多尺度非均质深部咸水层二氧化碳地质封存运移规律与俘获机制

为实现我国二氧化碳减排目标、满足能源工业界对二氧化碳地质封存技术开发的迫切需求，从多尺度研究非均质深部咸水含水层二氧化碳地质封存中二氧化碳运移规律、俘获机理。从小尺度沉积结构以及沉积环境引起的大尺度相组空间分布特征出发，建立合理的多元多尺度随机模型，提出符合咸水含水层沉积特点的孔隙率、渗透率、毛细压力进气值等水文地质参数的随机场生成方法。建立非均质岩体中二氧化碳-咸水多相流、多组分运移的多场耦合理论和分析方法，从多尺度揭示二氧化碳在非均质沉积岩体咸水含水层中的运移规律和俘获机理。定量表征层状结构快速优势流现象，以及二氧化碳结构俘获、残余饱和度俘获与溶解度俘获的不同俘获效果。结合室内试验和现场数据，基于精细网格和并行技术，多尺度数值模拟二氧化碳地质封存中的运移和俘获，为合理评价二氧化碳地质封存的有效性和安全性提供重要依据。

全球气候变暖的主要原因是由于CO2的排放造成的，全球气候变化这一环境问题受到了世界各国学者的广泛关注，并开展了CO2封存方法的研究。将CO2封存到深部咸水层中被认为是最有效的途径之一，因为深部咸水层的分布范围广且封存量大。中国的深部咸水层大都分布在沉积盆地内，深部咸水层在自然条件下具有多尺度非均质特性，影响CO2注入后的运移规律。而传统的数值模拟集中在均质咸水层，考虑非均质特性的很少，因此建立多尺度非均质地质模型研究CO2的运移规律至关重要。.项目的主要研究内容包括：（1）深部咸水层的多尺度非均质表征方法；（2）非均质深部咸水层中CO2的运移规律；（3）干化效应的数值模拟以及试验研究；（4）多尺度非均质深部咸水层中CO2的运移规律。. 具体的研究成果如下：（1）采用基于转移概率理论建立随机多岩相非均质结构模型，通过渗透率的空间分布分别建立分层非均质、多岩相非均质和完全非均质结构模型，再在此非均质模型的基础上细分为嵌套的分层结构和嵌套的多岩相结构，建立多尺度非均质结构模型；（2）非均质深部咸水层中，CO2受浮力作用向上运移，总体呈现漏斗状，且优先选择在渗透率较高的岩体中运移，表现出优势流现象，形成局部圈闭。对比三种非均质结构模型中的运移规律得到基于转移概率理论建立的随机多岩相模型是可用于评估未知地层剖面岩相分布的；（3）通过建立多孔介质模型，综合考虑CO2的注入速率、咸水层盐度、毛细压力和相对渗透率方程的特征参数对盐沉淀的影响，以及几种非均质结构模型中盐沉淀的对比，揭示了强烈的非均质性会降低CO2的注入效率，试验研究发现注入井的盐沉淀导致岩心孔隙度的改变，最终导致岩心渗透率下降接近80%；（4）以Frio场地CO2封存项目为依托建立的多尺度非均质模型进行数值模拟，发现CO2形成较快的水平运移的指流和竖直方向的指流现象，数值模拟的结果与现场地震波测得的结果一致，最终论证了所提出的多尺度非均质结果模型的适用性。. 基于转移概率理论的多尺度非均质表征方法可在现场数据缺少的情况下准确模拟CO2注入以后的运移规律，进行注入安全性的评价，为CO2地质储存的选址提出了一种方便可靠的验证手段。注入井附近盐沉淀的研究也为现场注入过程减轻盐沉淀的影响提出了建议。