超临界CO2管道破裂泄漏影响探讨

近年来,随着碳捕集与封存的需求不断提高,CO₂输送管道成为关键支撑,大规模发展趋势明显。相比气态输送,长距离CO₂输送管道采用超临界输送模式经济性更好,但具有泄漏后压力台阶较高、管道止裂韧性要求较高、泄漏后果与油气介质不同等显著特点。尤其对于超临界CO₂管道泄漏问题,受CO₂密度大于空气、具有窒息性等特性影响,泄漏后果分析日益受到关注,值得深入研究。目前,国内外已经发布了相关CO₂管道输送技术规范,但未见对泄漏后果定量分析方法与临界阙值指标的明确要求,对工程设计的详细指导尚显不足,且鲜有与实验测试结果分析比对的探讨。基于CO₂相态特点,结合超临界CO₂输送特点,探讨了超临界CO₂泄漏后果的安全阙值选取问题,开展了国外超临界CO₂管道破裂实验的深度调研,比对性地开展了超临界泄漏后果模拟分析。研究表明,推荐选择摩尔浓度4%作为CO₂线路管道破裂影响范围评价浓度值;国外大规模...     

超临界CO2管道输送流动保障分析要点探讨

近年来,随着碳捕集与封存的需求不断提高,CO₂管道成为关键支撑,大规模发展趋势明显。CO₂管道可采用气相、超临界相或密相输送的方式。相比气相输送,长距离CO₂管道采用超临界输送模式具有更好的经济性。与常规油品输送相比,超临界CO₂在输送过程中存在水击超压、热膨胀超压、降压相变、相变低温等问题,受超临界CO₂物性特点、输送工艺等影响,超临界CO₂流动保障值得系统性探讨。基于超临界CO₂输送工艺与运行特点,识别了超临界CO₂管道输送流动保障分析要点,探讨了超临界CO₂与常规油品的水击超压、热膨胀超压问题,具体开展了超临界CO₂计划性放空管体相态与温度分布研究。研究表明：超临界CO₂管道水击超压影响相对较小,但存在水击点下游降压相变风险;超临界CO₂管道停输后存在热膨胀超压风险;受地形影响,超临界CO₂管道计划...     

高压CO2管道泄漏动态压力计算模型研究

高压CO₂管道运行过程中可能因为腐蚀或外部因素发生泄漏,由于CO₂相态复杂,管内压力相应产生复杂动态响应变化,管内压力动态变化规律对于减压波预测、管材韧性止裂具有重要影响。为研究不同工况下管道泄漏过程中管内压力变化特性,基于等熵原理建立了高压CO₂管道泄漏管内动态压力计算模型,并结合工业规模CO₂管道泄漏实验数据以及HYSYS软件计算结果对模型进行了验证。结果表明：相比HYSYS软件,新建模型对于高压CO₂管道泄漏过程压降的预测与实验结果更吻合,平均预测误差为3.9%,表明新建模型可以准确预测高压CO₂管道泄漏过程管内压力的动态响应变化规律。研究成果可为高压CO₂管道泄漏过程管内动态减压特征预测提供理论支撑。     

适用于超临界CO2管道的稳态输送水力热力计算模型

超临界CO₂管道输送是碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)中的重要环节,由于超临界CO₂水力热力特性与气液有明显差异,为满足实际CO₂管道工艺方案设计要求,需要建立适用于超临界CO₂的水力热力计算模型,为CO₂管道工艺设计参数选择及方案优选提供理论支撑。基于此,以考虑高程差的管道稳态连续性方程、运动方程、能量方程三大守恒方程为基础,结合相平衡实验选择适宜状态方程计算纯CO₂或含杂质CO₂的物性参数,采用四阶龙格—库塔法迭代数值求解,通过C++语言采用自适应步长设置来满足实际高程变化影响,自主编程得到了一维非等温考虑地形起伏的超临界CO₂管输稳态水力热力计算模型,并分别通过实验和OLGA软件从多个方面验证了模型具有较高的精度。利用建立的模型研究杂质含量及种类对CO₂管道稳态输送过程的压降和温降的影响,得到杂质种类对压降...     

输送工艺参数对密相/超临界CO2管道止裂韧性的影响

为了研究密相/超临界CO₂输送管道的止裂性能,以密相/超临界CO₂长输管道断裂控制为研究目标,针对实际工况,基于GERG-2008状态方程、BTC双曲线模型和X65管道,计算分析了燃烧后捕获、燃烧前捕获和富氧燃烧捕获三种捕获方式下CO₂气质组分、初始温度、初始压力、管径和设计系数等对压力温度(P-T)状态、减压波曲线、止裂韧性的影响。结果发现,杂质组分的增加以及提高初始温度、增大管径、增大设计系数会导致密相/超临界CO₂输送管道止裂韧性增加;而提高初始压力会导致密相/超临界CO₂输送管道止裂韧性降低;燃烧后捕获产生的CO₂混合物输送管道所需的止裂韧性最小,富氧燃烧捕获产生的CO₂混合物输送管道所需的止裂韧性最高。该结果可为CO₂管道设计和工程应用提供理论依据。     

密相/超临界CO2管道全尺寸爆破试验综述

密相/超临界CO₂管道止裂韧性预测是世界范围内研究的热点和难点问题,目前已有的止裂韧性预测模型尚不能准确预测密相/超临界CO₂管道的止裂韧性。超临界CO₂管道全尺寸爆破试验是确定超临界CO₂管道止裂韧性的最佳方法,目前全球范围内仅有11次超临界CO₂管道全尺寸爆破试验,国内尚属空白。从基本情况、试验工况和参数、试验目的和结果等几个主要方向细致分析、总结和对比现有CO₂管道全尺寸爆破试验,为后续国内CO₂管道全尺寸爆破试验的开展提供理论指导和数据支撑,为CO₂管道设计和工程应用提供有力的参考依据。     

CO2地质封存系统泄漏风险评价

CO₂地质封存是缓解温室效应的重要手段,而封存系统的泄漏风险评价是安全封存的基础。首先,综合分析影响CO₂地质封存系统泄漏的因素,认为诱发泄漏风险的原因主要是CO₂低温冷流体产生对井筒和盖层的交变应力和CO₂-水-岩腐蚀反应综合作用下导致井筒和盖层的完整性失效。考虑多因素综合作用对CO₂地质封存系统泄漏的影响,并基于模糊综合评价理论(FCE),建立了CO₂泄漏风险因素间的层次关系模型,进行了CO₂地质封存系统泄漏风险评价,其过程包括应用非线性正态隶属函数建立CO₂泄漏风险因素对评语的隶属度矩阵,并应用层次分析方法构建泄漏风险影响因素间的比较矩阵,以获得泄漏风险因素的权重子集,并对给定实例CO₂地质封存系统泄漏风险进行评价,进而得出所评价的CO₂地质封存井筒当前处于泄漏低风险,盖层处于泄漏中风险,封存系统处于泄漏中风险。通过采集CO₂地质封存过程中泄...     

超临界CO2压裂井筒传热规律

为了优化超临界CO₂压裂工艺技术和施工参数,考虑到井筒温压变化与CO₂物性之间的相互影响与作用,基于CO₂物性模型,建立CO₂压裂井筒压降、传热耦合数学模型,通过现场压裂施工数据验证模型准确性,进行耦合计算和井筒传热规律分析。研究表明:不同排量下,油管内温度分布均明显低于地层原始温度,且随着排量增加,井筒温度出现了先减小后增加的变化趋势;井底温度随着注入温度的增大而增大,且较高排量下,井底温度随注入温度的变化更加显著;井口压力增加对井底温度的影响很小,在工程上可以忽略其影响;不同排量下,井底温度均随着注入时间的增大而降低,且降幅随着注入时间增大逐渐减小;加入降阻剂会显著降低油管内温度,且不同排量下,降阻后井筒温度差异较小。该研究对于CO₂压裂设计优化及现场施工具有重要指导意义。      

含杂质超临界-密相CO2管道输送工艺参数优化

CO_2输送作为CCUS技术实现的中间环节,承担着将CO_2从捕获地输送到封存点的重要任务,结合原油、天然气管道的经验可知,由于管道输送具有输量大、安全可靠性高、连续性强等优势,是目前最主要的CO_2输送方式。根据国外40多年的CO_2管道输送经验,由于超临界-密相CO_2具有类似于液体的高密度和类似于气体的高扩散性与低黏度,被认为是最经济的管道输送方式。以国内某油田30×10~4 t/a CCUS项目为例,采用Pipephase模拟软件对不同管径的超临界-密相CO_2管道在相同入口参数下进行模拟计算,分析研究不同管径下的管道压力、温度、密度与输送距离之间的变化规律,得出含杂质超临界-密相CO_2最优管道输送工艺参数,为后续我国CCUS项目推广和发展提供理论依据。     

超临界CO2压裂缝内支撑剂运移规律

为了优化超临界CO₂压裂工艺技术和施工参数,考虑超临界CO₂压裂液中支撑剂颗粒之间相互作用,采用欧拉-拉格朗日方法中的多相质点网格方法,建立超临界CO₂压裂缝内支撑剂运移数学模型,通过室内水力压裂支撑剂运移物模实验验证模型准确性,进行超临界CO₂压裂缝内支撑剂运移规律计算和分析。研究表明:未增黏CO₂由于黏度低,携砂效果极差,优化其他参数对携砂效果影响不大;CO₂黏度增加到2.5 mPa·s即可有效提高携砂效果,采用超轻支撑剂与细尺寸颗粒组合,携砂效果与增黏到10 mPa·s效果相差不大;优化支撑剂密度比尺寸对携砂效果提高更为明显;增大排量可以提高携砂效果,但排量继续增大,其携砂效果变化较小;流体滤失对CO₂携砂效果影响变化不大。该研究为解决CO₂携砂性能差的问题提供了技术支撑,对超临界CO₂压裂设计优化及现场施工具有重要指导意义。      

超临界CO2中烷基聚醚的溶解规律研究

通过浊点压力实验考察了温度、聚合度、烷基链长度以及烷基聚醚含量对烷基聚醚在超临界CO₂中溶解度的影响,采用分子动力学模拟计算分析了烷基聚醚分子间相互作用、烷基聚醚和CO₂之间的相互作用,并探索了烷基聚醚与CO₂的微观相溶规律。实验结果表明,温度升高,烷基聚醚在超临界CO₂中的溶解度减小,烷基聚醚与CO₂之间的亲和性降低;在分子中引入聚氧丙烯基团有利于提高烷基聚醚在超临界CO₂中的溶解度,但存在最佳聚合度范围。十二烷基聚氧丙烯醚比十二烷基聚氧乙烯醚的溶解度参数小,分子间相互作用更弱,且在超临界CO₂中更分散,与CO₂的相互作用能更大,使其与CO₂亲和性更强,浊点压力更低,溶解度更好。     

超临界CO2协助聚烯烃功能化接枝改性的研究进展

综述了超临界CO2(SC-CO2)协助聚烯烃后功能化接枝改性过程中的溶胀条件和渗透机理。SC-CO2协助固相接枝技术能明显改善接枝产物的均匀性,使后处理工艺简单,是很有发展前景的聚烯烃功能化改性的方法。     

页岩储层超临界CO2压裂液滤失规律实验研究

压裂施工过程中,压裂液的滤失量是影响压裂裂缝几何形态和压裂效果的主要因素,但目前中国还没有对页岩储层超临界CO₂压裂液滤失规律实验方面的报道。因此,结合中国典型页岩气储层特征,研究了非线性滤失条件下,不同初始相态的CO₂压裂液在地层岩心中的滤失规律,在此基础上分析了CO₂压裂液滤失规律的主要影响因素,以及不同实验条件下CO₂压裂液的滤失机理。实验结果表明,CO₂压裂液的滤失规律受注入压力、压差、裂缝开启度及压裂液黏度等因素的影响,随着注入压力、压差、裂缝开启度的增大,CO₂压裂液滤失速率增大;不同滤失实验条件下,影响CO₂压裂液滤失规律的主导因素不同,当CO₂压裂液处于超临界状态(7.38 MPa,31.1℃)时,由于黏度较大,超临界CO₂压裂液的滤失系数相对较小。      

CO2超临界态输送技术研究

为了提高CO₂管道输送效率,一般采用超临界密相输送。为此,利用组分热力学模型以及水力学模型,分别对CO₂液化管道输送、超临界输送和密相输送进行分析研究,对不同相态条件下的管道输送规律进行了模拟计算,得到了压力、温度等在输送过程的变化规律,并就压降-长度关系、压降-二氧化碳摩尔流量关系和压降-内径关系对3种输送方式进行了对比,得到如下结论：在相同的情况下,超临界输送时的压降比液化输送和密相输送的压降值要大,而液化输送的压降比密相输送大;超临界输送和密相输送的压力都很高,输送过程中基本不会发生气化,而液化输送随着输送过程中压力的降低、温度的升高,CO₂很容易气化;不同的输送方式无论从经济性还是能耗上都有很大的差别,输送状态的选择要根据整个系统的具体情况进行综合分析和评价。     

超临界CO2压裂技术现状与展望

以水基压裂液开发非常规油气过程中所面临的问题为背景，总结了超临界CO₂压裂技术的独特优势、技术特点、工艺流程及其作业机制。全面分析了超临界CO₂压裂技术的起源、超临界CO₂压裂岩石起裂机制、缝内携砂规律、井筒流动与控制、压裂设备及现场试验等研究发展现状，得到了当前阻碍该技术工业化应用的关键问题，并给出了相应对策。针对超临界CO₂压裂岩石起裂机制的研究多为现象性描述，未来应重视理论分析与模拟实验相结合，给出定量评价方法；超临界CO₂缝内携砂能力的研究除了加强增黏剂方向的攻关力度外，研发纳米纤维实现物理增黏、开发新型低密度支撑剂、提高施工设备技术参数等也是有益的工作。未来超临界CO₂压裂技术将逐渐由直井单层压裂向水平井多级压裂发展并与连续油管拖动压裂相结合，逐渐满足页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规油气的规模化开发需求。     

超临界CO2水平环空携砂试验研究

为明确超临界CO₂在水平段环空的携砂性能,分析关键施工参数对其携砂性能的影响,根据相似原理设计了超临界CO₂水平环空携砂试验装置,试验研究了超临界CO₂注入质量流量、砂比、出口压力和流体温度对砂粒在水平环空中运移的影响。试验结果表明:超临界CO₂能够以悬浮输送的方式在水平环空内有效携砂,增大其质量流量,会增强环空内流体的紊流强度,进而提高悬浮携砂效果;在较高砂比下,水平环空底部更容易出现砂床,使过流面积减小,从而使砂粒运移速度增大;在相同注入条件下,环空内砂粒运移速度随出口压力升高而降低,但降低幅度逐渐减小;在合理温度范围内提高流体温度,有利于减少环空内砂粒的堆积。研究结果可为超临界CO₂钻井和超临界CO₂压裂优化设计关键施工参数提供参考。      

含杂质CO2管道泄漏扩散模拟分析

管道输送是CCUS技术中最为重要的一环,CO_2泄漏扩散的高浓度窒息性和少量毒性气体杂质是最重要的潜在危害,安全性是其重要指标。利用PHAST软件对CO_2及其杂质H_2S在多因素耦合作用下对管道泄漏扩散进行了模拟计算分析,得出最危险工况。并对CO_2管道输送的危险工况进行模拟计算分析,得出CO_2及H_2S气体扩散的最大安全距离,选定合适的截止阀间距。定量分析评价了CO_2管道输送的安全性,对CO_2输送管线标准的制定具有借鉴意义。     

某X80钢级CO2输送管道断裂事故调查分析情况介绍

2020年发生在美国密西西比州的一起CO₂管道断裂事故,引发对CO₂管道安全的广泛关注。该管道于2009年投产,输送超临界态CO₂,最高设计压力14.9 MPa,管径610 mm,采用API 5L PSL2 X80 HFW钢管,是目前钢级最高的超临界态CO₂长距离输送管道。该事故是大雨造成事故地点上游土壤移动引起管段轴向应变过大导致环焊缝失效,调查未发现钢管母材和环焊缝缺陷,母材和环焊缝性能均满足当时标准要求,但调查结果也显示环焊缝强度低于母材。编译并汇总了美国管道和危险品安全管理局(PHMSA)发布的事故调查报告及有关重要信息,介绍了事故调查采用的根本原因分析步骤及主要内容、分析结论、管道重新启用情况及CO₂管道安全的工作措施等,供国内管道行业从业人员参考。     

超临界CO2/H2O混合流体吞吐提高页岩油采收率实验研究

针对页岩储层压裂后一次衰竭开发原油采收率低的问题,基于页岩储层的低孔、超低渗透特征,提出了超临界CO2/H2O混合流体吞吐提高页岩油采收率实验方法。通过自主设计的室内岩心实验评价超临界CO2/H2O混合流体吞吐页岩油的效果,并对实验过程中注入介质、焖井时间、注入压力、吞吐轮次对提高采收率的影响规律进行研究,同时通过核磁共振技术明确超临界CO2/H2O混合流体对不同孔隙类型中原油的动用程度。结果表明：超临界CO2/H2O混合流体吞吐可以有效提高页岩油采收率;对于物性较差的页岩岩心,焖井时间对提高采收率有较大影响;注入压力与超临界CO2/H2O混合流体的扩散速度和渗流能力密切相关,混相条件下提高采收率效果显著;增加吞吐轮次大孔隙中的原油动用效果较好,但无法通过增加吞吐轮次动用更多微小孔隙中的原油。     

非常规储层超临界CO2压裂复杂裂缝扩展模型

超临界CO₂压裂是一种很有前景的非常规储层开采技术,由于其具有黏度低、流动能力强的特征,使得压裂时产生多分支的复杂裂缝。目前大多数水力裂缝扩展模型需要指定裂缝扩展路径和方向,无法得到实际的复杂裂缝扩展结果,因此文中在考虑超临界CO₂低黏度特性的基础上,建立了非常规储层超临界CO₂压裂流-固耦合复杂裂缝扩展模型。该模型通过建立弱形式有限元公式和有限差分公式,实现了岩石变形和流体运移的耦合计算;同时,在裂缝分支处引入Kirchhoff定律,实现了复杂裂缝分支处的流量守恒。数值模拟与实验结果吻合程度良好,验证了模型的准确性。通过研究发现,超临界CO₂压裂时,裂尖区域有更高的流体压力用来造缝,裂缝分叉处产生大量剪切破坏裂缝。