基于TOUGH2模拟CO2地质封存对地层温度的影响

运用水流及热量运移的数值模拟软件TOUGH2建立三维模型,通过长时间恒速地注入含CO2的流体,模拟研究CO2地质封存对地层温度的影响。结果表明,CO2地质封存之前地层温度处于平衡状态,封存之后打破原有平衡|地层渗透率越高,越利于温度的交流|整个地层温度经历从非稳态到稳态的过程,温度的交换由于受到能量守恒的制约,整个地层的最后温度约处于初始时刻上、下地层温度的中间值|不断注入的流体对整个地层温度的影响有限,地层温度早期变化速度较快,后期变化速度逐渐减缓。     

提高CO2封存强度的多层协同抽注技术

我国已提出2030年碳达峰、2060年碳中和的碳减排目标,提高CCUS技术发展水平与商业化规模,是实现我国碳减排目标的关键所在。“十四五”规划已明确提出要开展碳捕集利用与封存（CCUS）重大项目示范。然而,由于我国大多数CO2储层的低渗透、非均质等特征,导致单一储层的CO2封存能力有限,无法满足CCUS重大项目示范所需的CO2地质封存量。本研究首次提出以CO2封存强度（单位土地面积的CO2封存量）作为评价CCUS项目储层封存能力的关键指标,并计算了我国主要CO2咸水层封存和CO2强化驱油场地的CO2封存强度。计算结果表明,现有CO2咸水层封存和CO2强化驱油项目的封存强度大多在105 t/km2以下,无法满足我国双碳目标的需要。为显著提高CO2封存强度,本研究提出了CO2多层协同抽注技术的概念,通过注入井在多个储层射孔注入CO2,并利用抽水井从多个储层中抽出咸水,实现储层可用孔隙和储层压力的最优化调控,最终实现CO2封存强度的大幅度提高。为研究CO2多层协同抽注技术的效果,本文利用T2Well模拟软件,构建了三种CO2多层统注的数值模型,模拟了CO2定压注入过程,分析了注入60天后储层压力分布、储层内CO2饱和度分布以及CO2累计注入量。模拟结果表明,在多层抽注协同条件下,储层压力聚集现象有明显缓解,从而降低了封存区域因压力聚集导致的力学不稳定性。通过分析CO2饱和度可知,CO2注入后在抽注井间压力差的驱使下,羽流将向抽出井偏移;此外,受岩石性质的影响,羽流形状和范围略有差异。根据三种条件下的模拟结果,计算CO2封存强度可知,非均质砂岩条件下多层协同抽注的封存强度最高达到111.5×104 t/km2,远大于现在已实施项目的封存强度。因此,多层协同抽注技术将大大提高CO2封存强度,有利于节约我国国土资源,并可促进CO2封存技术的推广。     

基于数值模拟的CO2地质封存项目井筒泄漏风险定量化评价方法

为评估CO₂地质封存场地的CO₂沿井筒泄漏风险，介绍了自主研发的可对CO₂井筒泄漏风险进行定量化评价的数值模拟WellRisk软件，将软件应用于实际CO₂地质封存场地--神华鄂尔多斯CO₂咸水层封存示范工程，定量评估该场地CO₂沿注入井和监测井的泄漏量，并将软件模拟结果与美国能源部开发的NRAP–IAM–CS（The national risk assessment partnership–integrated assessment model–carbon storage）软件模拟结果进行对比，实现了CO₂沿井筒泄漏风险的定量化评价。定义了井筒泄漏系数，即井筒发生泄漏的有效截面积和井筒总截面积的比值，并将井筒泄漏系数作为量化表征井筒固井质量的重要参数。当泄漏系数取值为10^–6时，神华CO₂地质封存场地在1 000 a内的总泄漏量为720 tCO₂，占总注入量的0.24%，小于IPCC的风险阈值1%。因此，泄漏系数为10^–6或更低的井筒是低风险泄漏井，具有良好的固井质量，对应于NRAP–IAM–CS软件中井筒渗透率低于10^–12 m²的情况。泄漏系数为10^–5或更高的井筒是高风险泄漏井，具有较差的固井质量。WellRisk和NRAP–IAM–CS的计算结果均表明，当注入井和监测井的固井质量良好时，神华CO₂地质封存场地基本不存在CO₂泄漏风险。     

水平管束降膜蒸发中CO2解吸的微观特性

水平管降膜蒸发中释放的不凝气严重降低了管内冷凝传热速率,会使海水淡化的能耗成本显著增加,因此研究水平管束降膜蒸发中CO₂解吸的微观过程具有重要意义。文章建立了耦合水平管束降膜蒸发传热和CO₂解吸的理论模型,计算得到CO₂解吸单元体、碳酸盐组分浓度,分析了CO₂解吸量的微观特性。结果表明：传热系数的模拟值与实验值吻合良好;化学反应时间沿竖直管排方向减小且其速率逐渐降低,而沿水平管长方向随竖直管排节点数的增加而变长;主导CO₂解吸速率的HCO₃^-和CO₃^2-在微元内的浓度显著高于CO₂和H⁺浓度;单位面积的蒸发速率和每吨海水CO₂解吸量沿竖直管排、水平管长方向均减少。     

黑59区块回注气驱CO2浓度优选

国内部分油田进入了三次采油期.采用CO2驱油提高采收率,具有低碳环保、经济高效等优势,已经得到了推广应用.回注气驱油技术作为CO2驱替技术的一个延伸,其组分的确定对矿场提高采收率具有十分重要的意义.本文针对松辽盆地的油藏特征,进行了细管实验分析和数值模拟研究,分析了回注气组成对最小混相压力的影响以及不同CO2纯度下的驱油效率特征.同时,应用油藏工程方法,确定了回注气提高采收率的工程技术指标,为矿场回注气的高效开发提供技术参考.实验分析和数值模拟结果均表明,黑59区块回注气CO2浓度比例不低于93%时,驱油效果最佳.     

CO2的能源化利用技术进展与展望

在当前碳中和背景下，人类向着“少碳、用碳与无碳”的CO2减排之路前行。CO2捕集、利用与封存技术（CCUS）作为最直接的“碳中和”技术策略，为促进大气CO2净减排发挥了重要作用。然而，当前CCUS技术普遍面临着低效率、高能耗、高成本的技术难题，限制了该类技术的大规模应用与推广。近年来，随着可再生电能的不断发展，CO2减排与能源体系耦合的电池技术、储能技术应运而生，这类CO2能源化利用技术有望解决当前CCUS技术体系高能耗、高成本的技术难题，同时有利于新能源的周期性消纳。然而，在这类CO2能源化利用技术中，主要是将CO2作为一种能源介质，对外输出的能量并非来自CO2本身。但是值得我们注意的是，CO2转变为碳酸盐的过程是化学位降低的反应过程，意味着CO2本身也是一种潜在的能源，本文作者正是利用这一热力学有利的反应，成功开发了利用CO2本身蕴含的能量进行深度发电的CO2矿化发电技术，并在最近的研究中将CO2矿化电池的最大功率密度提升至了96.75W/m2。本文依据反应原理对上述提到的CO2能源化利用技术进行了分类总结和探讨，并提出未来CO2能源化利用的发展建议，旨在为CO2减排的碳中和路径提供思路参考。     

基于玉米秸秆的氮掺杂多孔碳制备及其对CO2吸附和CO2/N2分离性能研究

为解决大气中日益增加的CO₂含量问题,以玉米秸秆为原料,采用水热碳化和KOH活化处理,通过控制KOH活化强度,制备出一系列具有发达孔道结构的氮掺杂多孔碳样品(CPH-0,CPH-0.5,CPH-1)。通过扫描电镜、透射电镜表征、N₂吸-脱附等温线测试及元素分析,获得多孔碳孔道结构发展、N含量与KOH活化强度的关系。通过CO₂吸附测试分析可知,多孔碳的CO₂吸附量在低压(<15 k Pa)时受N含量影响,在常压(100 k Pa)下由超微孔(<1 nm)孔体积决定。样品CPH-0的N含量最多,在低压范围表现出优异的CO₂吸附能力。样品CPH-0.5的超微孔孔体积最大,在25°C,100 k Pa条件下,对CO₂的吸附量可达3.97 mmol/g,同时还表现出较好的CO₂/N₂选择性和优异的循环稳定性。该法制备的多孔碳在CO₂吸附和CO₂/N₂     

基于多指标正交试验设计的CO2非混相驱注气参数优化

根据吐哈油田牛圈湖油藏储层和流体特征,应用油藏数值模拟和多指标正交试验相结合的方法对影响生产动态指标的主控因素进行了分析.结果表明,关井气油比是CO2连续注气非混相驱替的主要影响因素,水气交替段塞比、注气周期、生产井井底流压是CO2WAG非混相驱替的主要影响因素.应用优化的注气参数进行了水驱、CO2驱与CO2WAG驱开发方案设计,通过采出程度、换油率、气油比、CO2埋存系数、CO2滞留率和平均地层压力等指标的综合对比,确定CO2WAG非混相驱为最优开发方案,并进行了开发方案指标预测.研究结果对吐哈油田提高采收率技术具有一定指导意义.     

O2/CO2气氛下污泥与烟煤混合燃烧特性

在热重分析仪上开展不同参数条件下污泥和烟煤混合燃烧实验,分析污泥掺混比、升温速率和O2/CO2体积比对燃烧特性的影响,进行燃烧动力学分析.结果表明:O2/CO2气氛下,烟煤掺烧污泥的混合燃烧特性表现为污泥与烟煤燃烧叠加的结果;随着升温速率由10℃/min增加至25℃/min,着火和燃尽温度均升高,着火时间延迟和燃尽时间延长,表观活化能升高;随着O2/CO2体积比的增大,着火温度和燃尽温度均降低,着火时间提前且燃尽时间缩短,表观活化能降低,当O2体积分数超过30%时,燃烧性能改善的幅度越来越小.     

多孔介质中CO2埋存机理物理模拟实验评价

为了弄清高温高压多孔介质中CO₂的埋存机理,采用室内物理模型,对多孔介质中CO₂埋存机理进行了物理模拟实验评价。结果表明,CO₂溶解埋存主要受温度、压力和地层水矿化度的影响;CO₂溶于地层水后与岩石中的矿物发生矿化反应,反应前后岩石矿物质量分数发生显著变化;气水交替驱可有效地延缓CO₂的突破,提高CO₂埋存率,从而提高原油采收率。     

基于Dymola仿真平台的CO2热泵热电池储能水箱尺寸优化研究

基于Dymola仿真平台,建立了跨临界CO_2热泵储能系统动态模型,模拟研究了系统中储能水箱几何尺寸对其性能的影响,并与试验结果比对以保证模型的准确性。借助MATLAB优化工具箱,优化储能水箱的内部结构,优化后热分层系数提高了2.95%。在Dymola中建立优化后的热分层水箱模型,然后通过Dymola建立的热泵储能动态模型对储能水箱尺寸进行了优化,结果表明,优化后系统总性能系数提高了3.71%。     

超临界CO2增透煤热流固耦合模型与数值模拟

针对中国绝大多数高瓦斯煤层渗透性低以及低渗透煤层强化抽采瓦斯效果不理想的现状,结合超临界CO₂强扩散和溶解增透孔隙介质等独特优点,依据超临界CO₂作用后煤微观孔裂隙的演化特征,得到煤微观孔隙率和渗透率演化方程,根据孔隙率的变化确定损伤变量,考虑体积应力、温度、孔隙压力及超临界CO₂溶解增透作用的影响,建立超临界CO₂作用后煤的热流固耦合力学模型,利用ABAQUS软件提供的场变量子程序,结合PYTHON脚本和子程序二次开发功能,实现低渗透煤层注超临界CO₂增透规律数值模拟。结果显示：超临界CO₂注入后,注气孔周围煤体内体积应力、温度及孔隙压力变化明显,随着距注气孔距离的增加,影响程度逐渐减弱,并趋于稳定;经超临界CO₂作用后,注气孔周围煤体内不断萌生新的孔裂隙,并与原有的孔裂隙相互贯通,随注气时间的延长各级孔裂隙不断向煤体纵深演化发展,煤微观孔隙率较注气前提高了2个数量级;超临界CO₂的致裂增透作用引起煤体不同程度的损伤,距注气孔越近,损伤程度越大,损伤增加越快,注气时间越长,损伤增加的幅度越大;煤微观孔裂隙的有效发育为煤层气的扩散渗流提供了更多的运移通道,使煤体渗透系数较注气前提高了3个数量级。     

Temperature dependence on reaction of CaCO3 and SO2 in O2/CO2 coal combustion

The temperature dependence on the reaction of desulfurization reagent CaCO₃ and SO₂ in O₂/CO₂ coal combustion was investigated by thermogravimetric analysis, X-ray diffraction measurement and pore structure analysis. The results show that the conversion of the reaction of CaCO₃ and SO₂ in air is higher at 500–1 100 °C and lower at 1 200 °C compared with that in O₂/CO₂ atmosphere. The conversion can be increased by increasing the concentration of SO₂, which causes the inhibition of CaSO₄ decomposition and shifting of the reaction equilibrium toward the products. XRD analysis of the product shows that the reaction mechanism of CaCO₃ and SO₂ differs with temperature in O₂/CO₂ atmosphere, i.e. CaCO₃ directly reacts with SO₂ at 500 °C and CaO from CaCO₃ decomposition reacts with SO₂ at 1 000 °C. The pore analysis of the products indicates that the maximum specific surface area of the products accounts for the highest conversion at 1 100 °C in O₂/CO₂ atmosphere. The results reveal that the effect of the atmosphere on the conversion is temperature dependence.     

R404A／CO2复叠式制冷系统的火用分析

为了降低R404A／CO2复叠式制冷系统的能耗,对该系统进行了能量分析。通过火用分析方法分析系统设计与运行参数对系统性能系数ε、各组成部件及整个系统的火用损X和火用效率ηe的影响。结果表明,在一定蒸发温度Te、冷凝温度Tk和冷凝蒸发器的传热温差ΔT条件下,在相同最佳T4opt时,Xtot取得最小值,ε和ηe取得最大值;为了有利于减小X、提高ηe和ε,应尽量升高Te、降低Tk和ΔT;高温级膨胀阀、压缩机、冷凝蒸发器和低温级压缩机的火用损约占总火用损的80％。对数据进行多重线性回归分析,得到以Te、Tk和ΔT为自变量的t4opt、εmax和ηe,max关系式。     

不同CO2浓度和施氮水平对麦田CO2净通量的影响

为研究不同CO₂浓度和施氮量对麦田CO₂净通量的影响,利用开顶式气室(OTC)组成的CO₂浓度自动调控平台模拟CO₂浓度升高环境.以冬小麦为试验材料,设置CK (对照,环境大气CO₂浓度)、C₁(CO₂浓度比CK增加120 μmol·mol^-1)和C₂(CO₂浓度比CK增加200 μmol·mol^-1)3个CO₂浓度水平;施氮量设置常规施氮量(N₁,25 g·m^-2)和低氮(N₂,15 g·m^-2)2个水平.采用静态箱-高精度气体分析仪观测麦田CO₂净通量.结果表明:各处理的麦田CO₂净通量变化特征一致,均呈先增大后减小的趋势,在拔节期和抽穗期达到峰值.N₁处理下,在整个生育期,CK、C₁和C₂处理的CO₂累积量分别为-105.8±12.6、-123.1±11.5和-120.2±4.1 kg·hm^-2.N₂处理下,在整个生育期,CK、C₁和C₂处理的CO₂累积量分别为-82.3±9.2、-95.4±7.6和-96.7±2.8 kg·hm^-2;拔节期C₂处理的CO₂累积量比CK显著增加了31.8%(P=0.024).C₁处理下,拔节期N₁处理的CO₂累积量显著高于N₂处理55.0%(P=0.009);C₂处理下,N₁处理的整个生育期CO₂累积量显著高于N₂处理23.6%(P=0.010).各处理CO₂净通量跟土壤湿度的相关关系均达到显著;N₁处理下,C₁和C₂处理的CO₂净通量跟光合有效辐射的相关关系达到显著,N₂处理下,CK和C₁处理的CO₂净通量跟光合有效辐射的相关关系达到显著;N₁处理下,C₁处理的CO₂净通量跟空气温度的相关关系达到显著,其余处理未达到显著.本研究表明:在小麦的拔节期和抽穗期,相比于CO₂浓度升高,施氮量对麦田CO₂净通量的影响更为显著;CO₂浓度升高与施氮量对麦田CO₂净通量的影响没有显著的交互作用.     

基于㶲方法的CO2捕集系统的热经济性评价

针对CO₂捕集系统, 提出了体现能量的质的评价指标——耗率.解吸耗率是解吸过程的过程性评价指标, 直接反映了解吸过程工艺和设备能耗水平.抽汽耗率是CO2捕集系统的综合性评价指标, 能合理全面地评价捕集系统蒸汽能量利用的程度.引入的减温效率衡量了抽汽在减温过程中可用能的有效利用程度.     

塔里木盆地巴楚地区奥陶系礁灰岩CO2地质储存的溶解溶蚀特征

CO2地质储存是有效减少大气中CO2的重要途径,但礁灰岩会因超临界CO2环境而发生溶解,导致孔隙度扩大,影响其储层的CO2储量.以塔里木盆地巴楚地区奥陶系礁灰岩为例,在温度40℃～120℃、CO2分压8～20 MPa条件下,对礁灰岩储层进行CO2地质储存的模拟试验,观察岩样在试验前后宏观、微观的表象变化,分析其溶解度和孔隙度的变化趋势.结果表明：礁灰岩的溶解度随温度的升高而减小,随CO2分压的增加而增大,且温度为主要影响因素;在相同的CO2分压以及温度较低和原孔隙度较大的条件下,超临界CO2对礁灰岩的溶蚀作用较强,孔隙度的增幅较大,但由于温度和CO2分压的双重作用,礁灰岩整体的孔隙度变化可忽略不计;在超临界CO2的注入过程中,随着地下水的流动,储层内的溶蚀程度有局部差异;入口处的单位体积储层内,若1 000倍单位体积孔隙水的超临界CO2流体通过时,礁灰岩的孔隙度可扩大约1倍.     

CO2近混相驱提高采收率影响因素研究

基于CO2混相和非混相驱油机理研究,提出近混相驱油机理.利用长细管试验和数值模拟,确定CO2驱在特低渗透油田能够实现增油降水并提高采收率.     

介质填充材料对低温等离子体分解CO2的研究

低温等离子体内部存在很多高活性粒子可以促进CO₂气体在常温下分解。为了提高CO₂的分解效率,探索CO₂减排的新途径。研究了介质材料（γ-Al₂O₃、石英棉、CaO）加入时,等离子体与CO₂的反应情况及不同填充材料对该反应的影响。研究表明,加入介质填充材料会显著提高CO₂的分解效率,且加入石英棉时对CO₂的分解效率最高;填充材料粒径在250 μm时,CO₂转化率最高。