咸水层封存条件下超临界CO2的输运特性基础研究

咸水层封存被认为是实现CO2深度减排的主要途径之一，通常注入深部咸水层的CO2以超临界态在地层中流动并对孔隙咸水进行驱替，然后被岩层孔隙捕获实现封存。超临界CO2在含孔隙咸水砂岩层中的输运特性研究是针对咸水层地质结构特点开展CO2封存研究的基础。本项目以此为研究背景，综合运用室内实验和数值模拟等多种手段，开发模拟砂岩样品多孔介质内超临界CO2与咸水溶液混合体系微尺度输运特性实验装置，研究不同模拟样品的孔渗特性以及多孔介质孔隙结构特性，探索描述多孔介质孔隙结构的数学模型，分析超临界CO2与咸水在模拟岩层孔隙内的界面张力、润湿性等水动力特性参数，并应用磁共振成像（MRI）技术对模拟砂岩层内多相多组分流体输运规律进行三维微观可视化定量测量，获取相关基础数据，揭示CO2咸水层封存过程中的多相流动特性。本项目研究能够为CO2在咸水层中的永久安全封存提供理论支持，对于未来规模化封存的实施具有重要意义。

咸水层封存被认为是实现CO2深度减排的主要途径之一。通常注入深部咸水层的CO2以超临界态在地层中流动并对孔隙咸水进行驱替，然后在毛细管力的作用下被岩层孔隙捕获实现封存。超临界CO2在含孔隙咸水砂岩层中的流动和气水两相界面特性研究是CO2咸水层封存研究的基础。本项目以此为研究背景，综合运用室内实验和数值模拟等多种手段，开展了以下内容的研究：（1）开发了超临界CO2与咸水溶液混合体系在模拟封存层多孔介质内流动特性可视化实验系统，利用MRI和CT微观成像技术研究不同模拟样品的多孔介质孔隙结构特性；（2）对填砂多孔介质的孔隙结构进行扫描并通过改进的基于灰度图像的差分盒子算法计算多孔介质的分形维数，建立了渗透率与分形维数的关系；通过数字岩心再建技术获得了数字多孔介质模型，采用最大球提取孔隙通道法获得多孔介质的孔隙拓扑结构，并建立了用孔喉半径、孔喉长度、配位数等参数描述的孔隙网络模型。（3）应用MRI和CT成像技术定量化分析了CO2驱替咸水（Drainage）过程以及咸水渗吸（Imbibition）过程两相的饱和度变化及空间分布，应用MRI相位迁移成像对流动速度进行分析，获得CO2的驱替特性描述；（4）基于滴形分析（ADSA）法开发了超临界CO2与咸水两相在封存条件下界面张力、润湿性参数测量实验系统，分析超临界CO2与咸水在模拟岩层孔隙内的界面张力、润湿性等水动力特性参数，获取相关基础数据；（5）将获得的实验参数输入到孔隙网络模型中进行了CO2和咸水两相渗流的饱和度、相对渗透率以及毛细管力的模拟，并与实验结果进行对比，评价CO2的封存效果。本项目通过实验和数值模拟研究揭示CO2咸水层封存过程中的多相流动特性，能够为CO2在咸水层中的永久安全封存提供理论支持，对于未来规模化封存的实施具有重要意义。 .项目执行过程中取得的主要创新成果包括：（1）改进了差分计盒维数算法，克服了传统算法的缺点。（2）开发了多孔介质中流体速度场测量的MRI可视化方法，对CO2驱替孔隙水的过程速度分布进行分析。（3）将多孔介质的迂曲度作为重要参数，完善了基于孔隙网络模型的渗流模拟方法，获得了与实验一致的结果。在项目研究执行过程中共发表学术论文18篇，其中SCI检索10篇，EI检索会议论文4篇，一般国际会议论文4篇，申请（公开）专利3项。