超臨界二氧化碳在鹽水層多孔介質(zhì)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(jī)構(gòu)和工業(yè)部門的關(guān)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(diǎn)近等優(yōu)點(diǎn)， CO2在鹽水層中地質(zhì)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(dòng)性好的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)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(jìn)行，由于超臨界

2、CO2的密度比鹽水小，部分CO2會(huì)逐漸地向鹽水層上方移動(dòng)，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(gòu)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(jī)理，最終實(shí)現(xiàn)CO2的永久封存。這些封存機(jī)理相互影響，相互依賴，它們對(duì)封存的安全性隨著時(shí)間的推移不斷增加。對(duì)封存機(jī)理的研究是本文的重點(diǎn)之一。
　　CO2在鹽水層中的封存包含了復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，例如注入的CO2和鹽水在鹽水層多孔介質(zhì)中的遷移、

3、對(duì)流和擴(kuò)散、對(duì)流混合、相變、礦物溶解和沉淀、以及其他的化學(xué)反應(yīng)。與此同時(shí)，大量的CO2注入到鹽水層中也會(huì)引起一系列特殊的流動(dòng)現(xiàn)象，例如壓力增加、CO2非混相驅(qū)替鹽水、氣相與液相之間質(zhì)量相互轉(zhuǎn)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(qū)使的指進(jìn)現(xiàn)象會(huì)促進(jìn)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(huì)給環(huán)境帶來危害，例如儲(chǔ)層內(nèi)的鹽水遷移到地下飲用水層，造成地下水鹽化。對(duì)物理和化學(xué)過程、流動(dòng)現(xiàn)象的

4、研究是本文研究的核心內(nèi)容。
　　本文選取CO2在鹽水層中封存作為主要研究對(duì)象，從滲流力學(xué)、多相流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)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(diǎn)、流體遷移和輸運(yùn)的特性以及相關(guān)物理和化學(xué)現(xiàn)象;揭示了CO2封存與相關(guān)研究變量如滲透率、孔隙率、可壓縮率等變量的關(guān)系;關(guān)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(dǎo)和技術(shù)支撐。論文的具體工作包括:

5、>　　在封存機(jī)理方面，本文選取溶解封存，研究了對(duì)流混合過程發(fā)生的機(jī)理、動(dòng)態(tài)過程及影響因素。對(duì)流混合過程為:超臨界CO2溶解于鹽水中會(huì)使鹽水密度增加，導(dǎo)致重力不穩(wěn)定性，進(jìn)而會(huì)形成密度驅(qū)使的指進(jìn)。指進(jìn)會(huì)引起對(duì)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(duì)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(jié)果的對(duì)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(gè)不同的階段，即早期擴(kuò)散階段，調(diào)整對(duì)流階段，恒定對(duì)流階段和對(duì)流衰減階段;通過研究傾角對(duì)溶解的影響，發(fā)現(xiàn)隨著傾角的增加，指進(jìn)的數(shù)目隨之減少，對(duì)流的發(fā)生隨之延遲。在物理和化學(xué)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(jié)果發(fā)現(xiàn)壓力增加的尺度遠(yuǎn)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(jī)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(xì)管壓力驅(qū)動(dòng)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(dòng)。鹽沉淀的出現(xiàn)增加了CO2泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，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