超临界CO_2-水两相流与CO_2毛细捕获:微观孔隙模型实验与数值模拟研究

CO_2毛细捕获机制是CO_2地质封存中的关键科学问题,然而有关孔隙尺度下(微米极)超临界CO_2毛细捕获的研究较少.采用高压流体-显微镜-微观模型实验装置,开展超临界CO_2条件(8.5 MPa,45?C)下CO_2驱替水(排水)和水驱替CO_2(吸湿)实验,采用高分辨率照相机采集CO_2水两相流运动图像,并借助光学显微镜直接观测孔隙尺度下CO_2毛细捕获特征.同时,采用计算流体动力学方法对实验过程进行三维数值模拟.数值模拟不仅反映了实验过程中两相流驱替锋面的推进过程,还刻画了孔隙尺度下被捕获的CO_2液滴/团簇三维空间形态特征.最后,基于数值模拟给出了CO_2初始饱和度与残余饱和度曲线,即毛细捕获曲线,并对比分析了3种毛细捕获曲线预测模型(即Jurauld模型、Land模型和Spiteri模型)的优劣.分析表明,Jurauld模型的描述能力稍优于Land模型,Spiteri模型的描述能力较弱.由于Land模型只需单个参数,且参数具有明确的物理意义,因此在实际工程中,建议优先采用Land模型.

非均质孔隙介质中循环驱替对两相渗流及毛细捕获的影响

孔隙介质中的两相渗流和毛细捕获是深部咸水层中二氧化碳(CO_(2))封存的重要过程和关键机制。尽管已有研究对两相流驱替模式及其判据进行了深入探讨,但循环驱替过程中两相渗流特性和毛细捕获机制的研究仍相对不足。通过孔隙尺度的水-油两相循环驱替可视化试验研究,分析了孔隙非均质性和循环驱替次数对两相渗流特性及毛细捕获效率的影响。试验结果显示,循环驱替破坏了非润湿相的连续性,使其分解为难以重新活化的孤立“液滴”,经过4次循环驱替后,毛细捕获效率最高可达40%。随着孔隙介质非均质性的增加,通过绕流机制大量捕获非润湿相,非均质孔隙结构中毛细捕获效率相比均质介质提高了32.5%。试验结果还揭示了循环驱替过程中4种典型的毛细捕获液滴类型:附着型、桥接型、团状型和簇状型液滴,其中,附着型液滴的数量占比最高,但其捕获体积较小,而簇状型液滴对毛细捕获效率贡献最大。该研究结果加深了对循环注入过程中毛细捕获机制的理解,并为提高深部咸水层CO_(2)地质封存的效率提供了理论支持和实践依据。