温度对深部咸含水层CO2地质封存的影响机理研究

The storage of CO2 in the deep saline aquifers has been proposed as one of effective way to reduce CO2 emission into the atmosphere. To ensure that CO2 is stored in supercritical state, it may be necessary to heat CO2 at the wellhead of the injection well. However, on the one hand, heating CO2 will consume more energy. On the other hand, a series of thermodynamic processes occurring in the injection well will result in the increase of CO2 temperature. Furthermore, CO2 injection at low temperature (below the formation or supercritical temperature) may have more advantages. Therefore, in order to find out whether CO2 needs to be heated at the wellhead, this research proposes to assess the effects of temperature on CO2 storage in the saline aquifers. A series of fluid-heat coupling models and fluid-heat-geochemistry coupling models will be set up to evaluate the effects of temperature on the CO2 plume migration, CO2 capture, salt precipitation and convective mixing phenomena. In addition, specific CO2 flooding experiments will be carried out in the laboratory to investigate the salt precipitation around the injection well. Based on above findings, we will explore whether there is a favorable CO2 injection temperature. Then fluid-thermal coupling simulation in the injection well will be conducted to assess the CO2 temperature at the wellhead. This research aims to reveal the effect mechanism of temperature on CO2 storage in the saline aquifers, and focuses on evaluating the advantages and disadvantages of CO2 injection at low temperature. In the end, we will give guidance on whether CO2 need to be heated at the wellhead.

深部咸含水层CO2地质封存是解决CO2向大气排放的有效途径之一。为确保CO2以超临界态封存，可能需要在注入井井口对CO2进行加热。然而，一方面，加热会消耗更多能源；另一方面，CO2在注入井中会经历一系列热力学过程，使其温度升高。此外，低温CO2（低于地层或超临界状态温度）注入可能具备较多的优势。因此，本课题从CO2是否需要加热的问题出发，提出温度对咸含水层CO2封存影响的基础科学问题。具体内容包括：建立流体-热耦合模型和流体-热-地球化学耦合模型，评估温度对CO2羽的运移、CO2捕获、盐沉淀及对流混合现象等的影响；针对盐沉淀现象，还开展CO2驱替岩芯的室内实验研究。综合上述研究结果，探索是否存在有利的CO2注入温度。并以此开展井筒流体-热耦合模拟研究，评估井口CO2温度。本课题旨在揭示温度对咸水层CO2封存的影响机制，重点评估低温CO2注入的优缺点，给出井口CO2是否需要加热的指导意见。

开展深部咸含水层CO2地质封存中热力学过程的研究，对于CO2封存效率及封存安全性具有重要意义。本项目建立了流体-热耦合模型和流体-热-地球化学耦合模型，评估了温度对CO2羽的运移、CO2捕获、盐沉淀及对流混合现象等的影响，初步调查了使用温度监测CO2羽运移的可行性。此外，还开展了使用水力屏障阻止CO2在倾斜含水层中运移的研究。项目取得的重要成果体现在：当冷的CO2注入到含水层中后，会伴随一些热力学进程的发生，包括Joule-Thomson冷却效应、吸热的水蒸发和放热的CO2溶解。在CO2注入阶段温度上升区内的温度上升能达到大约1℃，这个数值应该足以让温度传感器探测到CO2羽的到达。更冷的CO2注入能显著地降低盐沉淀的范围，而CO2注入到更热的地层中会导致固体饱和度的增加。在干燥区前缘的上部可能出现一个局部固体饱和度非常大的区域。盐沉淀可能导致渗透率的显著下降。相比沉淀引起的渗透率变化，温度引起的CO2粘滞度变化似乎对地层中的压力演化有更大的影响。注水能明显地降低地层水盐度和缓解注入井周围的盐沉淀。然而，注水温度对盐沉淀几乎没有影响。注水形成的水力屏障能有效阻挡CO2羽的向上迁移，此外，注水能促进CO2溶解，但会造成地层压力进一步提升。在地层倾斜下降一侧设置抽水井抽水能显著降低地层压力。注水距离越近阻挡CO2运移的效果越好。注水速度是影响水力屏障效果的关键因素。现有研究比较全面评价了温度对深部咸含水层CO2地质封存的影响，研究结论可为实际CO2地质封存工程的开展提供指导意见和科学依据。