三河尖关闭煤矿煤层CO_(2)封存潜力研究

关闭煤矿煤层CO_(2)地质封存是CO_(2)封存的重要方式之一,也是短期内实现碳减排指标的有效手段之一。以江苏省徐州市三河尖关闭煤矿为例,分析了已采7号煤和9号煤的煤岩煤质特征,统计了剩余煤炭资源储量,运用模糊综合评价法,选取了稳定系数、上覆岩层性质、地质构造复杂程度、地下水指标、封存煤层压温比、封存煤层深厚比、封存煤层渗透率、采空塌陷程度和其他因素等9个主要影响因素指标对7号煤和9号煤封存CO_(2)稳定性进行评价,建立关闭煤矿煤层CO_(2)封存评价方法并评估CO_(2)封存潜力。结果表明,三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤剩余储量较大,CO_(2)封存稳定性综合评价结果分别为86.209和87.698,评价等级均为较稳定,封存潜力较高。根据建立的关闭煤矿煤层CO_(2)封存评价方法,计算获得三河尖关闭煤矿7号和9号煤层CO_(2)理论封存量分别为207.6 Mt和80.9 Mt,并据此划分封存有利区为有利区、较有利区和不利区3个等级。研究可为关闭煤矿煤层CO_(2)封存研究提供基础依据。

深部煤层CO_(2)地质封存量化评估及案例研究

地质封存CO_(2)作为理想的减碳技术,有望成为缓解温室效应的重要手段,因此量化评估深部煤层CO_(2)地质封存潜力与研究超临界CO_(2)与深部煤岩之间相互作用成为了“双碳”背景下的研究热点。以焦作矿区九里山煤样为试验研究对象,分析了深部煤层超临界CO_(2)吸附与封存机理,分别开展了35和45℃下煤样的CO_(2)等温吸附试验,解释并校正了CO_(2)吸附等温线高压异常下拐现象,得到了不同温度下煤样的CO_(2)实际吸附量。提出了一种新方法计算CO_(2)地质封存量,能够校正吸附相体积造成的封存量计算误差,并能精确评估不同埋深煤层CO_(2)理论和有效封存量。研究结果表明:①当高压吸附饱和时,煤样表面所有的吸附位被完全占据,此时吸附相体积和密度不再发生改变,吸附量应趋于稳定,但实验室测得的吸附量却在高压饱和阶段随压力增大而减小,这并不符合Langmuir吸附原理,因此必须对实验室测试的吸附等温线进行校正,才能应用于深部煤层CO_(2)封存量评估;②煤中CO_(2)封存量主要由吸附和游离封存量组成,吸附封存量需要采用吸附相密度和Gibbs吸附量进行反算,游离封存量则需要掌握煤中游离相占据的孔隙体积,它只能根据煤中孔隙总体积减去吸附相体积进行计算,因此,吸附相是精确评估吸附和游离封存量的决定性因素;③采用修正的煤层CO_(2)地质封存量化方法,以焦作修武研究区800~2000 m深部煤层为例,得出其单位质量煤中CO_(2)理论封存量为1.52~2.16 mmol/g,CO_(2)有效封存总量为11.19×10^(9)m^(3),换算为封存总质量为21.97 Mt。本研究案例不仅校正了吸附试验数据的物质平衡错误,而且考虑了吸附相占据孔隙空间对游离封存量的影响,这对深部煤层CO_(2)地质封存量精准评估具有重要的应用意义。

煤层亚临界/超临界CO_(2)吸附特征与封存模式

大规模高效CO_(2)地质封存是短期内快速实现CO_(2)减排的关键途径之一,以吸附特征为主要封存机制的深部不可采煤层CO_(2)封存具有规模化实施的潜力。为研究深部煤层CO_(2)封存机制,以沁水盆地无烟煤为研究对象,开展了高温高压CO_(2)吸附实验,并采用简化局部密度模型(SLD-PR)拟合,分析了温压变化下不同孔隙的吸附相密度分布特征,揭示了以吸附相密度和最大吸附层厚度协同变化为核心的煤层CO_(2)封存机理,最后通过准确划分孔内吸附空间与自由空间,预测了不同埋深下煤层CO_(2)封存量。研究结果表明:(1)不同温度下超临界CO_(2)吸附曲线均表现出典型的超临界气体吸附特征,过剩吸附量(最大值介于1·25~1·75 mmol/g)在达到最大值后下降;(2)孔隙内CO_(2)吸附层分为接触层、内层和过渡层,亚临界CO_(2)在孔内以单分子层吸附为主,而超临界CO_(2)吸附方式为多分子层吸附;(3)最大吸附层厚度随埋深增加而减小,与温度呈正相关,而与压力呈负相关;(4)CO_(2)平均吸附相密度随埋深“先增后减”,总封存量与绝对吸附量曲线在CO_(2)处于超临界状态下存在差异。结论认为:(1)在吸附空间与吸附相密度协变下,煤层CO_(2)微观封存模式随埋深可分为亚临界单分子层吸附、超临界类气态多分子层吸附型以及超临界类液态多分子层吸附3种类型,自由相封存量对总封存量的贡献随埋深增加,但吸附封存仍是煤层CO_(2)封存的主要方式;(2)研究成果揭示了原位煤层超临界CO_(2)封存机理,能够为深部煤层CO_(2)封存能力评价提供新认识。

海洋CO_(2)地质封存研究进展与发展趋势

CO_(2)捕集、利用和封存是中国实现“双碳”目标的核心技术,也是全球研究的热点。CO_(2)地质封存是其中的关键环节,特别是海洋CO_(2)地质封存是今后的重点发展方向。以国内外海洋CO_(2)地质封存的发展历程为基础,结合典型CO_(2)海洋封存示范项目案例,系统梳理了国内外海洋CO_(2)地质封存理论研究进展,分析了CO_(2)在井筒流动、相变与传热、CO_(2)流体运移与储层物性参数展布规律、海洋地质封存机制及封存潜力、地质封存盖层完整性及安全性评估等方面的研究现状。认识到中国目前对海底地质结构中CO_(2)注入过程的多相态转化、溶解、捕获传质特征及动力学特性认识尚浅,对海洋封存机制及不同封存机制之间的相互作用机理尚不明确,未来应开展海洋CO_(2)动态地质封存空间重构机制研究,解决地质封存相态转化及流体动态迁移机理等关键科学问题,揭示海洋CO_(2)地质封存机制的相互作用机理,形成适用于中国海洋地质封存CO_(2)高效注入和增效封存方法。

纳米SiO_(2)强化CO_(2)地质封存页岩盖层封堵能力机制试验

页岩为CO_(2)盐水层地质封存常见盖层岩石类型,强化盖层封堵能力有利于提高CO_(2)地质埋存量和安全性。为探究随CO_(2)混注纳米SiO_(2)(SNPs)强化盖层封堵能力的有效性和可行性,对CO_(2)地质封存页岩盖层样品开展原地条件下的超临界CO_(2)酸蚀反应试验,基础组为页岩样品-地层水、对照组为页岩样品-地层水+超临界CO_(2)、优化组为页岩样品-地层水+SNPs+超临界CO_(2),并采用核磁共振测试、场发射扫描电镜可视化观测、X射线衍射测试和岩石力学试验,探究CO_(2)酸蚀反应前后的页岩孔隙结构、表面形貌、矿物成分及力学性质特征。结果表明:优化组的大孔孔隙分量及孔隙度和渗透率增大幅度低于对照组;与对照组相比,优化组黏土矿物与碳酸盐岩矿物相对含量损失少,表明随CO_(2)混注SNPs可使岩样内部酸蚀作用减弱;SNPs在岩石端面吸附聚集或进入岩心孔喉,可使优化组页岩样品力学性能损伤程度降低;随CO_(2)混注SNPs有利于强化CO_(2)盐水层地质封存盖层封堵能力。

中国水层CO_(2)地质封存技术攻关方向

在国家“碳达峰碳中和”战略目标下,为了延长化石能源行业的生命周期,亟需进行大规模碳减排的重大革命,其中CO_(2)地质封存(CCS)这一大规模碳减排的托底技术,已在全球达成共识。为此,系统梳理了全球CCS发展趋势,并针对中国CCS地质特点和工程技术现状,分析了中国发展水层CCS面临的挑战和难点,提出了中国水层CO_(2)地质封存技术的攻关方向。研究结果表明:①中国水层CCS起步早,当前正在开展世界级规模水层CCS先导试验,技术水平与国外并行,CCS有望成为中国未来大规模碳减排的主要手段;②鉴于中国水层多无法回避陆相沉积、断裂发育、非均质性强等先天条件,中国未来建设大规模水层CCS将面临封存规模大、封存成本高和长期封存安全性等3个方面关键技术的挑战;③从推动和形成CCS负碳新产业角度,中国未来水层CCS碳埋存需要攻克CCS地质体评估、CO_(2)高速注入、低浓度CO_(2)封存、降低成本和地质监测等5个关键技术。结论认为,该研究认识进一步坚定了中国发展水层CCS技术的信心,提出的5个方面关键技术为快速形成负碳领域的国家战略科技力量明确了攻关方向,同时为后续推动大规模地下储氢、储氦、压缩空气储能等战略性新兴行业的发展提供了前瞻性技术支撑。

CO_(2)原位矿化选址关键参数及其封存潜力评估研究进展

温室气体特别是二氧化碳的大量排放,是导致全球变暖的主要原因之一。根据国际能源署的报道,碳捕集利用和封存(CCUS)技术是缓解全球气候变化的重要措施之一,约占累计碳减排量的15%。原位矿化封存技术基于快速CO_(2)矿化机制,以镁铁质岩石和超镁铁质岩石(玄武岩、橄榄岩等)地层为碳封存位点,利用CO_(2)与富含Ca、Mg元素矿物的矿化反应,转变为稳定的碳酸盐,从而达到永久且高效封存CO_(2)的目的。冰岛和美国的中试项目已经证明了该技术的可行性,但中国尚未进行相关示范项目。本文介绍了原位矿化封存技术的机理、CO_(2)封存潜力的评估手段及其面临的风险与挑战,讨论了已开展的案例项目及其技术细节,梳理了实施该技术所必需的选址关键参数(包括源-汇距离、矿物类型、注入性、封闭性等),并基于目前研究对其前景进行展望,以期提高我国对原位矿化技术的认识和重视,为推动该领域进一步发展提供理论指导。

煤中超临界CO_(2)解吸滞后机理及其对地质封存启示

将CO_(2)注入不可采煤层地质封存既是降低温室气体效应最理想选择之一,也是煤炭工业降低CO_(2)排放、实现低碳化可持续发展的必由之路,然而,煤层CO_(2)地质封存悬而未决的关键问题是:“注入煤层中的CO_(2)到底能否长期停留而安全封存?”。鉴于此,在弄清煤体CO_(2)解吸滞后规律的基础上,揭示超临界CO_(2)解吸滞后机理,建立煤层CO_(2)地质封存量化模型,探讨利用解吸滞后实现煤层CO_(2)长期安全封存。研究表明:煤中超临界态CO_(2)解吸滞后程度大于亚临界态CO_(2),在超临界阶段,吸附与解吸等温线形成近似“平行线”的稳定滞后特征;解吸滞后的本质原因是煤中微纳米级亲水性孔隙形成弯液面、产生强大毛细压力、渗吸液态水、截断并固定超临界CO_(2)流体、最终形成了CO_(2)残余封存,例如,煤中直径40~10 nm圆柱形无机孔隙可产生7.30~29.12 MPa毛细压力,足以封堵超临界态CO_(2);以九里山煤样解吸等温线数据为例,采用基于煤层CO_(2)解吸滞后的地质封存量化模型,评估出900~1500 m深部二1煤层封存总量稳定在35~37 m^(3)/t,其中,吸附封存约占80%,残余封存约占15%,而结构封存仅占5%;解吸滞后启示应尽可能采取措施提高煤层残余封存CO_(2)比例,原因是毛细堵塞的残余封存CO_(2)较围岩密封的游离和吸附CO_(2)更安全且没有泄露风险,煤层灰分、水分、孔隙尺寸和形貌等物性参数是影响残余封存效率的主要因素。

胜利油田CO_(2)高压混相驱油与封存理论技术及矿场实践

针对胜利油田开展CO_(2)驱油与封存面临的原油轻烃含量低混相难、储层非均质性强波及效率低、易气窜全过程调控难等问题,通过室内实验、技术攻关和矿场实践,形成CO_(2)高压混相驱油与封存理论及关键技术。研究发现,提高地层压力至1.2倍最小混相压力之上,可以提高原油中的中重质组分混相能力,增大小孔隙中的原油动用程度,均衡驱替前缘,扩大波及体积。通过超前压驱补能实现快速高压混相,采用梯级气水交替、注采耦合、多级化学调堵等技术全过程动态调控渗流阻力,实现采收率与封存率的协同最优。研究成果应用于高89-樊142 CCUS(二氧化碳捕集、利用与封存)示范区,区块日产油由254.6 t提高至358.2 t,预计实施15年可提高采出程度11.6个百分点,为CCUS规模化应用提供理论和技术支撑。

CO_(2)驱油封存泄漏风险管理系统及应用研究

CO_(2)驱油封存技术在提高原油采收率的同时能实现大规模CO_(2)封存。然而,驱油封存过程伴随着多种CO_(2)泄漏风险。针对以往CO_(2)泄漏风险管理系统的缺乏,特别是缺少基于在线监测的管理系统,难以支撑动态的风险管理,研究基于CO_(2)驱油封存泄漏风险管理体系的构建,开发了集成多环境实时风险识别和评估、多空间风险预测、多层级风险预警和全过程风险控制的动态CO_(2)泄漏风险管理系统,并应用于鄂尔多斯盆地延长石油CO_(2)驱油封存示范项目。案例应用研究表明,所开发的CO_(2)泄漏风险管理系统可以全空间动态识别CO_(2)驱油封存过程的各种泄漏风险,有效支撑泄漏风险的动态管理,为CO_(2)驱油封存项目提供全面及时的安全保障。

衰竭底水气藏注CO_(2)提高天然气采收率与碳封存机理

气藏注CO_(2)提高天然气采收率并实现碳封存有望成为大幅度提高天然气产量与碳减排协同的潜在关键技术。为了给底水气藏注CO_(2)高效开发提供指导,针对地层水盐度对CO_(2)-CH_(4)-H_(2)O-NaCl体系相平衡影响、气藏注气过程中压力变化对CO_(2)-CH_(4)-H_(2)O-NaCl体系相平衡影响、注采方案对注CO_(2)提高气藏采收率影响、盐度对注CO_(2)提产及封存影响等目前认识不清的问题开展了CO_(2)-CH_(4)-H_(2)O-NaCl体系相平衡规律及注CO_(2)提采与封存数值模拟研究。研究结果表明:①随着盐度增加,CO_(2)和CH_(4)在盐水中的溶解度降低,液相的密度和黏度增加,盐度对气相性质几乎没有影响;②随着压力增加,CO_(2)和CH_(4)在液相中的溶解度均增加,气相、液相密度和黏度均增加,液相偏差因子随压力增加而增加,气相偏差因子先减小后增加;③同注同采方案CH_(4)产量更稳定且产出的CO_(2)少,而先注后采方案则会加速CO_(2)与CH_(4)的混合,CO_(2)封存量低,前者更适合注CO_(2)提采及封存;④在不考虑盐析效应的前提下,盐度对CH_(4)采收率和CO_(2)封存量的影响几乎可以忽略不计,不同盐度的衰竭底水气藏中CH_(4)采收率均超过80%、CO_(2)封存率均超过99%,短期注CO_(2)过程中,CO_(2)主要以气态或超临界态的形式被封存,少部分CO_(2)溶解在液相中,100年后CO_(2)在液相中的溶解质量分数约为5%。结论认为,衰竭底水气藏注CO_(2)能增压补能、驱替置换残余天然气,提高采收率并实现碳封存。

CO_(2)-EOR过程中油藏储层构造封存能力的模拟

为应对日益严峻的能源危机和温室效应,CO_(2)提高采收率技术脱颖而出,因此CO_(2)提高采收率后的地质封存安全性和相应的封存能力评估引起了广泛关注。借助数值模拟方法,基于吉林油田某区块油藏的实际储层条件,构建了注入CO_(2)含量为10%~90%的9个模型,分别探究了含水饱和度为30%,50%和90%以及储层压力为10 MPa,20 MPa和30 MPa时油藏各相组分的分布规律;基于前人对封存CO_(2)安全储存状态划分的研究,最终明确了CO_(2)的安全封存量。结果表明:1)当含水饱和度(30%)和压力(10 MPa)一定时,增加CO_(2)含量(10%~90%)可大幅提高CO_(2)的有效封存体积分数(26%~93%);2)压力的提升(10~30 MPa)促进了CO_(2)在油相中的溶解,从而略微降低了储层的封存能力(18%~7%);3)含水饱和度对储层封存CO_(2)的能力的影响微乎其微。该研究旨在阐明不同条件下CO_(2)的构造埋存量,为相关研究提供借鉴。

基于高干度泡沫实验的非均质咸水层CO_(2)封存能力分析

CO_(2)咸水层封存是实现“碳中和”目标的一项重要技术手段。高干度泡沫不仅能更好地控制CO_(2)流度而且还能适应地层的非均质性,明显提高了咸水层的空间利用效率。为探究高干度CO_(2)泡沫在非均质咸水层中的调剖效果与CO_(2)封存能力,利用自行设计的高温高压驱替实验装置,进行了不同渗透率级差的并联岩心CO_(2)泡沫驱室内实验研究,分析了驱替过程中岩心的气液产出情况与CO_(2)饱和度的变化规律,指出了不同渗透率级差非均质岩心模型的碳封存效果与机理。研究结果表明:①与CO_(2)气驱相比高干度泡沫驱用于CO_(2)咸水层埋存具有更大优势,当岩心渗透率级差介于2.6~10.8时,泡沫均能有效封堵高渗透岩心,使阻力因子维持在36左右,增大了驱替压差与低渗透岩心的产气、产液速度;②岩心中气相饱和度与渗透率存在一定关系,当岩心的渗透率小于2450 mD时,最高气相饱和度随渗透率增加而增大,当渗透率超过2450 mD时,岩心最高气相饱和度在80%左右;③采用高干度泡沫驱可以有效扩大岩心中CO_(2)封存量,渗透率级差为4时,泡沫驱的CO_(2)封存体积较气驱增长219%,当渗透率级差扩大至10.8,CO_(2)封存量能始终维持在较高水平。结论认为,咸水层条件下CO_(2)泡沫驱替实验探究了CO_(2)封存能力变化,提供了非均质储层提高碳封存效率的实验认识,可为非均质咸水层中CO_(2)的地质封存技术优化提供参考和借鉴。

CO_(2)地质封存与利用环境下水泥单矿C_(2)S的腐蚀速率

在CO_(2)地质封存和利用过程中,固井水泥容易与井下的酸性介质CO_(2)发生碳酸化反应,腐蚀固井水泥石造成水泥石力学性能大幅度衰退。针对水泥石单矿C_(2)S在CO_(2)地质封存和利用环境中腐蚀反应速率不清晰的问题,通过SEM、XRD以及TG的测试方法,定量分析C_(2)S腐蚀产物的变化规律。根据腐蚀产物CaCO_(3)的摩尔生成率和非稳态扩散渗透模型拟合得到腐蚀反应产物CaCO_(3)的生成系数α。SEM实验结果表明,腐蚀反应后C_(2)S水泥单矿颗粒的表面均有较大改变,生成了部分腐蚀产物CaCO_(3);XRD结果表明,单矿C_(2)S腐蚀产物CaCO_(3)的晶型主要有方解石和文石;TG测试结果表明,C_(2)S水泥单矿随着腐蚀龄期的增加,腐蚀产物的量均明显增加。拟合结果表明,C_(2)S腐蚀产物生成速率随着温度的升高而增大,90℃下CaCO_(3)腐蚀产物的生成速率系数α最大为54.90。

枯竭油气藏储集库储热供暖耦合CO_(2)封存性能分析

利用枯竭油气藏储存热能并封存CO_(2),既可解决太阳能跨季节储热难题,又可扩大可再生能源供暖占比,同时还可提高CO_(2)地质封存的经济性。提出了枯竭油气藏储热供暖耦合CO_(2)封存的新方案,以CO_(2)作为循环工质,夏季吸收太阳热量储存于油气藏背斜构造中,而冬季取出供暖,建立了储释能过程的数学模型,重点分析了枯竭油气藏储能系统热工性能和CO_(2)封存性能。结果表明:(1)新方案储能系统热工性能优异。单井平均采热功率4808.95 kW,每个采暖季可有效利用的平均储热量49859.21 GJ,平均能量储存密度28984.23 kJ/m^(3)。(2)CO_(2)密度对温度敏感的特性降低了热损失,提高了系统效率。枯竭油气藏储能系统平均能量回收效率95.84%,平均热回收效率83.66%。(3)储能加速了CO_(2)溶解。储释能过程中周期性的注入和采出工作气导致气液界面反复膨胀收缩,增加了气水接触面积,提高了传质动力,加速了CO_(2)在水中的溶解。对比储能模式和仅CO_(2)封存模式,CO_(2)溶解比例增量由0.26%上升至2.22%。枯竭油气藏储热供暖耦合CO_(2)封存新方案既有优异的热工性能,又加速了CO_(2)的地质封存,是一种高值化的枯竭油气藏利用和可再生能源供暖方案,具有大规模推广应用的潜力。

碱激发矿渣基泡沫混凝土的制备及其封存CO_(2)可行性研究

随着工业化进程的不断推进,工业固体废弃物的排放量逐年增加,以工业固废为主要原料制备泡沫混凝土并将其用于CO_(2)封存,对实现工业固废的资源化利用和CO_(2)的经济、高效封存具有重要意义。本文以高炉矿渣为原料,选用NaOH为碱激发剂,硬脂酸钠为稳泡剂,十二烷基硫酸钠(C12H25NAO4S,SDS)为发泡剂,制备了高孔隙的泡沫混凝土。探究了不同NaOH用量对矿渣基泡沫混凝土综合性能及封存CO_(2)性能的影响。实验结果表明,随着NaOH用量的增加,泡沫混凝土的干密度逐渐增加,抗压强度先增大后减小。泡沫混凝土的内部孔隙分布不均匀,孔隙率大。SEM结果表明,当NaOH用量过高时泡沫发生破裂连通。XRD结果表明,矿渣基泡沫混凝土水化产物主要是C—S—H凝胶和Ht物相,Ht物相的层状结构使得材料的孔壁不够致密,从而影响材料的力学性能。TGA结果表明,碳化过程中水化产物有效吸收CO_(2)转化成以CaCO3为主的碳酸盐,NaOH用量12%时,CO_(2)的封存量最高为89.74 kg/m^(3)。

注CO_2提高煤层气采收率及CO_2封存技术

针对柿庄北区块煤层注CO_2提高甲烷采收率的关键因素及现场工程选区,基于研究区储层特征,结合正交试验设计,开展了影响煤层注CO_2提高甲烷采收率的数值模拟研究,评价了注入效果,指出了CO_2-ECBM工程选区的储层渗透率门限。结果显示:研究区地质构造简单,顶底板封盖性好,煤层气成藏具有埋深大、煤层厚、含气量高、临界解吸压力高以及渗透率中等偏低、储层压力低的"四高两低"的基本特点;影响研究区注CO_2促甲烷增产的关键因素是煤储层渗透率;在较高渗透率煤层注入CO_2,有利于提高采收率;较低渗透率煤层可较好地实现CO_2封存;要实现柿庄北区块煤层注入CO_2显著提高甲烷采收率,储层渗透率应高于0.05×10^(-3)μm^2;兼顾提高采收率和CO_2的有效埋藏,储层渗透率宜为(0.05~0.22)×10^(-3)μm^2。

基于CCUS的深部煤层煤层气采收及CO_2封存效果

针对我国深部煤层气资源丰富,但因经济和技术条件有限,很难对其进行常规开采的问题,提出了CO2捕获、利用与封存(CCUS)技术,采用该技术不但可提高深部不可采煤层中CH4的采收率,而且可将CO2有效地封存在深部煤层中,从而达到减排的目的。研究发现:煤阶、煤层压力、煤层渗透率、注入时间、注入气体的组分等都会对生产井中CH4的采收率产生影响,储层的盖层、埋深、构造发育情况、地震活动情况以及地下水条件等会对CO2的封存产生一定的影响。因此,在实施CCUS技术前,要对选区进行合理的评价,以提高项目实施的可行性。

煤层CO_(2)地质封存的微观机理研究

煤层CO_(2)地质封存可实现CO_(2)减排和增产煤层气双重目标,是一种极具发展前景的碳封存技术。相对于其他封存地质体而言,煤的微孔极其发育,煤层CO_(2)封存机制与煤中气、水微观作用关系密切,其内在影响机理尚不清楚。以2个烟煤样品的系统煤岩学分析测试为基础,构建了煤的大分子结构及板状孔隙空间模型,进一步采用分子动力学方法模拟了不同温、压条件下、不同煤基质类型表面的CO_(2)和水的润湿行为,揭示煤层CO_(2)注入后引起的水润湿性变化规律,初步阐明煤层CO_(2)封存的可注性、封存潜力、封存有效性等影响因素及微观作用机理。结果表明:(1)影响煤润湿性的主要因素是煤中极性含氧官能团,其含量越高煤的润湿性越强;(2)煤中注入CO_(2)后,CO_(2)通过溶解作用穿透水分子层与水分子发生竞争吸附,从而减小水在煤表面润湿性;(3)随注入压力增大和温度降低,煤表面CO_(2)吸附量增多,对氢键破坏作用增强,润湿性减弱越明显;(4)亲水性煤层CO_(2)的可注性及封存潜力均相对较差,然而其封存安全性相对较好;(5)影响煤层CO_(2)封存潜力主要是吸附封存和毛管封存,而影响封存有效性、安全性的主要是毛管封存和构造封存;(6)煤中CO_(2)封存以吸附封存为主,需同时考虑含水条件下毛管封存;相对于低煤阶煤,高阶煤封存潜力较高,但封存注入时需要克服“水锁”效应。进一步开展原位条件下深部煤层中气水作用与CO_(2)地质封存机理研究,这对于CO_(2)-ECBM技术发展具有重要意义。

不同压力下冻土区水合物法封存CO_(2)的实验研究

目的水合物法封存CO_(2)稳定性良好、储气密度高,是一种极具潜力的碳封存方式,利用冻土区的地层条件更具独特优势,将CO_(2)气体注入冻土区地层中,在一定的温度和压力条件下,形成固态CO_(2)水合物实现封存。方法依据国内冻土地区地层深度对应的温度和压力条件,选取不同地层深度(150 m和200 m)对应温度(1.27℃和2.72℃)和有效孔隙含水率(40%),研究不同注气压力(3.5 MPa、4.5 MPa和5.5 MPa)下的封存特征。分析封存过程的温度和压力变化、封存速率、最终水转化率和最终封存率等动力学规律。结果封存压力越高,水合物法封存所需的诱导时间越短,压力降幅越大。较高的封存压力导致初期封存速率较慢,缓慢封存期的持续时间减少,且封存压力越高,封存率、最终水转化率和水合物相饱和度越高。封存温度越高,压力对封存率的影响效果越明显。结论在地层深度150 m(对应地层平均温度1.27℃)、5.5 MPa及有效孔隙含水率(40%)的条件下,CO_(2)封存效果最佳。