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Effect of movability of water on the low-velocity pre-Darcy flow in clay soil

Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2024年第8期16卷 3299-3310页

作者： Hui Cheng Fugang Wang Shengwei Li Xiaotong Guan Guohua Yang Zhongle Cheng Ceting Yu Yilong Yuan guanhong feng Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment Ministry of EducationJilin UniversityChangchun130012China Jilin Provincial Key Laboratory of Water Resources and Water Environment Jilin UniversityChangchun130012China Chengdu Center China Geological SurveyChengdu610081China

Water seepage in soil is a fundamental problem involving various scientific and engineering *** to the literature,low-velocity water seepage in low-permeability porous media,such as clay,does not follow Darcy's law,also known as pre-Darcy *** formation of immovable water due to water adsorption on the pore wall is believed to be responsible for the formation of pre-Darcy ***,this view lacks direct solid *** investigate the pre-Darcy water flow in clay,head permeability experiments are conducted on six clay samples with different *** results indicate that water seepage in clay at low hydraulic gradients does not follow Darcy's law.A clear nonlinear relationship between flow velocity and hydraulic gradient is *** flow in clay can be divided into the pre-Darcy flow and Darcy flow regions by the critical hydraulic gradient,which is 10-12 for the Albic soil with dry density between 1.3 g/cm^(3)and 1.8 g/cm^(3).According to the disjoining pressure theory,immovable water due to water adsorption on the pore wall is the primary reason for water flow deviating from Darcy's law in *** results indicate that the percentage of movable water ranges from 39.7%to 59.3%for the six samples at a hydraulic gradient of *** the hydraulic gradient increases,the percentage of moveable water also ***,there is a strong correlation between the percentage of movable water and the variation in hydraulic conductivity with the hydraulic ***,a quantitative relationship between the percentage of movable water and the hydraulic conductivity has been *** results of this study suggest that water adsorption on the pore wall not only affects the water movability,but is also closely related to the pre-Darcy flow phenomenon in clay.

关键词： Pre-Darcy flow Clay Critical hydraulic gradient Water movability analysis

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深部超临界地热条件下纯水的电阻和电导演变特征

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地球物理学进展 2024年第2期39卷 490-497页

作者：钟承昊许天福袁益龙封官宏吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室长春130021

通过测定纯水在300~500℃和30~50 MPa条件下的电阻,揭示了纯水电阻和电导由亚临界区进入超临界区的变化特征.在此基础上,探讨了超临界水电阻和电导随温度和压力变化的演变机理.结果表明,纯水电导值在超临界点(374℃,22.1 MPa)附近具有... 详细信息

通过测定纯水在300~500℃和30~50 MPa条件下的电阻,揭示了纯水电阻和电导由亚临界区进入超临界区的变化特征.在此基础上,探讨了超临界水电阻和电导随温度和压力变化的演变机理.结果表明,纯水电导值在超临界点(374℃,22.1 MPa)附近具有涨落现象,具体表现为:(1)在亚临界区电导值与温度具有正相关关系,这是由于H+和OH-的极限当量电导之和随温度升高而上升所导致;(2)进入超临界区后电导值与温度具有负相关关系,这是由于水的密度和解离常数随温度上升而降低所导致.此外,固定温度条件下,纯水电导值与压力始终保持正相关关系.本次研究可为深部超临界地热资源地球物理勘探和解译提供基础数据.

关键词：超临界地热高温高压电阻电导水热实验

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天然CO_(2)沿井筒泄漏两相反应流动特征模拟

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安全与环境工程 2024年第1期31卷 196-204,239页

作者：郑长远蔡雨娜雷宏武封官宏青海省水文地质工程地质环境地质调查院青海省水文地质及地热地质重点实验室青海西宁810008 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室吉林长春130021

碳捕集利用与封存(CCUS)技术是实现大规模碳减排的重要途径,而CO_(2)注入储层后的泄漏风险是CCUS技术关注的重点之一。由于目前CCUS工程中还未有深部封存的CO_(2)泄漏事故发生,但天然CO_(2)泄漏事件并不少见,因此以天然CO_(2)井筒泄漏... 详细信息

碳捕集利用与封存(CCUS)技术是实现大规模碳减排的重要途径,而CO_(2)注入储层后的泄漏风险是CCUS技术关注的重点之一。由于目前CCUS工程中还未有深部封存的CO_(2)泄漏事故发生,但天然CO_(2)泄漏事件并不少见,因此以天然CO_(2)井筒泄漏点为研究对象进行类比研究可为CCUS工程泄漏风险评估提供有价值的参考依据。以西宁盆地南部天然CO_(2)泄漏场地中的典型CO_(2)井筒泄漏点———ZK10井为研究对象,结合实测数据,采用数值模拟方法分析了该井间歇喷发过程的动力学机制及伴随的化学变化特征。结果表明:①ZK10井的水气间歇喷发过程受CO_(2)过饱和析出、气举效应及储层动态补给的协同控制;②受控于CO_(2)的过饱和析出及流体混合作用,井筒内CO_(2)闪蒸点以上位置地下水的pH值随深度减小而增大,并随喷发过程发生周期性的变化;③ZK10井间歇喷发过程中,井筒内形成方解石和石英矿物沉淀,受控于矿物的溶解特性,其沉淀特征各异。该研究结果可为类似的天然或CCUS工程中CO_(2)井筒泄漏点的泄漏机制及化学特征研究提供参考,进而为相关部门制定监测及预防措施提供依据。

关键词：天然二氧化碳井筒泄漏间歇喷发化学反应 CCUS技术数值模拟

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A Numerical Simulation Study of Temperature and Pressure Effects on the Breakthrough Pressure of CO_(2)in Unsaturated Low-permeability Rock Core

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Acta Geologica Sinica(English Edition) 2023年第3期97卷 911-924页

作者： HU Zhikai LI Yi LI Qi DIAO Yujie MA Xin LIU Hejuan feng guanhong WANG Fugang YU Qingchun Key Laboratory of Coast Civil Engineering Structure and Safety of Education Ministry School of Civil EngineeringTianjin UniversityTianjin 300350China State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of SciencesWuhan 430071China Key Laboratory of Carbon Dioxide Geological Storage Center for Hydrogeology and Environmental Geology SurveyChina Geological SurveyBaodingHebei 071051China Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment(Jilin University) Ministry of EducationChangchun 130021China MOE Key Laboratory of Groundwater Circulation and Environmental Evolution China University of Geosciences(Beijing)Beijing 100083China

Gas breakthrough pressure is a key parameter to evaluate the sealing capacity of caprock,and it also plays important roles in safety and capacity of CO_(2)geological *** on the published experimental results,we present numerical simulations on CO_(2)breakthrough pressure in unsaturated low-permeability rock under 9 multiple P-T conditions(which can keep CO_(2)in gaseous,liquid and supercritical states)and thus,a numerical method which can be used to accurately predict CO_(2)breakthrough pressure on rock-core scale is *** simulation results show that CO_(2)breakthrough pressure and breakthrough time are exponential correlated with P-T ***,pressure has stronger effects on experimental results than that of ***,we performed sensitivity studies on the pore distribution indexλ(0.6,0.7,0.8,and 0.9)in van Genuchten-Muale *** show that with the increase ofλ,CO_(2)breakthrough pressure and breakthrough time both show decreasing *** other words,the larger the value ofλis,the better the permeability of the caprock is,and the worse the CO_(2)sealing capacity *** numerical method established in this study can provide an important reference for the prediction of gas breakthrough pressure on rock-core scale and for related numerical studies.

关键词： CO_(2)geological storage CO_(2)breakthrough pressure unsaturated low-permeability rock multiple P-T conditions numerical simulation

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Improved Preproduction Conceptual-Numerical Model of the Roosevelt Geothermal Field using Geological, Geochemical and Structural Information

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Acta Geologica Sinica(English Edition) 2021年第6期95卷 1805-1815页

作者： YU Han XU Tianfu YUAN Yilong feng guanhong Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment Ministry of EducationJilin UniversityChangchun 130021China Jilin Provincial Key Laboratory of Water Resources and Environment Jilin UniversityChangchun 130021China Engineering Research Center of Geothermal Resources Development Technology and Equipment Ministry of EducationJilin UniversityChangchun 130026China

The Roosevelt Hot Springs Known Geothermal Resource Area(KGRA) is a Basin and Range-type geothermal resource, which is located in southwestern Utah. The integrated multicomponent geothermometry(IMG) approach is used to estimate the reservoir temperature at the Roosevelt Hot Springs KGRA. Geothermometric modeling results indicate the deep reservoir temperature is approximately 284.6°C. A conceptual model of the Roosevelt Hot Spring KGRA is provided through integrating the various pieces of exploration information, including the geological data, geothermometric results, temperature well log and field evidence. A two-dimensional cross-sectional model was thus built to quantitatively investigate the coupled thermal-hydraulic processes in the Roosevelt geothermal field. By matching the preproduction temperature log data of deep wells, parameters controlling flow and heat transport are identified. The method and model presented here may be useful for other geothermal fields with similar conditions.

关键词： geothermal resource Roosevelt Hot Springs integrated multicomponent geothermometry preproduction state modeling

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Comparative Study of Acid and Alkaline Stimulants with Granite in an Enhanced Geothermal System

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Acta Geologica Sinica(English Edition) 2021年第6期95卷 1926-1939页

作者： XU Jianan feng Bo CUI Zhenpeng LIU Xiyao KE Zunsong feng guanhong Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment Ministry of EducationJilin UniversityChangchun 130021China Engineering Research Center of Geothermal Resources Development Technology and Equipment Ministry of EducationJilin UniversityChangchun 130026China

The Enhanced Geothermal System(EGS) is an artificial geothermal system that aims to economically extract heat from hot dry rock(HDR) through the creation of an artificial geothermal reservoir. Chemical stimulation is thought to be an effective method to create fracture networks and open existing fractures in hot dry rocks by injecting chemical agents into the reservoir to dissolve the minerals. Granite is a common type of hot dry rock. In this paper, a series of chemical stimulation experiments were implemented using acid and alkaline agents under high temperature and pressure conditions that mimic the environment of formation. Granite rock samples used in the experiments are collected from the potential EGS reservoir in the Matouying area, Hebei, China. Laboratory experimental results show that the corrosion ratio per unit area of rock is 3.2% in static acid chemical experiments and 0.51% in static alkaline chemical experiments. The permeability of the core is increased by 1.62 times in dynamic acid chemical experiments and 2.45 times in dynamic alkaline chemical experiments. A scanning electron microscope analysis of the core illustrates that secondary minerals, such as chlorite, spherical silica, and montmorillonite, were formed, due to acid-rock interaction with plagioclase being precipitated by alkaline-rock interactions. Masking agents in alkaline chemical agents can slightly reduce the degree of plagioclase formation. A chemical simulation model was built using TOUGHREACT, the mineral dissolution and associated ion concentration variation being reproduced by this reactive transport model.

关键词： hot dry rock granite rock Enhanced Geothermal System chemical stimulation reactive transport model

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深部超临界地热资源研究进展及开发前景展望

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天然气工业 2021年第3期41卷 155-167页

作者：许天福汪禹封官宏吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室

较之于传统的地热资源,超临界地热资源具有更大的开发潜力,但目前对于后者的研究尚处于初步探索阶段,在理论研究和技术实践上均面临着诸多挑战。为了实现我国的节能减排目标并为能源结构调整做出贡献,系统回顾了国际超临界地热资源钻探... 详细信息

较之于传统的地热资源,超临界地热资源具有更大的开发潜力,但目前对于后者的研究尚处于初步探索阶段,在理论研究和技术实践上均面临着诸多挑战。为了实现我国的节能减排目标并为能源结构调整做出贡献,系统回顾了国际超临界地热资源钻探工程及测试过程,归纳总结了其在钻井、完井技术方面的经验和教训;进而结合国际上超临界地热资源室内实验、场地试验及数值模拟方面的研究成果和最新动态,指出了超临界地热资源开发所面临的挑战、潜在的解决方法、未来的研究方向和技术开发重点。研究结果表明:①在理论研究方面,需要弄清亚临界—超临界流体的多相流动特征、超临界水的化学特性及水岩作用机理、高温条件下岩体力学的弹塑性及其变化等重要问题;②在工程实践方面,如钻完井和测井技术在极高温和酸性流体条件下的应用、超临界条件下多场耦合模拟的程序开发工作等均面临重大挑战;③需要进行水、盐、酸性气体等多组分的超临界状态方程的理论研究,并开发相应的状态方程模块;④在场地示范工程方面,需要加强地热资源评估与勘探方法、高温钻井与测井技术、储层建造技术、地表系统等研究;⑤需要研发和提升高温超高温钻井、完井技术,研发环保及可降解钻井液等。结论认为,不久的将来,随着科技的进步,将有可能实现对超临界地热资源的商业化开发。

关键词：超临界地热能水热流动化学反应力学特征研究进展前景展望商业化开发

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T2Well单井地下水源热泵水-热耦合数值模拟研究

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太阳能学报 2020年第4期41卷 278-286页

作者：李凤昱许天福封官宏袁益龙朱慧星冯波吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室长春130021

以北京地区实际井参数刻画的单井地下水源热泵为研究对象,利用T2Well模拟器对单井系统地源热泵运行过程进行全面模拟,并对主要参数进行敏感性分析,探究对单井系统生产井温度、热突破时间的影响。距离井筒相同位置不同深度的点,埋深越大... 详细信息

以北京地区实际井参数刻画的单井地下水源热泵为研究对象,利用T2Well模拟器对单井系统地源热泵运行过程进行全面模拟,并对主要参数进行敏感性分析,探究对单井系统生产井温度、热突破时间的影响。距离井筒相同位置不同深度的点,埋深越大受回灌水温度的影响越小。每个运行周期结束时,温度场分布都能得到一定程度的恢复(同一周期内初始温度场相比)。水平方向渗透率同垂向渗透率的比值越大,越有利于回灌水在含水层中的运移,可有效保证热泵系统的取热温差。初步预计一个单井水源热泵系统能满足北京地区约1.5万m^2面积建筑的供暖需求,约1.6万m^2面积建筑制冷需求。

关键词：地源热泵温度场能效井筒-储层耦合模型单井系统

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无烟煤超临界甲烷吸附模型的适用性研究

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中国煤炭地质 2024年第7期36卷 8-17页

作者：王观宏冯睿智茹忠亮德州学院生态与资源环境学院山东德州253023 太原科技大学能源与材料工程学院山西太原030024

以赵庄煤矿无烟煤为研究对象,在4个不同温度下开展甲烷等温吸附实验,采用Langmuir、DR、DA模型对吸附数据进行拟合,并以标准偏差s为依据分析各模型的拟合效果。结果表明:对于Langmuir模型,直接拟合的效果优于间接拟合;对于DR、DA模型,... 详细信息

以赵庄煤矿无烟煤为研究对象,在4个不同温度下开展甲烷等温吸附实验,采用Langmuir、DR、DA模型对吸附数据进行拟合,并以标准偏差s为依据分析各模型的拟合效果。结果表明:对于Langmuir模型,直接拟合的效果优于间接拟合;对于DR、DA模型,引入虚拟饱和蒸汽压的概念,并对比了5种虚拟饱和蒸汽压的计算方法,得出Amankwah法最为合适。从整体来看,基于微孔填充理论的DR、DA模型比基于单分子层吸附理论的Langmuir模型能更好地描述无烟煤中甲烷的吸附行为,其中DA-Amankwah法和DR-Amankwah法的拟合效果最好。Langmuir、DR和DA模型在各压力段的拟合程度表现出大致相同的规律:低压区拟合程度最高,拟合曲线与实测数据大致重合,中压区拟合吸附量小于实测吸附量;高压区拟合吸附量大于实测吸附量。虚拟饱和蒸汽压和温度是影响拟合饱和吸附量的重要因素,虚拟饱和蒸汽压值越高,拟合饱和吸附量越大,温度越高,拟合饱和吸附量越低。

关键词：无烟煤吸附模型虚拟饱和蒸汽压饱和吸附量温度

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单井闭循环地热系统可持续开发潜力数值模拟

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天然气工业 2020年第9期40卷 146-155页

作者：冯波刘鑫张国斌上官拴通胡子旭袁益龙封官宏地下水资源与环境教育部重点实验室·吉林大学吉林省长春市130021 地热资源开发技术与装备教育部工程中心·吉林大学河北省煤田地质局第二地质队

为了提高地热系统的产热量、实现地热能高效可持续开发的目标,需要明确储层温度恢复在地热系统间歇运行过程中的作用及其重要性。为此,以吉林省松原市某实际供热场地的单井闭循环地热系统为研究对象,利用物联网技术进行地热系统智能监... 详细信息

为了提高地热系统的产热量、实现地热能高效可持续开发的目标,需要明确储层温度恢复在地热系统间歇运行过程中的作用及其重要性。为此,以吉林省松原市某实际供热场地的单井闭循环地热系统为研究对象,利用物联网技术进行地热系统智能监测与数据采集,采用TOUGH2-WELL模拟程序模拟了单井闭循环地热系统可持续开发的潜力;进而将实测、模拟数据进行拟合来确定精确的模型参数,通过改变注入温度和注入流速来探究最佳的开采方式。研究结果表明:①在现有开采模式下,地热系统运行30年后产热量下降17%;②若将注入温度由25℃提高到31℃,则出水口温度下降幅度变小,产热量降低10.5%;③若将注入流速从8 kg/s提高到20 kg/s,出水温度虽然降低约4℃,但岩层的热恢复情况较好,产热量增大2.67%。结论认为:①在保持注入温度不变的情况下,提高注入流速,系统长期运行后生产水温下降幅度较小,岩层的热恢复情况好,更有利于地热能的持续开采;②在保持注入流速不变时情况下,地热系统在长期运行后注入温度越高,出水温度下降幅度越低,储层热恢复情况越好。

关键词：单井闭循环地热系统 TOUGH2-WELL模拟程序产热量可持续开发潜力物联网注入流速注入温度

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