岩石矿物成分对CO2地质储存中残余水的影响及作用机制

CO2 geological storage in deep saline aquifers is achieved by injecting CO2 into aquifers and displacing brine firstly. Although most of the groundwater is displaced, some residual water remains in the rock pore. Residual water has negative influences on CO2 geological storage potential and security. Understanding the mechanism of residual water formation, mastering various influence factors and their mechanism on residual water and developing methods to minimize residual water saturation are very important to realize the large-scale storage of CO2 in saline aquifers. Natural rock cores of 6 reservoirs, which are extracted from Ordos and Qaidam Basin, will be used in this study. Based on various rock core analysis tests and core-flooding laboratory experiments, the effects and mechanism of rock mineral components on residual water will be studied, the division and nomenclature of the formation process of residual water will be modified and the capillary model for scCO2 displacing brine will be optimized in this study. The achievements on the formation mechanism of residual water will be further improved through this study. This study can provide important guidance and theoretical basis for selecting target reservoirs and injecting CO2 into saline aquifers in CO2 geological storage.

在地下深部咸水含水层中进行CO2地质储存，首先是通过向含水层中注入CO2驱走咸水实现的，在大部分地下水被驱走之后仍会有部分地下水残留在岩石孔隙中形成残余水，残余水对CO2地质储存潜力及安全性等都具有不利影响。深入了解残余水的形成原理、掌握残余水的各种影响因素及其作用机制并找到将残余水饱和度降低至理想值的方法，对实现CO2在咸水含水层中的规模化储存来说非常重要。本项研究将利用取自鄂尔多斯盆地和柴达木盆地6个储层的天然岩心，通过各项岩心分析测试和室内岩心驱替实验，研究岩石矿物成分对残余水的影响及作用机制、改进对残余水形成过程的划分及命名并优化超临界CO2排驱咸水的毛细管模型，以进一步完善残余水形成原理研究领域的成果体系。通过此项研究，可为实际CO2地质储存中目标储层的选取及CO2向咸水含水层中的灌注等工作提供重要的指导和理论依据。

将CO2储存在地下深部咸水含水层中被认为是一种减轻温室效应的理想方法。CO2注入阶段岩石孔隙中所形成的残余水不仅对CO2储存量有不良影响，还有可能引起岩石的压裂破坏。因此，需要通过研究找到将残余水饱和度降低至理想值的方法。在诸多影响因素中，岩石矿物成分可以明显改变CO2-水-岩石系统的润湿性，继而影响CO2和水的分布、运移、驱替和储存行为。因此，本项目利用取自深部储层的4块天然岩心，开展了大量岩心尺度CO2排驱饱水岩心实验，以充分揭示岩石矿物成分对CO2地质储存中残余水的影响及作用机制。研究发现：（1）随着岩石中石英和长石两种矿物含量的增加，岩心孔隙中残余水饱和度也会增加。通过分析可知，导致此结果的原因主要是由于CO2、水和石英/长石系统的接触角均小于50°，岩心整体的润湿性表现为亲水而疏CO2。当岩心中石英和长石二者含量较高时，岩心孔隙中的流体将有较大几率与石英长石这两种矿物接触，进而使得残余水饱和度增加。但是，如果润湿相选用的是盐水（而非去离子水），由于矿物颗粒表面受到污染，会使得接触角有较大增幅，进而会降低残余水饱和度；此外，（2）岩心渗透率和残余水饱和度呈负相关关系；而孔隙度与残余水饱和度没有明显相关关系，但是孔隙度越大CO2的储存量也会越大；（3）利用不同相态CO2排驱饱水岩心，所形成的残余水饱和度大小的排序为：气相＞超临界相＞液相；（4）将CO2和N2以不同比例混合，利用混合气进行排水实验，残余水饱和度大小排序为：50%CO2+50%N2＞75%CO2+25%N2＞高纯CO2。本基金项目深入研究了残余水的形成机制，揭示了各类影响因素对残余水饱和度的控制作用，丰富了残余水研究领域的成果体系。对提高CO2地质储存效率、保障CO2地质储存安全性及指导场地选址等工程实际来说具有重要价值。