超临界CO2与煤中矿物的流固耦合响应及其机理

It is an important content of studies on CO2 sequestration and coalbed methane geology that the fluid-solid interaction between supercritical CO2 and minerals in coal seams, and has profound significance to the safety of CO2 geological sequestration and enhanced coalbed methane recovery. Minerals and organic matters will be separated with giavity solution separation from coal samples selected from coal mines of North China, then the mineals(clay, carbonate and silicate) and raw coals will be reacted with supercritical H2O-CO2 in high-pressure reactors to simulate the fluid-solid interaction under different reservoirs, respectively. The dissolution and recrystallization of minerals in supercritical H2O-CO2 will be described and the crystal habits and structures of minerals will be analyzed. The elements migration behaviors and rules will be understood through water quality analysis. And based on those, the porosity, adsorptivity, surface electric potential and surface potential of coal samples before and after the fluid-solid interation will be tested with the equipments of microporous structure analyzer, isothermal adsorption, Zeta potentiostat and so on, and the rules will be described to explain the influences on physical preperties of coal petrography of the fluid-solid interaction between supercritical CO2 and minerals in coal seams. The results of this study can deep understanding the interactions of H2O-CO2-minerals under coal reservoir conditions and provide theory supports for the safety of CO2 geological sequestration and enhanced coalbed methane recovery.

超临界CO2与煤中矿物流固耦合是CO2地质封存与煤层气地质研究的重要内容，对CO2地质封存的安全性与煤层气驱替性具有深刻的意义。本项目拟以华北地区重点煤矿煤岩样品作为研究对象，采用高压反应釜模拟不同储层条件下H2O-CO2与煤中矿物的流固反应，分析超临界水溶CO2条件下煤中矿物（粘土矿物、碳酸盐和硅酸盐）的溶蚀与再结晶过程，描述矿物的结晶形态与结构特征；并通过水质分析了解超临界CO2与矿物流固耦合造成煤中元素的迁移情况及迁移规律。在此基础上，采用微孔结构分析仪、等温吸附仪、Zeta电位仪等测试并分析超临界CO2与煤中矿物耦合对煤岩孔隙性、吸附性、表面电位、表面能等特征的改造作用及其改造规律，阐释超临界CO2与煤中矿物流固耦合对煤储层物性的影响。该研究成果可深化煤储层条件下H2O-CO2-矿物的耦合响应认识，为CO2煤层封存安全性评估和CO2-ECBM开采理论提供理论支持。

超临界CO2与煤中矿的物流固耦合对深入了解CO2驱替煤层气机理以及CO2-ECBM安全性及可行性具有重要意义。本项目以部分煤矿煤岩样品作为研究对象，采用高压反应釜模拟不同储层条件下H2O-CO2与煤中矿物的流固耦合反应，检测原煤及其反应煤的元素组成特征、孔隙结构特征、等温吸附特征等。在此基础上，耦合其内在联系。通过研究取得如下成果：. （1）超临界CO2与煤中矿物的流固耦合反应致使煤中元素发生规律性迁移. 煤中Ca、Mg、Mn、Sr等元素在整个实验过程中迁移现象都较为明显，Si、Zr、Be等元素在反应的中后期发生微弱的迁移现象，硫化物和硫酸盐在反应也发生了明显的迁移现象。认为该现象的存在主要受煤中矿物的组成形态及其赋存特征影响与控制：Ca、Mg、Mn、Sr等元素在煤中主要以碳酸盐矿物形态存在，容易在H2O-CO2作用下生成碳酸氢盐溶于水而发生迁移；Si、Zr、Be等与粘土矿物相关的元素，由于硅酸根活性较差在反应后期才发生少量迁移。. （2）超临界CO2与煤中矿物的流固耦合作用对煤孔隙结构特征具有明显的改造作用.发现超临界CO2—水岩作用对煤孔隙结构改造具有增孔和扩孔两种效应，孔隙结构改造特征受矿物的赋存形态及其含量等因素影响，同时也受煤级制约；同时发现，超临界CO2—水岩作用的增孔及扩孔效应对煤孔隙结构的连通性改造甚微，认为超临界CO2—水岩作用主要发生在煤颗粒表面及连通孔的内表面。. （3）超临界CO2与煤中矿物的流固耦合反应增强了煤吸附甲烷能力，并改变了煤的表面自由能特征. 发现耦合反应前后煤吸附甲烷总是随着压力增大而增大，都具备I型等温吸附曲线特征，Langmuir方程对实验结果具有较好的拟合效果。研究发现超临界CO2作用煤吸附甲烷能力增强是由于孔隙结构表面积增大所致。. （4）耦合分析了元素迁移、孔隙结构改变以及等温吸附的内在关联，构建了超临界CO2与煤中矿物耦合作用的地球化学模型. 超临界CO2与煤中矿物耦合反应引起煤中元素迁移，导致煤的灰分含量和孔隙结构发生规律性改变，从而改变了煤吸附甲烷能力。