CCUS封存环境CO2泄漏监测数据融合算法研究

为进一步探究如何提升CCUS封存CO₂项目的运行质量,以提升数据监测水平的角度入手,结合实际项目特征与需求,首先整合传感器技术、数据通信技术等,搭建面向CCUS封存环境下的CO₂泄漏监测数据系统;而后为提升系统运行质量,设计卡尔曼滤波数据融合算法,以最限度消除数据测量误差,实现更为准确的数据监测。从现场实验测试效果来看,建立的数据监测系统能够实现更为准确的监测,预计其在后续工作中也具有潜在应用价值。     

煤层CO2安全封存研究进展与展望

以CO₂地质封存为代表的负碳排放技术是实现我国碳达峰、碳中和战略目标的重要途径。煤层CO₂封存成本低,同时可实现煤层气高效采收,符合国家绿色发展理念。尽早布局煤层CO₂封存安全研究是保障我国碳达峰、碳中和目标的战略要求。对煤层CO₂封存技术发展现状和安全问题进行了梳理和分析,当前煤层CO₂封存仍处于示范阶段,规模化推广应用尚未实现。煤层CO₂封存安全性主要受封存地质体结构、地质灾害、工程扰动等因素影响,现有安全监测方法多以CO₂泄漏产生的某些环境效应为监测对象,缺乏对封存地质体自身安全性的监测。煤层碳封存全生命周期安全性存在诸多研究空白,严重制约着我国煤层CO₂封存技术的发展。针对现存问题,总结提出了应对煤层CO₂封存安全的4项关键技术,即煤层安全储碳机理与主控因素、煤层碳封存风险探测与安全评价方法、煤层碳封存全生命周期安全监测预警技术以及煤层碳封存风险应对与应急处置规范。通过上述4个方面的...     

N2/CO2混合气注入对页岩力学特性影响规律研究

工业废气经脱硫注氨处理后,气体主要成分为N₂/CO₂。基于减少能源消耗,利用页岩储层有效封存CO₂的思想,开展N₂/CO₂混合气注入对页岩力学特性影响规律研究。以四川省龙马溪组黑色露头页岩为试验研究对象,开展恒温恒压条件下,不同浓度配比N₂/CO₂混合气注入页岩试验,利用单轴压缩试验和巴西劈裂试验,分析N₂/CO₂混合气中CO₂浓度对于页岩力学特性的影响。研究结果表明：页岩试件经N₂/CO₂二元混合气浸泡后,混合气中随CO₂浓度的增加和相变,试件孔隙增长率呈现先增大后减小趋势,孔隙增长率为34.91%～110.6%;页岩试件的强度和泊松比先降低后增大,弹性模量先增大后降低,单轴抗压强度损失率为37.5%～69.1%,抗拉强度损失率为35.3%～85.4%,弹性模量增幅37.5%～54.7%,泊松比损失率为...     

三河尖关闭煤矿煤层CO2封存潜力研究

关闭煤矿煤层CO₂地质封存是CO₂封存的重要方式之一,也是短期内实现碳减排指标的有效手段之一。以江苏省徐州市三河尖关闭煤矿为例,分析了已采7号煤和9号煤的煤岩煤质特征,统计了剩余煤炭资源储量,运用模糊综合评价法,选取了稳定系数、上覆岩层性质、地质构造复杂程度、地下水指标、封存煤层压温比、封存煤层深厚比、封存煤层渗透率、采空塌陷程度和其他因素等9个主要影响因素指标对7号煤和9号煤封存CO₂稳定性进行评价,建立关闭煤矿煤层CO₂封存评价方法并评估CO₂封存潜力。结果表明,三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤剩余储量较大,CO₂封存稳定性综合评价结果分别为86.209和87.698,评价等级均为较稳定,封存潜力较高。根据建立的关闭煤矿煤层CO₂封存评价方法,计算获得三河尖关闭煤矿7号和9号煤层CO₂理论封存量分别为207.6 Mt和80.9 Mt,并据此划分封存有利区为有利区、较有利区和不利区3个等级。研究可为关闭煤矿煤层CO...     

基于煤层封存CO2的煤中有机质超临界CO2萃取试验装置的建立

为研究煤中Sc-CO2可溶性有机小分子对煤封存CO₂影响及煤中生物标志物温和条件萃取方法研究奠定技术基础,以深部不可采煤层封存温室气体CO₂所涉及的超临界CO2(Sc-CO2)与煤有机质作用为背景,建立一套煤的Sc-CO2萃取试验装置。根据煤中可萃取物量低和煤粉易于进入气路特点,开发出了可适于Sc-CO2静态/动态的煤萃取试验装置。详细分析了CO2增压和防煤尘方法、萃取条件控制方式、萃取物收集与富集过程。所开发的萃取装置集CO2增压、煤萃取、萃取物收集和富集于一体。该装置可用于在可控及高压条件下煤中微量可溶性有机化合物的Sc-CO2萃取试验研究。     

CO2羽流地热系统开采特性研究进展及展望

CO₂羽流地热系统(简称CPGS)以CO₂为介质,在封存CO₂的同时,提取出地热能供开发利用(供暖、发电等),可同时解决环境与能源两大问题,是当前前瞻性技术之一。相较于需要进行压裂的增强型地热系统,CPGS热储层的选择可以是深部咸水层或是枯竭的高温油气藏,构成一个CO₂捕获、双重利用和储存系统(CCUS),更高效且安全地进行地热资源开采。讨论CO₂在地热开采中的应用,综述CO₂羽流地热系统运行的影响因素、环境效应以及提高系统经济性的综合利用方法,在此基础上,阐述CO₂羽流地热系统未来的发展趋势,为其实际应用提供参考。     

超临界CO2钻井技术研究

超临界二氧化碳流体兼有液体的高密度和气体的低粘度、高扩散系数的特点,采用超临界二氧化碳作为钻井液进行钻井作业能够提高钻井速度,同时有效地保护油气层。介绍了超临界二氧化碳的性质,并对其在钻井过程中的应用进行了分析,指出利用超临界二氧化碳作为钻井液的优点及不足。     

延长油田CO2大气扩散数值模拟研究及监测点位优化

由于陕北地区局部气象环境复杂,造成CO₂浓度扩散方向的不确定性,同时,延长油田地处黄土塬,地貌沟壑纵横高低起伏,导致布置CO₂大气监测点位困难。本文基于Fluent软件模拟了不同泄漏情景下CO₂驱油与封存泄漏后在大气中的扩散规律,优化监测点位布局,并开展了监测实践。研究结果表明：随着风速的不断增加,CO₂云的浓度在纵向上呈现出一直缩小的趋势,但是CO₂云的浓度在横向上的扩散距离呈现出先增大后缩小的趋势;当风速为2.0 m/s时,CO₂云的扩散距离最远为47 m,浓度最大的CO₂云扩散距离为15 m;随着泄漏速度的增大,近地表处CO₂云的浓度无论是在纵向上还是在横向上都在不断增大;当泄漏速度小于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加得较快;当泄漏速度大于0.4 m/s时,随着泄漏速度的增加,CO₂云的扩散距离增加速率变缓。结合模拟结果、陕北地区气象环...     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

超临界CO2作用后无烟煤力学损伤演化特性及机理

超临界CO₂作用后会导致煤体微观结构发生变化,进而导致煤体结构损伤,从而改变煤体的力学性能。为定量表征在超临界CO₂作用后煤体力学性质的损伤演化规律,以无烟煤为对象,开展干/饱两种含水率下煤体的超临界CO₂浸泡试验,确定在超临界CO₂作用下无烟煤各力学参数的演化规律,结合声发射试验及电镜扫描试验,明确了无烟煤在超临界CO₂作用下的损伤模型及机理。研究结果表明：（1）超临界CO₂对煤体的抗压强度、弹性模量及泊松比具有明显的损伤劣化效应,抗压强度、弹性模量均出现不同程度的降低,泊松比表现出升高趋势。水分也是影响煤体力学特性的重要因素,较干燥组煤样而言,饱水组煤样在超临界CO₂作用下的劣化效果更为明显。不同试验条件下煤样的总劣化程度和阶段劣化度均表现出一定的时间效应和非均匀性,随着浸泡时间的增加,煤体损伤程度逐渐减弱,最后趋向于某个定值。（2）煤体的声发射累计数随着浸泡时间的增加出现不同程度的减少,声发射累计曲线的4个阶段与应力-应变曲线中...     

采空区遗煤吸附电厂烟气中CO2影响因素研究

利用采空区煤岩的吸附特性封存CO₂,不仅可以降低碳捕集与分离成本,还能实现防治采空区遗煤自燃的目的。采用常温常压吸附试验、ASAP比表面积和孔径分析试验,探究了孔隙结构、矿物质含量和含水率对煤吸附CO₂特性的影响,拟合了影响煤吸附CO₂因素的定量关系方程,并通过随机森林算法计算了各影响因素的重要性权重。结果表明：大南湖(DNH)矿、鹤岗(HG)矿、同忻(TX)矿区3种煤的孔径分布规律基本一致,孔径范围在0.5～0.7 nm和0.8～0.9 nm内的孔数量较多,在0.7～0.8 nm的孔数量较少;微孔数量是导致3种煤对CO₂吸附能力差异的根本原因。常温常压条件下,煤对CO₂的饱和吸附量随比表面积的增加而增大,随矿物质含量和含水率的增加而减小,且煤的微孔数量越多,矿物质含量和含水率对吸附量的影响越显著。煤在达到临界含水率后,由于水分子阻碍了CO₂分子的流通通道,导致CO₂分子无法进入煤内部的孔隙中,CO₂饱和吸附量逐...     

“双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题探索

煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,但煤炭工业发展面临着“碳达峰,碳中和”目标的新挑战,积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用,充分发挥煤炭安全供给的兜底作用,是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO₂排放是煤炭工业可持续发展面临的最大制约,探索大规模、低成本CO₂封存技术是煤炭资源低碳化利用必须面对及破解的难题。在对煤层自然封存CO₂和CO₂气藏赋存地质条件研究基础上,探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO₂地下封存的技术途径,并明确了实现CO₂地下高效封存的必备条件：（1）煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO₂封存的先决要求;（2）构建功能性充填空间是实现CO₂地下封存的核心工作;（3）由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO₂封存量及封存效果的重要因素。据此,剖析了进行CO₂...     

自然放射性测井在新疆某工程对F2断层破碎带的测试效果

论述了自然放射性测井的基本原理和方法,并通过自然放射性测井对钻孔内断层破碎带进行了划分,解决了勘测中亟待处理的地质问题,取得了良好的地质效果。     

液态CO2驱替煤体CH4的渗流特性及机制分析

煤层瓦斯抽采效率低是造成高瓦斯及突出矿井采掘接续困难和瓦斯事故频发的重要原因。液态CO₂具有低温致裂增透和相变置换驱替促抽瓦斯效应,可有效提高煤层渗透性。采用自主研发的三轴多相CO₂促抽煤层CH₄平台,分析了不同温度下的煤体抽真空-CH₄吸附-CO₂驱替全过程应变、驱替浓度、流量及渗透率的变化,揭示了液态CO₂驱替煤层CH₄过程机制。结果表明：在吸附CH₄及CO₂驱替阶段,煤体均表现为膨胀应变,各阶段应变分为快速膨胀和缓慢膨胀变形阶段,CO₂驱替阶段的应变量显著大于CH₄饱和吸附阶段的应变量,温度越低,应变差异性越大;驱替过程不同驱替阶段的主导控制效应分别为裂隙游离CH₄驱赶、CH₄自解吸及CO₂-CH₄竞争吸附,驱替流量先快速增加,后缓慢降低并趋于稳定;温度越...     

基于CO2排放因素模型的“脱钩”指标构建与评估——以山西省为例

依据Tapio脱钩指标和Kaya恒等式，运用LMDI分解法分别构建了二氧化碳(CO₂)“脱钩”弹性指标和努力指标扩展分解模型，并对山西省CO₂“脱钩”和低碳经济发展情况进行定量分析。结果表明，脱钩弹性指标和脱钩努力指标均显示山西省CO₂的“脱钩”情况有所改善，已呈现出“弱脱钩”的低碳经济特征；能源强度降低是导致CO₂“脱钩”的关键性因子，其脱钩努力指标从2001年的-0.239 2逐年增加到2008年的 0.542 4，这主要源自工业领域技术的进步和能源效率的提高，产业结构和能源结构调整等其他措施并没有显示出明显的减排效果；假定在以上条件均不变的情况下，CCS技术将成为实现CO₂减排和“强脱钩”的关键性因素。该研究尝试将脱钩指标和CO₂排放因素分解模型进行结合，考虑了CCS因素在减排和“脱钩”方面的作用。     

硅酸盐水泥基CO2泡沫混凝土的制备及机理

煤电一体化基地运行产生大量CO₂引起的环境问题引起了极大的关注。利用坑口电厂CO₂制备泡沫混凝土材料不仅可应用于矿井充填,而且可实现坑口电厂CO₂的原位处理。为此,研发了一种兼具高强与固碳特性的CO₂泡沫混凝土材料,并探索了硅酸盐水泥基CO₂泡沫混凝土(CFC)的制备机理。通过碳酸化预处理水泥和物理发泡方式制备了硅酸盐水泥基CO₂泡沫混凝土,采用扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、万能试验机、热重分析方法(TG)分别进行微观表征、力学性能测试、固碳能力测试,对CO₂对CFC干密度、孔隙率、抗压强度及固碳性能的影响规律及作用机理进行研究,分析了硅酸盐水泥中CO₂泡沫消泡机制,讨论了CO₂发泡硅酸盐水泥基混凝土机理。试验结果表明：得益于CO₂养护作用,CFC抗压强度明显提高;碳酸化预处理后CFC的7 d抗压强度提高44.6%,28 d抗压强度提高27...     

注热CO2增产CH4过程数值模拟研究

通过建立二元气体扩散场—渗流场—传热场的耦合方程,利用COMSOL模拟了不同温度和压力下CO₂驱替CH₄过程中驱替效果、CO₂储存量、CH₄产量及煤体渗透率等的变化规律。结果表明：CO₂驱替作用会导致煤体部分区域出现CH₄压力上升高于原始储层压力的现象。随着驱替压力的增大,CO₂储存量与CH₄产量增加,当驱替压力由2 MPa增高到6 MPa时,驱替比由2.85增大到4.38。而当注入温度从20℃增高至100℃时,驱替比由4.38降低至4.34。在驱替开采过程中,驱替压力是影响驱替效果的主要因素。随着驱替的进行,CO₂影响范围逐渐增大。在CO₂影响区域,CO₂的注入对煤层渗透率影响较大,煤基质对CO₂的吸附使煤层渗透率迅速下降;而在CO₂未影响区域,煤体渗透率随着CH₄的解吸而增大。     

高压注入条件下N2对含水煤中CH4置换效应的影响

为了揭示高压注入条件下N₂对不同含水率煤中CH₄置换效应影响,基于含水率为0.75%、1.5%和3%的3种煤样,开展了高压注N₂置换CH₄实验。实验结果表明：随着煤含水率的增加,煤吸附CH₄和N₂的能力表现出逐渐减弱的趋势,N₂的吸附量始终小于CH₄的吸附量,且N₂置换CH₄的能力逐步下降;在本实验压力条件下,CH₄预吸附平衡压力超出0.75 MPa越大,其N₂利用率越低。同时随煤含水量的增加,CH₄置换率、N₂注置比均出现逐步减小的趋势,因此可得CH₄置换率、N₂注置比均与煤的含水量呈负相关关系。实验含水煤样更好的还原井下处于潮湿环境中的原煤,通过CH₄置换率和N₂注置比的反馈得出,过大的注气压...     

煤层储存CO2机理和技术路线

大气中重要的温室气体CO2含量显著增高,导致全球气候变暖,对人类生存安全和社会经济可持续发展构成严重威胁。CO2的有效处置对减缓全球变暖具有重大意义。由于煤介质的双重孔隙结构和对气体吸附性质,它对CO2具有很强的吸附能力。根据地质学、煤岩学、地球物理、物理化学和遥感技术等知识,结合专家们的报告,总结煤层埋存CO2的技术路线。     

基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策,也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者,在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题,是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则,寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO₂封存的有机结合点,提出基于功能性充填的CO₂储库构筑与封存方法学术构想,探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO₂封存储库构筑→CO₂物理与化学协同封存→CO₂封存安全及环境风险评价”的CO₂封存新途径。具体开展工作包括：（1）创新了镁渣源头改性技术,研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO₂封存用功能性充填材料;（2）提出了短-长壁充填无煤柱开采方法,初步构筑满足稳定性要求的CO₂封存空间,结合功能性充填理论与技术,进一步构筑满足密封性要求的CO₂...