西沟煤矿注CO2促抽煤层瓦斯模拟研究

为了提高瓦斯抽采效果,以西沟煤矿5315工作面注气瓦斯抽采方案为工程背景,开展注CO₂促抽煤层瓦斯模拟研究。通过对注CO₂驱替煤层瓦斯机理研究,结合注气瓦斯抽采过程中的气体运移场和煤体变形场的耦合关系,建立了注CO₂促抽瓦斯固气耦合模型;利用COMSOL Multiphysics软件模拟了工作面注气瓦斯抽采,对比分析了注气瓦斯抽采与本煤层顺层钻孔抽采的瓦斯抽采效果,论证了煤层注CO₂促抽煤层瓦斯工艺的可行性与有效性。研究结果表明:在工作面瓦斯抽采90 d后注入CO₂,对瓦斯抽采的促抽效果明显,煤层瓦斯压力降至0.46~0.49 MPa,瓦斯含量降低至4.22 m3/t;在90 d后注入CO₂促抽煤层瓦斯,在瓦斯抽采至第180 d时,抽采效果较钻孔瓦斯抽采明显提高,煤层瓦斯压力降低了7.84%~9.26%,残余瓦斯含量减少了18.63%。通过工程实测可知,5315工作面在注入CO₂促抽煤层瓦斯抽采后的瓦斯压力与瓦斯含量分别降低至0.48 MPa和4.76 m3/t,有效降低了煤与瓦斯突出的危险性。     

采空区注超临界CO2防灭火试验研究

为研究超临界CO₂注入采空区防灭火的规律,自主研制了产生超临界CO₂和模拟采空区遗煤自燃升温试验系统,得到了不同温压条件下超临界CO₂注入采空区前后不同监测点的温度、O₂和CO浓度变化数据信息。试验结果表明:注入采空区的超临界CO₂发生相变,有序结构急速失序,大量吸收热量,采空区内的煤体、空气温度随时间呈线性快速下降规律,其降温能力是气态N₂的10倍;超临界CO₂在自燃发火煤体中的强渗透扩散特性,使自燃煤体快速惰化,防灭火效率高;停止注入后,小范围回温符合反二次函数特征;高压力超临界CO₂相对于低压条件,防灭火性能更佳;超临界CO₂是1种降温降氧能力显著,且输送性能优良的采空区新型防灭火材料,超临界CO₂防灭火效果优于气态N₂。     

超长工作面CO2相变致裂分区增透高效抽采技术试验研究

针对超长工作面抽采时间不均衡导致抽采达标时间长的问题,提出了工作面分区增透高效抽采技术,运用分组试验和理论分析的方法,研究了不同布孔工艺参数条件下CO₂相变致裂对低透煤层瓦斯抽采的增透作用规律,并在试验工作面进行了工业应用。研究结果表明:CO₂相变致裂技术对低透煤层增透促抽效果良好,与未致裂抽采相比,采用间距20,10,5 m致裂孔致裂条件下进行抽采时煤层透气性系数分别提高1.8,2.6,5.8倍,平均抽采体积分数分别提高1.9,3.5,4.2倍,平均抽采纯量分别提高2.4,4.2,6.2倍。试验工作面应用分区增透高效抽采技术后,整个工作面形成后仅需抽采87 d即可达标进行回采,显著缩短了抽采周期,对高瓦斯低透煤层缓解采掘接替紧张及提高瓦斯抽采效率具有重要借鉴意义。     

H2S脱除效率主控因素的广义灰色关联分析

为更好保护井下人员、设备安全,为井下H2S治理提供基础实验依据,通过脱除H2S气体实验装置,改变装置内的风速、NaHCO3溶液质量分数、H₂S气体浓度来探究影响脱除H2S效率的主控因素。选取部分数据并基于灰色关联度分析,对变量的重要度进行排序。计算结果表明:风速、NaHCO3溶液质量分数、H2S气体浓度的综合关联度分别为0.568,0.543,0.541 5,并通过这3种因素的综合分析,得出影响H2S脱除效率因素大小顺序为:风速＞溶液质量分数＞H2S气体浓度;表明一定条件下,H2S脱除效率随风速及H2S气体浓度的增大而降低、随溶液质量分数增大而增大的规律。     

填料塔-文丘里耦合洗消设备研发与H2S洗消效率分析*

为提高H2S泄漏应急处置效率，分析H2S洗消效率影响因素，采用ASPEN模拟与实验相结合的方法获取填料层-文丘里耦合设备关键设计参数，研究进气量、入口浓度、液气比等参数对H₂S洗消效率的影响规律，并搭建填料层-文丘里耦合H2S洗消设备。结果表明:填料层-文丘里耦合洗消设备最大洗消效率达91%，可以高效处置H₂S泄漏危机。     

基于小波KPCA-SSA-ELM的盐穴储气库注采管柱内腐蚀速率预测

为提升盐穴储气库注采管柱的内腐蚀速率预测精度，建立了基于小波核主成分分析方法(Kernel Principal Components Analysis, KPCA)和樽海鞘群算法(Salp Swarm Algorithm, SSA)优化的极限学习机(Extreme Learning Machine, ELM)腐蚀速率预测模型。首先通过小波KPCA提取影响注采管柱内腐蚀的主要特征，应用ELM建立盐穴储气库注采管柱内腐蚀速率预测模型，并采用SSA对模型参数进行迭代寻优，避免原参数选取的强随机性对模型泛化能力和预测性能的影响。结果表明，经小波KPCA特征提取后得到包含98.73%原信息的3项主成分，SSA-ELM模型的预测结果与实际值基本吻合，其均方根误差(E_RMS)为0.009 3,平均绝对百分比误差(E_MAP)为0.336 0%,决定系数(R²)高达0.991 2,较其他3种对比模型性能更优。研究表明，所建模型具有强泛化性能和高预测精度，能够有效预测盐穴储气库注采管柱的内腐蚀速率，为盐穴储气库注采系统的完整性评价和风险预警...     

基于RFPA2D复合局部挠曲岩体数值模拟

为研究复合局部挠曲岩体强度特征以及破坏规律，采用岩石真实破裂软件RFPA^2D，对水平层面挠曲30°，45°，60°，75°的复合岩体进行单轴压缩试验模拟。模拟结果表明:挠曲角为30°，45°，60°，75°的复合岩体破坏面几乎与挠曲段夹层重合，其挠曲端部均产生了垂直于挠曲段夹层的裂纹；复合单斜岩体与复合挠曲岩体破坏面的形成因素大致相同，夹层强度是2种岩体失稳的主要因素；复合挠曲岩体单轴抗压强度随挠曲角增大同样呈“U”型变化，与单斜岩体变化趋势一致；当水平层状岩体发生挠曲后，其单轴抗压强度减小，当挠曲角为60°时，强度降低25.19%，当挠曲角为75°时，强度降低0.17%。；随着均质系数m的增大，复合挠曲岩体单轴抗压强度以及轴向应变均出现逐渐递增的趋势，且不同m值，其岩体裂隙扩展方式具有明显差别。     

基于IAOA-KELM的储气库注采管柱内腐蚀速率预测

针对储气库注采管柱的内腐蚀速率预测问题,建立了基于阿基米德优化算法(Archimedes Optimization Algorithm, AOA)与核极限学习机(Kernel Extreme Learning Machine, KELM)相结合的模型提高腐蚀速率预测精度。通过引入佳点集、改进密度降低因子、采用黄金正弦算法缩小搜索空间,提高局部开发能力,利用改进阿基米德优化算法(Improved Archimedes Optimization Algorithm, IAOA)优化KELM正则化系数(C)和核函数参数(γ),进而建立IAOA-KELM储气库注采管柱内腐蚀速率预测模型;使用MATLAB软件运用该模型对某注采管柱内腐蚀数据集进行学习与预测,将IAOA-KELM模型与KELM、粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)-KELM、AOA-KELM结果进行预测误差对比。结果表明,IAOA-KELM模型的预测值与实际值较为拟合,其E_RMSE为0.65%,E_MAE为0.39%,R²...     

障碍物管道中H2/CO2/空气爆炸特性影响的数值模拟研究

为掌握不同因素和不同条件对H₂/空气管道预混气体火焰传播的作用和影响，应用FLACS软件在不同的当量比、燃料中的CO₂体积分数、障碍物数量和阻塞率等条件下，分别以火焰传播速度、超压、升压速率和温度等特征参数为表征，对半开口管道中H₂/空气预混火焰传播过程及其参数影响进行模拟研究。结果表明：当量比为1.2时，半开口管道中H₂/空气预混火焰最高温度最大，当量比为1时，H₂/空气爆炸压力的最大超压和最大升压速率最大；CO₂对H₂/空气预混火焰的传播具有明显的抑制作用，且随着燃料中CO₂体积分数的增加，抑制效果越突出，预混火焰最高温度、最大超压和最大升压速率也就越小；障碍物的存在对预混火焰的传播具有激励作用，且激励效果在一定程度内随着障碍物数量和阻塞率的增大而增大。     

惰性气体-水雾协同抑爆甲烷研究

采用自行改造的20 L球形爆炸容器进行瓦斯抑爆研究，试验中采用分压法来制备混合气体，定量描述了爆炸压力、爆炸压力上升速率及抑爆效率等特征，分析了在3种惰性气体(CO₂、N₂和Ar)作用下CH₄的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率。结果表明，CO₂的抑爆效果优于其他两种惰性气体，当CO₂的体积分数达到6%时，CH₄的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率分别降为0.113 MPa和1.58 MPa/s,下降了78.6%和86.4%。通过试验可知，3种惰性气体均能延缓瓦斯爆炸的发生，降低爆炸的强度，但对于N₂和Ar而言则需要增加惰性气体的体积分数以达到与CO₂相同的抑爆效果。基于上述单相抑爆结果，选择3种惰性气体中抑爆效果最佳的CO₂来进行惰性气体-水雾协同抑爆效率的研究。通过大量重复性试验得出，2%CO₂-1 MPa水雾抑爆效率由单相体积分数为2%的CO₂     

冲缝筛管结垢速率模拟研究*

为对防砂过程中因地层物性影响而导致冲缝筛管出现结垢问题进行准确的过程分析,基于FLUENT平台利用现场数据建立流道中的化学反应和沉积结垢的数值模型,评估管道缝宽、环境压力、温度、离子浓度与流速对冲缝筛管结垢速率的影响规律。结果表明:筛管结垢速率与管内温度和离子浓度成正相关,与管内流体流速成负相关,但环境压力影响不大,同时结垢主要产生在冲缝台阶以及冲缝套与打孔基管的接触面上,对产液的过流面积存在较大影响;结合正交分析得到4个敏感因素的主次顺序为:管内温度、管内流速、反应物浓度、环境压力,并确定最小结垢的组合方案;通过DPM模型探究CaCO3颗粒的沉积规律,得到管内的沉积情况,并建立多因素垢层厚度的计算模型。在实际生产中为降低筛管结垢对油井产能的影响,可以通过降低管内的温度、离子浓度及适当地增大流速来抑制结垢过程的发生。     

扶正器对超深气井油管柱屈曲行为的影响研究

为对苛刻工况中超深气井油管柱的屈曲行为进行完整、定量的研究，针对塔里木油田某超深气井油管柱，采用接触问题的有限元法，建立了原始油管和带扶正器油管2种工况下的有限元模型，并对油管柱的屈曲、接触问题进行模拟。结果表明:2种工况下的油管柱均在中和点到封隔器段发生了非均匀的正弦屈曲，加扶正器油管屈曲后横向位移小，屈曲段变长，屈曲形态有所改善；该模型可以全井段对原始油管柱和带扶正器油管柱屈曲形态进行对比分析，并且可获取原始油管屈曲后与套管的接触压力及其摩擦力，可为扶正器位置设计和油套管摩擦损伤失效分析提供定量数据参考。     

水平井钻磨管柱油管组合方式研究及下入安全性分析

基于钻磨管柱下入过程易造成遇卡事故,油田采用了2种线重油管的组合方式进行钻磨作业,提高了管柱的下入能力,但未能得到2种线重油管组合方式优选的可靠依据。为得到2种线重油管的最优组合方式,采用微元法对管柱单元在各井段的受力进行分析,建立钻磨管柱的下入载荷计算模型;采用编程对油田水平井进行实例计算,计算结果与实测结果对比显示模型平均误差在8.12%左右,验证了模型的正确性;基于下入载荷计算模型,进行了钻磨管柱组合特性研究及参数敏感性分析。结果表明:采用2种线重油管的组合方式能增大钻磨管柱下入能力,当大线重油管所占整个钻磨管柱的长度为井斜角70.8°左右的井深时,组合比例最优,不同的摩擦系数μ决定不同最优组合比例。     

IAFSA-GRNN在油田集输管道CO2腐蚀速率预测中的应用

为提高油田集输管道CO₂腐蚀速率预测的准确性,针对原始广义回归神经网络(GRNN)预测精度低的问题,提出改进的群智能算法优化原始GRNN的预测模型;分别使用GRNN模型、人工鱼群算法(AFSA)优化的GRNN(AFSA-GRNN)模型和自适应改进的AFSA-GRNN(IAFSA-GRNN)模型预测X65管线钢的CO₂腐蚀速率。结果表明:采用AFSA和IAFSA优化光滑因子S后,能大大提高GRNN模型的预测精度,预测结果的平均相对误差由36.09%分别减小至7.20%和6.90%;与AFSA相比,IAFSA优化的GRNN不仅具有更高的预测精度,还具有更快的收敛速度。AFSA-GRNN在第164次迭代计算时收敛,而IAFSA-GRNN在第109次迭代计算时收敛,说明AFSA经自适应优化能提高优化过程的收敛速度和GRNN的预测精度。     

海上气井环空带压油套管柱动态安全评价技术

为了有效预测海上气井环空带压油套管柱潜在失效风险及安全管理环空压力，提出1种基于井口压力、温度和液位多参数监测的海上气井环空带压油套管柱动态安全评价技术。首先，结合气井生产状态参数和完井信息，建立气井井筒压力分布计算方法；然后，根据力学知识分析气井环空带压油套管柱应力场特点，进而提出利用环空带压井油套管柱安全系数作为油套管柱失效评价依据；最终，开发海上气井环空带压安全监测系统并开展现场案例井分析。研究结果表明:监测系统能够准确获取环空带压状态参数，通过环空压力状态变化分析阐述“A”环空带压机理为泄漏点处油套管之间压力平衡的保持；结合实际井口环空压力监测数据，井筒安全系数能够实时表征油套管柱安全状态。     

化学腐蚀-冻融条件下加载岩石能量演化规律及耗散模型研究*

为研究在化学腐蚀和冻融循环复合作用下岩石的能量演化规律,以大理岩为研究对象,分析冻融腐蚀岩样能量演化过程,建立与强度衰减参数、pH、冻融次数相关的能量耗散模型,以期为长期服役岩石力学工程安全稳定性评价提供理论支持。研究结果表明:化学腐蚀冻融复合作用下,腐蚀孔隙为水增加了入渗通道,冻胀裂隙同时也为腐蚀溶液提供了贯穿的通道,加剧了岩石内部结构的崩解与裂隙扩展贯通;相同冻融循环次数下,HNO3溶液中的腐蚀岩石弹性模量降幅最高,NaCl溶液次之,NaOH溶液最低;腐蚀岩石弹性应变能的吸收和耗散能的释放,随着冻融循环次数的增大而减小;建立的能量耗散模型对于岩石峰后阶段耗散能具有较高的准确性,能较好地模拟岩石峰后能量转化特征。