     

A theoretical model for gas adsorption-induced coal swelling

Swelling and shrinkage (volumetric change) of coal during adsorption and desorption of gas is a well-known phenomenon. For coalbed methane recovery and carbon sequestration in deep, unminable coal beds, adsorption-induced coal volumetric change may cause significant reservoir permeability change. In this work, a theoretical model is derived to describe adsorption-induced coal swelling at adsorption and strain equilibrium. This model applies an energy balance approach, which assumes that the surface energy change caused by adsorption is equal to the elastic energy change of the coal solid. The elastic modulus of the coal, gas adsorption isotherm, and other measurable parameters, including coal density and porosity, are required in this model. Results from the model agree well with experimental observations of swelling. It is shown that the model is able to describe the differences in swelling behaviour with respect to gas species and at very high gas pressures, where the coal swelling ratio reaches a maximum then decreases. Furthermore, this model can be used to describe mixed-gas adsorption induced-coal swelling, and can thus be applied to CO₂-enhanced coalbed methane recovery.     

沁水盆地南部深部煤层超临界CO2吸附特征及其控制因素

为揭示深部煤层超临界CO₂（ScCO₂）吸附特征及其控制机理,以沁水盆地南部余吾矿、寺河矿、成庄矿的3号煤为研究对象,通过自制等温吸附仪进行了不同温度（45℃,62.5℃,80℃）、最高压力达到CO₂超临界压力以上时的等温吸附实验。研究结果表明：高温高压条件下ScCO₂吸附曲线不同于常温常压下CO₂吸附曲线,随压力升高ScCO₂过剩吸附量和绝对吸附量分别呈4段式和3段式变化,ScCO₂达到过剩吸附量峰值出现的压力点具有随温度升高向高压增高的特征;ScCO₂过剩吸附量远低于绝对吸附量,无法采用Langmuir吸附模型进行解释;温度对ScCO₂吸附抑制明显,水分对ScCO₂吸附没有起到抑制作用,灰分含量较高对ScCO₂吸附量有明显抑制作用,煤中高镜质组含量和高R_max对ScCO₂吸附具有较明显的促进作用;超临界状态下煤对ScCO₂的吸附量大小由微孔和过渡孔所控制,且与微孔比表面积大小有关,高变质煤对ScCO₂的吸附能力降低可能是因微孔中矿物充填所致。