混合气体驱替煤层气技术的可行性研究

气体驱替煤层气技术是近年来发展起来的具有温室气体减排和提高煤层气采收率双赢效果的新兴技术,相关研究受到世界主要发达国家的广泛重视。对于温室气体减排的压力,发达国家的研究主要着眼于该技术在高渗透、不可采煤层中的应用,注入气体主要为CO2,目的是尽可能多地封存CO2,同时提高煤层气采收率。目前,国内在这方面的研究刚刚起步。国内煤层具有渗透率普遍较低、不开采煤层与要开采煤层难以界定的特点,注CO2气体驱替煤层气在这种煤层中的可行性值得商榷。针对国内煤层特点和煤矿瓦斯抽采率低的现状,建议采用富N2混合气体驱替煤层气技术,以提高煤层气产采收率。通过理论分析、数值模拟和现场试验研究分析了实施混合气体驱替煤层气技术的可行性。研究结果表明,混合气体驱替煤层气技术适用于国内低渗透、可开采煤层,可以提高煤层气采收率和单产量。     

真三轴试验中的端部摩擦效应分析

端部摩擦效应是三轴试验的常见问题之一。相对于常规三轴试验,由于在茂木式真三轴试验中方形试样4个端部需设置两对端部垫块,从而导致端部摩擦问题更加突出。运用FLAC3D,针对Mohr-Coulomb材料,即无中间主应力影响材料,模拟真三轴加载过程中端部摩擦对试样强度和变形行为的影响。计算结果表明,端部摩擦也可以产生虚假中间主应力效应,即使对于无中间主应力效应材料,中间主应力也会导致最大破坏主应力的增加,且摩擦系数越大,这种趋势则越明显。分析了端部摩擦产生这种趋势的原因,指出了真三轴试验中减小端部摩擦的重要性。     

RT3型岩石高压真三轴仪的研制

本文介绍了新近研制成功的岩石高压真三轴仪的结构特点、功能和试验研究结果。岩石高压真三轴仪能够独立地控制和改变三个主应力,从而可模拟工程岩体和地壳内部的任何应力状态和应力途径,是对卡阿曼(Von.Karman)型普通三轴压缩仪的重大改进。RT3型岩石高压真三轴仪,可施加最大主应力到800MPa,中间主应力200MPa,最小主应力200MPa,并能测定三个主应力方向的应变和声波参数,可供岩石力学基础理论、工程岩体稳定性和地震前兆特性等研究之用。     

中国煤化工行业开展CO2强化深部咸水开采技术的潜力评价

中国是煤转化的技术引领者,已建、拟建和审批了大量煤转化企业;随之带来了严峻的CO₂排放和水资源缺乏的问题。CO₂强化深部咸水开采（CO₂-EWR）技术是大规模CO₂减排和水资源开采的方法,特别适合缺水区域的煤化工行业。煤化工企业工艺排放的高浓度CO₂结合CO₂-EWR技术可以较低成本实现CO₂减排,并部分解决工业缺水的问题。研究首先建立了行业尺度的包括源汇匹配、技术经济评价、CO₂排放量评估和封存场地适宜性评价等方法的全流程碳捕集、利用和封存技术经济评估方法（ITEAM-CCUS),然后采用该方法对2018年的煤化工企业排放的高浓度CO₂开展全流程CO₂-EWR项目的源汇匹配、成本范围及减排潜力进行评价并得到：大部分的源汇组合分布在中国西北、华北及北部等干旱地区;基于煤化工厂2018年的实际产量和100%总产能计算,高浓度CO₂年排放量分别是190 Mt和1726 Mt;当全流程CO₂-EWR项目的平准化成本低于200元/t CO₂时,累计CO₂减排量分别为160 Mt/a与1569 Mt/a,地下水产量分别为241 Mt/a与2353 Mt/a。研究结果表明煤化工CO₂-EWR技术是中国煤化工行业低碳可持续发展的关键技术,也为中国部署大规模CCUS提供了低成本机会。     

基于社会网络分析方法的二氧化碳地质封存风险传染特征研究

二氧化碳(CO₂)地质封存技术作为深度减排不可或缺的必要手段,对保护生态环境、推动全球中长期应对气候变化的国际合作以及推进社会绿色、循环、低碳发展具有重要意义。文章总结了二氧化碳地质封存项目全生命周期中可能出现的46个风险因素,运用社会网络分析方法构建风险网络关系模型,对二氧化碳地质封存项目风险因素间的传递作用关系进行了研究。通过风险网络整体与局部参数分析确定风险传递过程中的关键起始节点、关键致险节点、关键传递节点等关键因素,识别出三条潜在风险传递链：(1)地质灾害风险→CO₂供应、注入或运输意外中断风险→预期外的建设或操作成本变化风险;(2)操作人员知识不足或无相应资质风险→人为泄漏风险→项目对环境的破坏风险→公众参与风险→预期外的建设或操作成本变化风险;(3)部门协调不当风险→人才招聘和管理风险→操作人员知识不足或无相应资质风险→预期外的建设或操作成本变化风险。研究旨在为二氧化碳地质封存项目风险研究提供理论创新与技术参考,进而促进CO₂捕集、利用与封存项目的健康发展。     

沁水盆地煤样静水压力下渗透率实验及模型分析

为研究沁水盆地煤样渗透率演化规律,构建了煤样渗透率测定的瞬态压力脉冲法实验装置,使用N2和CO2在实验室开展了3种试验条件的渗透率测定,应用Connell模型对实验结果进行分析,并讨论了模型预测值和实验值之间差别的原因。结果表明,（1）在恒定孔压变围压条件下渗透率随有效应力增大而减小;在等有效应力条件下,渗透率随孔压增大而减少;在恒定围压变孔压条件下,随孔压增大,渗透率呈先减小后变大的趋势。（2）运用Connell模型预测的恒定围压变孔压条件的渗透率值大于实验值,原因可能是由于裂隙压缩性系数和吸附应变系数存在估计误差。通过开展实验室渗透率实验和模型分析,对指导实验室内二氧化碳封存和气体驱替实验及其模拟研究具有借鉴意义。     

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。     

小尺度原位瞬态压力脉冲渗透性测试系统及试验研究

基于原位瞬态压力脉冲法原理及求解方法,研发了由数据采集控制系统、脉冲压力施加系统、测杆系统3部分组成的小尺度原位瞬态压力脉冲渗透性测试系统（已获国家发明专利[1]）。该系统结构简单、易于控制、使用方便,可用于快速原位测量核废料地下处置、能源地下储存和深埋等地下工程中低渗透围岩的渗透率以及测试空间狭窄和岩体扰动要求严格的其他工程岩体渗透率。利用该系统实施了原位瞬态压力脉冲渗透率测量试验,试验结果验证了该系统的适用性、稳定性和准确性。     

深层岩体松动爆破中不耦合装药效应的探讨

基于冲击波在交界面两侧压力和速度必须各自相等的连续性条件,求解爆轰产物中适用的反射波方程和介质中适用的冲击波方程,得到药包周围介质中冲击波的初始参数.通过波的传播机理,把集中药包应力波随距离的衰减公式扩展到延长药包,并计算耦合与不耦合装药爆破时距爆心相同距离处岩石中冲击波的参数.由计算结果可知:(1)耦合装药爆破时形成的冲击波压力超过岩石抗压强度极限几十倍以上,药包周围岩石形成粉碎区;(2)与耦合装药爆破相比,不耦合装药爆破可以降低孔壁处岩石中冲击波初始压力,但可以增加孔壁后岩石中的冲击波压力.合理的不耦合系数,可使岩石不形成粉碎区,大幅度减少能量耗散;(3)水一般认为是非线性弹性介质,因此水介质成为炸药爆轰产物与岩石间的弹性缓冲层,增加了能量传递,延长了冲击波作用时间,加大了爆炸的作用范围.     

基于互补理论的扩展有限元接触问题实现

在处理含有裂隙这类不连续问题时,常规有限元方法需要对裂隙尖端部位进行局部网格加密,当裂隙扩展时还需要进行网络重构。基于单位分解思想的扩展有限元成功解决了常规有限元难以处理的裂隙类不连续问题。在研究复合裂隙时,通常需要考虑裂隙的接触问题。基于互补理论,建立了裂隙面上相对位移和接触力的互补方程,并采用牛顿法求解,无需开闭迭代,且能够快速收敛。最后,对含裂隙平板进行受压数值试验,计算结果表明,基于互补理论的扩展有限元接触算法能够有效地阻止裂隙两端网格的相互嵌入,且获得裂隙面上的应力分布与实际一致。