全媒體時代 寫好融合這篇“大文章”
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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取心的石墨烯增強高阻隔快速固化保質膜
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 高分子科學與工程學院
2. 四川大學 新能源與低碳技術研究院
3. 西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室
4. 金石鉆探(唐山)股份有限公司
摘要
深部原位資源的科學勘探對深部資源開發的理論和技術體系構建具有重要意義。為了從深部獲取原位保真樣品，保持巖心內部原有的物質、濕度和光通量信息至關重要。因此，本研究基于謝和平院士首次提出的原位保質(ISP)、保濕(IMP)、保光(ILP)取心構想，通過深部原位固態密封膜的分子結構設計和填料協同增強作用，提出了一種適配深地高溫高壓復雜環境的高韌、高阻隔石墨烯/環氧樹脂復合密封膜材研發策略。保質膜材的氧氣透過量為0.23 cm3/(m2·d)，水蒸氣透過量為1.26 g/(m2·d)，透光率為0，抗拉強度高達15.4 MPa，韌性達到5242.9 kJ/m3。且保質膜對巖心內部水、烷烴等小分子物質及離子（鈉離子、鈣離子、氯離子等）兼具優異的保質效果，保質、保濕、保光效率分別達到99%、99%和100%，展示出了保質膜對深部原位資源儲量和豐度的保持和保存的巨大潛力。
本文亮點
傳統取心技術難以維持深部原位環境，導致獲取的巖心無法保存深部原位儲層的真實物質成分、難以精確反映原位巖石本真物理力學特性。謝和平院士團隊在國際上首次提出了保真（保溫、保壓、保質、保濕、保光）取心原理與技術，其中固態膜密封的深部原位保質保濕保光取心原理構想，是在取心鉆進過程中利用物理或者化學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。深部原位保質保濕保光取心的關鍵在于構建高溫高壓下的快速成膜原理、突破膜材在深部地層復雜環境的綜合性能及建立取心套管狹窄空間內原位成膜的控制機制。為推動保質、保濕、保光取心原理與技術發展，本文聚焦于深地復雜環境下高性能膜材的設計與開發，提出了深部原位保質、保濕、保光取心密封膜的設計策略，并開發了一種可控固化的高性能保質膜，填補了保質、保濕、保光取心密封膜的材料設計方法空缺。
取得的主要成果如下
首次提出了適用于深部高溫復雜環境的原位可控高性能固態保質膜開發策略。通過對聚合物基團活性、分子鏈剛柔性等多級結構協同設計，開發了改性環氧樹脂/石墨烯復合保質膜材，構建了以韌性基質圍繞剛性節點的“海-島”結構，實現了可控的成膜時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。
揭示了交聯固化反應時間的控制機理，構建了基于交聯位點活性差異的隨鉆成膜時間控制方法。在不同的原位成膜溫度下，通過化學反應取代、生成或消耗活性基團，實現寬溫度范圍內成膜時間的可控調節。
研究了石墨烯復合密封膜的整體性能。在低石墨烯負載量(0.5wt%)下，石墨烯/環氧樹脂復合薄膜的多相阻隔性能、阻光性能及力學性能均顯著提高，實現了對巖心的高效保質（99%）、保濕（99%）、保光性能（100%）。
部分圖表
(a) 鉆孔過程
(b) 取心前
(c) 取心過程中
(d) 取心后
隨鉆成膜過程示意圖
密封膜微觀結構示意圖及分子阻隔原理示意圖
(a) 水蒸氣透過率測試
(b) 氧氣透過率測試
(c) 不同石墨烯含量下密封膜的透光率
(d) 基體和復合膜的拉伸強度、斷裂伸長率和韌性對比
密封膜阻隔與力學性能測試
(a) 20天內癸烷保留率測試曲線
(b) 未包覆樣品外圍水環境離子濃度
(c)覆膜樣品外圍水環境離子濃度
(d) 覆膜樣品的離子保存效率
(e) 密封膜在室內自然環境中70天內的保濕性能測試曲線
密封膜物質保持性能驗證實驗
團隊首席專家簡介
謝和平院士
研究方向
巖石力學，深地科學與綠色能源（地熱、CCUS與低碳技術、海水制氫）的理論與應用研究等。
主要成果
謝和平院士團隊長期致力于深地科學與綠色能源領域的基礎研究與工程實踐。1982年起，創造性引入分形方法，在國際上開創了巖石力學分形研究新領域；在我國最早建立了裂隙巖體宏觀損傷力學模型，開拓了裂隙巖體損傷力學研究新領域。首次提出了深部原位巖石力學構想，構建了深部巖體力學與開采理論研究框架。深入探索了低碳技術與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試基礎、粵港澳大灣區地熱勘探開發利用、中低溫地熱發電原理和技術、工程擾動巖石動力理論與技術、低碳與海水制氫技術、月基能源資源探測前沿技術以及深部固體資源流態化開采理論和技術等方面的研究。研究成果已出版10余本中英文專著、發表500余篇論文。
通訊作者簡介
劉濤 四川大學新能源與低碳技術研究院研究員，博士生導師。
研究方向
深部原位保質取心原理與技術，低碳技術與綠色氫能等。
主要成果
師從謝和平院士，在謝院士指導下與團隊一起開展深地保質取芯原理與工程、零碳能源與負碳技術的研發。承擔國家自然科學基金委重大研究計劃集成項目課題、國家重點研發計劃項目課題、國家自然科學基金青年科學基金項目、四川省科技廳國際合作項目等項目；研究成果獲2020年四川省技術發明一等獎；在Nature，Chemical Engineering Journal等期刊發表學術論文40余篇。
第一作者簡介
楊東升 四川大學高分子科學與工程學院，博士研究生。
研究方向
深部原位保質取心膜材研發等。
主要成果
參與深地保質取心膜材料開發工作，發表學術論文7篇，專利8項。
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.
(來源：礦業科學技術學報英文版IJMST 撰稿：謝和平院士團隊)
本文鏈接：http://www.tebozhan.com/showinfo-28-3022-0.html謝和平院士團隊：原位可控聚合成膜實現深部高效保質保濕保光取心
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