人民日?qǐng)?bào)仲音：堅(jiān)定信心，抓實(shí)抓細(xì)疫情防控各項(xiàng)工作
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A graphene-enhanced high-barrier and fast-curing film for deep in situ condition preserved coring in coal seams
一種用于煤層深部原位保質(zhì)取心的石墨烯增強(qiáng)高阻隔快速固化保質(zhì)膜
作者
楊東升1，趙治宇2，吳一凡2，朱亮宇3, 盧敬利4, 劉濤2，謝和平2
作者單位
1. 四川大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院
2. 四川大學(xué) 新能源與低碳技術(shù)研究院
3. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
4. 金石鉆探(唐山)股份有限公司
摘要
深部原位資源的科學(xué)勘探對(duì)深部資源開發(fā)的理論和技術(shù)體系構(gòu)建具有重要意義。為了從深部獲取原位保真樣品，保持巖心內(nèi)部原有的物質(zhì)、濕度和光通量信息至關(guān)重要。因此，本研究基于謝和平院士首次提出的原位保質(zhì)(ISP)、保濕(IMP)、保光(ILP)取心構(gòu)想，通過(guò)深部原位固態(tài)密封膜的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和填料協(xié)同增強(qiáng)作用，提出了一種適配深地高溫高壓復(fù)雜環(huán)境的高韌、高阻隔石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合密封膜材研發(fā)策略。保質(zhì)膜材的氧氣透過(guò)量為0.23 cm3/(m2·d)，水蒸氣透過(guò)量為1.26 g/(m2·d)，透光率為0，抗拉強(qiáng)度高達(dá)15.4 MPa，韌性達(dá)到5242.9 kJ/m3。且保質(zhì)膜對(duì)巖心內(nèi)部水、烷烴等小分子物質(zhì)及離子（鈉離子、鈣離子、氯離子等）兼具優(yōu)異的保質(zhì)效果，保質(zhì)、保濕、保光效率分別達(dá)到99%、99%和100%，展示出了保質(zhì)膜對(duì)深部原位資源儲(chǔ)量和豐度的保持和保存的巨大潛力。
本文亮點(diǎn)
傳統(tǒng)取心技術(shù)難以維持深部原位環(huán)境，導(dǎo)致獲取的巖心無(wú)法保存深部原位儲(chǔ)層的真實(shí)物質(zhì)成分、難以精確反映原位巖石本真物理力學(xué)特性。謝和平院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次提出了保真（保溫、保壓、保質(zhì)、保濕、保光）取心原理與技術(shù)，其中固態(tài)膜密封的深部原位保質(zhì)保濕保光取心原理構(gòu)想，是在取心鉆進(jìn)過(guò)程中利用物理或者化學(xué)方法在巖芯表面快速形成一層高阻隔聚合物膜，防止巖芯原有的固、液、氣及微生物信息散失。深部原位保質(zhì)保濕保光取心的關(guān)鍵在于構(gòu)建高溫高壓下的快速成膜原理、突破膜材在深部地層復(fù)雜環(huán)境的綜合性能及建立取心套管狹窄空間內(nèi)原位成膜的控制機(jī)制。為推動(dòng)保質(zhì)、保濕、保光取心原理與技術(shù)發(fā)展，本文聚焦于深地復(fù)雜環(huán)境下高性能膜材的設(shè)計(jì)與開發(fā)，提出了深部原位保質(zhì)、保濕、保光取心密封膜的設(shè)計(jì)策略，并開發(fā)了一種可控固化的高性能保質(zhì)膜，填補(bǔ)了保質(zhì)、保濕、保光取心密封膜的材料設(shè)計(jì)方法空缺。
取得的主要成果如下
首次提出了適用于深部高溫復(fù)雜環(huán)境的原位可控高性能固態(tài)保質(zhì)膜開發(fā)策略。通過(guò)對(duì)聚合物基團(tuán)活性、分子鏈剛?cè)嵝缘榷嗉?jí)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)，開發(fā)了改性環(huán)氧樹脂/石墨烯復(fù)合保質(zhì)膜材，構(gòu)建了以韌性基質(zhì)圍繞剛性節(jié)點(diǎn)的“海-島”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可控的成膜時(shí)間和密封膜的高效阻隔與增韌。并研制了一種高韌性、高阻隔性的密封膜。
揭示了交聯(lián)固化反應(yīng)時(shí)間的控制機(jī)理，構(gòu)建了基于交聯(lián)位點(diǎn)活性差異的隨鉆成膜時(shí)間控制方法。在不同的原位成膜溫度下，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)取代、生成或消耗活性基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)成膜時(shí)間的可控調(diào)節(jié)。
研究了石墨烯復(fù)合密封膜的整體性能。在低石墨烯負(fù)載量(0.5wt%)下，石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合薄膜的多相阻隔性能、阻光性能及力學(xué)性能均顯著提高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖心的高效保質(zhì)（99%）、保濕（99%）、保光性能（100%）。
部分圖表
(a) 鉆孔過(guò)程
(b) 取心前
(c) 取心過(guò)程中
(d) 取心后
隨鉆成膜過(guò)程示意圖
密封膜微觀結(jié)構(gòu)示意圖及分子阻隔原理示意圖
(a) 水蒸氣透過(guò)率測(cè)試
(b) 氧氣透過(guò)率測(cè)試
(c) 不同石墨烯含量下密封膜的透光率
(d) 基體和復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和韌性對(duì)比
密封膜阻隔與力學(xué)性能測(cè)試
(a) 20天內(nèi)癸烷保留率測(cè)試曲線
(b) 未包覆樣品外圍水環(huán)境離子濃度
(c)覆膜樣品外圍水環(huán)境離子濃度
(d) 覆膜樣品的離子保存效率
(e) 密封膜在室內(nèi)自然環(huán)境中70天內(nèi)的保濕性能測(cè)試曲線
密封膜物質(zhì)保持性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
團(tuán)隊(duì)首席專家簡(jiǎn)介
謝和平院士
研究方向
巖石力學(xué)，深地科學(xué)與綠色能源（地?zé)帷CUS與低碳技術(shù)、海水制氫）的理論與應(yīng)用研究等。
主要成果
謝和平院士團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于深地科學(xué)與綠色能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究與工程實(shí)踐。1982年起，創(chuàng)造性引入分形方法，在國(guó)際上開創(chuàng)了巖石力學(xué)分形研究新領(lǐng)域；在我國(guó)最早建立了裂隙巖體宏觀損傷力學(xué)模型，開拓了裂隙巖體損傷力學(xué)研究新領(lǐng)域。首次提出了深部原位巖石力學(xué)構(gòu)想，構(gòu)建了深部巖體力學(xué)與開采理論研究框架。深入探索了低碳技術(shù)與CO2礦化及綜合利用，形成一系列CO2資源化、能源化利用的高效耦合技術(shù)原理和方法。目前正深入開展深地深海深空保真取心探礦與測(cè)試基礎(chǔ)、粵港澳大灣區(qū)地?zé)峥碧介_發(fā)利用、中低溫地?zé)岚l(fā)電原理和技術(shù)、工程擾動(dòng)巖石動(dòng)力理論與技術(shù)、低碳與海水制氫技術(shù)、月基能源資源探測(cè)前沿技術(shù)以及深部固體資源流態(tài)化開采理論和技術(shù)等方面的研究。研究成果已出版10余本中英文專著、發(fā)表500余篇論文。
通訊作者簡(jiǎn)介
劉濤 四川大學(xué)新能源與低碳技術(shù)研究院研究員，博士生導(dǎo)師。
研究方向
深部原位保質(zhì)取心原理與技術(shù)，低碳技術(shù)與綠色氫能等。
主要成果
師從謝和平院士，在謝院士指導(dǎo)下與團(tuán)隊(duì)一起開展深地保質(zhì)取芯原理與工程、零碳能源與負(fù)碳技術(shù)的研發(fā)。承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目課題、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目、四川省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目等項(xiàng)目；研究成果獲2020年四川省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)；在Nature，Chemical Engineering Journal等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇。
第一作者簡(jiǎn)介
楊東升 四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，博士研究生。
研究方向
深部原位保質(zhì)取心膜材研發(fā)等。
主要成果
參與深地保質(zhì)取心膜材料開發(fā)工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文7篇，專利8項(xiàng)。
原文鏈接
本文引用格式：
Dongsheng Yang, Zhiyu Zhao, Yifan Wu, Liangyu Zhu, Jingli Lu, Tao Liu, Heping Xie. A graphene-enhanced high-barrier and fast-curing film for deep in situ condition preserved coring in coal seams[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2023.08.005.
(來(lái)源：礦業(yè)科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)英文版IJMST 撰稿：謝和平院士團(tuán)隊(duì))
本文鏈接：http://m.yifxia.cn/showinfo-28-3022-0.html謝和平院士團(tuán)隊(duì)：原位可控聚合成膜實(shí)現(xiàn)深部高效保質(zhì)保濕保光取心
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