饱和CO2流体在碳酸盐岩多孔介质中的孔隙级流动与反应机理研究

Carbon dioxide Capture and Storage (CCS) and CO2 EOR is one of the most effective methods to reduce the greenhouse gas emission and slow down global warming. However, it is not clear to understand how CO2 saturated brine flows through the reservoirs and how it reacts with the reservoir rocks. In our project, the model is developed within a Lagrangian framework, where the advective displacement employs a novel streamline tracing method which respects the no-flow boundary condition at the pore walls. The method is implemented in the pore-space geometry reconstructed from micro-CT images of sedimentary rocks. Diffusion is incorporated with a random walk and fluid-solid reactions are defined in terms of the diffusive flux of reactants through the grain surfaces. Finally, based on the model developed, the impact of pore structure and the property of injected CO2 saturated brine is studied and the nature of flow, transport and reaction are clearly illustrated, which lays foundation on CO2 sequestration and EOR.

CO2地质封存及驱油技术在大规模减少温室气体排放及提高油气采收率等领域具有广阔的应用和发展前景，但目前对于饱和CO2流体在碳酸盐岩地层的流动机制及与岩石之间作用机理的研究主要集中在以达西渗流为基础的岩心尺度上，基于孔隙尺度的实验和模拟研究尚处于起步阶段。本项目拟在已有研究基础上，以微CT扫描图像为研究平台，建立针对碳酸盐岩溶解反应的孔隙级反应溶质运移流固耦合模型，阐释流体微观流动与水岩反应之间的相互影响机制。进一步开展室内微观驱替实验并在不同阶段进行微CT扫描，获取孔隙结构和流体分布的动态图像，为耦合模型的数值求解提供实验验证。最后针对不同岩石骨架、孔隙结构的碳酸盐岩注入不同性质的饱和CO2流体开展数值实验研究，分析微观骨架、孔隙结构及注入流体性质对水岩反应的影响机制，最终揭示饱和CO2流体在碳酸盐岩储层中的微观流动机制和水岩反应机理，为CO2地质封存及驱油提供理论基础。

近年来，温室气体的排放逐渐成为国内外社会关注的热点问题，而二氧化碳驱提高采收率及地质封存作为减少温室气体排放的有效手段之一，也成为了研究焦点。二氧化碳流体在地层中的流动规律及其与岩石之间的反应机理是二氧化碳驱提高采收率和地质埋存效率的关键核心问题。本项目借助微CT扫描技术，通过微观岩心驱替实验模拟饱和二氧化碳流体注入碳酸盐岩过程，实现了孔隙尺度下定算分析饱和二氧化碳流体注入岩心过程中，岩心孔隙结构的变化规律及流体与岩石之间相互作用机理。同时，通过改进流线追踪算法，将其成功应用到孔隙尺度下多孔介质的流体流动模拟上，并在此基础上，分别通过随机游走算法和反应物的扩散通量实现了对粒子扩散和溶蚀反应的模拟。同一块岩心注入饱和二氧化碳流体实验和模拟结果对比证实了模型的可靠性。注入的饱和二氧化碳流体的pH和速度以及岩石孔隙结构综合影响二氧化碳流体的渗流规律及其与岩石之间的溶蚀反应程度。注入流体pH越小，流体与岩石间的溶解反应越剧烈，岩石孔隙度增加越多。注入速度越快，岩石与新鲜流体接触的机会越多、时间越长，因此岩石被溶解得越多。岩石的微观孔隙非均质性对溶蚀反应机理也有很大影响，岩心的孔隙非均质性越弱，孔隙分布越均匀，流体的流动就越均质，即使是注入流体pH较小、流速较快，岩心依然呈现均匀溶蚀反应；相反，如果岩心孔隙的非均质性很强，流体的微观流动非均质性很强，在不同大小的孔隙中流速非均质性也很强，即使注入流体pH较大、流速较慢，岩心在仍然出现非均匀溶蚀现象。本项目揭示了饱和二氧化碳流体在碳酸盐岩中的流动与反应机理，在碳酸盐岩复杂的孔隙空间中，饱和二氧化碳流体的渗流规律影响了溶蚀反应，而溶蚀反应造成孔隙结构的改变又影响了流体的流动，两者相互影响。