超臨界二氧化碳在鹽水層多孔介質條件下遷移的數(shù)值模擬研究.pdf

1、二氧化碳(CO2)捕獲和封存作為最具前景的減排CO2措施之一，已經(jīng)受到越來越多的政府機構和工業(yè)部門的關注。在CO2封存場地中，由于鹽水層具有封存量巨大、分布廣、距排放點近等優(yōu)點， CO2在鹽水層中地質封存已成為最受矚目及最具潛力的封存方式。
　　注入的CO2以超臨界狀態(tài)存在，超臨界CO2具有密度大、粘度低、流動性好的特點，這些特點有利于CO2在鹽水層中封存。注入到鹽水層中的CO2首先位于巖石的孔隙中，隨著注入的持續(xù)進行，由于超臨界

2、CO2的密度比鹽水小，部分CO2會逐漸地向鹽水層上方移動，并受到頂部封層的作用而停留在鹽水層的頂部。隨后，在鹽水層的巖石構造和鹽水的共同作用下，發(fā)生靜態(tài)封存、殘余封存、溶解封存以及礦化封存等機理，最終實現(xiàn)CO2的永久封存。這些封存機理相互影響，相互依賴，它們對封存的安全性隨著時間的推移不斷增加。對封存機理的研究是本文的重點之一。
　　CO2在鹽水層中的封存包含了復雜的物理和化學過程，例如注入的CO2和鹽水在鹽水層多孔介質中的遷移、

3、對流和擴散、對流混合、相變、礦物溶解和沉淀、以及其他的化學反應。與此同時，大量的CO2注入到鹽水層中也會引起一系列特殊的流動現(xiàn)象，例如壓力增加、CO2非混相驅替鹽水、氣相與液相之間質量相互轉移以及巖石孔隙率和滲透率的變化。這些現(xiàn)象，有的有利于CO2封存，例如密度驅使的指進現(xiàn)象會促進CO2在鹽水中的溶解，使其以更加安全的形式存在;而有的則可能會給環(huán)境帶來危害，例如儲層內的鹽水遷移到地下飲用水層，造成地下水鹽化。對物理和化學過程、流動現(xiàn)象的

4、研究是本文研究的核心內容。
　　本文選取CO2在鹽水層中封存作為主要研究對象，從滲流力學、多相流體力學、計算流體力學等相關學科的基礎理論出發(fā)，采用數(shù)值模擬方法研究了CO2鹽水層封存的特點、流體遷移和輸運的特性以及相關物理和化學現(xiàn)象;揭示了CO2封存與相關研究變量如滲透率、孔隙率、可壓縮率等變量的關系;關注了大規(guī)模CO2在鹽水層中封存引起的大尺度現(xiàn)象;最終為CO2在鹽水層中封存的研究提供理論指導和技術支撐。論文的具體工作包括:

5、>　　在封存機理方面，本文選取溶解封存，研究了對流混合過程發(fā)生的機理、動態(tài)過程及影響因素。對流混合過程為:超臨界CO2溶解于鹽水中會使鹽水密度增加，導致重力不穩(wěn)定性，進而會形成密度驅使的指進。指進會引起對流混合現(xiàn)象，即溶解了CO2較重的鹽水向下流，未溶解CO2較輕的鹽水向上流。對流混合現(xiàn)象極大地加速了CO2在鹽水中的溶解過程，使CO2以更加安全的狀態(tài)封存于鹽水層中。在本文的研究中，通過二維和三維結果的對比，闡明了不同維度模擬的差異;通過

6、與理論分析的比較，發(fā)現(xiàn)CO2的溶解過程包含了四個不同的階段，即早期擴散階段，調整對流階段，恒定對流階段和對流衰減階段;通過研究傾角對溶解的影響，發(fā)現(xiàn)隨著傾角的增加，指進的數(shù)目隨之減少，對流的發(fā)生隨之延遲。在物理和化學現(xiàn)象方面，本文研究了CO2注入到鹽水層中引起的多尺度現(xiàn)象。研究結果發(fā)現(xiàn)壓力增加的尺度遠大于CO2羽流的尺度，鹽沉淀的尺度僅為CO2羽流尺度很小的一部分。在不同的封存系統(tǒng)下，壓力增加表現(xiàn)出不同的變化特性，而CO2羽流和鹽沉淀的

7、分布類似。在注入井周圍出現(xiàn)了兩類沉淀，即較小固相飽和度的均勻沉淀和較大固相飽和度的局部沉淀。兩類沉淀是由不同機理引起的，均勻沉淀是由氣相的蒸發(fā)作用引起的，局部沉淀是由氣相的蒸發(fā)作用和毛細管壓力驅動的鹽水回流共同引起的。鹽沉淀堵塞了巖石孔隙，降低了井的注入性，影響了氣相和液相的流動。鹽沉淀的出現(xiàn)增加了CO2泄漏的風險，降低了CO2封存的安全性。
　　在大尺度現(xiàn)象方面，本文研究了大規(guī)模的CO2注入到鹽水層中引起的大尺度影響，主要包括壓