含杂质超临界CO2管道止裂分析及控制方案

管道输送作为CCUS技术的关键环节,在超临界高压环境下输送CO₂时,由于含杂质CO₂特殊的相特性,一旦发生泄漏,压力会维持较高值且温度急剧下降,输送管道易发生裂纹扩展,造成断裂事故。基于延长油田一期36×10⁴ t/a超临界CO₂管输预研方案,根据减压波速度计算模型和管道裂纹延性扩展止裂判据,采用修正后的Battelle双曲线法对管道进行止裂分析,对无法满足止裂要求的设计方案进行增加壁厚试算。结果表明：材质为X80、尺寸为Φ140 mm×6.0 mm的L12管线韧性值满足工况下裂纹控制的要求;而同样材质等级、壁厚组合为Φ168 mm×6.0 mm的L11管线所提供的止裂压力低于平台压力,无法保证管线发生裂纹延性扩展时能够自行止裂。对于L11管线,通过将管道壁厚增加至7 mm,其他设计参数不变,可以实现裂纹自行止裂。该研究可为实际工况下Battelle双曲线法在超临界CO₂管道断裂控制的应用提供理论基础与实际范例。     

超临界CO_2输送管道中水合物颗粒运动模拟

CO_2管道输送是CCUS技术的必要环节。我国CCUS项目中CO_2主要来源于碳捕集技术,CO_2流体中存在各种杂质。含杂质超临界CO_2的特性,使得管道运输超临界/密相CO_2存在较大风险。本文基于延长油田液态CO_2管道输送可行性研究,探讨水合物颗粒运动特性。使用FLUENT数值模拟软件中DPM模型,探究水合物颗粒在超临界/密相CO_2的水平输送管道、不同倾角斜直管道中的运动。结果发现水合物颗粒流动主要受CO_2流体湍动作用的影响,造成水合物颗粒在整个管壁的碰撞,从而形成对管壁的冲刷,其运动受粒径、体积分数影响较小。对斜直管道的计算结果表明大倾角管道对水合物颗粒运动的影响较大。     

含杂质气态CO2环境中X65钢腐蚀行为

通过腐蚀模拟实验、表面分析技术及水化学模拟计算与腐蚀预测等方法,研究含O₂、SO₂和H₂S杂质的气态CO₂环境中X65钢的腐蚀行为,对比分析X65钢在富CO₂相和富H₂O相中的腐蚀差异,并探讨杂质对X65钢腐蚀机制的影响。结果表明：在富CO₂相中X65裸钢具有更高的初始腐蚀速率,但随着腐蚀进行,X65钢在富H₂O相中的腐蚀更为严重;在两种环境中X65钢的腐蚀过程均由CO₂和杂质的直接腐蚀效应、杂质的交互作用及腐蚀膜的氧化作用共同控制;而两种环境中X65钢腐蚀速率及腐蚀膜沉积状态不同的原因在于杂质对二者液相化学环境、阴极过程及腐蚀膜特性的影响程度存在差异。     

CO2在页岩储层中的绝对吸附量及其影响因素分析

准确测定页岩对CO₂的吸附能力是研究页岩能否长期稳定封存CO₂以及评价注CO₂提高页岩油气采收率的关键。基于质量守恒原理,在考虑CO₂吸附相体积对吸附系统自由空间体积影响的基础上,推导了绝对吸附量与吉布斯吸附量之间的转换关系式。并通过开展重量法等温吸附实验,研究了黏土矿物含量、CO₂注入压力、相态类型、温度和页岩颗粒粒径对CO₂吸附量的影响。实验结果表明,液态CO₂比气态和超临界态具有更高的吸附量,且CO₂吸附量随注入压力的增加先快速增大后趋于稳定,随温度的升高而降低,但受颗粒粒径影响较小。CO₂绝对吸附量大于吉布斯吸附量,两者差值随页岩黏土矿物含量和页岩颗粒粒径的增加而增大,随储层温度的升高而降低,随CO₂注入压力的增加先增大后减小。当CO₂为液态时两者差值最大,其次为超临界和气态。目标区页岩CO₂吸附能力与已成功实施封存的...     

CO2原油体系中的PR状态方程改进方法

针对现有工程应用中的状态方程描述油藏条件下CO₂-原油非理想体系时不能同时兼顾精度和计算简便性要求的问题,开展了对PR立方型状态方程修正研究。基于热力学和流体相平衡原理,考虑温度、压力和非烃组分相互作用等影响因素,采用将无因次系数由常数项改进为与对比温度相关联函数项的方法,对PR状态方程进行修正,改善液体密度及重组分特征的预测效果。以油田现场油样实测组分数据为基础,在油藏温压条件下,对PR状态方程修正前后计算油气组分等参数的精度进行了对比。结果表明,新的状态方程在不失计算简便的前提下,计算精度显著提高,相对误差下降到5%以下,满足工程应用要求,在预测油藏条件下流体相态方面具有更好的实用价值,为CO₂驱数值模拟提供支持。     

低温甲醇洗碳捕集工艺的优化与(火用)分析

为提高低温甲醇洗碳捕集工艺CO₂的捕集率和降低捕集能耗，在传统甲醇溶剂捕集工艺基础上提出了一种新型的二氧化碳捕集工艺；并将其与传统低温甲醇洗工艺在捕集单位CO₂时的■消耗和■损失进行了比较.该工艺在吸收塔脱硫段和解吸塔间构建双级闪蒸装置，可有效避免脱硫后富H₂S甲醇溶液中CO₂的流失.考虑该过程处于非理想状态，参照DECHEMA数据库对二元相互作用和计算路径进行修正.为了验证结果的可靠性和进行对比，基于CPA、PSRK和NRTL三种状态方程分别进行模拟.结果表明：优化后工艺的CO₂捕集量与未优化相比增加了63.17%;与常规甲醇洗工艺相比，新工艺捕获单位CO₂的■消耗为传统低温甲醇洗工艺的64.87%,且■损失仅为传统工艺的33.64%.优化工艺对低温甲醇洗碳捕集工艺的改进具有一定的指导意义.     

页岩纳米孔内超临界CO2、CH4传输行为实验研究

了解超临界CO₂、CH₄在页岩纳米孔内传输行为,是研究页岩储层超临界CO₂注入能力、注入后时空分布以及提高页岩气藏采收率的基础。选用渗透率小于100 nD的龙马溪组富有机质页岩基块岩样,利用岩芯流动实验装置,通过监测岩芯入/出口端气体压力与混合气体（CO₂、CH₄）浓度变化,对比了页岩纳米孔内超临界CO₂、CH₄传输能力,分析了传输能力差异的原因。结果表明：页岩纳米孔内超临界CO₂压力传递速率明显小于CH₄,实验结束后岩样入口端二元混合气体组分中CH₄百分含量显著降低,证实页岩纳米孔内超临界CO₂传输能力显著低于CH₄,主要原因是超临界CO₂吸附能力更强、扩散-渗流能力更小以及超高密度特性表现出的非混相、活塞式驱替行为。基于以上认识,选择某些压裂段注入超临界CO₂,而其他压裂段作为生产段,比单井"吞吐"方式（即注入-焖井-开井生产）更有利于驱替置换页岩纳米孔内游离态甲烷。     

二氧化碳注入条件下井筒水泥环完整性若干研究进展

井筒水泥环完整性是实现二氧化碳(Carbon dioxide,CO₂)地质封存长期安全有效的重要保障。在CO₂的捕集、利用及封存过程中,低温CO₂流体注入过程将引起井筒结构温度和压力的分布变化,易造成井筒水泥环完整性失效。为评价CO₂注入条件下井筒水泥完整性和优化注入参数提供理论指导和分析方法,文章在简要综述前人相关研究的基础上,重点介绍了笔者的相关创新研究成果：1)简述了CO₂注入井井筒完整性失效的研究现状,重点介绍了CO₂注入过程中井筒流动模型以及不同注入参数对井筒温度分布的影响;2)简述了含缺陷水泥环完整性的研究现状,重点介绍了井筒裂纹断裂参数计算方法,定量分析了CO₂注入井含缺陷水泥环的完整性,揭示了水泥力热性能对径向裂纹和界面裂纹扩展行为的影响规律。文章可为CO₂注入过程施工参数优化、井筒水泥环完整性评价等方面的相关研究与应用工作提供有益参考。     

二氧化碳地质封存与增产油/气/热利用技术中关键热质传递问题研究进展

碳捕集、利用与封存技术（carbon capture,utilization and storage,CCUS）是指将CO₂从能源利用、工业生产或大气中分离出来,经过提纯运送到可利用或封存场地,以实现被捕集的CO₂与大气长期分离的技术。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）近期在报告中指出：CCUS技术是碳减排与碳中和的“foundation”技术。在我国碳达峰碳中和的“双碳”目标大背景下,CCUS技术被认为是我国实现碳中和目标不可或缺的关键性技术之一。该文对国际、国内主要研究团队和作者研究团队近年来在CO₂地质封存、增产致密油/页岩气/深层地热开采过程中的关键热质传递问题研究进行了综述,通过理论分析,利用分子动力学、格子Boltzmann、计算流体力学等模拟方法,和微观孔隙尺度可视化实验、岩心尺度核磁共振实验、超临界压力流体对流换热实验等实验手段,从不同尺度阐述了储层条件下超临界CO₂在微纳多孔结构中多相多组分流动与热质传递机理,分析了矿物反应、降压析出、流体变物性、尺度效应等对CO_...     

二茂铁在超临界CO2/BMIMPF6两相体系中的电化学行为

以铂微盘电极为工作电极,采用循环伏安法研究二茂铁在超临界CO₂/BMIMPF₆两相体系中的电化学行为,测定不同压力条件下二茂铁的扩散系数.实验结果表明,二茂铁在超临界CO₂/BMIMPF₆两相体系中的氧化还原过程是受扩散控制的准可逆过程.低黏度、电绝缘性CO₂的存在,均会对电极反应中的传质过程及电极表面上的电子交换过程产生影响.     

温度对超临界CO_2置换CH_4的影响

为研究超临界CO_2置换CH_4过程中温度对置换效果的影响,以屯留煤样为研究对象,借助ISO-300型等温吸附仪对煤样进行了不同温度(35、45、55℃)、相同注入压力(12.7 MPa)条件下的CO_2置换解吸CH_4试验。研究结果表明:置换解吸过程中,超临界CO_2吸附相体积分数随着温度升高而增加,随压力降低而增大,CH_4吸附相体积分数呈相反变化趋势;超临界状态下,试验直接测得的气体吸附量为Gibbs吸附量,气体真实吸附量与压力之间符合Langmuir吸附曲线,且与Gibbs吸附量的差值随压力的升高而增大;试验压降范围内,温度为35℃条件时,CH_4气体单位压降解吸率最高,显示出温度接近临界温度时,超临界CO_2置换效果最佳。     

纯水体系下水合物的生成及堵塞实验研究

为了保障水合物浆液在管路中安全流动，开展了CO₂水合物生成及堵塞实验，探究纯水体系下CO₂水合物生成到堵塞管路的形态变化以及系统压力、泵速等因素对水合物浆液流动形态的影响。实验结果表明，（1）在纯水体系下，管道中水合物呈浆状和泥状两种形态，且CO₂水合物从生成到堵塞管路时间较短。（2）实验过程中，临界泵速为35 Hz；当泵速大于35 Hz时，水合物在管输过程中不会发生堵塞现象；当泵速小于35 Hz时，在系统压力相同的条件下，随着泵速的增加，水合物发生堵塞的时间延长。（3）同一泵速条件下，随着系统压力升高，水合物发生堵塞时间缩短；且系统压力为3.4 MPa时，水合物发生堵塞的时间为2 100 s；系统压力为2.4 MPa时，水合物发生堵塞的时间为6 225 s。     

二氧化碳在地层水中的溶解度测定及预测模型

考察H2 S、CO2等酸性气体在液体介质中的溶解度对同区块不同井或同井不同井段油套管腐蚀、开裂及氢脆等环境断裂情况的影响,基于模拟油气井环境下CO2溶解度的测试装置,开展CO2在不同温度、压力及矿化度下的溶解度试验,采用灰色关联度法从温度、压力及矿化度3个方面对CO2溶解度进行敏感性分析,得到CO2溶解度与温度、压力及...     

超临界CO_2中正烷烃溶解行为的多尺度计算机模拟

利用分子动力学和耗散粒子动力学相结合的多尺度计算机模拟方法研究正烷烃在超临界CO2中的溶解行为.先在微观尺度利用分子动力学模拟方法计算得到超临界CO2和正烷烃的密度及溶度等物性参数,再构造耗散粒子粗粒化模型,利用耗散粒子动力学模拟C39在超临界CO2中的溶解行为,通过直观图像及序参量对其溶解行为进行表征,并计算C39在超临界CO2中的最小混相压.     

不同方法提取栝楼籽油成分分析及其油质评价

采用索氏提取法、超声辅助提取法、压榨法和CO₂超临界流体萃取法提取栝楼籽油,对不同方法提取的火麻籽油进行提取率、成分的比较分析,并对其品质进行评价.分析结果表明：超声辅助提取法和CO₂超临界流体萃取法提油率较高;超声辅助提取法、压榨法和CO₂超临界流体萃取法压提取油能较好地保留栝楼籽油的品质;栝楼籽油具有开发保健食品和药品的潜质.     

页岩气低伤害超临界CO2凝胶压裂液研究

针对常规水压裂液会对页岩造成伤害，容易产生水锁，不易返排，还造成水资源消耗和污染环境等问题，制备了低伤害二氧化碳凝胶压裂液。将自备的F2EU和F4EU增稠剂加入到超临界CO₂基液中，探究两种增稠剂的加入量对CO₂凝胶压裂液黏度的影响，综合考虑成本与效果，优选了2%的F4EU增稠剂，可将CO₂的黏度增至15.4 mPa·s。研究了温度、压力以及剪切速率对凝胶压裂液黏度的影响。实验结果表明，随着温度升高黏度总体降低，但中间出现一个短暂升高阶段；随着压力上升压裂液黏度增加；随着剪切速率的增加压裂液黏度下降，属于一种典型的剪切变稀的假塑性流体。F4EU超临界CO₂凝胶压裂液的平均伤害率为1.39%，远远小于常规压裂液对岩芯的伤害率。实验表明，F4EU超临界CO₂凝胶压裂液在页岩气压裂开采中具有良好的应用前景。     

添加氯离子对Ni/CeO2催化剂CO选择甲烷化反应催化性能的促进

采用浸渍方法制备NiO(Cl_x)/CeO₂系列样品,经还原后得到Ni(Cl_x)/CeO₂催化剂,用于富氢气体中CO的选择甲烷化反应,考察Cl/Ce原子比(x)对CO选择甲烷化反应活性的影响. 结果表明,添加氯离子能够显著抑制CO₂甲烷化反应,因而可使富氢气体中CO浓度降至10-5以下并且CO甲烷化反应选择性不低于50%,满足质子交换膜燃料电池对燃料的要求. 通过CO和CO₂吸附实验、程序升温还原(TPR)测定以及物相组成和晶粒尺寸分析,揭示添加氯离子的作用.      

页岩油水平井多段压裂裂缝高度扩展试验

针对吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层压裂垂向改造程度低的问题,基于真三轴水力压裂模拟试验研究CO2与胍胶复合压裂相比于常规水基和超临界CO2压裂缝高扩展的优势.创新性建立一套针对天然页岩的水平井多段压裂模拟试验方法,并通过试样剖分、CT扫描和声发射监测等方法综合确定多段压裂裂缝形态和破裂机制.结果表明:低黏度滑溜水和超临...