深部CO2泄漏对浅层地下水水质影响研究进展

由于盖层中存在的未知断层、裂隙或被废弃井穿透等原因,深部储存的CO₂可能会发生渗漏,并向上迁移进入浅部含水层,改变地下水中酸度和溶解组分的浓度分布。国外开展CO₂泄漏对浅层地下水水质影响相关研究尚处于起步阶段,且室内实验、野外试验和数值模拟等研究结果表明,CO₂泄漏对浅层地下水中pH和微量重金属组分浓度影响显著,虽浓度大多未超饮用水标准,但由于含水介质之间矿物组成的差异较大,有必要针对具体场地的地下水水质和矿物组分特征进行调查,研究CO₂侵入对地下水水质的影响,在总结已经达成共识和存在的问题基础上提出下一步研究趋势。     

方解石在不同水环境中的溶解与沉淀作用

方解石的溶解与沉淀是各种岩溶地质作用的基础,但对其在不同水环境条件下的溶解过程和溶解度有待深入研究。文章通过实验研究了天然方解石(CaCO₃)在不同水环境中的溶解作用。结果表明,方解石在纯净水、空气饱和水、CO₂饱和水、初始pH=3的溶液和初始pH=9的溶液中溶解时,Ca浓度随着溶解时间的增加呈现缓慢升高并趋于稳定,在溶解4 080 h后达到0.4444～0.4696 mmol·L^-1、0.402 0～0.415 4 mmol·L^-1、0.573 9-0.659 7 mmol·L^-1、1.098 1 mmol·L^-1和0.448 9 mmol·L^-1;方解石(CaCO₃)在纯净水中溶解时溶度积(K_sp)为10^-8.48±0.08～10^-8.48±0.13,吉布斯生成自由能ΔG_f^o[CaCO₃     

深层地下水稀土元素无机形态及其对稀土特征的影响——以皖北任楼矿煤系含水层为例

在对皖北任楼矿煤系含水层地下水常规离子和稀土元素组成分析的基础上,运用Visual Minteq软件对溶解态稀土的无机形态进行了模拟。结果表明:煤系含水层地下水分为富SO₄2-和富HCO₃-(或富CO₃2-)两类,二者pH值大致以8.20/8.36为界。富SO₄2-水具有相对富HCO₃-水偏低的稀土总量,但二者在PAAS(后太古代平均页岩)标准化图解上均表现为轻稀土亏损的型式。富SO₄2-水中稀土无机形态包括Ln3+、LnCO₃+、LnSO₄+、Ln(CO₃)₂-和Ln(SO₄)₂-(Ln代表稀土元素),但富HCO₃-水中以Ln(CO₃)₂-和LnCO₃+为主,且各形态的相对含量与pH值和元素类型(如轻、重稀土)关系密切。HCO₃-含量与地下水∑REE和/Nd_SN/Yb_SN存在明显的相关性,表明不同含量的稀土元素无机形态(尤其是Ln(CO₃)₂-)对地下水中稀土元素总量和轻重稀土分异程度存在影响。      

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HCO^-₃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。     

基于活度计算的碳酸平衡研究

研究考虑活度情况下地下水开放系统在不同温度和CO₂分压下碳酸的3种存在形式与pH值之间的关系.分析地下水中CO₂分压为10～105Pa,温度为0～30℃变化时pH₀的变化情况,发现在一定CO₂分压下,pH₀值随温度的升高而降低并趋于一个稳定的值.在一定温度下,pH₀值随CO₂分压的升高而降低.但不论地下水的温度和CO₂分压如何变化,pH₀=7.92～8.60.这些结论更符合地下水实际情况,更有利于对水分析资料的审查.     

岩溶溪流的脱气作用及碳酸钙沉积--以重庆市南川区柏树湾泉溪流为例

以一定间距监测水体中pH、电导率、溶解氧等水化学参数及HCO₃-、Ca2+等阴阳离子浓度,揭示了重庆市南川区柏树湾泉及其下游溪水的水化学的空间特征。泉水出露地表后,CO₂溢出导致溪流水的水化学特征沿流程发生有规律的变化,并促使溪水达到过饱和状态而产生明显的碳酸钙沉积。研究结果表明,脱气作用导致溪水的HCO₃-浓度、Ca2+浓度、电导率（EC）和CO₂分压沿流程逐渐递减,pH值及常见碳酸盐矿物的饱和指数逐渐升高。泉水出露时水中CO₂浓度与自由大气之间的浓度梯度是影响脱气速率的主要因素,但溪渠的水力坡度也对脱气速率也有一定影响。地下水出露至泉口处的脱气程度,是影响溪流碳酸钙沉积的决定性因素。旱季泉水流量较小,泉口处脱气程度较大,并且溪水的Ca2+浓度含量较高,再加上溪流沿途的水体扰动加速CO₂溢出,以及溪渠内的枯枝落叶和其他物质的吸附等,皆有利于碳酸钙沉积。     

煤矿酸性“老窑水”低Ca/Mg成因机制

山西省阳泉市山底河煤矿“老窑水”循环系统多年水质监测数据计算结果显示,煤矿酸性“老窑水”的Ca/Mg值普遍偏低,且存在Ca/Mg值随酸化程度的增强（SO₄2?含量增加或pH减小）而减小的规律。针对这一问题,结合研究区的地球化学物源条件,通过室内试验以及野外监测水样的石膏、方解石、白云石矿物饱和指数与pH变化关系,分析煤矿酸性“老窑水”低Ca/Mg值的成因机制。研究表明:区内石炭系－二叠系的煤系地层中碳酸盐岩夹层、分散状态分布的菱镁矿、黄铁矿是“老窑水”中Ca2+、Mg2+、SO₄2?的物质来源;在黄铁矿氧化水解形成的以硫酸根为主导的酸性溶液中（pH为2.0~4.5）,代表硫酸对石膏、方解石、白云石可溶解性的饱和指数排序为石膏>方解石>白云石,受石膏在高浓度硫酸活性降低并发生沉淀、方解石溶解受Ca2+同离子效应抑制和饱和状态的平衡调节的综合影响,使Ca2+相对含量减少,由于MgSO₄溶度积大于CaSO₄,故Mg2+含量未受上述约束（或较低）,脱白云岩化反应可因Ca2+含量随石膏沉淀而继续进行,加之区内有菱镁矿的溶解,使得Mg2+相对含量增加,最终出现了镁矿酸性“老窑水” Ca/Mg值低的结果。Ca/Mg值可作为煤矿酸性“老窑水”的污染特征指标,应用于环境影响评价。      

CO2分压条件下煤中矿物质溶解度数值模拟

查明煤中矿物质在不同温度和CO₂分压条件下溶解度变化规律,能为注入CO₂过程中煤储层渗透率分析提供重要依据。借助水文地球化学模拟软件PHREEQC对在不同温度和CO₂分压条件下煤中各矿物的溶解度进行了水化学模拟,得出不同温度和CO₂分压条件下矿物质溶解度的变化规律。结果表明:在无CO₂分压时,随着温度的升高各矿物的溶解度增加;当溶液中CO₂分压增加到一定程度时,随着温度的升高各矿物的溶解度降低（石英除外）;在温度相同时,随着CO₂分压的增加,所有矿物（石英除外）溶解度均增加,方解石的溶解度随着CO₂分压的升高呈现出迅速增加的趋势,其他矿物随着CO₂分压的升高,溶解度增加的速率较为缓慢。      

基性、超基性岩: 二氧化碳地质封存的新途径

CO₂地质封存是控制全球CO₂净排放量的有效手段.自然界存在大量基性、超基性岩石的碳酸盐风化作用, 与CO₂反应生成稳定的碳酸盐矿物.影响基性、超基性岩石与CO₂反应速率的因素有温度、压力、pH值、流体流动速率以及与矿物接触的表面积等.矿物在反应过程中放热可以使碳酸盐化体系进入自我加热的良性循环, 同时控制流体的流动速率可以保持最佳温度并使反应速率最大化.蛇绿岩中的橄榄岩、大陆玄武岩和深海玄武岩在地球表层广泛分布, 可贮存大量CO₂.目前研究表明此方法在技术上可行, 经济成本上有优势.因此, 基性、超基性岩石具有封存CO₂的巨大潜力, 可以作为地质封存CO₂的新途径.      

天津市宁河北奥陶系灰岩水源地的水文地球化学模拟

天津市宁河北水源地属埋藏型地下水源地,其开采层奥陶系灰岩含水层呈北东向的向斜展布,隐伏于石炭系-二叠系砂页岩之下,并被新近系覆盖,仅在东北部与第四系含水层有水力联系,地下水的补给主要来自浅层第四系含水层的越流补给。应用水文地球化学模拟方法,研究从第四系含水层到奥陶系含水层地下水经历的水-岩作用,包括方解石、白云石、萤石和硬石膏的溶解或沉淀、二氧化碳气体的溶解或逸出等,地下水硬度、矿化度总体上有下降趋势,这是由于含Ca²⁺、Mg²⁺和HCO^-₃的矿物相发生溶解,迁入溶液的比率要小于发生沉淀迁出溶液的比率,具体表现在从第四系含水层到奥陶系含水层Ca²⁺、和HCO^-₃浓度的降低幅度较大。通过模拟计算,可以定量确定从补给区到研究区沿水流路径上的水-岩相互作用及质量交换,有助于揭示该区地下水化学环境的演化机制。     

江汉平原浅层含砷地下水稀土元素特征及其指示意义

江汉平原被确认为我国南方新的饮水型砷中毒病区,目前对于江汉平原高砷地下水的成因机理研究还有待完善.综合运用水文地球化学分析与PHREEQC地球化学模拟计算,分析了地下水和沉积物中REE分异特征及其沿地下水流向形态变化规律.江汉平原地下水REE含量为0.032~0.843 μg/L,富集LREE,具显著Eu正异常,且地下水中Eu异常与As含量呈正相关关系.地下水中REE形态主要以LnCO₃+及Ln(CO₃)₂-为主,沿地下水流向LnCO₃+降低、Ln(CO₃)₂2-升高.地下水REE浓度分布受到HCO₃-的络合作用及Fe氧化物矿物的还原性解吸附过程控制,径流途径中继承沉积物矿物的REE配分模式及Fe氧化物矿物对LREE的优先解吸附可能是地下水富集LREE的原因,并且沿流向上REE形态分布受到pH控制.研究区中Eu含量及Eu正异常对地下水As富集程度具有一定的指示意义.      

泄漏情景下碳封存项目的环境影响监测技术方法

CO2环境影响监测技术作为碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)体系的重要组成部分,贯穿整个储存过程,决定着CCUS工程的成败,对CCUS工程的有效性、持续性、安全性及碳减排效果的评估发挥着举足轻重的作用.为确保碳封存项目安全可靠运行,需要对环境影响...     

煤基CO2地质封存对顶板裂缝导流能力影响实验研究

煤基CO₂地质封存是温室气体减排的重要方式,但也存在地下CO₂泄露的安全风险。为了评估煤基CO₂地质封存的安全性,采集沁水盆地南部胡底矿3号煤顶板泥质粉砂岩样品,模拟实验研究“CO₂-H₂O-岩”反应中柱状试样人工裂缝形貌、全岩矿物组成与CO₂导流能力变化。结果表明:方解石脉溶蚀、次生矿物充填与外部有效应力共同影响试样裂缝导流能力。原始渗透率为0.016×10–3μm2的低渗试样,方解石脉溶蚀导致实验前期渗透率升高;随着反应进行,有效应力主导下裂缝闭合,渗透率呈“先升后降”变化趋势;原始渗透率为3.785×10–3μm2的高渗试样,H₂CO₃不断溶蚀裂缝壁面长石等矿物,并产生高岭石等次生矿物混合充填于裂缝中,使渗透率持续降低。煤基CO₂地质封存过程中,较高的注入压力导致顶板产生人工裂缝;CO₂注入施工结束后,次生矿物充填及有效应力增大使裂缝导流能力快速下降,因此,煤中封存CO₂沿顶板裂缝长期泄露的风险较低。      

超临界CO2注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究

深部煤层CO₂地质封存与CH₄强化开采(CO₂–ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益。超临界CO₂(ScCO₂)、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO₂泄漏的风险。以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展“ScCO₂–水–岩”地球化学反应模拟实验,探讨CO₂煤层封存条件下ScCO₂–水–顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响。结果表明:ScCO₂–水–岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的“溶蚀坑”和“溶蚀缝”;增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO₂–水–岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系。对于胡底煤矿而言,ScCO₂–水–岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO₂泄漏,但在评价煤层CO₂封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响。      

鄂尔多斯盆地山西组地下咸水CO2溶解能力

实施CO₂的地质储存是目前公认的减缓全球变暖的有效途径之一.潜在的储存场所包括衰竭的油气藏、深部不可开采煤层及深部咸水层.其中, 深部咸水层储存潜力最大.在发挥作用的诸多机理中, 溶解埋存具有埋存量大、作用时间较长以及安全性高的特点.在评价深部咸水含水层CO₂溶解储存潜力时, 溶解度是一个关键参数.提出了测定咸水含水层地层水CO₂溶解度的方法, 并将其实际应用于鄂尔多斯盆地山西组地层水.鄂尔多斯盆地是我国重要的能源基地, CO₂排放量大, 排放浓度高.采集了野外实地水样, 进行了化学成分分析, 并人工合成该水样; 测定了40~80 ℃、8~12 MPa条件下CO₂在该水样中的溶解度, 其结果可为评价鄂尔多斯盆地深部咸水含水层埋存能力提供依据.      

不同成分盐水驱CO2的残余气饱和度

CO₂在地下深部咸水含水层地质封存的多种封存机理中,束缚气封存的潜力很大,可占封存总量的30%左右。残余气饱和度是评价束缚气封存量的一个十分重要的参数。通过测定不同成分盐水驱CO₂的残余CO₂饱和度,对不同咸水含水层的束缚气封存潜力进行定性的评价,进一步为深部咸水含水层的CO₂封存量的评估提供了参数依据。同时也对深部咸水含水层CO₂地质封存的工程选址和目标含水层的选择具有一定的指导和借鉴意义。实验使用饱和CO₂的蒸馏水、NaCl溶液、CaCl₂溶液以及NaCl和CaCl₂的混合溶液(质量比1∶1),溶液质量浓度都为10%,驱替饱和CO₂的岩心,最后计算残余CO₂饱和度。饱和CO₂的溶液驱替CO₂的过程可以分为两个阶段：活塞式驱替和携带式驱替。实验结果显示,4种液体驱替实验的残余CO₂饱和度由小到大依次为：蒸馏水、混合溶液、NaCl溶液、CaCl₂溶液。结果表明：在界面张力和流体粘性共同作用下,界面张力对岩心中CO₂驱替效果的影响起主导作用;这3种类型盐水中,Cl-Ca型水束缚气封存潜力最大,其次是Cl-Na型水,Cl-Na·Ca型水最差。     

环境同位素特征对滨海岩溶地区海水入侵过程的指示意义

大连大魏家水源地位于中国北方典型滨海岩溶地区。近30年来,地下淡水的不合理开采造成的地下水位降落漏斗引发了严重的海水入侵。以大魏家水源地为研究对象,通过大量的水文地质调查和水化学及同位素采样测试分析,探讨海水入侵形成的水动力条件,通过分析滨海岩溶含水层中地下水主要水化学和多种同位素(δ2H-δ18O,δ34S,δ13C)组成特征,识别了海水入侵过程中发生的主要水文地球化学作用,并对其进行了定量模拟,从而阐明了岩溶含水层中的海水入侵机理。研究结果表明:大连大魏家海水入侵主要通道为大魏家地区存在的导水断裂、岩溶裂隙以及第四系松散地层。对δ2H-δ18O同位素的组成分析表明,研究区地下水主要来自大气降水补给,结合Cl-浓度分布,认为除海水入侵淡水含水层后增加了地下水中的盐分外,浅层地下水的蒸发也对地下水中盐分的累积起到了重要作用。根据不同水体中δ34SSO4,δ13CHCO3等同位素特征,结合水化学成分(如SO2-4,Cl-)分析认为,研究区微咸水和咸水并不是地下水淡水和海水简单混合而成。利用反向水文地球化学模拟揭示了控制滨海岩溶含水层中水化学演化的主要水文地球化学反应有方解石、蒙脱石和石膏的溶解作用,伊利石的沉淀作用以及Ca-Na离子交换作用,伴随着CO2的释放。     

不同含水性无烟煤CO2吸附行为及其对地质封存的启示

深部煤层CO₂地质封存是助力“碳达峰碳中和”战略的重要途径,煤层含水性对以CO₂吸附封存为主的深部煤层CO₂地质封存能力影响显著。以无烟煤为例,开展了45℃下干燥、平衡水、饱和水煤样高压CO₂等温吸附实验,校正了饱和水煤样过剩吸附曲线,利用改进的D-R吸附模型拟合得到三者吸附能力与吸附热,对比了不同含水条件下CO₂绝对吸附曲线,阐释了饱和水增强无烟煤吸附能力的微观作用机理。结果表明:(1)干燥、平衡水、饱和水煤样CO₂吸附能力分别为56.72、45.19和48.36 cm3/g,吸附热分别为29.42、26.23和27.24 kJ/mol。(2) CO₂密度小于0.16 g/cm3(6.48 MPa)时,无烟煤CO₂绝对吸附量大小顺序为干燥煤样、饱和水煤样和平衡水煤样,而CO₂进入超临界状态后,顺序变为饱和水煤样、干燥煤样和平衡水煤样。(3)水分子优先占据高能吸附位是平衡水煤样吸附能力减弱的主要原因,而煤?水体系与CO₂相互作用强于CO₂与H₂O竞争吸附下的煤?CO₂相互作用是饱和水煤样在CO₂超临界阶段吸附能力高于干燥煤样的根本原因。(4)吸附封存是煤层CO₂地质封存的主要形式,深部煤储层条件下,煤层饱和水对超临界CO₂增储作用更为明显,高压注水是提高深部煤层CO₂地质封存潜力,改善煤储层渗透性的有效手段。      

国内外CO2地质封存潜力评价方法研究现状

碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技术作为缓解全球气候变暖、减少CO₂排放的有效路径之一,其潜力评估至关重要。目前CCS技术主要包括CO₂强化石油(天然气)开采封存技术、CO₂驱替煤层气封存技术以及咸水层CO₂封存技术3类。各类封存技术利用了不同的封存机制,其潜力评估方法也略有差别。油气藏封存和咸水层封存主要利用了构造圈闭储存、束缚空间储存、溶解储存、矿化储存等封存机制,煤层气封存主要利用了吸附封存机制。国内外学者和机构针对各类封存技术提出了相应的计算方法,依据其计算原理可归纳为4类: 物质平衡封存量计算法、有效容积封存量计算法、溶解机制封存量计算法以及考虑多种捕获机制的综合封存量计算法。通过对各类经典方法及其计算原理进行综述,剖析潜力封存量计算方法的内涵原理和应用场景,分析了CO₂地质封存潜力评价方法在实际应用中面临的问题,有助于提升我国的CCS潜力评价质量。