流固耦合作用下含水层地下储气库天然气注采运移规律研究

针对地下储气库天然气注采运移过程中较少考虑应力场与渗流场相互耦合作用的不足,基于多孔介质弹性力学和渗流力学理论,建立了含水层型地下储气库天然气注采运移的流固耦合数学模型。首先通过对研究区块岩心开展三轴试验和应力敏感性试验得到储盖层的岩石力学参数和渗透率与有效应力的关系曲线,在此基础上建立了含水层地下储气库计算模型并对储气库天然气注采运移开展数值模拟研究,对比了耦合模型与传统渗流模型的计算精度;并重点讨论了储层渗透率、储层厚度、注入速率和排水量等参数对天然气运移规律的影响。计算结果表明:建立的流固耦合模型与传统渗流模型的计算结果具有较好的一致性,考虑流固耦合作用比非耦合作用下的储层压力增加1.04 MPa。含气饱和度随着储层渗透率和注入速率的增加而非线性增大,随着储层厚度的增大而非线性减小,随着排水量的增加影响不明显。     

变温条件下深部煤层瓦斯分布规律的数值模拟

深部煤层瓦斯运移过程及分布规律与温度场、瓦斯渗流场及应力场耦合密切相关.基于深部煤层瓦斯运移的热流固耦合模型,结合实际的煤层条件和实测数据,开展了煤层瓦斯赋存规律的数值模拟,研究了瓦斯压力和瓦斯含量分布规律的影响因素.结果表明:煤层渗透率是影响瓦斯压力分布的主要因素,其中煤体的有效应力系数、初始孔隙率、弹性模量以及吸附应变系数均对渗透率有着重要的影响;煤层瓦斯含量受瓦斯压力和煤层温度的共同影响,不考虑煤层温度预测得到的瓦斯含量结果偏大.     

承压含水层地下水开采流固耦合渗流数学模型

以饱和多孔介质流固耦合渗流数学模型为基础,推导建立了适合描述承压含水层地下水开采过程渗流与地面沉降耦合的二维数学模型。并给出了一承压含水层定产量开采的数值算例,计算得出了渗流场的分布特征和中心位置地面沉降量的变化规律,探讨了流固耦合效应。结果表明,考虑耦合效应与否对于计算结果影响较大,本文模型更能反映流固耦合渗流的物理实质。随着时间增长孔隙压力减小,孔隙压力消散的程度越来越快;含水层内部的流固耦合作用较强,而其边界处因受边界条件约束,耦合效应表现则不够明显。中心沉降量随时间增长而迅速增大,且很快趋于稳定,固结沉降速度之快,说明流固耦合效应影响之大。这对于进一步深入认识因地下水开采而诱发的地面沉降机理及制定相应的防治措施都有重要的理论意义和指导作用。     

污染物在二层非饱和土中运移过程综合分析

假设填埋场下部为具有压实黏土衬里（CCL）、下卧土层及含水层的三层结构体系,基于Richards方程,在稳态渗流下,得到了CCL与下卧土层体积含水率的解析解.依据污染物在多孔介质中运移机制,建立了污染物在包含两层非饱和土层的三层结构体系中运移的一维计算模型.在计算模型中分别考虑了CCL的非线性吸附特性、污染物运移过程中的生物降解特性、垃圾的生物降解特性等.采用所建立的数学模型,对某一假想填埋场进行了具体计算,通过变动参数计算与分析,探讨了各种因素对污染物运移的影响.计算结果表明,非饱和土层的吸附与生物降解可显著影响污染物运移,特别是CCL的吸附与生物降解特性影响更为显著,为污染物运移的控制因素.非饱和土的体积含水率较大时,含水率变化对污染物运移影响较小.     

页岩气藏流固耦合数学模型

页岩层是超低渗透率的储气层,页岩气藏开采过程中流固耦合效应表现明显.基于渗流力学和Biot固结理论,综合考虑页岩气藏储层的启动压力梯度,页岩气渗流过程中的解吸附,建立了一个适用于滑脱流、孔内扩散等页岩基质孔隙内所有气体流态形式的流固耦合数学模型.页岩气开采流固耦合数学模型包含了气体渗流和页岩变形相互作用的耦合项,必须进行耦合求解.使用显式迭代编制相应程序求解其数值解,计算结果表明,考虑流固耦合和不考虑流固耦合对页岩气开采过程中压力分布影响较大,考虑流固耦合情况下,压力降低趋势比不考虑耦合情况下要快,更符合实际开采情况.流固耦合现象对页岩气渗流过程影响较大,页岩气开采过程中必须考虑流固耦合影响.     

基于多孔介质模型的土壤次生盐渍化过程模拟

运用多孔介质"七场一相变一扩散"模型(简称七场模型),结合多孔介质溶质运移理论,建立了土壤热、湿、气及盐分耦合运移的数学模型.与一般研究溶质运移的模型不同,计算模型中所涉及的变量均在模型内求解,使模型具有较好的封闭性和相对的独立性.通过数值模拟研究了土壤中的盐分上升过程,结果表明模拟盐分上升趋势与实验结果一致,但模拟精度仍有待提高.     

溶解气运移特征砂槽模型实验研究

借助于砂槽承压含水层模型，以氩溶解气为研究对象，模拟气体聚集或稀释的异常源产生后，其在含水层中的运移过程。实验包括三组，分别模拟在不同的气源气体流量、水头压力和承压荷式、运移速率和溶解气贩运移过程。在实验的基础上，分析研究氩溶解气的运移特征（主要包括运移模式、运移速率和溶解气峰值含量）与气源气体流量、水位和承压载压力的关系。结果表明氩溶解气在低流量的范围内呈现出与离子类似的弥散特征，与离子不同的是     

采用热固双向耦合模型的转子热应力计算方法研究

为准确计算汽轮机转子在启、停机过程中的热应力,建立了转子瞬态温度场、应力场分析的热固双向耦合轴对称计算模型。该模型在考虑转子温度场对应力场影响的同时,也考虑了应力场对温度场的影响。采用热固双向耦合有限元模型计算了某超超临界660MW超高压转子的瞬态温度场和热应力场,并研究了热固双向耦合和单向模型计算结果的差异。计算结果表明:在转子启动过程中,温度与变形之间的耦合作用会随主蒸汽和转子表面温差增大而增强,当转子表面初温与主蒸汽温差为280℃时,两种模型计算出的转子最大热应力相差6.6%。因此,在转子表面热冲击较大的情况下,应选择热固双向耦合模型进行转子热应力计算。     

深部咸水层二氧化碳沿断层泄漏的运移规律研究

以深部咸水层二氧化碳地质封存为背景,基于多组分多相流运移理论,对咸水层储存二氧化碳沿断层泄漏的运移规律进行研究。建立二维多岩相结构模型,通过数值方法分析二氧化碳在断层通道和上覆岩层中的运移规律,以及运移过程中二氧化碳相态的变化特征,并对断层的渗透率进行敏感性分析。结果表明,深部咸水层二氧化碳在浓度差和压力差作用下沿断层通道向上覆岩层运移。二氧化碳的密度比水小,重力差使二氧化碳受到向上的浮力,因此在岩层中二氧化碳的分布特征整体上呈类似漏斗的形态。随着泄漏的进行,二氧化碳不断驱替断层通道中的水分,密度减小;随着两相流变成单相流,断层通道逐渐被蒸干。此外,断层渗透率是整个泄露过程中流体运移的重要影响因素。     

线性等温吸附条件下有机污染物在地下饱水带中迁移的数学模型及参数分析

为研究在固-液界面的吸附降解等行为对饱水带中的有机污染物的迁移转化过程的影响,综合考虑有机污染物在饱水带中的扩散、吸附解吸、分配以及微生物降解作用,根据线性等温平衡吸附理论,建立了地下水流动方程与有机污染物在饱水带中迁移方程耦合的数学模型,探讨了模型中的分配系数及溶解项、吸附项的一阶反应速率等参数的改变对有机污染物运移规律的影响.结果表明,随着分配系数的增大,有机污染物因固相介质的吸附和截留而被限制其随地下水迁移;微生物降解作用对有机污染物的浓度有重要影响,随着反应速率的改变,污染物在固相和水相中的浓度迅速改变.本文的研究结果为定量描述溶质迁移过程提供理论依据,同时也为实验室中模型参数的测定提供可靠的依据.     

CO2地质封存技术及其同位素在咸水层的化学行为研究进展

 深部咸水层是CO₂地质封存的主要封存地, 因所处地质背景和在地质历史过程中经历的地球化学环境不同, 其地球化学行为也各不相同。本文综述地质封存空间与封存量、地质封存类型、同位素标记CO₂在咸水层的化学行为的研究进展。分析表明, 目前关于CO₂地质封存的研究在现象实验、模拟和现场实验方面都取得了初步进展, 但对CO₂注入地下后的行为过程仍有很多未解决的理论和技术难题;CO₂地质封存监测方法的选择主要取决于具体的场地条件和场地的风险情况, 未来技术发展主要集中于封存场地评价与储层响应监测技术。     

盐水层CO2埋存潜力及影响因素数值模拟

 温室气体CO₂使全球气候变暖,对人类生存和社会经济发展构成了严重威胁。研究表明,沉积盆地深部存在体积巨大的盐水层,盐水不宜开发利用,但可用来埋存CO₂。本文首先对盐水层CO₂埋存机制进行研究分类,得到盐水层CO₂埋存量计算公式,在对埋存机制及公式分析的基础上,运用Eclipse数值模拟软件,通过数值模拟的方法综合分析水平渗透率、纵横渗透率比值、地层韵律、地层矿化度及温度对盐水层CO₂埋存的影响,并对各影响因素进行了系统评价。结果表明,盐水层的渗透率、纵横向渗透率比值、沉积韵律是影响盐水层CO₂埋存量的主要因素,盐水层的矿化度和温度是影响CO₂溶解量的主要因素。     

盐水层中CO2扩散半径的计算方法

 CO₂地质埋存是温室气体资源化利用及减少大气温室气体排放的有效途径之一。在深部咸水层中实施CO₂地质埋存的减排处理,是减缓温室效应最有效的现实选择。针对CO₂在地下盐水层的埋存过程中,其超覆盐水层后存在渗漏和逃逸的风险,基于Buckley-Leverett驱油理论,研究并推导出CO₂对盐水层非活塞式驱动半径的计算公式,准确计算CO₂的扩散半径。计算结果表明,该计算式不仅可为CO₂盐水层封存的工程实践提供必要的理论依据,还为获得封存后存储介质中CO₂逸散风险的控制提供长期预测和数据的支持。     

Carbon dioxide release from the North Pacific abyss during the last deglaciation

Atmospheric carbon dioxide concentrations were significantly lower during glacial periods than during intervening interglacial periods, but the mechanisms responsible for this difference remain uncertain. Many recent explanations call on greater carbon storage in a poorly ventilated deep ocean during glacial periods, but direct evidence regarding the ventilation and respired carbon content of the glacial deep ocean is sparse and often equivocal. Here we present sedimentary geochemical records from sites spanning the deep subarctic Pacific that--together with previously published results--show that a poorly ventilated water mass containing a high concentration of respired carbon dioxide occupied the North Pacific abyss during the Last Glacial Maximum. Despite an inferred increase in deep Southern Ocean ventilation during the first step of the deglaciation (18,000-15,000 years ago), we find no evidence for improved ventilation in the abyssal subarctic Pacific until a rapid transition approximately 14,600 years ago: this change was accompanied by an acceleration of export production from the surface waters above but only a small increase in atmospheric carbon dioxide concentration. We speculate that these changes were mechanistically linked to a roughly coeval increase in deep water formation in the North Atlantic, which flushed respired carbon dioxide from northern abyssal waters, but also increased the supply of nutrients to the upper ocean, leading to greater carbon dioxide sequestration at mid-depths and stalling the rise of atmospheric carbon dioxide concentrations. Our findings are qualitatively consistent with hypotheses invoking a deglacial flushing of respired carbon dioxide from an isolated, deep ocean reservoir, but suggest that the reservoir may have been released in stages, as vigorous deep water ventilation switched between North Atlantic and Southern Ocean source regions.     

Evidence for decoupling of atmospheric CO2 and global climate during the Phanerozoic eon

Atmospheric carbon dioxide concentrations are believed to drive climate changes from glacial to interglacial modes, although geological and astronomical mechanisms have been invoked as ultimate causes. Additionally, it is unclear whether the changes between cold and warm modes should be regarded as a global phenomenon, affecting tropical and high-latitude temperatures alike, or if they are better described as an expansion and contraction of the latitudinal climate zones, keeping equatorial temperatures approximately constant. Here we present a reconstruction of tropical sea surface temperatures throughout the Phanerozoic eon (the past approximately 550 Myr) from our database of oxygen isotopes in calcite and aragonite shells. The data indicate large oscillations of tropical sea surface temperatures in phase with the cold-warm cycles, thus favouring the idea of climate variability as a global phenomenon. But our data conflict with a temperature reconstruction using an energy balance model that is forced by reconstructed atmospheric carbon dioxide concentrations. The results can be reconciled if atmospheric carbon dioxide concentrations were not the principal driver of climate variability on geological timescales for at least one-third of the Phanerozoic eon, or if the reconstructed carbon dioxide concentrations are not reliable.     

不可采煤层CO2封存的数值模拟

将CO2注入不可采煤层进行封存(CO2-ECBM)能在封存CO2的同时回收甲烷,因而是一项具有良好前景的CO2处置技术。CO2或者CO2/N2混合气注入煤层后在煤层中运移涉及到多组分气体在煤中的吸附、多组分气体以及气、水两相在煤层中的扩散渗流等过程。基于上述过程,建立了考虑煤基质吸附气体后的膨胀效应、能够描述多组分气体在煤层中吸附/解吸扩散渗流过程的数学模型,并采用数值解法对模型进行了求解,与已有的模拟结果比较表明建立的模型是可靠的;利用该模型研究了煤层渗透率、不同气体差异性吸附膨胀系数、煤对CO2/CH4的吸附比、以及注入气体组成对于CO2封存以及煤层气生产的影响,研究结果可以为CO2-ECBM项目的场地条件选择以及工艺参数的优化提供依据。     

地下含水层热储井位置选择和布置

地下含水层热储开发技术面临一系列问题,寻找适合热储用的含水层和合理布置热储井是解决问题的第一步.综合考虑含水层的地质结构特征,适合热储的含水层应该是承压含水层,热储应该采用同层方式.单个热储井的影响半径可以通过热平衡和热扩散原理求得.合理布置热储井间的相对位置,可以有效抵消原有地下水的流动以及渗流系数不一致的影响.利用井之间的渗流耦合作用,在热储井之间布置调节井,主动控制热储水的波及范围,可以实现热储井布置的相对"紧凑".     

深井灌用过程中水温及蓄热量计算

深井冬灌夏用,利用地下含水砂层进行蓄热虽已有多年历史,但对其蓄热效率及灌回水温度的理论计算方法尚感不足。本文提出一个较为简化的计算模型,在不考虑地下水流失条件下求解蓄热效率和灌用水温度之间的关系。文中导出冬季灌水过程中地下含水砂层的温度场和夏季抽用水温度变量的基本方程。在此基础上又进一步提出实用计算方法来求解连续三年在冬灌结束、夏用开始时和冬灌开始时地下砂层的温度分布,以及夏用时的抽用水温度。并引倒说明此方法的计算结果基本符合实际运行中测得的数据。     

二氧化碳地质封存联合深部咸水开采技术进展

 CO₂捕集、利用与封存(CCUS)技术具有很大的发展前景,而CO₂地质封存联合深部咸水开采技术(简称CO₂驱水技术,CO₂-EWR)作为一种新型的CCUS技术,可在实现CO₂深度减排的同时缓解水资源紧缺现状,对于以煤为主要能源结构的中国来说,是一种确保国家能源安全的双赢选择。根据中国含水层系统类型,中国陆地可大致划分为3个CO₂-EWR利用分区,考虑到该技术的研发程度及成本预测,西部地区的煤电煤化工企业具有早期机会,因此本文主要针对西部地区煤化工企业(一区)展开分析与评价。概述了CO₂-EWR技术的概念、意义及研究现状,探讨了其技术链条中各要素技术,展望了CO₂-EWR技术的前景及重要发展方向。