CO_(2)-水-岩相互作用对CO_(2)地质封存体物性影响研究进展及展望

CO_(2)-水-岩相互作用是CO_(2)地质封存的核心问题,CO_(2)的注入打破了岩石-地层水化学平衡,引发的地层水化学性质改变、原生矿物溶蚀和次生矿物沉淀,会导致储层和盖层岩石孔隙度、润湿性、力学性质等物性变化并进而影响CO_(2)的注入能力、封存效率以及封存安全性与稳定性。从CO_(2)-水-岩相互作用机制出发,系统阐述了CO_(2)-水-岩相互作用对地层岩石孔隙度、渗透率、润湿性、力学性质的影响研究进展。研究表明,CO_(2)-水-岩相互作用导致岩石孔隙度和渗透率的变化与其初始孔渗特征和矿物组成密切相关,岩石孔渗特征的改变直接影响储层的注入能力与封存潜力和盖层的封闭能力。润湿性的变化与初始亲水亲油特征有关,CO_(2)-水-岩相互作用通常会减弱亲水岩石而增强亲油岩石的水润湿性,进而影响多相流体在岩石孔隙中的微观分布与渗流特征。由于胶结物溶蚀以及溶蚀孔的形成,CO_(2)-水-岩相互作用会引起岩石损伤,抗压强度、抗拉强度、弹性模量等力学参数减小,一定程度上影响封存安全性。碳中和背景下,微纳米尺度孔隙、深地微生物介导、非纯CO_(2)或工业尾气注入、封存全周期等情景下的CO_(2)-水-岩相互作用及岩石物性响应仍有待深入研究。

采动岩体裂隙自修复的水-CO2-岩相互作用试验研究

采动破坏岩体易与采空区水、气发生一系列物理化学作用,促使裂隙发生导水能力降低的自修复现象;研究揭示导水裂隙的自修复机理对于科学评价地下水生态恢复能力、合理制定裂隙限流的保水采煤对策等具有重要的指导意义。基于砂质泥岩裂隙岩样在酸性和碱性水溶液条件下的水-CO2-岩相互作用实验,揭示了裂隙在黏土矿物遇水膨胀以及次生矿物或沉淀物充填作用下的自修复机理和规律。结果表明:无论酸性或碱性水溶液条件,裂隙均具备自修复能力,但酸性水溶液条件下的自修复效果更好。裂隙自修复过程中存在渗透率“先快后慢”的分区特征;首先出现以裂隙面黏土矿物遇水膨胀作用为主引起的渗透率快速下降现象,其下降速度在碱性水条件下更快;其次随着时间的累积,裂隙面岩石矿物溶解、溶蚀形成的离子与水溶液中的阴阳离子、游离CO2发生离子交换化学反应,引起高岭石等衍生矿物或Fe(OH)3等沉淀物的生成,这些新的物质在裂隙面逐渐吸附堆积,不断降低裂隙的导水能力。由于实验砂质泥岩中铝硅酸盐矿物含量偏低,无法充分消耗加大通入量的CO2,导致多余的CO2会以碳酸的形式对裂隙面矿物形成溶蚀作用,从而引起裂隙开度及其水渗流能力的提高,表现出对裂隙岩石自修复进程的阻滞作用。

二氧化碳-水-岩作用机理及微观模拟方法研究进展

系统综述CO_(2)-水-岩复杂作用机理、多孔介质反应输运(溶解、沉淀及沉淀运移)微观模拟、CO_(2)-水-岩系统微观模拟3个方面的研究进展,指出目前研究存在的主要问题并提出了关于未来研究方向的建议。CO_(2)注入储集层后,不仅存在常规渗流体系的流动和传质作用,还会产生溶解、沉淀及沉淀运移等特殊物理化学现象,其耦合作用导致多孔介质的孔渗参数变化规律复杂。孔隙尺度的微观渗流模拟,可以得到孔喉三维空间内的详细信息,且能显性观察到多孔介质流-固界面随反应的变化。目前研究主要在复杂作用机理解耦合、多矿物差异性反应表征、沉淀生成机理及表征(晶体成核和矿物脱落)、沉淀-流体相互作用模拟方法、多物理化学过程耦合渗流机制等方面存在局限。未来研究中,需要创新实验方法对“溶解—沉淀—沉淀运移”解耦合,提高矿物地球化学反应相关参数实验测试的准确度,在不同沉淀机理可靠表征的基础上,建立沉淀-流体相互作用模拟方法,并有机耦合各个物理化学过程,最终实现对CO_(2)-水-岩系统中“溶解—沉淀—沉淀运移”的耦合渗流模拟。

砂岩储层中CO_2-地层水-岩石的相互作用

利用高温高压反应釜模拟不同温度条件下CO2-地层水-砂岩间的相互作用,并观察反应前后样品形貌、分析质量和比表面积的变化,讨论反应液pH和各离子浓度的变化原因,进一步阐明CO2-地层水-砂岩相互作用过程中矿物的溶解和沉淀机制。研究结果表明,超临界CO2注入后,随着温度的升高,砂岩中可溶矿物(长石类)的溶蚀作用加剧;样品表面和孔隙中均有新物质生成,主要矿物为石英、高岭石、绿泥石和一些未知的含"C"硅铝酸盐。

CO_2-水-岩相互作用对盖层渗透率影响的数值模拟

针对我国江汉盆地深部含水层的基础地质和水文地质条件,运用国际先进的反应溶质运移数值模拟软件TOUGHRE-ACT建立垂向一维模型,探索研究了CO2进入盖层后,CO2-水-岩相互作用对盖层渗透率的影响。模拟结果表明,CO2进入盖层后,会使pH值降低,导致矿物组分和渗透率的变化。模拟5 000a后,盖层底部和顶部渗透率分别增加了10%和6.7%,主要是由石膏在该处的溶解以及菱镁矿未能沉淀造成的;盖层中部渗透率降低了约6.7%,主要是因为铁白云石和菱镁矿在后期发生了沉淀;绿泥石的溶解为铁白云石和菱镁矿的沉淀提供了必要的Mg2+和Fe2+离子来源,对盖层渗透率的变化起到了至关重要的作用。

增强地热系统热储层-盐水-CO_2相互作用

增强型地热系统(EGS)是采用人工形成地热储层的方法,从低渗透性岩体中经济地采出深层热能的人工地热系统。以CO2为载热流体的增强地热能系统(CO2-EGS)是实现CO2减排和深部地热资源开发的有效手段,系统运行时的水-岩-气相互作用对热储层孔渗特征有着重要影响,最终会影响储层的产热能力。笔者利用高温高压反应釜模拟CO2-EGS高温下的热储层-盐水-CO2的相互作用,通过对实验中反应液离子成分变化和岩样扫描电镜进行分析,结果表明:实验后的钾长石和方解石出现溶解现象,且方解石溶蚀剧烈;岩样表面出现极少量次生方解石和钠长石,并有新矿物析出,其主要组成元素为C、O、Si、Fe,为菱铁矿的中间产物。通过TOUGHREACT建立反应性溶质运移模型,模拟上述实验的化学反应过程,模拟结果和实验数据拟合较好。该研究可为CO2-EGS的水-岩-气作用机制提供地球化学数据。

CO_2-水-方解石相互作用后岩石表观形貌及渗透率变化特征

将CO_2注入地下油藏用于驱替原油是减少温室气体的排放及提高原油采收率的一种有效方法。CO_2注入地层后会与地层流体和岩石发生反应,其中岩石组成中的碳酸盐矿物极易与CO_2和水发生反应导致储层岩石物性发生改变。论文以方解石为代表样品,采用X射线衍射仪(XRD),电诱导双等离子体原子排放光谱测定仪(ICP-AES),扫描电镜(SEM)及在5 MPa压力下填砂模型的试验方法进行评价,分别考察了方解石的矿物学性质、CO_2-水-方解石反应前后方解石的表面物性、反应前后溶液的离子浓度变化及方解石填砂模型与CO_2、水反应后渗透率的变化。实验结果表明,与CO_2和水反应后,方解石出现溶蚀现象;反应压力增加,方解石溶蚀现象增加,反应后溶液中Ca^(2+)、HCO_3^-浓度增加;反应温度增加,方解石溶蚀现象增加,反应后溶液中Ca^(2+)、HCO_3^-浓度先增加,后降低;与CO_2和水反应后的方解石/石英砂填砂模型水测渗透率增加。

水-岩相互作用下华南红层软岩力学特性

为研究红层软岩的水-岩相互作用,开展了不同含水率红层软岩的三轴压缩试验,分析了含水率对力学特性、破坏形式、微观结构和损伤机制的影响,构建了含水红层软岩的统计损伤本构模型。研究结果表明:随含水率的升高,红层软岩的峰值应变呈线性递增,峰值强度和弹性模量分别呈线性和指数函数递减;含水率对红层软岩的破坏模式产生明显影响,含水率较低时的破坏形式为剪切破坏,随着含水率的增加,破坏形式向剪切-张拉复合型破坏转变。在水-岩相互作用下,华南红层软岩的孔隙颗粒物相互吸附,形成片状结构;在饱水状态下,片状和鳞状结构进一步增多,整体结构变得更加松散破碎。考虑水-岩作用,引入损伤修正系数对本构模型进行改进,改进后的统计损伤本构模型计算结果与试验结果一致,能较好地描述水岩作用对红层软岩力学性质的影响。

CO_2-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HCO-3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。

滑坡灾害孕育—激发过程中的水-岩相互作用

降雨造成的地下水与斜坡岩土体之间的复杂作用———水 -岩相互作用不仅是滑坡灾害的主要激发因素,它在滑坡孕育过程中也发挥着重要作用。以往的相关研究主要集中在与滑坡激发有关的空隙水压力、基于空隙水压力效应的滑坡临界降雨量、地下水富集斜坡的稳定性评价、水 -力耦合及地下水对岩石的软化效应等方面。孕育过程在滑坡研究中居于重要的基础性地位。以流-固耦合等理论为基础对岩体进行时效变形预测,对于斜坡演化研究是重要的,但是,由于大多数滑坡的孕育都是在近地表的侵蚀性地球化学环境中进行的,与深埋地下空间的开挖问题存在明显区别。作为水 -岩相互作用主要类型之一的水-岩化学作用是造成这种差别的主要因素。深入开展滑坡灾害孕育过程中的水-岩化学作用研究不仅对斜坡维护、加固及滑坡预报是重要的,而且可以促进水-力双重耦合、水-热-力及水-热-力-化学多重耦合等复杂理论的发展。

山西柳林泉域水-岩相互作用地球化学模拟

简述了反向地球化学模拟软件ＮＥＴＰＡＴＨ２．０的结构及功能，并用其成功地模拟了山西省柳林泉域岩溶地下水系统中的水－岩相互作用，定量评价了岩溶地下水在地表水渗漏的影响下经历的地球化学作用及不同流径地下水的混合比例．

基于水-岩相互作用的泥岩库岸时变稳定性分析

为探寻云南省富宁港区泥岩库岸在水-岩相互作用下的稳定性演变规律,通过富宁港区一期工程现场采集泥岩试样,经过不同次数的干湿循环后,进行常规三轴压缩试验。将得到的岩石抗剪强度参数进行工程转换,经回归分析后构建泥岩岩体综合抗剪强度参数概率分布的时变模型。结合极限平衡法和可靠性理论,得到水-岩相互作用下泥岩库岸中值安全系数、可靠度及可靠安全系数的时变规律。分析结果表明,在水位反复升降作用下,综合二元指标的可靠安全系数能更合理地分析泥岩库岸稳定性;库岸整体稳定程度呈现出非线性衰变特点;库岸最危险滑动面表现为由内向外的渐进性破坏。以试验为基础,提出的泥岩库岸时变稳定性分析方法为研究水位周期性涨落下库岸的稳定性演变规律提供了一条有效途径。

人工回灌过程中的水-岩相互作用模拟

人工回灌过程中所发生的水-岩相互作用是影响回灌层位地下水环境质量的重要因素。采用室内实验和水文地球化学模拟等技术对人工回灌过程中的水-岩相互作用机理进行了分析。研究结果表明:受混合作用影响,随着回灌水比例的增加,混合水中TDS质量浓度降低,水化学类型由Cl·HCO3-Na型水逐渐转变为HCO3·Cl-Na·Ca型水;受水-岩作用影响,在同一混合比例条件下,随着水-岩作用的进行,混合水中TDS质量浓度升高,各主要离子质量浓度呈现升高的趋势,但只有回灌水比例占10%时,混合水TDS质量浓度才大于原始地下水(涨幅约5%)。实验介质溶解于水的离子中,Ca2+、Mg2+和HCO3-主要来源于碳酸盐矿物的溶解,Na+主要来自岩盐的溶解。在人工回灌过程中,发生的水-岩相互作用主要包括方解石、白云石、钾长石、岩盐、CO2的溶解和伊利石的沉淀。其中:钾长石溶解量与伊利石沉淀量、碳酸盐矿物溶解量与CO2溶解量的相关性较强,其相关系数分别为1.00和0.78(显著性水平为0.05);硅酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.97(显著性水平为0.01),相关性极强;而碳酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.52(显著性水平为0.01),相关性较弱。上述相关性分析为确定人工回灌过程中的水-岩相互作用机理、地下水中主要离子组分的来源途径以及定量分析人工回灌对含水层介质的影响提供了依据。

论岩土工程中水-岩相互作用研究的焦点问题——特殊软岩的力学变异性

水-岩相互作用研究是力学和地球科学领域中的前沿课题之一。在力学领域中称之为“固流耦合作用”,在地球科学领域中称之为“水-岩相互作用”。前者研究的焦点在于固体和流体间力学耦合的基本规律;后者主要研究在高温高压条件下,岩石和水发生的化学反应规律及其地球化学特征。岩土工程作为土木工程与地质学的交叉学科,水-岩相互作用研究的侧重点以往主要集中于岩体水力学方面,即从渗流场和形变场的相互作用角度研究其基本规律,目前,已开始注意到水和岩石的化学作用问题。从工程实践中迫切需要解决的共性课题———特殊软弱岩体与水作用后力学性能大幅度变异的问题出发,探讨了某些特殊岩体与水作用的化学规律、矿物学规律及其化学与矿物学损伤所导致的力学损伤规律,并建立软岩-水相互作用的时间效应模型;确定软岩性质软化的标志性临界阈值,为建立水-岩相互作用理论体系奠定软岩研究基础,为重大工程的设计、施工等提供有效的参考和指导。

水-岩相互作用研究的回顾与展望

总结了 2 0世纪 5 0年代末以来的水 -岩相互作用研究历史 ,初步划分为 3个阶段 :第一阶段 ,5 0年代末— 70年代初 ;第二阶段 ,70年代初— 80年代末 ;第三阶段 ,80年代末至今 .近年来 ,环境问题在水 -岩相互作用研究中占的比重越来越大 ,也使水 -岩相互作用研究获得了更大、更持续的发展空间 .简要回顾了地下水成因和地壳中水的地球化学循环 ,控制水的化学成分的地球化学过程 ,以及水 -岩相互作用与地质灾害等方面的重大研究成果 .认为有望取得创新成果的领域包括 :地下水地质作用及其资源环境效应 ,地下水环境演化与全球变化 ,和极端条件下的水 -岩相互作用研究 .

岩溶塌陷演化过程中的水-土-岩相互作用分析

分析了岩溶塌陷演化过程中物理力学上的水 土 岩相互作用 ,并对作用模式进行了探讨。分析结果表明岩溶塌陷的发育和水 土 岩相互作用密不可分 ,塌陷的物质载体是盖层土体和岩层的顶板 ,而地下水赋存于岩土体内 ,地下水和岩土体之间存在着复杂的物理力学、化学作用 ,土体和岩体之间也存在着应力传递和物质传输作用 ;反之 ,岩土体结构和稳定状态的变化也会改变地下水的渗流运动状态 ,从而又反过来影响岩土体的结构和稳定状态 。

水-岩相互作用研究及其在石油地质中的应用

综合评述了国内外在储层成岩演化过程中，流体—矿物相互作用的机理、孔隙流体在次生孔隙形成过程中的作用、流体—矿物相互作用对岩石表面润湿性的影响、油气充注聚集对岩石成岩作用的影响等方面的研究进展，并介绍了这些研究成果在储层次生孔隙预测、油气运移和油气成藏研究中的应用前景。

煤矿地下水库水-岩相互作用机理实验研究

为了揭示煤矿地下水库水体中离子的变化规律,阐明其自净化机理,并为其建设与发展提供理论依据。通过对神东大柳塔煤矿地下水库原位进出水水样水质分析、水化学类型分析和其中主要离子来源解析,设计4组煤矿地下水库泥岩和细砂岩分别与去离子水和矿井水的水-岩相互作用模拟实验,采用图示法、离子比值法等手段揭示煤矿地下水库水体中主要离子的变化规律及其来源。结果表明:大柳塔煤矿地下水库发生的主要水-岩相互作用为阳离子交换反应,黄铁矿氧化,方解石、白云石以及硅酸盐矿物的溶解。阳离子交换反应使得Na^+浓度增大而Ca^2+浓度减少、水化学类型由进水的SO4·Cl-Ca型向出水的SO 4·Cl-Na型转变以及造成Na^+浓度相对Cl-浓度过量而r(Ca^2++Mg^2+)浓度相对于r(HCO3^-+SO4^2-)浓度亏缺的主要原因;且随着水-岩相互作用的进行,泥岩和细砂岩的钠吸附比均逐渐增大,阳离子交换反应逐渐减弱。煤矿地下水库水体中SO4^2-部分来源于黄铁矿氧化,其中泥岩的方解石含量相对于白云石含量较多,主要是黄铁矿氧化与方解石发生中和反应;而细砂岩中白云石含量较多,主要是黄铁矿氧化与白云石发生中和反应。矿井水中Na^+主要来自钠长石和正长石等硅酸盐矿物的溶解,泥岩组和细砂岩组Ca^2+和Mg^2+的主要来源分别是方解石和白云石的溶解。

水-岩相互作用模拟的研究进展

水 岩相互作用的地球化学模拟已在模型建立和软件的开发方面取得了较大的进展。地球化学模型发展经历了从反向模拟到正向模拟,以及到现在的反应性溶质运移模拟的发展过程。许多计算模拟软件被开发出并投入到实际应用中,现在的模拟技术已能处理较大范围内温度变化、压力变化、组分变化,以及各种地质条件下的水 岩地球化学作用。许多水 岩相互作用问题要回答地质作用的过去历史,要解释或预测未来可能水环境变化,通过模拟已获得满意的解决。目前水 岩作用地球化学模拟取得的重要进步是动力学模型和耦合运移模拟已取得了实质性进展,并应用于实际研究之中。

头寨滑坡地下水化学特征及其反映的水-岩(土)相互作用

文章以头寨滑坡为对象,分析滑坡岩土体的矿物组成和组构等特征,研究表明造成滑体玄武岩岩体性质劣化的风化过程是一种物理-化学耦合的水-岩(土)相互作用过程,在多尺度(微观、细观、宏观)岩(土)体的"石夹土"结构中得到体现,水岩作用产物主要有绿泥石、伊利石和蒙脱石等黏土矿物。采集滑坡体剪出口处的地下水样测试水化学组成,选取前四个主因子P_1、P_2、P_3和P_4(分别占总方差的39.9%,21.9%,16.7%和13.5%)分析地下水的水化学特征。主因子P_1主要反映玄武岩原生矿物的溶蚀作用对地下水化学成分的控制作用,主因子P_2反映岩(土)体孔隙中有柱状硫酸钙矿物的结晶析出,主因子P_3反映岩(土)体同地下水之间存在阳离子交换,主因子P_4反映岩(土)体水岩作用产物——Si O2矿物在地下水中溶解性与水溶液中CO_2含量的关系。地下水主成分分析的结果能反映出滑坡地下水与岩土体的相互作用的主要过程。