超临界二氧化碳在盐水层多孔介质条件下迁移的数值模拟研究

摘要

二氧化碳(CO2)捕获和封存作为最具前景的减排CO2措施之一，已经受到越来越多的政府机构和工业部门的关注。在CO2封存场地中，由于盐水层具有封存量巨大、分布广、距排放点近等优点， CO2在盐水层中地质封存已成为最受瞩目及最具潜力的封存方式。
　　注入的CO2以超临界状态存在，超临界CO2具有密度大、粘度低、流动性好的特点，这些特点有利于CO2在盐水层中封存。注入到盐水层中的CO2首先位于岩石的孔隙中，随着注入的持续进行，由于超临界CO2的密度比盐水小，部分CO2会逐渐地向盐水层上方移动，并受到顶部封层的作用而停留在盐水层的顶部。随后，在盐水层的岩石构造和盐水的共同作用下，发生静态封存、残余封存、溶解封存以及矿化封存等机理，最终实现CO2的永久封存。这些封存机理相互影响，相互依赖，它们对封存的安全性随着时间的推移不断增加。对封存机理的研究是本文的重点之一。
　　CO2在盐水层中的封存包含了复杂的物理和化学过程，例如注入的CO2和盐水在盐水层多孔介质中的迁移、对流和扩散、对流混合、相变、矿物溶解和沉淀、以及其他的化学反应。与此同时，大量的CO2注入到盐水层中也会引起一系列特殊的流动现象，例如压力增加、CO2非混相驱替盐水、气相与液相之间质量相互转移以及岩石孔隙率和渗透率的变化。这些现象，有的有利于CO2封存，例如密度驱使的指进现象会促进CO2在盐水中的溶解，使其以更加安全的形式存在;而有的则可能会给环境带来危害，例如储层内的盐水迁移到地下饮用水层，造成地下水盐化。对物理和化学过程、流动现象的研究是本文研究的核心内容。
　　本文选取CO2在盐水层中封存作为主要研究对象，从渗流力学、多相流体力学、计算流体力学等相关学科的基础理论出发，采用数值模拟方法研究了CO2盐水层封存的特点、流体迁移和输运的特性以及相关物理和化学现象;揭示了CO2封存与相关研究变量如渗透率、孔隙率、可压缩率等变量的关系;关注了大规模CO2在盐水层中封存引起的大尺度现象;最终为CO2在盐水层中封存的研究提供理论指导和技术支撑。论文的具体工作包括:
　　在封存机理方面，本文选取溶解封存，研究了对流混合过程发生的机理、动态过程及影响因素。对流混合过程为:超临界CO2溶解于盐水中会使盐水密度增加，导致重力不稳定性，进而会形成密度驱使的指进。指进会引起对流混合现象，即溶解了CO2较重的盐水向下流，未溶解CO2较轻的盐水向上流。对流混合现象极大地加速了CO2在盐水中的溶解过程，使CO2以更加安全的状态封存于盐水层中。在本文的研究中，通过二维和三维结果的对比，阐明了不同维度模拟的差异;通过与理论分析的比较，发现CO2的溶解过程包含了四个不同的阶段，即早期扩散阶段，调整对流阶段，恒定对流阶段和对流衰减阶段;通过研究倾角对溶解的影响，发现随着倾角的增加，指进的数目随之减少，对流的发生随之延迟。在物理和化学现象方面，本文研究了CO2注入到盐水层中引起的多尺度现象。研究结果发现压力增加的尺度远大于CO2羽流的尺度，盐沉淀的尺度仅为CO2羽流尺度很小的一部分。在不同的封存系统下，压力增加表现出不同的变化特性，而CO2羽流和盐沉淀的分布类似。在注入井周围出现了两类沉淀，即较小固相饱和度的均匀沉淀和较大固相饱和度的局部沉淀。两类沉淀是由不同机理引起的，均匀沉淀是由气相的蒸发作用引起的，局部沉淀是由气相的蒸发作用和毛细管压力驱动的盐水回流共同引起的。盐沉淀堵塞了岩石孔隙，降低了井的注入性，影响了气相和液相的流动。盐沉淀的出现增加了CO2泄漏的风险，降低了CO2封存的安全性。
　　在大尺度现象方面，本文研究了大规模的CO2注入到盐水层中引起的大尺度影响，主要包括压力增加和盐水迁移。采用理想的分层模型，研究了压力增加和盐水迁移以及这些大尺度影响可能对浅层地下水资源造成的危害。研究结果表明:大尺度影响的区域远大于CO2羽流所在的区域;压力增加的变化趋势与封层的渗透率和与注入井的距离相关;盐水迁移对浅层地下水的影响很小。