二氧化碳盐水层封存的数值模拟研究

摘要

CO2排放量的大量增加加剧了温室效应，导致全球变暖、冰川融化、海平面上升等一系列环境问题，碳捕获与封存是目前最具前景的实现大规模减排CO2的措施之一。盐水层分布广泛、容量巨大等优势使得盐水层成为最受关注的CO2封存地点。
　　在一般选定的注入地层中CO2注入后以超临界状态存在，超临界状态的CO2密度大、粘度低、流动性好等特点有利于CO2在盐水层中的封存。注入到盐水层的CO2首先会进入岩石的孔隙之中，随着时间的推进，CO2会在浮力的作用下往上运动，直至遇到盖层。随后CO2将与盐水、岩石发生一系列物理化学反应，通过包括构造封存、残余气封存、溶解封存、矿化封存在内的多种机理实现封存CO2的目的。
　　本文以CO2盐水层封存为研究对象，基于多相流体力学、渗流力学、计算流体力学等多学科的基础理论知识，采用数值模拟的方法，在建立数学模型后研究了注水对CO2分布及溶解的影响和CO2在深部盐水层发生泄漏迁移至浅水层时CO2的分布及泄漏的修复措施。
　　对于注水对CO2分布和溶解的影响的研究，本文通过考察在不同注水模式、注水速率、注水位置、盐度和孔隙度等参数下CO2的溶解行为，系统地分析了注水对CO2溶解的影响，探讨了通过注水促进溶解封存、提高CO2封存安全性的措施。研究结果表明，注入CO2后，超临界态CO2成倒锥形聚集分布于注入井附近的盐水层顶部，分布半径随时间缓慢增大。注水虽不会引起CO2分布的明显变化，但可显著促进CO2的溶解。增大注水速率、靠近盐水层顶部注水以及在注CO2过程中同时注水均可提高CO2的溶解率。另外，CO2的溶解行为还可能会在不同水文地质参数条件下发生一定变化。CO2的溶解量随盐水盐度的降低而提高，但几乎不随岩石孔隙度变化。这些研究结果揭示了盐水层中CO2的溶解行为，可为发展安全可靠的CO2封存技术提供参考依据。
　　对于CO2在深部盐水层发生泄漏迁移至浅水层时CO2的分布及泄漏修复措施的研究，本文通过考察不同泄漏场景下CO2的分布、压力分布以及采出井的采出速率、注水井的溶解效率以及参数的影响，系统地分析了泄漏的修复措施。模拟结果表明，CO2泄漏后，泄漏羽流分布于泄漏井附近的区域内，气相饱和度Sg沿径向和轴向往外逐渐降低，呈梯形分布;压力变化的等值线在CO2的泄漏羽流区域的分布是倾斜的，而在离泄漏羽流较远区域的压力变化的等值线是竖着分布的。注水可促进CO2的溶解，降低水相中CO2的浓度，越大的注水速率CO2溶解得越快。利用采出井可以采出流体可以达到减少或移除CO2的目的。用直井采出流体时，直井越深、直井竖直距离泄漏点越近、直井水平距离泄漏点越远，CO2采出速率越高;用水平井才出流体时，水平井设置在z向距离泄漏点越近处，CO2采出速率越高。地质参数影响着CO2的迁移和溶解，对CO2采出速率也存在一定影响。渗透率增大，CO2采出速率降低;孔隙度减小，CO2采出速率越小。这些研究结果揭示了浅水层中CO2的泄漏行为以及不同修复措施的影响，可为发展安全可靠、高效的CO2泄漏修复技术提供参考依据。

目录

声明

摘要

全文符号

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 CO2盐水层封存的基本原理

1．3 研究现状

1．4 研究内容

1．5 技术路线

1．6 章节结构安排

第2章 CO2、盐水、岩石的物理性质

2．1 CO2的物理性质

2．1．1 CO2的相态

2．1．2 CO2的密度

2．1．3 CO2的粘度

2．2 盐水的物理性质

2．2．1 盐水的密度

2．2．2 盐水的粘度

2．3 岩石的物理性质

2．3．1 孔隙度

2．3．2 压缩性

2．3．3 饱和度

2．3．4 绝对渗透率

2．3．5 相对渗透率

2．3．6 毛细管压力

2．4 盐水-CO2的相互作用

第3章 CO2盐水层封存的数学模型与数值方法

3．1 数学模型

3．1．1 基本假设

3．1．2 吉布斯相律

3．1．3 相的组合、相态判断

3．1．4 达西定律

3．1．5 控制方程

3．1．6 物性方程

3．1．7 定解条件

3．2 数值求解

3．2．1 方程的离散

3．2．2 方程的求解

3．2．3 并行求解

3．3 程序的编译和调试

第4章 注水对CO2分布和溶解的影响

4．1 引言

4．2 计算模型和参数

4．2．1 计算模型

4．2．2 初始条件和边界条件

4．2．3 相关参数

4．2．4 网格独立性测试

4．3 结果和讨论

4．3．1 CO2的空间分布

4．3．2 注水对CO2分布的影响

4．3．3 注水模式对CO2溶解的影响

4．3．4 注水速率对CO2溶解的影响

4．3．5 注水位置对CO2溶解的影响

4．3．6 盐度和孔隙度对CO2溶解的影响

4．4 本章小结

第5章 CO2泄漏迁移至浅水层的修复措施

5．1 引言

5．2 计算模型和参数

5．2．1 计算模型

5．2．2 初始条件和边界条件

5．2．3 相关参数

5．2．4 网格独立性测试

5．3 结果和讨论

5．3．1 五种泄漏场景

5．3．2 泄漏修复措施分析

5．4 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢