咸水层CO2地质封存地下利用空间评估方法研究

咸水层CO2地质封存技术是我国实现碳中和目标的重要支撑技术,也是一项深部地下空间开发利用技术。咸水层CO2地质封存工程利用的深部地下空间,需要在确定CO2羽流、扰动边界和经济因素“三级边界”的基础上进行综合评估。以我国唯一的深部咸水层CO2地质封存项目——国家能源集团鄂尔多斯碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage, CCS)示范工程为实例,基于封存场地储层CO2羽流监测以及扰动边界的推断预测结果综合评估,认为示范工程平面上4个1'×1'经纬度范围可作为地下利用空间平面边界,垂向上以纸坊组顶界(深度约958 m)为地下封存体顶部边界,以深度2 800 m为底板封隔层底界。提出的咸水层CO2地质封存地下利用空间评估方法,能够为未来封存工程地下利用空间审批与监管提供一定参考,但也需要进一步结合已有法律法规及规模化封存工程实践完善提升。     

黑龙江林甸地区深部咸水层CO2地质储存条件与潜力评估

CO₂地质储存是减少碳排放、缓解温室效应的有效措施。经地热勘探与综合研究,黑龙江林甸地区埋藏深度940～2062 m的中生代白垩系泉头组三四段、青山口组和姚家组砂岩层状地层中蕴含丰富的咸水,溶解性总固体可达2000～9000 mg/L,孔隙发育较好,水流速缓慢,其上盖层以白垩系嫩江组、四方台组、明水组的层状泥质岩为主,厚度为800～1300 m,未被主要断裂带穿透,封闭良好,决定了其可以作为储存CO₂的良好地质储体。同时,大庆市紧邻林甸地区,化工企业众多,碳源集中且充足,规模大,距离短,为研究区的CO₂地质储存提供了有利条件。因林甸地区油气资源匮乏,缺少石油井,本次工作首次利用地热勘探井,根据CO₂地质储存技术机理,采用国际权威潜力评估公式,开展了深部咸水层CO₂地质储存的潜力评估。结果表明,其深部咸水层CO₂理论储存量为478.91×108 t,有效储存量为11.49×108 t,储存潜力较大,未来可作为大庆、齐齐哈尔等邻近城市减碳的地质储存场所。此项工作的开展,为林甸地区下一步实施CO₂地质储存适宜性评价、目标靶区筛选和场地选址及示范工程建设提供了技术支撑。     

CO2流体对火山碎屑岩改造作用的实验研究

以塔木察格盆地火山碎屑岩为研究对象,研究不同温度下(100、120、140、160、180℃)CO2流体对火山碎屑岩(流纹质凝灰岩、沉凝灰岩)成分的改造.研究发现:在CO2流体的作用下,火山碎屑岩中的长石、碳酸盐矿物发生溶蚀,且其溶蚀强度随温度的升高而增大,石英的溶蚀程度较弱;火山碎屑岩中的凝灰质成分易溶蚀,并且是CO2流体溶蚀火山碎屑岩的主要对象;通过扫描电镜观察发现沉凝灰岩在160℃下样品表面有绿泥石(?)和一水软铝石(?)生成.结合塔木察格盆地中的碳酸盐矿物(尤其是片钠铝石)的存在及盆地中次生溶孔大量发育的特征,认为盆地内有CO2流体活动且CO2流体对塔木察格盆地次生孔隙的形成有重要的贡献.     

流动CO2—H2O系统中方解石溶解动力学机制：扩散边界层效应和CO2转？…

利用旋转盘实验装置和高分子生物催化剂技术,笔者研究了流动ＣＯ２－Ｈ２Ｏ系统中方解石溶解动力学及其控制机制。实验发现,方解石的溶解既受到固－液界面间扩散边界层（ＤＢＬ）的控制,还受到扩散边界层内ＣＯ２慢速转换反应（ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ←→Ｈ＾＋＋ＨＣＯ＾）的控制。然而,高ＣＯ２分压（Ｐｃｏ２〉０．０１ａｔｍ）时,溶解主要为ＣＯ２慢速转换控制,而低ＣＯ２分压（Ｐｃｏ２〈０．０１ａｔｍ）时,溶解主要为扩散为边     

CO2强化煤层气产出与其同步封存实验研究

长期以来针对CO₂-ECBM已做了大量研究工作,然而有限的工业试验没能达到预期目的,使得这一煤层气强化技术推广应用欠缺。近些年随着各国碳中和路线的制定,CO₂封存逐渐受到重视,煤储层可否作为CO₂的封存空间、可否实现CO₂驱替CH₄和封存同步进行,又重新回归人们的视野。为此,以新疆准南区块目标煤层样为研究对象,采用不同CO₂与CH₄混合比例气体进行煤的吸附/解吸实验,探索混合气体比例对CO₂-ECBM和CO₂吸附封存潜力的影响。结果表明,随着混合气体CO₂比例减少,CH₄驱替效果降低,其中40%CH₄+60%CO₂混合气体的CO₂残余量最多,在解吸至0.7 MPa时已有83.05%的CH₄产出,而83.62%的CO₂吸附残余在煤中,表明其C...     

CO2流体-长石相互作用实验研究

不同温度下(100、200、300℃)CO2流体与富钾长石和斜长石的水热实验表明:随着温度的升高,长石的溶蚀强度逐渐加大,且钠长石的溶蚀程度强于钾长石。在CO2流体与富钾长石及斜长石反应后,200℃和300℃时样品表面均有球粒状、棒状及花状的水铝矿生成,且200℃时样品表面有菱铁矿生成;在CO2流体与斜长石反应后,300℃时样品表面有球形的氧化亚铁析出。这表明CO2能够以碳酸盐的形式在矿物中"固定",其被"固定"的上限温度为200℃左右。     

火山岩吸附CO2气的成藏潜力及实例分析

火山岩的脱气实验和对昌德东CO2气藏气源的分析结果表明加热火山岩到250℃时,脱出挥发分总量为0.0299～0.0790mL/g,其中CO2脱出量为0.0218～0.0706mL/g(0.429～1.387wt%);挥发组分以CO2为主,还含有H2、CO、CH4等还原性气体,以及少量低碳烷烃,CO2含量和总烃呈现反比关系;基性岩的CO2脱出量、脱出率高于中、酸性岩;CO2脱出量与岩石碱质含量正相关.松辽盆地北部昌德东CO2气藏成藏模式为"自生自储",成藏CO2气主要来自深部被火山岩吸附的气.随岩浆上升,在岩浆冷凝成火山岩的过程中被吸附于火山岩的节理、劈理和晶体位错之中的CO2气,连同火山岩包体中的残留气,成为高纯CO2气藏的主要补给源,并非地幔气体沿大断裂上来直接充注成藏.     

CO2纯度对咸水层碳封存过程中残余水的影响

CO₂在地下深部咸水含水层的封存过程中,岩石孔隙内形成的残余水对CO₂可注入性、封存量及安全性都有负面影响,因此深入探究各因素影响下残余水的形成演化具有重要意义。文章利用取自鄂尔多斯盆地深部储层的天然岩心,在40℃和8 MPa的实验条件下利用3种纯度的CO₂(99.999%CO₂、75%CO₂+25%N₂以及50%CO₂+25%N₂)进行饱水岩心驱替实验,以探究CO₂纯度对残余水的影响。实验表明,在3种CO₂纯度下的岩心驱替实验中,达到突破点和排水终点所需时间排序均为：99.999%CO₂<75%CO₂+25%N₂<50%CO₂+50%N₂;不可再降残余水饱和度大小排序为：99.999%CO₂<75%CO₂     

CO2地质储存的地震监测

主要阐述了CO2隔离技术的基本思路和CO2地中隔离的主要方式,在此基础上提出了CO2煤层中隔离的可行性和隔离机制的分析方法,分析了CO2地质储存的重点研究问题及研究思路,评价了地震监测方法在CO2地质储存检测中的有效性。     

CO2流体对岩屑长石砂岩改造作用的实验

通过密闭容器中CO2-H2O-砂岩体系相互作用实验,研究了不同温度和压力下CO2流体对岩屑长石砂岩成分的改造。反应后溶液中总矿化度的变化、样品质量的损失及扫描电镜(SEM)的观察结果表明:长石、方解石和石英的溶蚀强度随温度的升高而增大,CO2流体对岩屑长石砂岩的溶蚀作用与温度正相关;同时通过扫描电镜观察发现,200℃和300℃时样品表面均有一种未知的铝硅酸盐矿物生成,并通过反应液的pH值及各种离子浓度的变化解释了CO2流体-砂岩相互作用过程中矿物溶解、沉淀的机制。     

CO2注入对煤储层应力应变与渗透率影响的实验研究

以沁水盆地成庄矿煤样为研究对象,利用实验室自主研发的CO₂注入与煤层气强化开采实验模拟装置进行不同有效应力和CO₂吸附压力下的煤岩渗透率测试。实验结果表明,煤岩的裂隙压缩系数受到CO₂吸附的影响,初始状态下、亚临界CO₂吸附和超临界CO₂吸附煤样裂隙压缩系数分别为0.066、0.086和0.089。引起裂隙压缩系数改变的原因主要有两方面：CO₂和煤中矿物反应提高了煤基质的不连续性;CO₂软化了煤基质同时降低了煤岩的力学性质。利用考虑吸附应变以及内部膨胀系数的渗透率模型对实测渗透率进行拟合,发现有效应力和内部膨胀系数成正比。CO₂吸附压力和有效应力的增大均提高了煤岩的内部膨胀系数,这影响了煤岩孔裂隙的开度,降低了煤储层的渗透率,并最终降低CO₂在煤储层中的可注性。     

海洋直接注入CO2封存技术方法综述

人类活动造成的CO₂排放是全球气候变暖面临的主要挑战之一。CO₂封存有望成为全世界减少碳排放份额最大的单项技术。海洋碳捕获、利用和封存(OCCUS)可以在较短时间内提供最大的碳封存能力,与其他地质封存方法相比更加安全有效。而且,多相态形式的CO₂(气态、液态、固态和水合物)可以在海洋纵深尺度上实现直接注入。海洋碳封存是一项发展潜力巨大、优势明显的新兴碳封存技术,是实现大规模碳减排的重要措施之一,具有广阔的应用前景。因此,笔者等系统地阐述了海洋CO₂直接注入、封存(OCS)的基本原理、技术现状、监测与评估,以及环境方面的影响,并对高效CO₂注入技术,CO₂泄漏的检测、防范与补救技术,以及海洋碳封存的生态后效等方面进行了展望。     

基于TOUGHREACT-MP的苏北盆地盐城组咸水层CO2矿物封存数值模拟

基于TOUGHREACT并行版,建立了苏北盆地盐城组下段砂岩层在碳封存中的CO2-水-岩反应二维径向模型,并评估储层的矿物封存潜力,探讨分析了网格剖分精度和储层各向异性对矿物封存模拟的影响。模拟结果表明:在CO2封存过程中,片钠铝石、方解石和菱铁矿沉淀较明显,在CO2注入5 000a后矿物封存的比例高达34.0%;网格剖分精度的不同对矿物封存反应路径没有影响,但粗网格模型计算得到的矿物封存量偏高;降低储层的kv(垂向渗透率)在短期内会促进CO2的水平运移,有利于溶解和矿物封存;但随着时间延长,降低kv对对流作用的抑制开始体现,表现为1 000a后中等kv值的模型计算出的矿物封存量高于较大kv和较小kv值的模型。     

热力耦合条件下超临界CO2驱替煤层CH4实验

为提高煤层CH₄抽采效率,利用自主研发的实验系统,模拟超临界CO₂在深部煤层中驱替CH₄的过程,开展了不同温度和注入压力条件下原煤试样中超临界CO₂渗流、吸附及驱替CH₄实验。结果表明：在恒定温度条件下,随着超临界CO₂注入压力逐渐增大,煤体渗透率提高,CO₂吸附量增加。超临界CO₂注入压力和温度对驱替效果影响显著。不同温度条件下,当超临界CO₂注入压力从8 MPa增至12 MPa,CH₄驱替量平均增长了0.076 cm³/g,CH₄驱替效率增加了17%~23%,超临界CO₂置换体积比呈线性递减趋势;相同注入压力条件下,温度每升高10℃,驱替效率平均增加8%,置换体积比平均下降0.5。研究结果为高效抽采煤层CH₄和实现CO₂封存提供理论依据。     

CO2封存三维地震实验区地质条件评价

根据地质要求在伊盟地区初选CO2封存地以及对其一定范围内的地质基本条件,综合应用地震、地质、测井资料进行综合评价。重点评价地层发育的地质特征,确定地层500 m以下至3 000 m以上储盖层的组合情况、分布区域和位置及厚度、地质构造特征如厚度、特点等,对储盖层岩石的孔隙度、渗透率等做初步预测,为开展CO2封存提出封存目的层的选择建议,利用区域勘探井的相关资料对建议层位进行评价,评价结果表明研究区内石盒子组和石千峰组两套区域性层系具有较好封存条件。     

CO2驱提高煤层气开采效果注入参数的实验研究

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。     

地下咸水层封存CO_2的关键技术研究

CO2 地质储存是减缓温室气体排放的重要手段之一,根据对全球范围内不同形式 CO2 地质埋存能力的计算,地下咸水层以分布广泛,埋存潜力大而成为最有效的地质埋存方式之一.在总结国内外 CO2 地质埋存工程现状的基础上,介绍了利用地下咸水层埋存 CO2 的原理、地下咸水层的关键参数、埋存能力计算、场地调查、数值模拟和监测技术等.并提出了相关建议.     

玄武岩封存CO2技术方法及其进展

玄武岩封存CO₂为碳捕集与封存（CCS）提供了一种新的具有潜在意义的选择。当今世界上已有三个示范工程案例,即日本Nagaoka、美国Wallula和冰岛Carbfix,这些实例初步证实了CO₂玄武岩封存的技术和经济可行性。玄武岩封存CO₂相关技术研究进展包括:（1）Carbfix项目采用水溶液替代胺溶剂来捕集烟气中的CO₂气体,以便同时对CO₂和其他可溶于水的气体进行捕获,而在排放点源只需简单加装水洗塔等设备作为气体分离装置;（2）冰岛提出了适用于CO₂饱和溶液注入与封存的Carbfix方法,设计出能分别注入气体和水溶液的专用系统;（3）Carbfix在注入与封存CO₂过程中首次采用示踪元素监测方法,并通过质量平衡方法定量估算注入CO₂发生碳酸盐化的百分比,发现往玄武岩里注入CO₂不到2年就有95%被完全矿化。今后仍需进一步研究的技术问题包括:（1）CO₂饱和溶液与超临界CO₂两种注入形式如何选择;（2）能否用海水替代淡水溶解CO₂;（3）如何提高地球化学模拟的准确性;（4）如何降低碳捕集、分离和运输环节成本。相关探讨对我国利用基性超基性岩进行CO₂封存具有一定借鉴意义。     

江苏省及近海区域CO2地质封存储层条件分析

对江苏省及近海区域地质进行了分析表明,下扬子地块发育的苏北—南黄海南部盆地为该省CO₂地质封存潜在目标场所。文章通过地层及岩性资料分析了CO₂封存适宜地层,在此基础上,根据钻井与地震测量剖面资料,阐述了各构造单元的800～3500 m深度范围存在的CO₂封存适宜地层的厚度,探讨CO₂封存空间适宜性。结果表明：盐城组下段、三垛组、戴南组、阜宁组一段与三段、赤山组砂岩具有较好CO₂储存空间;苏北—南黄海盆地的赤山组分布较少,盐城组、三垛组、戴南组、阜宁组地层分布范围较广;金湖凹陷、高邮凹陷、溱潼凹陷、海安凹陷、白驹凹陷、阜宁凹陷、盐城凹陷、南二凹陷、南四凹陷、南五凹陷、南七凹陷、南二低凸起具有较好的CO₂封存储层潜力;洪泽凹陷、临泽凹陷、涟南凹陷、涟北凹陷、南三凹陷、南六凹陷CO₂封存储层潜力较差。     

CO2相变致裂本煤层增透技术研究

研究液态CO₂相变特征和煤体对气相CO₂和CH₄的吸附规律,在不同煤质、温度和平衡压力条件下,实验得出在无烟煤和焦煤的煤体中CO₂竞相吸附的能力是CH₄的1.8~2.4倍。研究发现,液态CO₂在0.2 s内完成相变过程,体积瞬间膨胀至794倍。通过理论研究建立了采用不耦合致裂条件下的爆破孔初始冲击压力峰值、裂隙圈有效半径和爆破致裂钻孔孔径3个主要爆破参数变量的数学模型。采用液态CO₂瞬间相变出口压力为200MPa的致裂器,进行致裂爆破本煤层增透现场实验研究,研究得出距离致裂爆破孔2m和3m的控制孔在爆破后单孔瓦斯抽采纯量提高至6倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度提高至5倍和4倍,单孔瓦斯抽采浓度保持在35%~55%,而距离致裂爆破孔4m的控制孔在爆破5d后瓦斯抽采效果衰减至爆破前的水平。现场试验得出初始冲击压力峰值200MPa和钻孔孔径0.094m时,本煤层致裂爆破裂隙圈有效半径为3m。