基于TOUGH2模拟CO2地质封存对地层温度的影响

运用水流及热量运移的数值模拟软件TOUGH2建立三维模型,通过长时间恒速地注入含CO2的流体,模拟研究CO2地质封存对地层温度的影响。结果表明,CO2地质封存之前地层温度处于平衡状态,封存之后打破原有平衡|地层渗透率越高,越利于温度的交流|整个地层温度经历从非稳态到稳态的过程,温度的交换由于受到能量守恒的制约,整个地层的最后温度约处于初始时刻上、下地层温度的中间值|不断注入的流体对整个地层温度的影响有限,地层温度早期变化速度较快,后期变化速度逐渐减缓。     

降低CO2 驱混相压力的发展现状

将CO₂ 注入油层, 不仅封存了CO₂ , 还可以大幅度提高油气田采收率, 达到CO₂ 减排和油藏高效开发的双赢目的, 受到了相关研究者的广泛重视。如何有效地降低CO₂ 与原油之间的混相压力, 是目前CO₂ 驱提高采收率研究的主要热点和难点之一。文中比较了降低CO₂ 驱混相压力的几种方法, 探索新的亲CO₂ 表面活性剂以降低CO₂ 驱最小混相压力。目前, 降低CO₂ 驱混相压力的主要方法有添加共溶剂法, 但成本比较高; 超临界CO₂ 微乳液法可以降低CO₂ 驱混相压力, 但是目前表面活性剂的研究主要集中在降低油/水界面张力的离子型表面活性剂, 关于降低油/CO₂ 界面张力的非离子表面活性剂还鲜有报道; 亲CO₂ 表面活性剂是降低CO₂ 驱混相压力的一种新探索, 但目前已用的表面活性剂与CO₂ 的亲和性差, 使得CO₂ 对极性较强的大分子物质的溶解能力受到限制。因此, 开发新的亲CO₂ 表面活性剂以达到降低CO₂ 驱混相压力的效果显得尤为关键。     

延长油田CO2 驱埋存潜力评价方法

目前,油藏已经成为CO₂ 埋存的重要场所,向油藏注入CO₂ 的同时可以提高原油采收率。根据延长油田靖边CO₂ 试验区储层物性特征,利用构造地层埋存、束缚埋存、溶解埋存及矿化埋存等机理,考虑CO₂ 在原油中溶解、CO₂ 在地层水中溶解及自由气的埋存,建立评价CO₂ 埋存量的模型,通过所建立的模型可以评价延长油田 靖边CO₂ 试验区埋存潜力。模型应用结果表明,靖边CO₂ 试验区CO₂ 埋存量可达209.879×104t,储层CO₂ 埋存量大,具有非常好的埋存潜力,为延长油田进行CO₂ 驱提供了重要的指导。     

提高CO2封存强度的多层协同抽注技术

我国已提出2030年碳达峰、2060年碳中和的碳减排目标,提高CCUS技术发展水平与商业化规模,是实现我国碳减排目标的关键所在。“十四五”规划已明确提出要开展碳捕集利用与封存（CCUS）重大项目示范。然而,由于我国大多数CO2储层的低渗透、非均质等特征,导致单一储层的CO2封存能力有限,无法满足CCUS重大项目示范所需的CO2地质封存量。本研究首次提出以CO2封存强度（单位土地面积的CO2封存量）作为评价CCUS项目储层封存能力的关键指标,并计算了我国主要CO2咸水层封存和CO2强化驱油场地的CO2封存强度。计算结果表明,现有CO2咸水层封存和CO2强化驱油项目的封存强度大多在105 t/km2以下,无法满足我国双碳目标的需要。为显著提高CO2封存强度,本研究提出了CO2多层协同抽注技术的概念,通过注入井在多个储层射孔注入CO2,并利用抽水井从多个储层中抽出咸水,实现储层可用孔隙和储层压力的最优化调控,最终实现CO2封存强度的大幅度提高。为研究CO2多层协同抽注技术的效果,本文利用T2Well模拟软件,构建了三种CO2多层统注的数值模型,模拟了CO2定压注入过程,分析了注入60天后储层压力分布、储层内CO2饱和度分布以及CO2累计注入量。模拟结果表明,在多层抽注协同条件下,储层压力聚集现象有明显缓解,从而降低了封存区域因压力聚集导致的力学不稳定性。通过分析CO2饱和度可知,CO2注入后在抽注井间压力差的驱使下,羽流将向抽出井偏移;此外,受岩石性质的影响,羽流形状和范围略有差异。根据三种条件下的模拟结果,计算CO2封存强度可知,非均质砂岩条件下多层协同抽注的封存强度最高达到111.5×104 t/km2,远大于现在已实施项目的封存强度。因此,多层协同抽注技术将大大提高CO2封存强度,有利于节约我国国土资源,并可促进CO2封存技术的推广。     

CO2-岩石-地层水相互作用实验

为研究温室气体CO2埋存及提高采收率注入过程对储层物性的影响,在室内开展了CO2-岩石-地层水相互作用的静态和动态实验.主要研究了饱和CO2地层水注入对储层岩石矿物的溶蚀作用、新矿物沉淀现象、地层水矿化度的变化情况以及储层渗透率的变化原因.结果表明:1)静态实验反应液中HCO3-与岩石反应,出现CO32-液体呈弱酸性,黄铁矿导致Fe(OH)3沉淀生成;2)动态实验驱替过程中同时存在CO2的溶蚀作用和沉淀作用,沉淀作用较强,溶蚀作用较弱使得物性变差.该研究成果揭示了CO2-地层水-岩石的相互作用机理和储层渗透率变化的原因,为温室气体CO2规模化捕集与封存以及资源化利用提供了地球化学依据.     

多孔介质中CO2埋存机理物理模拟实验评价

为了弄清高温高压多孔介质中CO₂的埋存机理,采用室内物理模型,对多孔介质中CO₂埋存机理进行了物理模拟实验评价。结果表明,CO₂溶解埋存主要受温度、压力和地层水矿化度的影响;CO₂溶于地层水后与岩石中的矿物发生矿化反应,反应前后岩石矿物质量分数发生显著变化;气水交替驱可有效地延缓CO₂的突破,提高CO₂埋存率,从而提高原油采收率。     

含杂质CO2物性变化规律及其机理研究

在国家“双碳”战略背景下,利用CO₂提高油田采收率是封存CO₂的重要手段,但液态CO₂的安全储存、输送仍存在挑战,其中杂质气体对液态CO₂热力学物性的影响非常大。对现场取样的CO₂进行分析,确定了常见的7种杂质气体,并利用HYSYS、分子动力学模拟方法对含杂质CO₂的物性变化进行模拟计算,绘制物性版图并将其与纯CO₂的物性进行比较。研究表明,7种杂质均能使CO₂相图的气液共存两相区范围扩大,但不同杂质使气液共存两相区范围的扩大幅度不同;杂质主要通过泡点线的变化扩大气液共存两相区,而对露点线的变化影响不大;在含C₂H₆、C₃H₈、C₂H₄杂质的CO₂混合气体中静电势能占据主导作用,因此相比于含H₂、CO、CH₄、羰基硫（OCS）的混合气体,其宏观物性受温度、压力波动的影响较小。     

砂岩微观孔隙结构建模和CO2渗流路径数值分析

砂岩是CO₂地质封存的潜在岩石。为了分析CO₂在砂岩中的流动,探究微观尺度下作为CO₂运移和扩散基础的岩石孔隙网络特征,通过孔隙介质建模和渗流路径数值分析研究了2种砂岩。利用高斯随机场二相化模拟岩石的两相并生成具有随机形态的岩石孔隙网络模型。采用数学形态学图像分析方法,提取渗流路径并分析了相关参数。结果表明：Mt. Simon砂岩和Berea砂岩孔隙网络形态复杂,微观尺度下存在多条曲折的气液渗流路径,在边长为600μm的立方体内,渗流路径长度分别在1 341～2 514μm和1 302～2 328μm之间,迂曲度分别在2.24～4.19和2.17～3.88之间,孔喉直径分别分布在2～14μm和2～10μm范围内。砂岩孔隙网络连通性好,连通孔隙占总孔隙的81.5%和76.6%,可以为CO₂的扩散和运移提供良好的环境,这是砂岩成为CO₂地下储层潜在岩石的重要原因之一。     

基于玉米秸秆的氮掺杂多孔碳制备及其对CO2吸附和CO2/N2分离性能研究

为解决大气中日益增加的CO₂含量问题,以玉米秸秆为原料,采用水热碳化和KOH活化处理,通过控制KOH活化强度,制备出一系列具有发达孔道结构的氮掺杂多孔碳样品(CPH-0,CPH-0.5,CPH-1)。通过扫描电镜、透射电镜表征、N₂吸-脱附等温线测试及元素分析,获得多孔碳孔道结构发展、N含量与KOH活化强度的关系。通过CO₂吸附测试分析可知,多孔碳的CO₂吸附量在低压(<15 k Pa)时受N含量影响,在常压(100 k Pa)下由超微孔(<1 nm)孔体积决定。样品CPH-0的N含量最多,在低压范围表现出优异的CO₂吸附能力。样品CPH-0.5的超微孔孔体积最大,在25°C,100 k Pa条件下,对CO₂的吸附量可达3.97 mmol/g,同时还表现出较好的CO₂/N₂选择性和优异的循环稳定性。该法制备的多孔碳在CO₂吸附和CO₂/N₂     

超临界CO2及其混合物在竖直圆管内的传热特性数值研究

碳捕捉、运输和储存(CCS)对实现碳中和具有重要意义。以超临界CO₂、超临界CO₂+CH₄混合物(CH₄摩尔分数分别为1%、3%、5%)及超临界CO₂+N₂混合物(N2摩尔分数分别为1%、3%、5%)为工质,在工质质量流速为300～600 kg/(m²·s)、热流密度为80～100 kW/m²、入口压力为8～10 MPa的条件下,研究了超临界CO₂及超临界CO₂混合物在竖直圆管内的流动换热过程。结果表明,随着工质中CH₄和N₂摩尔分数的降低,工质的换热系数峰值逐渐升高,且其对应的温度逐渐升高;工质的换热系数随着质量流速的增大而增大,且质量流速越大,换热系数变化幅度越大;随着入口压力的增大,工质的换热系数峰值有所降低,且其对应的温度逐渐升高;湍动能、浮升力及定压比热容与超临界CO₂及其混合物换热强化密切相关...     

复杂三维地层模型地层划分研究

在三维地层建模中,地层界面由稀疏、离散的地质数据插值而成,正确的地质解释和空间分割的实现是处理这些曲面构建理想三维地层模型的前提,也是目前三维地质模型亟待解决的问题。引入地层层序序列和水平集理论可以有效地解决此问题。根据地层地质演变历史建立地层层序序列,此序列记录地层地质年代顺序及其＂覆盖＂和＂侵蚀＂两类拓扑关系。插值生成各种地质界面后,用水平集表达这些地质界面。根据地层层序序列,运用水平集的拓扑操作实现地层交叉划分,形成空间中严格按照地质演变历史为要素进行划分的三维地层模型。用python语言实现了该思想,实例表明是可行的。     

多孔固体材料吸附CO2的研究进展

温室效应日渐显著,CO₂的捕集与储存（CCS）是一种潜力巨大的减排措施,其中吸附法捕集CO₂是最有前景的技术之一。多孔固体材料因其优异的CO₂吸附性能备受关注。针对吸附法脱除CO₂的研究进行综述,介绍了五种不同的吸附材料,总结了影响它们吸附CO₂的主要因素,以及改性后材料的吸附性能。结果表明,温度、压强、孔结构的改变会影响材料的物理吸附性能;还原改性、氧化改性和金属离子负载改性能够改变材料表面官能团的种类或者数量,提高了材料的CO₂吸附性能。     

延长油田CO2驱相态初探

为了研究延长油田J区块CO₂驱相态,根据细管实验得到工区最小混相压力,考虑地层破裂压力计算井口最大注气压力,结合工区目前井口注气压力分析了CO₂驱相态。结果表明,工区CO₂驱最小混相压力为22.2 MPa,井底破裂压力为33.88 MPa,井口最大注气压力可达15.8 MPa;目前工区单井最高注气压力为10.5 MPa,对应注气井底压力为19.1 MPa,低于最小混相压力,属于非混相驱油。当井口注气压力提高到15.0 MPa时,注气井底压力为23.6 MPa,高于最小混相压力,注气井近井地带存在混相区。     

一种发电和CO2捕集相结合的LNG 冷能利用系统

温室效应的加剧使人们的碳捕集意识逐渐提高。针对碳捕集问题,将CO₂超临界朗肯循环和有机朗肯循环相结合,对原有燃气轮机废气发电系统进行改进,提出了一种废气发电与CO₂捕集相结合的LNG冷能梯级利用系统。利用Aspen Plus软件对系统进行热力学模拟计算,详细分析了蒸发压力和蒸发温度对系统热力学性能的影响。结果表明,提高CO₂超临界朗肯循环的蒸发压力和蒸发温度,对系统的净输出功和热效率有积极影响;有机朗肯循环的蒸发温度达到250 ℃后,其余热回收率达到最大值且不再随蒸发压力发生变化;系统净输出功可达251.6 kW,余热回收率为92.00%,㶲效率为57.00%;CO₂液化量达到883.6 kg/h时,可减少CO₂排放量763万t/a。研究成果对保护环境具有重大意义。     

超临界CO2在螺旋管式冷却器内的传热特性研究

螺旋管结构紧凑、换热效率高,在CO₂气体冷却器中应用广泛. 超临界CO₂热物性变化剧烈,其在螺旋管内的传热特性异常复杂. 通过对不同冷却热流密度和质量流速工况下的数值模拟发现,螺旋管内超临界CO₂传热系数沿流动方向呈近似抛物线分布; 冷却热流密度越大,传热系数峰值越高,出现峰值的流动转角越小; 质量流速越大,传热系数峰值越高,出现峰值的流动转角越大; 不同热流密度与质量流速的比值决定整个流动方向传热系数的涨落,基于此提出了一个适用于均匀冷却螺旋管内超临界CO₂传热计算的关联式,可为螺旋管式气体冷却器的优化与设计提供参考.     

基于变异系数和灰色层次分析法的CO2排放量影响因素分析

为探索CO₂排放量的影响因素及其各影响因素之间的相互关系,统计收集我国历年CO₂总排放量及各种影响因素的数据,将CO₂排放量的影响因素分为直接因素与间接因素两类.采用变异系数法、灰色关联分析法以及层次分析法对各类因素与CO₂排放量的影响关系进行了重要性与关联性分析.分析发现：天然气与其他能源消费总量是CO₂排放量增长的主要直接影响因素,全社会固定资产投资总额以及各产业国内生产总值是主要间接影响因素,同时,CO₂排放量与煤炭能源及我国传统3大产业之间关系最为密切.     

斜向和纵向紧凑微流化床设计及其性能

在利用固体吸附剂进行CO₂捕集系统中,为了降低反应器的压降和提高吸附剂利用率,提出两种新型的斜向紧凑微流化床(oblique compact micro fluidized beds, OCMFB)和纵向紧凑微流化床(vertical compact micro fluidized beds, VCMFB或CMFB)反应器。通过装载固体吸附剂,通过捕集体积分数为0.5%的CO₂对两种反应器的性能进行研究,并与传统径向流固定床(radial flow fixed bed, RFFB)反应器进行对比。试验结果表明:由于吸附剂在OCMFB和CMFB中处于流化态,在RFFB中处于静态,从而得到OCMFB反应器压降为CMFB反应器的82%,与RFFB反应器相比压降降幅为14%~323%;CMFB反应器的CO₂吸附穿透时间为OCMFB反应器的109%,与RFFB反应器相比增幅为44%。经过10次CO₂捕集循环,与RFFB反应器相比,OCMFB和CMFB反应器的吸附剂磨损相当,但CO₂吸附性能更稳定。