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。

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-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。

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。

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。

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。

页岩储层-超临界CO_2-模拟压裂液相互作用实验研究及其环境意义

近年来,页岩气作为一种重要的非常规天然气来源,逐渐成为国内外关注的热点。当前的研究工作总体侧重于页岩气开采技术的改进与环境监测,对页岩气开采过程中水岩相互作用还少有报道。本文采用模拟实验,选取储层页岩样品,在温度90℃、压力10 MPa环境下,开展了CO_2-压裂液-页岩相互作用实验研究。主要探讨页岩气开采过程中,由于常规水力压裂液以及后期超临界CO_2的增注,造成的储层岩石矿物的变化以及返排液成分的变化。实验结果显示:压裂液能使岩石矿物发生溶蚀,超临界CO_2的存在会进一步加剧溶蚀反应的进行,促使孔隙变大并产生更多的微孔隙,为页岩气提供更多的运移通道,有利于油气的运移。但是,存在的环境威胁不容忽视:一方面,岩石中会溶解出大量的Ca、Mg、Si元素和少量Fe、Mn等金属元素,超临界CO_2、富有机质页岩以及压裂液中表面活性剂等物质在高温高压酸性环境条件下,容易生成挥发性有机物残留在地层中,极有可能沿着岩石破碎的孔隙、断裂发生迁移或泄露,从而对地下含水层造成污染;另一方面,多种成分进入高矿化度溶液体系经返排回到地表,也会增大处理返排液的难度。本文取得的实验数据和成果有助于理解页岩气储层在开采过程中可能发生的水岩相互作用过程及其潜在的环境风险。

松辽盆地地层水化学特征及其流体—岩石相互作用探讨

地层水化学的空间分布特征研究是追踪流体运移及油气运移、聚集的重要手段之一。通过对松辽盆地水化学测试数据的分析,阐明了该盆地水化学特征的空间分布规律及其所反映的流体-岩石相互作用过程,指出水化学的时间演化特征受流体-岩石相互作用的控制。再通过研究水化学中C l--HCO3-和N a+-K+-Ca2+的关系进一步阐明了该盆地地层水早期为富含HCO3-的低盐度流体,含钠矿物(N aC l)与碳酸盐矿物的溶解作用导致了流体中各种离子及流体盐度的增高,随后的钠长石化作用导致流体中Ca2+的富集与N a+的亏损,形成了CaC l2型流体。最后指出松辽盆地水化学特征所反映的流体-岩石相互作用过程得到了其它地质观察的证明,认为地层水化学可以示踪流体-岩石相互作用过程,有广泛的用途。

致密砂砾岩矿物与超临界CO2和地层水相互作用

为研究致密砂砾岩油藏CO2注入后与岩石和地层水的相互作用,根据M油田砂砾岩致密油藏全岩X-射线衍射(XRD)分析结果,选取方解石、长石、高岭石、伊利石4种矿物,利用超临界CO2高温高压反应釜模拟地层条件(70℃、20 MPa),通过实验前后XRD、扫描电镜、反应液离子成分及浓度的变化,研究了CO2-岩石矿物、CO2-地层水-岩石矿物的相互作用。结果表明,干燥纯CO2与岩石矿物仅发生物理变化,在地层水中CO2与岩石矿物发生明显的物理化学变化,反应强弱关系为方解石>伊利石>长石>高岭石,反应液中离子浓度亦发生了明显变化。CO2注入储层后,先与水作用,再与地层水中的离子作用,最后与岩石矿物发生化学反应。

松辽盆地十屋断陷流体-岩石相互作用

根据松辽盆地十屋断陷199个水化学分析测试数据,探讨该区地层水化学特征所反映的成岩作用过程,以揭示水化学特征的分布以及演化过程,示踪流体-岩石相互作用过程.水化学的空间分布特征受流体动力场控制:大气降水沿盆地的边缘及断层复杂的中央隆起带下渗,导致该地区盐度降低(小于4.5g/L),向盆地中心盐度逐渐增加到7～10g/L;垂向明显分为3个带:自由交替带(0～1250m深度)为NaHCO3型流体,交替阻滞带(1250～1650m深度)为Na2SO4型流体,交替停滞带(深于1650m)为CaCl2型流体.水化学的时间演化过程受流体-岩石相互作用的控制:地层水中Cl-与HCO3-和Na++K+与Ca2+的关系表明,地层水早期为富含HCO3-的低盐度流体,含钠矿物与碳酸盐矿物的溶解导致了流体中各种离子及盐度的增高,随后的钠长石化作用导致流体中富集Ca2+而Na+亏损,形成CaCl2型流体.十屋断陷水化学特征所反映的流体-岩石相互作用过程得到了其它地质观察的佐证.

Mo/γ-Al_2O_3催化剂中金属-载体相互作用位点的研究

载体表面性质直接影响金属-载体相互作用的强弱,进而对加氢催化剂的结构和性能产生重要影响。为深入认识载体表面性质对金属-载体相互作用的影响机制,以γ-Al_2O_3为研究对象,首先通过对其进行不同温度(20～180℃)的水热处理,调变了其表面各种位点(碱性、中性、酸性羟基及Al-CUS)的相对浓度,然后借助IR-OH和Py-IR表征手段对这些位点相对浓度的变化进行了分析,并采用Mo平衡吸附法对金属-载体相互作用强弱进行了量化分析。分析结果表明,随水热处理温度的升高,载体表面碱性羟基和酸性羟基的浓度均先增加后减少,且均在100℃水热处理时浓度最大,但后者的浓度在水热处理温度大于100℃后变化较小;中性羟基的浓度随水热处理温度升高总体上呈减少的趋势;Al-CUS浓度则随水热处理温度的升高逐渐降低。Mo平衡吸附量分析结果表明,随水热处理温度的升高,金属-载体相互作用先增强后减弱。通过将载体表面各位点的相对浓度与金属-载体相互作用进行关联,结果发现,碱性羟基是Mo金属-载体相互作用的关键位点。

川西坳陷中段陆相地层水纵向变化特征及水—岩相互作用初探

地层水是孔隙流体的重要组成部分,在空间变化上受控于流体动力场,时间演化上主要受控于流体—岩石相互作用过程。通过川西坳陷300余个地层水化学数据的系统分析,对研究区地层水化学特征及其所反映的成岩作用过程进行了初步探讨:川西坳陷上侏罗统到须家河组可分为地层水交替阻滞带和地层水交替停滞带2个水化学作用带,大气水作用的范围在530m以上地层;黏土矿物大规模脱水的淡化作用是地层水交替阻滞带离子浓度随深度变大而变小的主要因素,而该带中HCO3-随埋藏深度的增加而不断增加的原因则可能主要与有机质成熟过程中CO2的加入有关;盐岩溶解可能是交替阻滞带地层水Na+富集的主要因素,Ca2+的富集则可能主要由蒙皂石的伊利石化和少量碳酸盐岩的溶解造成;钙长石的钠长石化是研究区地层水交替停滞带的一项重要的水—岩作用过程,同时存在的成岩作用类型还包括绿泥石化、碳酸盐矿物的溶解以及钠长石的溶解。

CO2-水-岩作用对致密砂岩性质与裂缝扩展的影响

基于CO2水溶液浸泡致密砂岩实验和室内压裂模拟实验,研究了CO2-水-岩作用对致密砂岩性质和裂缝扩展的影响,并通过CO2水溶液浸泡试样裸眼段考察CO2在压裂过程中的化学作用。研究结果表明:CO2水溶液浸泡后,方解石和白云石含量显著降低,钾长石和斜长石被溶蚀生成高岭石;石英和黏土矿物含量升高,但伊利石和绿泥石含量降低;溶蚀孔隙数量增多,孔径变大,孔隙度和渗透率增大;抗张强度降低,且平行层理降低幅度大于垂直层理;相比于滑溜水压裂,超临界CO2压裂的破裂压力降低14.98%,形成的水力裂缝数量增多,裂缝形态更复杂;CO2水溶液浸泡裸眼段后,超临界CO2压裂的破裂压力相比于未浸泡情况降低21.61%,且水力裂缝多点起裂,裂缝复杂程度进一步提高。实验证明CO2的物理和化学特性能有效提高CO2压裂裂缝的复杂性。

水–岩石相互作用力学参数的探讨

水–岩石相互作用是一个非常复杂的过程,鉴于水对裂纹的强敏感特性,利用这种特性探讨岩石的一些基本物理力学性质。现行广泛采用的试验方法有真、假三轴试验,通过分析试验理论和加载测量技术,提出真、假三轴试验在无水压力和有水压力条件下,各自试验可以获得的力学参数个数;指出假三轴试验适合于研究各向同性材料,给出以六面体试件(5cm×5cm×10cm)实施假三轴试验可以研究孔隙介质材料各向异性力学特性的观点。利用水压力卸载对孔隙介质材料力学特性影响较小的特点,提出以水压力卸载试验确定各向异性Biot系数理论和试验方法及相应力学参数的观点。试验结果表明,各向异性Biot系数在不同方向的变化趋势也不相同;利用水–岩石相互作用特征,提出一种新的确定岩体石屈服极限应力的方法,即以偏应力与水压力关系曲线水压力最大值所对应的偏应力为屈服极限应力。试验结果显示,Skempton系数分散性较大,在注水和非排水试验中,水压力的作用机制也不尽相同。这种研究对损伤力学和土木工程实践具有重要意义。

2-羟基吡啶与水氢键作用的理论研究

本文采用量子化学的Hatree-Fock方法和密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-31G(d)水平上,研究了2-羟基吡啶分子(Hy)及其酮式互变异构体2(1H)-吡啶酮(Py)与水的相互作用。考察它们之间在形成Hy…H2O,Py…H2O,Hy…Hy,Py…Py和Hy…Py等复合物前后的能量变化和分子结构参数变化特点。计算结果表明,在这些复合物中都形成了较强的氢键作用,在水合物中,Py与水形成复合物时能量降低较多,与实验结果一致。经过零点振动能(ZPVE)和基组叠加误差(BSSE)校正后的复合物离解能分别为38.3,40.8,73.0,82.7和71.1 kJ/mol(B3LYP/6-31G(d)),水合物的离解能远小于二聚体复合物,而酮式结构的二聚体的离解能最大。

旅大27-2油田水源水与E_3dⅢ地层水配伍性研究

对旅大27-2油田E3dⅢ地层水和注水源井水的组成及配伍性进行了实验研究,结果表明:旅大27-2油田E3dⅢ地层水和水源水均为CaCl2型,在E3dⅢ地层温度(82℃)下,水源水与地层水存在不配伍,两者以任何比例混合后均会产生悬浮物,随着E3dⅢ地层水比例的增加,悬浮物含量越高,旅大27-2油田E3dⅢ地层水和水源水混合后产生的碳酸钙垢会对储层造成严重伤害,在以后的注水时应注意加强防垢措施,可在注入水中加入阻垢剂进行防垢处理。

注CO2对高温高压条件下油-地层水体系界面张力的影响

目前对于CO2-原油界面张力特征研究较多,但是对于原油-CO2地层水体系相界面作用特征的研究较少。本文采用轴对称悬滴形状分析技术分析了不同CO2饱和度对原油-地层水平衡界面张力的影响,以及原油-饱和CO2地层水与原油-地层水平衡界面张力的变化。同时,对CO2通过油-水界面从油滴中提取轻烃组分的现象,进行了研究和分析。结果表明:原油-饱和CO2地层水的平衡界面张力随压力的增加而降低,随压力的增加,体系的溶解和扩散越来越明显;油与饱和CO2地层水之间发生介质交换,出现部分混溶现象;在该体系压力高于压力阈值17.09 MPa时,CO2溶解度增加趋势变缓,原油-饱和CO2地层水平衡界面张力降低缓慢基本保持不变。实际生产中,在低于体系阈值压力时,提高CO2含量能够有效地降低界面张力;高于阈值压力后,继续增加CO2含量对体系平衡界面张力作用不大。该研究可为节约CO2驱替成本提供参考。

中国东北地区幔源-岩浆CO_2赋存的地质记录

在松辽盆地南部及海拉尔盆地CO2气藏和片钠铝石研究的基础上,根据中国东北地区CO2气藏中CO2的碳同位素、氦同位素,各盆地片钠铝石的碳、氧同位素的数据,以及CO2气藏(苗)与断裂和火山岩的关系,对中国东北地区CO2的成因及其与片钠铝石的关系进行了研究。分析认为中国东北地区的CO2绝大多数为幔源-岩浆成因,且形成片钠铝石的CO2与幔源-岩浆CO2同源;片钠铝石是CO2的"示踪矿物",记录了地质历史时期CO2的聚集;地层水和原油中溶有大量的无机成因CO2,经CO2改造的地层水具有高矿化度及Na+、K+、HCO3-、CO32-浓度高的特点。依据片钠铝石与CO2的关系,地层水中离子浓度的变化,以及原油中溶解大量CO2的事实,总结了中国东北地区幔源-岩浆CO2赋存的地质记录。

泌阳凹陷油田水化学特征及水——岩相互作用

根据测试资料,泌阳凹陷油田水主要为重碳酸钠型水,有少量硫酸钠型水、氯化镁型水和氯化钙型水。总体上,油田水分为2类:一类为经过水—岩相互作用改造过、矿化度较高的同生水;另一类为被大气降水稀释过、矿化度较低的同生水。泌阳凹陷在2 900m处存在一个化学分异面,即在深度小于2 900m的地层中,油田水中过剩的Na^+与HCO_3^-的物质的量呈近1:1的线性关系,水—岩相互作用以钠长石的高岭石化为主;在深度大于2 900m的地层中,Na^+与Cl^-呈现1:1快速同步增长的特点,表明水—岩相互作用以岩盐(NaCl)溶解为主。在油田水的演化过程中发生了不同的水—岩相互作用,导致了化学分异面上下不同的水化学特征,从油田水的化学特征入手研究水—岩相互作用对指导油气勘探实践有重要意义。