多孔介质内孔隙尺度CO2-水两相流动特性与捕获机理研究

CO2 storage in deep saline aquifers is considered to be one of the most available options for greenhouse gas mitigation. The characteristic of gas-water two-phase drainage and imbibition through underground is of great importance for the research of CO2 migration in saline aquifer. The aim of this study is to describe the characteristic of gas-water two-phase flow at pore scale and explain the CO2 capillary trapping mechanism. We will develop pore structure analyzing and gas-water recognizing techniques based on the micro focus X-ray CT scanning and analyze the pore geometry, topology and tortuosity of the core and build the digital core model which is able to represent the pore structure. We will simulate the drainage and imbibition procedures in Berea sandstones under the condition of CO2 storage at laboratory, observe the CO2 plume distribution in pores and quantify the saturation, then analyze the effect of CO2 saturation pattern on the gas-water flow of the drainage and imbibition. We will also analyze the effect of different pore structure and CO2 saturation pattern on the relative permeabilities and capillary pressures of gas-water two phases in different sandstone cores. Finally, we will improve the extraction method of pore network model based on the maximum ball model and random walk method and simulate the drainage and imbibition procedures in porous media and analyze the two-phase flow characteristics and CO2 trapping mechanism.

CO2咸水层封存被认为是最有应用前景的温室气体减排技术之一，在地层内气-水两相驱替、吸渗过程的流动特性研究对于阐明CO2在咸水层中的迁移与捕获特性具有重要意义。本项目以CO2咸水层封存为研究背景，重点研究孔隙尺度下气-水两相流动特性及CO2封存机理。开发基于微焦点X射线CT的岩心孔隙结构分析与气-水两相识别技术；分析岩心的孔隙尺寸、拓扑结构和迂曲度等孔隙结构特性，建立准确描述岩心孔隙结构的数字岩心模型；采用Berea岩心研究封存条件下CO2-咸水两相的驱替和吸渗过程，探析CO2在岩心孔隙内的羽流分布并定量获得其饱和度，分析CO2在孔隙内不同的饱和模式特性；解明岩心孔隙结构、CO2饱和模式对相对渗透率、毛细管力等渗流参数的影响规律；基于最大球体模型和随机漫步法改进孔隙网络提取算法，模拟不同孔隙结构多孔介质内气-水两相的驱替和吸渗过程，阐明孔隙尺度下气-水两相流动特性及CO2毛细管捕获机理。

CO2捕集与封存(CCS)是具有很大潜力和应用前景的减排方案之一，成为减少温室气体排放研究中的焦点。我国的咸水层封存总量占地质封存容量的98%以上，是最具有潜力的CO2 地质封存场所。地质封存技术最大的风险也是人们最关心的问题是CO2在封存中有可能会泄露到大气中，产生背道而驰的后果。因此，研究CO2在咸水层封存实施过程的驱替封存特性，掌握CO2-咸水两相在地层孔隙中的迁移和俘获机制对于合理利用封存容量、确保封存安全以及提高CO2封存预测的准确性都具有十分重要的作用。.本项目应用微焦点X射线CT扫描技术获得高分辨率岩石孔隙结构图像，建立精确描述孔隙结构的孔隙网络模型；通过CT扫描获得CO2封存驱替过程和咸水吸渗过程岩心孔隙内的CO2饱和度、团簇尺寸分布等气-水流动特性参数，在孔隙尺度上把握气-水流动过程的微观流动特性；精确测量气-水流动过程的相对渗透率、毛细管力等气-水流动特性参数，分析驱替和吸渗过程不同的CO2饱和模式对相对渗透率、毛细管力的影响，解明在两个过程中宏观参数存在的滞后现象产生的机理；改进孔隙网络提取方法，获得描述孔隙结构的孔喉尺寸、迂曲度等参数，基于孔隙网络模型模拟孔隙内气-水流动过程，在孔隙尺度上解析宏观气-水流动特性的响应机理。.本项目自2016年以来按照项目计划开展研究，主要包括以下方面：.1）CO2咸水层封存多孔介质孔隙结构特性研究.2）CO2咸水层封存岩石润湿特性与气水界面张力测量与分析.3）CO2咸水层封存孔隙尺度气水流动与俘获机理可视化研究 .4）CO2咸水层封存孔隙结构与润湿性非均质性对饱和度分布影响研究.5）CO2咸水层封存气水渗流孔隙网络模型模拟研究.在上述研究工作基础上取得以下研究成果：.1）完善了CO2地质封存CT可视化实验平台的改造，开发了描述岩心孔隙结构的数字岩心建模方法，完善了CO2–水驱替、吸入过程的可视化实验技术。.2）改进了气水两相渗流的孔隙网络模型，获得了CO2封存两相渗流的相对渗透率、毛细管力等宏观特性参数。.3）阐明了多孔介质孔隙结构内CO2毛细管俘获的主要控制机制。.4）获得教育部自然科学一等奖1项。发表SCI论文26篇，ISTP会议论文1篇，获得发明专利授权4项，培养博士生、硕士生5人。