多孔介质骨架物性特征对CO2/盐水两相流动和CO2俘获的影响机理研究

Under a background of CO2 storage in saline aquifers，this project will study the influence of inherent characteristics of permeability and capillary force of rocks on CO2/water two-phase migration and CO2 trapping pattern. It will: (1)adopt multiple pore-scale modeling methods (conventional CFD, pore network models and LBM) to accurately describe heterogeneity and anisotropy of rock permeability, and analyze the effect of diameter and arrange pattern of constituent grains on porosity-permeability relationship and permeability anisotropy based on 3D X-ray CT reconstruction of porosity structure; (2)construct accurate J-functions for man-made and natural cores according to related experimental results, and then propose new methods for accurately setting the heterogeneity of capillary force in 3D dimensions; (3)combine core-scale numerical modeling and experimental observation to: ①analyze influence mechanism and degree of heterogeneity and anisotropy of rock permeability on CO2/water migration; ②explore influence patterns of the heterogeneity of capillary force on CO2/water migration and CO2 trapping; and ③quantify applicative conditions of local capillary trapping. All of these researches will provide theoretical basis for the execution of China's CO2 sequestration in saline aquifers.

本课题以CO2地下咸水层封存研究为背景，研究岩石渗透率和毛细管力的固有特征对CO2/盐水两相运移和CO2俘获的影响。基于X射线CT扫描成像技术对岩心孔隙结构的三维可视化重构，联合使用孔隙尺度的多种建模方法(传统CFD、孔隙网络模型和LBM)，准确描述岩石渗透率非均质性和各向异性，分析岩石构成颗粒的粒径及排列方式等因素对孔-渗定量关系以及渗透率各向异性的影响规律；根据相关实验结果，构建准确的J函数模型，提出能在三维空间上准确设置岩石毛细管力非均质性的方法；结合岩心尺度的数值模拟与CT实验观测分析岩石渗透率非均质性与各向异性对CO2/盐水运移的影响机理和影响程度，探究岩石毛细管力非均质性对CO2/盐水运移和CO2俘获的影响规律，量化局部毛细管力封存机制的适用条件；为我国CO2咸水层封存项目的实施提供理论依据。

本项目以提高CO2地下咸水层封存容量的预测质量为目的，研究岩石物性参数固有特征对CO2/盐水两相运移和CO2局部封存的影响：搭建了以核磁共振成像系统（MRI）和电子计算机断层扫描（CT）为核心的CO2-盐水驱替/吸入实验系统，可获得高精度的岩心孔隙结构表征及岩心尺度实验观测；开发了三维数字岩心重构与分析软件，可计算目标岩心的局部孔隙度、局部渗透率、比表面积、典型单元体等参数，实现目标岩心->数字岩心->数值模拟的批处理。借助MRI技术测量玻璃砂多孔介质的孔-渗参数，并采用不同的Kozeny-Carman（K-C）模型进行描述，以此为参考基准分析天然砂岩的孔-渗关系，结果表明石英砂与粉质砂岩与玻璃砂岩心具有类似的孔-渗关系，但当二者孔隙度较低时,由于孔喉减小其孔-渗关系偏离玻璃砂岩心，特别是当胶结物含量较高时，其孔-渗关系发生较大改变，无法用任何K-C模型进行描述。提出岩石各物理属性（如渗透率和毛细管力）非均质性的定量描述方法，构建了全异质的CO2-盐水多相渗流模型，提高了对CO2-盐水系统驱替/吸入实验的预测精度，模拟结果表明：毛细管力非均质性会导致CO2局部累积及CO2饱和度的空间不均匀分布，而渗透率非均质性对CO2的局部累积的影响不显著，只通过改变CO2的局部流动路径，轻微降低CO2的局部驱替效果，使得岩心局部呈现出显著的CO2饱和度变化。而在低渗层和高渗层的衔接处CO2饱和度的急剧升高则是由相对渗透率的变化所引起。其他的工作还包括：在孔隙尺度上，采用相场模型和LBM方法，数值模拟了非均质多孔介质内CO2-盐水对流混合以及CO2/盐水多相运移过程，阐释了孔隙结构和润湿性非均质性对CO2毛细管封存以及溶解封存机制的影响规律；在岩心尺度上，数值模拟不同温压和盐度条件下CO2-盐水系统的平衡相分离对CO2羽运移路径以及局部封存的影响；量化了相对渗透率模型主要参数（残余气、水饱和度）的误差以及不同的相对渗透率模型所引起的多孔介质内CO2局部封存量数值计算结果的偏差。