地质封存条件下超临界CO2在岩石表面粘滞特性及机理研究

CO2 geologic sequestration is one of the major strategical technologies to decrease anthropogenic CO2 emissions. Wettability of CO2/brine/mineral systems is a very important parameter in supercritical CO2 geologic sequestration. It directly affects several important parameters such as capillary pressure, relative permeability and space distribution of CO2 and brine phases which can affect the migration law of supercritical CO2 in saline aquifers and the sequestration efficiency. It has been found that CO2 adhesion on mineral surfaces greatly changes wettability.However, the characteristics and mechanism of CO2 adhesion are open to questions. The objective of this proposal is to investigate the characteristics and mechanism of CO2 adhesion in saline aquifers. Experimental methods will be used to capture supercitical CO2 adhesion features under different sequestration conditions. Molecular dynamics simulation models will be constructed to investigate the laws of film thickness variation on mineral surfaces as well as the relationship between film thickness and wettability. Coupling with the experimental and molecular dynamics simulation results, a model of supercritical CO2 adhesion will be proposed. Then, the molecular structure of CO2/brine/mineral systems and the forces between molecules will be analyzed during film thickness and wettability variations to explore the mechanism of CO2 adhesion. This project will accumulate theoretical models and useful data to help to solve the key scientific problem of CO2 dynamic migration law and sequestration mechanisms and provide useful knowledge for large scale storage of CO2 in saline aquifers.

超临界CO2地质封存是全球减排的重要战略性技术之一。岩石表面润湿性是CO2地质封存过程中一个至关重要的参数，直接影响毛细压、相对渗透率、孔隙空间内各相的分布，进而影响CO2在深部咸水层中的运移规律，最终影响封存效果。超临界CO2粘滞现象显著改变润湿角，但CO2粘滞特性及机理尚不明确。本项目以咸水层封存条件下超临界CO2在岩石表面的粘滞特性及机理为研究对象，采用实验方法获取不同封存环境下超临界CO2的粘滞特性，建立分子动力学模拟模型，探究岩石表面液膜厚度的变化规律及润湿性与液膜厚度的相依关系，建立CO2在岩石表面的粘滞模型，结合液膜厚度及润湿性变化与体系微观结构及分子间相互作用力变化之间的相互关系，阐明超临界CO2的粘滞机理。本项目的顺利完成能为解决多重物理、化学作用的CO2动态运移规律和封存机理这一关键科学问题提供理论和数据积累，为最终实现规模化咸水层CO2封存提供知识储备。

岩石表面润湿性是CO2地质封存过程中一个至关重要的参数，超临界CO2粘滞能够显著增大润湿角，必然引起CO2运移特性的显著变化。因此，CO2在岩石表面粘滞特性及机理的研究对于探索超临界CO2在咸水层内的运移规律，发展规模化咸水层CO2封存具有重要的理论和实际价值。项目采用实验和数值模拟相结合的方法研究咸水层封存条件下超临界CO2在岩石表面的粘滞特性及机理。主要开展了超临界CO2在岩石表面的粘滞规律、座滴法分子动力学模拟模型的构建、岩石表面液膜厚度变化规律及润湿角与液膜厚度的相依关系、超临界CO2在岩石表面粘滞模型及粘滞机理四个方面的研究内容，包括不同封存条件下，岩石表面不同位置处静、动态润湿性、粘滞概率、气泡运动特性，并建立了CO2/盐水/岩石体系润湿性分子动力学模拟模型，研究了润湿性与液膜厚度的依赖关系，提出了液膜破裂CO2岩石表面粘滞模型。项目获得的超临界CO2在岩石表面静、动态润湿性及CO2气泡运动特性变化规律表明CO2气泡上升撞击不是导致CO2粘滞的根本原因，动态润湿过程CO2气泡粘滞的变化规律及岩石表面液膜厚度与润湿性的对应关系表明CO2粘滞主要产生在气驱水动态润湿过程，而CO2粘滞现象表现在水驱气后退过程。在超临界CO2咸水层封存过程，CO2首先驱替盐水随后盐水驱替CO2，分别对应实验过程中前进与后退动态润湿过程，因此，项目发现的CO2动态润湿粘滞规律及机理对掌握CO2在咸水层中的分布具有十分重要的意义，为研究CO2在咸水层中的运移行为提供了重用数据。润湿性决定超临界CO2在咸水层中的运移与分布，影响CO2封存量及泄露，因此，项目成果也为开发润湿性控制技术进而调控CO2封存量与泄露风险提供了重要依据。项目在国际期刊上发表学术论文11篇，其中SCI检索11篇。培养硕士生3名顺利毕业。参加国内会议2次，发表会议论文4篇。参加国际会议2次，口头报告3次。