1.
基于Ono-Kondo格子模型的超临界页岩气吸附试验研究
胡科; 汤积仁; MISCHO Helmut
煤炭学报,
2021, Letnik:
46, Številka:
8
Journal Article
P618.13%TE122; ...
页岩储层普遍埋藏较深,地层温度和压力较高,相当一部分页岩气在储层中处于超临界吸附状态.超临界吸附与传统亚临界吸附在机理上有着较大区别,将建立在亚临界条件的吸附模型运用到超临界页岩气吸附领域仍然面临一些挑战.因此,准确表征超临界页岩气吸附是精准评估页岩气储量和制定合理开发方案先决条件.针对页岩中超临界甲烷吸附问题,借助高精度磁悬浮天平重量法吸附仪,开展了高温高压甲烷吸附实验,分别测定了超临界甲烷在40,60,80和100℃的气体相密度和等温吸附曲线.实验结果表明:磁悬浮天平能同时测定气体相甲烷密度和过剩吸附量;超临界甲烷过剩吸附量随压力先增加后减小,过剩吸附量随温度升高而降低,最大过剩吸附量对应的压力随温度升高而升高.在不对吸附相密度和体积做任何假设的前提下,利用Ono-Kon-do格子模型分别分析了页岩气的单层和多层吸附.Ono-Kondo格子模型分析结果表明:超临界甲烷吸附只能形成单层吸附,其中吸附相密度和绝对吸附量均随压力单调递增,吸附相体积近似保持不变.随着压力的升高,吸附相密度与气体相密度的差值先增加后减小,而吸附相体积近似保持不变,因此会导致过剩吸附量出现极大值.若将吸附相密度假定为定值会低估高压力段的绝对吸附量.
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2.
过热液体闪沸喷射钻进羽流相互作用调控及成孔直径预测
刘文川; 汤积仁; 张慧栋 ...
煤炭学报,
09/2022, Letnik:
47, Številka:
9
Journal Article
P618.11; ...
射流钻进多层分支孔构造裂缝网络是进行煤层气储层改造增产的有效手段,高质量高效钻进成孔是延长气井寿命、提高煤层气采收率的关键.为实现均衡冲击,进一步提升成孔质量与孔壁稳定性,提出了过热液体闪沸多孔喷射钻进技术,利用闪沸相变形成气液射流协同热应力共同作用于煤岩钻进成孔.为了调控羽流相互作用以进一步利用闪沸现象的优点,必须获得羽流相互作用的调控准则及其对射流宏微观特性的影响.通过高速摄影(DBI)和相位多普勒测试(PDA)获取了不同羽流相互作用阶段闪沸喷射流场宏微观特性.引入喷嘴喉部压力-焓关系计算得到新无量纲参数,分析射流形态和宏观特征.基于等熵-绝热两阶段模型以及喷嘴喉部流体状态,获取了闪沸喷射钻头几何结构设计指标CP和工况参数调控指标OP.提出了综合考虑液体性质、喷孔布置以及环境压力的羽流相互作用调控新准则,并通过不同类型液体进行了验证,为羽流动态调控匹配冲击力与冲击区域提供了支撑.根据新准则,研究了羽流相互作用各个阶段的射流特性,发现不同类型过热液体喷射锥角均在喷射坍缩临界点附近达到最小值,索特平均直径随闪沸的剧烈程度增加而减小,其时空分布在羽流剧烈相互作用阶段更加均衡.研究了导致羽流横向膨胀的主导因素,以及在高过热度条件下不同因素对羽流膨胀的贡献.高饱和压力有利于气泡的成核破裂以及随后的羽流膨胀,并且由于能垒对成核的依赖性,表面张力也会影响羽流的膨胀.喷嘴喉部的流动条件对于确定以闪沸主导和羽流相互作用主导的阶段的射流特性都至关重要,据此提出了综合考虑成核能量势垒及成核速率的冲击区域预测模型,能够有效预测不同类型过热液体、不同喷射参数、不同靶距下的闪沸喷射冲击区域无量纲直径,准确度高达95％以上.羽流调控准则和冲击直径预测模型的建立为闪沸喷射钻头结构设计准则及工艺参数选取提供了基础,研究成果还可进一步扩展至可压缩流体、超临界流体等射流冲击作用区域预测及调控,服务于我国能源开采.
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3.
变速率剪切滑移过程中页岩裂缝稳定性-渗透率演化规律
贾云中; 陆朝晖; 汤积仁 ...
煤炭学报,
09/2021, Letnik:
46, Številka:
9
Journal Article
TU45; 页岩气资源开采的过程中,水力压裂技术常作为增产的基本手段.但是,大量流体注入地层后可能影响储层岩石的整体性、稳定性和渗透特性.同时,裂缝的渗透率是决定储层产量的关键条件.因此,选取了中国川东南龙马溪组页岩、美国Green ...
River页岩和Marcellus页岩,通过进行变滑移速率的页岩裂缝剪切滑移实验,同时测量了页岩裂缝滑移过程中的摩擦因数和渗透率变化,基于速率状态定律评估了3种页岩裂缝的剪切滑移稳定性,分析研究了岩裂缝稳定性-渗透率演化规律.在实验结果观察的基础上,通过建立页岩裂缝滑移过程中的微观物理模型,讨论了页岩矿物组分对剪切裂缝剪切强度、稳定性和渗透率演化的微观控制机制.研究结果表明:页岩裂缝面的摩擦强度随网状硅酸盐质量分数的增加而增大,随层状硅酸盐质量分数的增加而减小;页岩裂缝剪切滑移稳定性参数(a-b)值随层状硅酸盐质量分数增加而增大,倾向于发生稳定性蠕变滑移,网状硅酸盐质量分数的增加使(a-b)值减小,更易产生非稳定性地震滑移;在含有高网状硅酸盐质量分数的裂缝中,滑移速率突然增加导致的剪胀作用导致裂缝渗透率的增大,并且伴随着非稳定性地震滑移;高层状硅酸盐裂缝滑移速率突然增大时,裂缝面的加速破坏导致裂缝渗透率进一步降低,同时伴随着稳定的蠕变滑移.研究结果对于控制水力压裂诱发页岩地层非稳定滑移提供借鉴.
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4.
不同膨胀比下气体射流流场结构及脉动频率
陈长江; 刘勇; 魏建平 ...
煤炭学报,
12/2021, Letnik:
46, Številka:
12
Journal Article
TD823; ...
磨料气体射流的破岩情况决定于磨料加速效果,而气体流场的时空特征是决定磨料分布和加速的最重要因素.又根据膨胀比β(射流压力和环境压力的比值)会影响气体流场空间结构及脉动频率.因此,基于膨胀比β研究了超音速气体射流流场的时空演化规律.为研究气体射流流场时空特征,采用纹影试验获取了不同膨胀比下气体流场的灰度照片,并通过建立灰度值与密度值转换模型,计算了流场密度,得到了流场空间结构.又通过对纹影照片进行时域与频域转换,获取了流场频谱,得到了流场的脉动频率.结果 表明:膨胀比β可显著影响超音速气体射流流场的空间结构及脉动强度.当膨胀比β=1时,气体射流处于完全膨胀状态,流场核心段没有明显的波节结构,气流密度变化平缓,脉动频率集中于100 Hz;随着膨胀比β增加至1.12时,超音速气流出现轻微的膨胀-压缩,气流密度沿射流轴线方向变化加剧,流场核心段出现明显波节结构,等速核长度较长,此时,流场脉动强,同时存在多个脉动主频率;继续增加膨胀比β至2时,气流密度沿射流轴线方向交替出现剧增、剧降,等速核长度快速衰减,但此时,流场的脉动受到抑制,脉动频率迅速减小.再继续增加膨胀比β,气体出喷嘴后,密度会迅速衰减为环境密度值,流场振荡性减弱,脉动频率再次稳定于100 Hz.
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5.
页岩超临界CO2压裂起裂压力与裂缝形态试验研究
卢义玉;廖引;汤积仁;张欣玮;韩帅彬;凌远非
煤炭学报,
2018, Letnik:
43, Številka:
1
Journal Article
我国页岩气储层普遍黏土含量高,且多富集于缺水地区,超临界CO2（SC-CO2）因具有低黏度、低表面张力及对储层无伤害的特性,有望成为一种新型无水压裂方法。采用页岩露头与砂岩开展了真三轴SC-CO2与水力压裂对比试验,结合工业CT扫描分析裂缝形态,并研究了温度对起裂压力的影响。结果表明：SC-CO2压裂页岩时较水力压裂的起裂压力低约50.9%,压裂砂岩时起裂压力低约57.1%;相比水力压裂,SC-CO2压裂升压过程中,由于CO2的压缩性,增压速率较慢,由于页岩本身的层理特征,页岩SC-CO2压裂有多次起裂的现象,更易形成复杂的裂缝;随着温度的升高,SC-CO2压裂起裂压力呈下降趋势;CT断面扫描显示超临界CO2压裂页岩时更容易形成多条网络化裂缝,达到类似体积压裂的效果。
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6.
非均匀孔隙压力场导向水压裂纹扩展机制
卢义玉 贾云中 汤积仁 宋晨鹏
东北大学学报（自然科学版）,
2016, Letnik:
37, Številka:
7
Journal Article
为揭示非均匀孔隙压力场对水压裂纹扩展的影响,采用多孔弹性力学、断裂力学、渗流力学和热弹性力学理论,建立了考虑孔隙压力的水压裂纹尖端应力强度因子计算模型,并采用室内实验和RFPA2DFlow数值模拟软件进一步分析了非均匀孔隙压力场对水压裂缝扩展的导向机制.研究结果表明：孔隙压力场的存在可以增大水压裂纹尖端的应力强度因子,从而诱导水压裂缝沿高孔隙压力方向扩展;同时,水压裂纹尖端的应力强度因子会随着孔隙压力增大而增大,孔隙压力越大,裂纹的偏转幅度也会越大.
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7.
磨料射流喷嘴外流场磨料速度模型及分析
章文峰; 卢义玉; 汤积仁
煤炭学报,
12/2017, Letnik:
42, Številka:
z2
Journal Article
TD263.34; ...
喷嘴外流场磨料速度是建立磨料射流冲蚀深度模型的重要前提,以磨料射流喷嘴外流场磨料为研究对象,以固液两相流理论为基础,建立了磨料射流喷嘴外流场磨料速度模型,基于位移等分法和迭代算法求解了该速度模型,利用PIV实验进行验证,实测值与理论值的平均百分比误差在5％之内.并利用该速度模型得到了磨料射流喷嘴外流场磨料运动规律:①磨料颗粒流在喷嘴外流场的流动具有扩散性;②磨料颗粒沿射流轴向运动时,大多经历了一个先加速后减速的过程,只是加速距离有所差异;③初始段内相同轴向距离的射流横截面上,位于等速核区域内的磨料速度相同,随后磨料速度从等速核边界朝射流边界方向逐渐减小;初始段末端及基本段内相同轴向距离的射流横截面上,磨料速度沿射流径向的分布完全呈现出钟形速度分布.
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8.
缝槽水压爆破导向裂缝扩展实验研究
夏彬伟 刘承伟 卢义玉 刘勇 葛兆龙 汤积仁
煤炭学报,
2016
2
Journal Article
针对西南地区薄煤层在使用传统深孔预裂爆破技术增加煤体透气性时,爆生裂缝无序扩展至顶底板引发顶底板失稳破断的技术难题,结合刻槽爆破裂缝导向性和水压爆破高效性,提出缝槽水压爆破技术。通过实验对比分析了耦合装药爆破、缝槽空气不耦合爆破、缝槽水压爆破形成的裂缝特征及应力演化规律。结果表明：缝槽水压爆破能大面积定向预制二维平面裂缝;在相同装药量下,缝槽水压爆破制造的煤体暴露面积是缝槽空气不耦合装药爆破的1.42倍、耦合装药爆破的11倍;其爆炸应力峰值略高于耦合装药爆破,达到割缝空气不耦合装药的1.5倍。而且,缝槽尖端方向应力变化大于其他方向,引起更大的质点振动,利于煤岩体破断,导向裂缝起裂和扩展,更有利于保护煤层顶底板。
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9.
页岩吸附二氧化碳变形特性试验研究
敖翔 卢义玉 汤积仁 黄飞 廖引 贾云中
煤炭学报,
2015
12
Journal Article
选取四川省宜宾市下志留统龙马溪组页岩,基于自主研发的"高温高压页岩吸附膨胀仪",开展了恒温条件下页岩吸附不同压力CO2的变形试验,以此探讨页岩吸附CO2的变形规律。试验结果表明:页岩吸附CO2的变形以膨胀变形为主,随CO2压力的增加,页岩膨胀变形量呈现先增大后减小的变化规律,在不同CO2压力作用下页岩的膨胀变形可以用超临界DR(SDR)模型的形式进行描述;页岩在不同压力CO2的作用下具有相似的变化趋势,即变形均经历3变形阶段:短暂压缩阶段,缓慢膨胀阶段,变形稳定阶段;页岩吸附变形体现出明显的方向性,即垂直层理比平行层理的变形量大。
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10.
页岩-煤吸附CO2时间效应及变形各向异性试验研究
汤积仁; 王相成; 卢义玉 ...
煤炭学报,
08/2018, Letnik:
43, Številka:
8
Journal Article
P618.11; 为对比研究页岩和煤在CO2作用下吸附解吸与变形特性,采用四川盆地龙马溪组页岩和塔山煤矿煤样,利用“高温高压页岩吸附膨胀仪”在0～16 MPaCO2压力下对以上两类样品进行了长达2000h的等温吸附及变形试验.结果表明:在渗透率和CO2密度共同影响下,页岩和煤吸附平衡时间在0～6 ...
MPa内随平衡压力升高逐渐增加;当CO2压力到达临界压力附近时,吸附平衡时间急剧缩短(页岩9.3h.煤4.8h);继续升高平衡压力,平衡时间再次增加.垂直、平行层理方向弹性模量的差异致使页岩变形各向异性随平衡压力升高不断减弱;煤变形各向异性比页岩更显著,随平衡压力升高波动性较大.页岩在气体压力为10 MPa附近达最大吸附量0.082 mmol/g,其体积应变量与吸附量满足二次函数关系.煤在气体压力为7 MPa附近达最大吸附量l.421 mmol/g,其体积应变量与吸附量呈现良好的线性关系.
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