N-doped porous graphene for carbon dioxide separation: a molecular dynamics study

Using molecular dynamics simulations, it is shown that N-doped porous graphene membrane can efficiently separate CO₂ from the CO₂/CH₄ mixture. The effects of pore rim modifications, N-doping sites, initial gas pressure, and feed gas compositions on CO₂ separation performance of N-doped porous graphene membrane are also examined. It is found that gas permeability increases with increasing initial gas pressure or the feed gas percentages. Pore rim modifications with nitrogen atoms (pyridinic N) can significantly improve the selectivity of CO₂ over CH₄ owing to the enhanced electrostatic interactions compared to the unmodified one, and the all-N-modified pore-16 shows the highest CO₂ selectivity over CH₄ (~29). Doping N atoms on the graphene sheets (quaternary N) has little effect on the CO₂ selectivity. Our study demonstrates that the N-doped porous graphene is an excellent candidate for CO₂ separation, which may be beneficial for the realization of a low carbon society.     

基于LBM方法的天然气水合物沉积物中多相流动规律研究

根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点,提出将格子Boltzmann方法(LBM)用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律研究的新方法,该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法,是用格子Boltzmann模型对多孔介质中水合物生成、分解过程中饱和度的变化影响多孔介质渗透率的特性进行模拟.模拟结果表明,多孔介质...     

基于温度与压力双重作用的致密储层渗透率定量评价模型

为了建立油气开采过程中,储层渗透率随温度、孔隙压力变化而改变的定量评价模型,假定岩石仅产生弹性变形,根据多孔介质弹性力学理论,推导出岩石孔隙体积和尺寸的应力-应变关系;再应用管流模拟渗流,根据Kozeny-Carman方程得到渗透率随温度、孔隙压力变化的定量计算模型.针对常规渗透率测试存在的问题,改进实验方法,模拟真实储层温度压力条件,开展了岩心力学和渗透率同步实验.研究结果表明,模型计算的渗透率损失与实验测试结果吻和良好.模型适用于裂缝不发育的致密岩石在弹性变形范围内的渗透率定量计算.随着油气采出,孔隙压力下降,导致渗透率减小,而地层温度降低,导致渗透率增大,这两方面对渗透率的影响具有相互抵消的作用.因此,由于温度、孔隙压力变化引起的储层岩石渗透率总体变化很小,一般不超过±2％.     

变形介质的变形机理及物性特征研究

变形介质气藏在开发过程中,孔隙压力随流体的流出而下降,使储层内外压差增大,孔隙受到压缩而体积缩小,孔隙度和渗透率随之降低,极大地影响到此类气藏的开采。主要阐述了多孔介质发生变形的类型,并从多孔介质的微观物理特性(包括物质组成,单元体类型及它们之间的接触关系、排列方式和胶结方式)来分析对其发生变形的影响。还通过实验,分析了变形介质的孔隙体积、孔隙度和渗透率随压力而发生的变化规律。实验表明,随着净围压的升高,孔隙体积缩小,孔隙度和渗透率降低。与孔隙度相比较,渗透率受压力变化的影响更明显。因而,在变形介质气藏的开采过程中,保持气藏内部的原始压力对稳产、高产及延长气藏的开采时间有重要意义.     

低渗透砂岩气藏渗流特征及渗透率下限研究

针对川中须家河组低渗气藏含水饱和度高、气井单井产能低、稳产困难的现状,急需优化调整生产方案提高产能。为此,通过计算机断层扫描(computed tomography, CT)技术分析了不同类型储层的孔隙结构特征及其影响;其次,在地层条件下进行实验研究了不同类型岩心的气-水两相、气相单相的渗流特征,并确定了气藏开发的渗透率下限。研究表明,与孔隙度、孔喉半径相比,孔隙类型对渗透率的影响程度更高;随着含水饱和度的提高,气相流动能力大幅降低;束缚水条件下,孔隙型岩心内的气相流动存在启动压力梯度;当生产压差为16 MPa和20 MPa时,对应的渗透率下限分别为0.34、0.27 mD。实际生产过程中,可以通过控制含水饱和度、提高储层渗透率或生产压差的方式提高气井产能。该研究对掌握低渗气藏的气相流动特征、优化调整生产方案具有借鉴意义。     

Hydrogen Adsorption on Metal-Organic Framework MOF-177

This review summarizes the recent literature on the synthesis, characterization, and adsorption properties of meal-organic framework MOF-177. MOF-177 is a porous crystalline material that consists of Zn4O tetrahedrons connected with benzene tribenzoate (BTB) ligands. It is an ideal adsorbent with an exceptionally high specific surface area (BET4500 m2/g), a uniform micropore size distribution with a median pore diameter of 12.7 ?, a large pore volume (2.65 cm3/g), and very promising adsorption properties for hydrogen storage and other gas separation and purification applications. A hydrogen adsorption amount of 19.6 wt.% on MOF-177 at 77 K and 100 bar was observed, and a CO2 uptake of 35 mmol/g on MOF-177 was measured at 45 bar and an ambient temperature. Other hydrogen properties (kinetics and heat of adsorption) along with adsorption of other gases including CO2, CO, CH4, and N2O on MOF-177 were also be discussed. It was observed in experiments that MOF-177 adsorbent tends to degrade or decompose when it is exposed to moisture. Thermogravimetric analysis showed that the structure of MOF-177 remains intact at temperatures below 330℃ under a flow of oxygen, but decomposes to zinc oxide at 420℃.     

特低渗油藏考虑启动压力梯度的物理模拟及数值模拟方法

从流体在低渗透多孔介质中的渗流机理出发,通过室内基础实验和基础理论研究,以及物理模拟和数值模拟方法,运用流体边界层理论,分析了由于启动压力梯度的存在而使得低渗储层产生非达西渗流的机理和规律,建立了描述低渗油气非达西渗流模型,并对特低渗长庆油田某区块一个菱形反九点注采井网进行了实例模拟计算。结果表明,启动压力梯度的存在不但降低了低渗透、特低渗透油田的开发指标,而且还增加了开采难度。增大注入率、缩小井距可以在某种程度上降低启动压力梯度的不利影响。     

Lattice Boltzmann method and its applications in engineering thermophysics

The lattice Boltzmann method （LBM）, a mesoscopic method between the molecular dynamics method and the conventional numerical methods, has been developed into a very efficient numerical alternative in the past two decades. Unlike conventional numerical methods, the kinetic theory based LBM simulates fluid flows by tracking the evolution of the particle distribution function, and then accumulates the distribution to obtain macroscopic averaged properties. In this article we review some work on LBM applications in engineering thermophysics： （1） brief introduction to the development of the LBM; （2） fundamental theory of LBM including the Boltzmann equation, Maxwell distribution function, Boltzmann-BGK equation, and the lattice Boltzmann-BGK equation; （3） lattice Boltzmann models for compressible flows and non-equilibrium gas flows, bounce back-specular-reflection boundary scheme for microscale gaseous flows, the mass modified outlet boundary scheme for fully developed flows, and an implicit-explicit finite-difference-based LBM; and （4） applications of the LBM to oscillating flow, compressible flow, porous media flow, non-equilibrium flow, and gas resonant oscillating flow.     

多期次构造运动对不同物源成分砂岩控制作用

通过普通岩石薄片和孔隙铸体薄片观察、扫描电镜、阴极发光和X衍射分析及压汞实验等手段,对川东北地区须家河组致密砂岩储层的岩石学特征、成岩作用、物性特征及孔隙类型和孔隙演化等方面进行分析,进而研究多期次构造运动对不同物源成分砂岩的控制作用.结果 表明,印支晚期,研究区盆缘造山活动的强弱控制了须家河组物源供给和物源区母岩类型...     

低渗砂岩油藏多孔介质特性

以中国石化中原油田W区块低渗砂岩油藏为例,针对目前该区块开发效果逐渐变差,气驱开采发生气窜等问题,以室内实验为基础,结合油层物理、分形理论、渗流机理,利用计算机分形分析软件Frac Lab和Frac Lac分析该区块多孔介质的岩石表面粗糙度、孔隙分布均匀程度和均质性,基于Gaussian分布、Fourier分析工具、幂律定律和最小二乘回归分析等数学基础理论计算出该区块多孔介质的分维数。结果表明：W区块低渗砂岩油藏多孔介质具有分形特征,分维数约为2.58,壁面较粗糙,孔隙内结构复杂,微小孔隙较多,不规则非均质性严重,流动阻力大,且Frac Lab和Frac Lac软件得到的分维数具有较好的一致性。研究结果为低渗砂岩油藏提高采收率、油气渗流规律和多孔介质输运性质的研究提供基础研究支撑,具有重要的现实意义。     

不同注源气体置换-驱替煤层甲烷突破时间的差异性分析

煤层注气促抽瓦斯是近年来逐步发展起来的强化抽采技术,注气突破时间是该技术的重要参数之一。突破时间是指注源气体从煤层一端注入到另一端检测出该组分所需的时间,它与注源气体的吸附性、渗透性有着密切的关系。为了研究渗透和吸附对注气突破时间的影响规律,利用含瓦斯煤层注气模拟实验装置,进行了煤层注He,N_2和CO_2置换-驱替CH_4的实验室模拟实验。实验结果表明,不考虑煤对气体吸附性的纯渗流条件下,N_2和CO_2纯渗流突破时间极短,仅为总突破时间的5.93%和0.28%,表明气体吸附性能是引起总突破时间差异的主要因素;另外,随着注源气体吸附性增强,其总突破时间大幅度增加,He,N_2和CO_2的总突破时间分别为0.92,14,246 min。实验结果结合理论模型计算分析得出:注源气体吸附性越强,总突破时间越长,注气初期的置换效应越明显,但随着注源气体的吸附不断趋于饱和,其驱替效应逐渐增强。     

透气砖对底吹中间包钢液流动特性影响的水力学模拟

采用不同性能参数的多孔透气砖进行中间包底部吹气水模实验，研究透气砖的气孔率、透气度、平均孔径对所形成的气泡大小和能形成有效气幕所需条件的影响，并分析使用不同透气砖时的RTD曲线，对使用不同透气砖时的吹气参数进行了优化。研究结果表明，透气砖的气孔率、透气度越小，形成的气泡越小，能形成有效气幕所要求的吹气量越大。采用中间包底部吹气技术，当控制的吹气参数合理时，可以有效地延长钢液的平均停留时间，降低死区体积；在中间包底部同一位置吹气时，气体通过的透气砖不同，要求的吹气参数不同。     

Flow characteristics and reaction properties of carbon dioxide in microtubules and porous media

Carbon dioxide reacts with porous media while flowing through them enhancing their permeability. Its flow behavior as well as the permeability enhancement effects were studied in synthetic cores, natural cores and microtubes with an inner diameter of 5 μm. The results show that the permeability of H2O-saturated cores （containing carbonate ingredients） was enhanced by increasing the injection volume of a CO2-H2O solution. This enhancement is attributable to carbon dioxide＇s corrosion, which is justified by SEM scanning. The same phenomenon occurs with a CO2-H2O solution in microtubes, but for a different reason. The gas flow velocity of carbon dioxide in microtubes was approximately 100% faster than that of nitrogen because of the scale and the squeezing effects. Carbon dioxide molecules dissolved in water accelerate the diffusion rate of water molecules within the boundary layer, which in turn diminishes the thickness of the water film and enlarges the effective pore size. This flow behavior facilitates the injection of carbon dioxide into low-permeability reservoirs for oil-displacement and formation energy buildup purposes. This behavior also increases the potential for carbon dioxide channeling or release from the formation.     

页岩气表观渗透率与多流动机理及有效应力演化关系

由于多尺度孔隙存在纳米尺度到宏观尺度的过渡,气体在页岩中流动的主导机制会在达西流和努森扩散等运移机理之间发生转换,该现象结合页岩基质内的气体吸附作用使得页岩气渗透率的测算变得更为复杂.因此,在实验室尺度确定有效应力及气体运移方式对渗透率的综合影响力对实际页岩气开采中的渗透率及产量评估准确性有着不可忽视的影响.采用脉冲衰减渗透率测算法,在不同围压条件下,对氦气和二氧化碳在富含有机质的页岩薄片中的气体渗透率进行测量.结果表明:努森扩散作用在低孔压时对页岩气渗透率有显著的正面影响,其强度与孔压成反比.在较大围压作用下的高孔压下的超临界二氧化碳可导致页岩基质最大吸附量降低,进而增加表观渗透率.表观渗透率随着有效应力的变化在不同孔压区间有着截然相反的趋势,有效应力系数此时出现非单一值,其主要是由于孔压变化带来的气体流动机理变化而引起的.     

川口油田西南区长6油层组储层特征及其主控因素分析

川口油田西南区延长组长6油层组储集层岩石类型以长石砂岩为主,颗粒间多为点-线接触关系,孔隙式胶结,总体具有成分成熟度低、结构成熟度高,低孔低渗特征.粒间孔-溶孔为储层的主要储集空间.沉积相带、矿物成分及砂岩粒径等是影响研究区储集层性质的重要条件和关键因素,较强的压实作用、胶结作用是该区形成低孔低渗储集层的主要因素,溶蚀作用为储集层的主要增孔因素.     

页岩气藏运移机制及数值模拟

基于双重连续介质,采用尘气模型(DGM)建立基岩和裂缝运动方程,基岩中考虑气体在基岩孔隙中黏性流、Knudsen扩散、分子扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流、Knudesen扩散和分子扩散机制,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质数值模型并采用有限元方法对模型进行求解.根据数值模拟结果对影响页岩气藏产能的因素进行分析.结果表明:页岩气产出气是游离气和吸附气解吸共同采出的结果,在给定的页岩气藏条件下,游离气影响更大,吸附对页岩气产能有较大影响,忽略吸附会导致预测产能偏低;Knudsen扩散(或Klinkenberg效应)对基岩视渗透率影响较大,越靠近生产井,Knudsen扩散和Klinkenberg效应的影响越大,基岩视渗透率随生产时间延长变大;裂缝渗透率越大,页岩气产量越大,基岩渗透率对页岩气产能影响不大.     

基于饱和多孔介质的复杂自由场地震响应分析

采用不可压缩饱和多孔介质的广义Biot理论模型,导出流体饱和两相多孔介质振动问题的有限元方程,并对港珠澳工程沉管隧道段自由场进行数值模拟计算.计算结果表明,相对于传统的单相介质自由场而言,饱和两相多孔介质自由场地表加速度峰值有所降低;实际场地的地形地貌对孔隙水压力有显著影响;多孔材料的渗透系数增大,可能会导致其孔隙水压力降低;同时输入地震作用的大小也会影响场地地震液化的评估.由此可见,基于不可压缩饱和多孔介质的数值模拟方法在场地地震液化分析中可行,其结论可以应用在其他工程场地分析中.     

可变形多孔介质中一维孔隙压力的生成

考虑到可变形多孔介质的渗透系数依赖于孔隙变形的特点，建立了一维孔隙压力生成的力学模型，用初始层校正法来出了摄动解，实例计算了表明渗流的非线性对孔隙压力分布菜明显影响，最后介绍了利用孔隙压力生成过程中，流出试样的非稳定流量确定可变形多孔介质渗透系数的方法，测试时间大大小于传统的稳定渗流方法。     

致密砂岩孔隙尺度应力敏感分析

油田开发过程中,有效应力随地层压力减小而增加,储层岩石发生形变,孔隙度及渗透率降低,应力敏感现象明显。基于应力敏感实验以及岩心CT扫描图像,采用MIMICS和ANSYS软件,利用有限元方法从孔隙尺度对致密砂岩岩心单轴受力及三轴受力过程进行模拟,分析了应力条件下孔隙结构的变化规律。结果表明:非均质性对储层应力敏感具有明显影响;单轴应力作用下,岩心孔隙边缘和孔隙连接处存在应力集中现象;节点位移呈层状分布且受应力传递的影响;三轴应力作用下,岩心骨架受力变形,孔隙概率分布左移,导致平均孔径、孔隙度及渗透率损失。孔隙度越高,其平均孔径降低幅度越大,即孔隙度降低幅度越大。     

用格子Boltzmann研究多孔介质内的自然对流换热问题

用格子Boltzmann方法研究了方腔内二维多孔介质由于不均匀温度分布产生的浮力效应而引起的自然对流传热问题.通过数值模拟得到了多孔介质内流体的流场和温度场.详细讨论了孔隙度对自然对流传热的影响,并对孔隙度变化情况下的自然对流传热问题也进行了探讨.研究结果表明,在孔隙度恒定,且Da数比较小(≤10-6)的情况下,当Ra数较低时,孔隙度对自然对流传热的影响很小,当Ra数足够大时需要考虑孔隙度变化的影响;而在Da数较大(≥10-2)情况下,孔隙度对自然对流传热的影响非常明显.在孔隙度线性变化情况下,中间孔隙度c对自然对流传热有一定的影响,且对流与传热随着c的增大而变得剧烈.