二氧化碳工程机械论文提纲

论文题目：二氧化碳所致煤岩结构变化对甲烷扩散的影响研究

摘要：由于滇东黔西煤层的自身特点导致煤层气自然产量极低,需要进行增产措施才能获得工业产能,而二氧化碳压裂和注二氧化碳是煤层气的重要增产技术。二氧化碳的相态、压裂处理时间等因素是影响压裂效果的关键。不同相态的二氧化碳在煤岩割理和基质中流动时会与煤岩发生不同的物理化学反应,造成煤岩结构的改变,从而对甲烷扩散和渗流产生影响。滇东黔西煤岩的结构复杂,不能用简单的欧式几何原理去描述它并建立甲烷的扩散和渗流模型。因此,近年来众多学者将分形理论引入煤岩的结构描述中,研究了甲烷在煤层中的渗流,但用分形理论去描述甲烷在煤岩中扩散规律的报道却很少见。针对上述问题,本文综合运用石油工程、机械工程、传热传质学和分形理论等领域的知识和方法,对在不同条件下CO2与煤岩作用后煤岩微观结构变化,及由此结构变化导致的甲烷相对扩散系数的变化展开研究。具体研究工作有以下三方面。（1）研制煤与CO2作用新型可视化装置分析现有装置的优点和不足。根据煤层温压及现场施工的工况条件,考虑二氧化碳相态变化,运用机械设计等相关知识,研制出能模拟地层环境的煤岩可视化反应装置。（2）煤与CO2作用前后性质变化的实验与分析采用正交设计方法进行了多次不同类型的实验,并通过编程对扫描电镜后的图像进行提取从而获取裂缝形状分形维数。对比分析反应前后煤岩比表面积、平均孔径、孔容、孔隙分形维数、裂缝形状分形维数和渗透率的变化,总结出了上述几个参数在CO2处理后的变化规律,证明了二氧化碳能有效改善煤岩的微观结构、提高煤岩渗透率。同时,分析了“反应时间”、“二氧化碳相态”和“矿化度”这三个因素对煤岩渗透率、微观结构和分形维数的影响规律。（3）考虑煤岩分形特征的甲烷相对扩散系数表征与分析在考虑诺森和体扩散共同作用的基础上,建立了一个类分形树状分叉网络的相对扩散系数模型,该模型引入分形网络结构中的迂曲度和微观结构参数。然后,编写模型求解程序,将实验得到的部分参数或其他结构参数代入方程求解,分析不同处理结果和不同结构参数对甲烷相对扩散系数的影响规律。通过本文研究发现:超临界二氧化碳对煤岩结构的改善作用最大;48小时内,随着反应时间的增长煤岩结构的改善越明显,但在24小时后改善效果逐渐减小;经C02处理后的甲烷扩散系数均会增大且改善效果越好其增加越大。因此,建议现场施工时使用超临界二氧化碳处理煤岩48小时。

关键词：煤层;二氧化碳;微观结构;分形维数;甲烷相对扩散系数

学科专业：油气田开发工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 反应装置研究现状

1.2.2 煤孔隙结构研究现状

1.2.3 煤层甲烷扩散研究现状

1.2.4 分形多孔介质气体扩散研究现状

1.2.5 二氧化碳与煤岩作用研究现状

1.2.6 目前存在的问题

1.3 技术路线

1.4 研究内容及亮点

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究亮点

第2章 煤与CO_2作用的新型可视化装置研制

2.1 装置功能需求

2.2 装置设计

2.2.1 整体结构与流程设计

2.2.2 各单元结构与尺寸

2.3 加工与装配

2.3.1 无碱硼铝硅酸盐玻璃的切割

2.3.2 密封垫片的加工与制作

2.4 装置的整体调试

2.4.1 操作步骤设计

2.4.2 问题及解决办法

2.5 本章小结

第3章 二氧化碳对煤岩结构影响的实验研究

3.1 探索性实验

3.1.1 探索步骤

3.1.2 探索实验的几点认识

3.2 岩样制备和饱和

3.3 实验方案设计

3.4 实验步骤

3.4.1 CO_2与煤岩反应实验步骤

3.4.2 扫描电镜实验步骤

3.4.3 低温氮吸附实验步骤

3.4.4 气测渗透率实验步骤

3.5 表征参数及获取方法

3.5.1 裂隙形状和数量

3.5.2 比表面积及孔径分布

3.5.3 裂缝形状分形维数和孔隙分形维数

3.5.4 气测渗透率

3.6 实验结果与分析

3.6.1 煤岩反应前后的宏观特征及定性分析

3.6.2 煤岩裂隙扫描电镜结果与分析

3.6.3 低温液氮吸附实验结果与分析

3.6.4 气测渗透率实验结果与分析

3.7 本章小结

第4章 考虑煤岩孔隙结构分形特征的甲烷扩散研究

4.1 多孔介质分形理论

4.2 基于树状分叉网络的甲烷扩散分形分析

4.2.1 类分形树状分叉网络的分形表征

4.2.2 煤岩“Y型”类树状分叉网络的结构参数

4.2.3 煤孔隙结构中的甲烷有效扩散系数模型

4.2.4 基于实验数据的甲烷扩散特征分析

4.2.5 分形结构煤岩中甲烷扩散的影响因素研究

4.3 本章小结

第5章 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

致谢

参考文献