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中气固作用对煤体应力和强度的影响分析

基于固体表面能下降是引起固体膨胀的动力源的理论,给出了煤体吸附CH4和CO2后的膨胀应力的计算公式,对CO2和CH4吸附引起的膨胀进行了计算和分析,为评估CO2注入煤层后吸附引起的膨胀对煤层力学稳定性的影响提供了理论依据。取Griffith断裂理论中临界应力为煤体强度指标,给出了煤体吸附气体后强度下降的计算公式,对煤体自由膨胀条件下吸附CH4和CO2强度降低的情况进行了对比分析。     

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.     

煤吸附气体诱导的基质膨胀研究进展

煤层渗透率变化是注气提高煤层气采收率过程中最为关注的问题之一,而煤的吸附膨胀是造成渗透率伤害的主控因素。系统总结了国内外有关煤吸附膨胀的研究成果,发现争议较多,认为其主要原因在于对膨胀机理的认识深度不够及研究方法不一。相对于膨胀计法和应力计法,光学法观测煤膨胀效应的精度较高,建议尽量采用大块的煤样,以增强对煤储层的代表性。在煤膨胀机理的研究中,建议重点分析煤大分子结构固有的力学性质,及CO2对煤分子结构可能造成的影响。     

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。     

不同煤级煤对H2S气体的吸附差异及吸附模型

为了研究不同煤级煤对H₂S气体的吸附差异及吸附模型,采集新疆气煤,山西潞安瘦煤、晋城无烟煤3个煤样进行了工业分析、煤岩分析和平衡水条件下的等温吸附实验。采用Langmuir,BET,D-R和D-A吸附模型,利用拟合软件对等温吸附实验数据进行了非线性回归拟合,并检验拟合程度。结果表明：煤对H₂S的吸附量随着煤化程度的加深而增加,为第Ⅰ类等温吸附线;其中Langmuir模型的拟合效果最好,n=1的D-A模型的拟合效果次之,BET模型的拟合效果较差,模型对实验数据的拟合效果与吸附模型中参数个数无明显关系;煤吸附H₂S可用单分子层吸附理论来解释。     

大气CO2浓度增加对中国区域植被蒸腾的影响

近几十年来,人类活动带来的化石燃料燃烧和工业过程引起了全球大气CO2浓度的显著增长,带来了一系列生态和环境问题,其中对地表蒸散发的影响就是一个重要方面.地表蒸散发及其分量植被蒸腾是能量和水量平衡的重要组分,直接影响着陆气相互作用和水循环系统.由于大气CO2浓度增加可通过减小叶片气孔导度从而抑制植被蒸腾,为量化这一影响,基于碳水耦合的蒸散发模型PML-V2和CMIP6的大气CO2浓度时空序列驱动数据,分别进行了考虑和不考虑大气CO2浓度逐年增加情况下的2组植被蒸腾模拟试验.通过对比2组结果分析了2001-2014年大气CO2浓度增加对中国区域植被蒸腾的影响.研究结果显示,在季节上,夏季大气CO2浓度增加对植被蒸腾的抑制作用最小,冬季最大;在数量级上,2001-2014年大气CO2浓度引起植被蒸腾变化在0～5％;不同生态系统比较而言,森林、耕地和灌丛生态系统受CO2浓度增加引起植被蒸腾的减小量较大,14年间减小量为15～20mm/a,而草地下降最小,约5 mm/a;在空间上,我国中东部受影响最大;CO2浓度引起植被蒸腾变化最敏感的区域是我国东南部地区.     

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。     

河北开滦矿区晚古生代煤对CO2 和CH4 气体吸附模型探讨

对河北开滦矿区不同变质程度的煤进行了纯CO2和纯CH4气体等温吸附实验,并用Langmuir模型、三参数BET模型和吸附势理论模型（DR,DA）对煤的吸附实验数据进行了拟合,检验了各模型的拟合程度。结果表明：中煤阶烟煤的马家沟矿9号煤（Ro, ran = 1.21%）对CH4和CO2吸附能力比低煤阶烟煤的林南仓矿11号煤（Ro, ran = 0.58%）的吸附能力大;在相同压力下,同一煤样对CO2的吸附能力明显大于对CH4的吸附能力。马家沟矿9号煤对CO2和CH4的等温吸附线具有典型的I型特征,各模型对其吸附行为拟合误差相差很小,可用Langmuir方程描述;林南仓矿煤等温吸附线较复杂,因用Langmuir描述误差较大,应优先选择误差较小的吸附势理论DA模型来描述其吸附行为。9号煤对CH4和11号煤对CO2和CH4的吸附均以单分子层吸附为主。     

CO2矿化封存条件下玄武岩溶解反应速率模型

实施CO2补集与地质封存是目前降低大气中CO2含量、减轻温室效应的有效途径。在所能利用的封存方式中,CO2矿化封存最为安全、稳定。在能实施矿化封存的岩石介质中,玄武岩封存潜力巨大,且岩石溶解反应过程是矿化沉淀过程的基础;因此,研究玄武岩溶解反应速率十分必要。在构成玄武岩的单一矿物与缓冲溶剂的反应速率模型的基础上,提出不同温度下玄武岩样品在超临界CO2水溶液中的溶解速率模型,并通过室内实验,利用采自山东省临朐县的玄武岩岩心样品,在45~100 ℃、10 MPa条件下,与超临界CO2－纯水反应,并运用最小二乘法确定模型中相关参数。同时利用57 ℃、72 ℃、92 ℃ 3个温度下的模型计算值与实验值对模型进行验证,结果证明了模型的准确性和可靠性,研究结果可直接应用于CO2地质封存条件下玄武岩溶解速率的计算。     

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.     

CO2地质封存中储层流体压力演化规律的解析模型

为使解析模型可以更加科学准确地描述储层中多相流体的迁移机制与压力演化规律,提高解析计算与分析的精度。首先将储层中的流场划分为3个区域,然后根据渗流体积守恒方程反演储层中两相流体混合渗流区的各相流体饱和度,进而将总流度直接引入到达西公式中得到了一个适用于两相流的广义达西公式,据此推导出了一个更为精确的表征储层流体压力演化规律的解析模型。最后,通过案例分析,将该解析模型的计算结果与既有文献的显式积分解及TOUGH2/ECO2N的数值解进行对比,验证了该模型的可靠性及相比于既有文献的显式积分解在计算精度方面的优越性。此外,计算结果也表明,该解析模型虽然是在稳态流的假定条件下得到的,但对于实际储层流体压力演化的全过程均具有很强的表征能力,这主要归因于该模型可科学准确地确定饱和度,因此,可以在工程中推广应用。     

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。     

非平衡吸附模型在研究渗滤液对土壤污染影响中的应用

分析了有机污染物在土壤中的迁移转化机理，建立了非平衡吸附作用下渗滤液中有机污染物在土壤中迁移转化的动力学模型，给出了模型的数值解法，模拟出渗滤液在非平衡吸附作用下的污染过程；同时还探讨了模型参数降雨量p，垃圾土土层的厚度h，含水率θ等对有机污染物运移的影响。结果表明：在总的污染源一定的情况下，降雨量的增大和污染土层厚度的增大会使得下层土壤中有机物的浓度降低，为定量研究有机污染物在土壤-水环境系统中分配与归宿提供理论依据，同时也可为监测、治理和恢复地下水污染提供一定的科学根据。     

我国CO2捕集与封存的技术路线探讨

地球温暖化问题已引起全球的密切关注,CO2是促成地球温暖化的主要因素。为了缓解地球温室效应,将大气温室气体浓度稳定在一个安全的水平上,必须减少CO2排放。CO2捕集与封存（CCS）是一种新型岩土工程,具有规模大、潜力大、成本较低、技术成熟度较高、与化石能源结构相容性好等特点,被认为可能具有较高减排贡献度,能够降低综合减排成本和减缓能源结构转变带来的经济冲击。国外已投入了很大的研发资金并且制定了研发路线。中国的研究才刚刚起步,尚未制定开发路线。根据大量调查分析,提出了中国中长期CCS研发技术路线。