绿泥石对CO2-水-岩石相互作用的影响

为了解关键性矿物在“超临界CO₂-水-岩石”系统中的地球化学作用,利用先进的数值模拟软件TOUGHREACT,结合我国鄂尔多斯盆地深部咸水含水层的基础地质条件,建立一维垂向模型,研究了盖层中绿泥石含量分别为3%、9%、15%时对CO₂-水-岩石相互作用的影响.发现CO₂进入盖层后,盖层的矿物成分和渗透率发生了较大变化.当绿泥石体积分数为3%时,盖层渗透率在5 000 a期间一直处于增大状态,不适合CO₂封存;当绿泥石体积分数为9%和15%时,盖层渗透率呈现先增大后减小的趋势,产生自封闭现象,有利于CO₂封存.结果表明,绿泥石的溶解为盖层中钙蒙脱石、铁白云石、片钠铝石、菱镁矿的沉淀提供了必要的Mg2+、Fe2+、AlO₂-等离子.绿泥石含量越多,CO₂矿化捕集量越大,盖层的自封闭效应越明显,其渗透率最大减少10%.本研究结果可为CO₂地质封存的长期性和稳定性评价提供理论依据.      

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.     

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了地球化学作用及不同流径地下水的混合比例。     

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。     

CO2-水作用对层状页岩拉伸破坏影响的微观损伤研究

CO₂压裂页岩储层时CO₂-水作用损伤页岩微观结构,改变拉伸破坏特征与裂缝扩展模式。为研究CO₂-水影响层状页岩拉伸破坏的微观损伤原因,设计了矿物含量测定、扫描电镜观察与巴西劈裂试验,对CO₂-水作用前后龙马溪与长7段页岩试件的微观损伤、破坏特征与裂缝扩展进行研究。结果表明：CO₂-水对层理的微观损伤作用较基质显著,层理黏土矿物脱水而体积减小,有机质被萃取收缩,纹层内产生沿层理分布的大尺寸(长度为10～30μm,开度为1～5μm)微裂缝,基质碳酸盐、长石等矿物被溶蚀,产生随机分布的小尺寸(长度小于1μm,开度小于0.5μm)微裂纹;CO₂-水作用后页岩抗拉强度降低且各向异性增强,破坏模式变为拉剪混合破坏,垂直层理加载试件的剪切作用更强;CO₂-水作用后层理对裂缝扩展的影响更大,垂直层理加载裂缝延伸被层理限制,裂缝沿层理方向水平扩展,平行加载裂缝扩展轨迹受层理约束,裂缝仅在层理扩展。     

天津市塘沽低温热储回灌的水-岩相互作用地球化学模拟

地球化学模拟是了解早期阶段回灌影响的有效方法,对塘沽热田的地热回灌试验进行了地球化学模拟,以地热供暖尾水作为初始反应流体,通过模拟其与储层岩石的水－岩相互作用,确定回灌对储层性质的影响,模拟是根据回灌水在不同温度下分别与岩石反应及在不断升温过程中连续与岩石相互作用而进行的,结果表明,回灌的影响在开始阶段是相当重要的,在仅考虑溶解和沉淀矿物间体积平衡的情况下,回灌对储层的孔隙度产生正的效应,水－岩相     

尕斯库勒盐湖中CO_2-卤水-盐岩相互作用模拟研究

利用PHREEQC软件模拟CO2侵入后,尕斯库勒盐湖中CO2-卤水-岩盐之间的相互作用。CO2侵入卤水层后,卤水中元素的化学形态种类和大小发生变化,特别是碳酸盐型的络合物形态增多。CO2侵入后,除了碳酸盐、石盐和硫酸盐矿物达到饱和被析出外,其余矿物的不饱和程度加剧,卤水的TDS增大,pH值减小。卤水中U的含量在CO2侵入后发生沉淀而减小。研究成果对深入评估区域内盐水层CO2地质封存的环境风险和利用CO2分离提取盐湖卤水中的铀元素提供理论依据。     

煤矿采空区水-岩作用模拟试验研究

采空区积水在我国煤矿中广泛存在。明确在采空区封闭-半封闭环境条件下的水-岩相互作用机理,对实现煤矿区水污染减量以及地下水资源保护具有重要意义。以内蒙古某煤矿采空区积水为研究对象,设计高度还原采空区环境的箱式模拟试验,采用X射线衍射仪(XRD)和X射线荧光光谱仪(XRF)对模拟采空区填充物(煤、垮落岩体)中矿物成分及元素组成进行分析,借助离子色谱仪(IC)和电感耦合等离子体发射光谱分析仪(ICP-OES)等对水中水化学特征进行表征,探究采空区积水水质形成的水-岩相互作用机制。结果表明:水-岩相互作用主要为煤及垮落岩体中的矿物溶解-沉淀作用、阳离子交换作用、煤中黄铁矿氧化作用以及混合作用。矿物溶解作用占主导地位,采空区积水中的Na⁺、K⁺主要来源是钠长石、钾长石等硅酸盐矿物的溶解,而Ca²⁺和Mg²⁺主要来自于钙长石、方解石、绿泥石等矿物溶解;离子交换作用主要发生在采空区水-岩作用的初期(0～20 d),而后逐渐减弱;采空区底部残煤中黄铁矿氧化作用是积水SO₄^2-     

增强地热系统热储层-盐水-CO2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。     

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。     

Dissolution and Deformation Characteristics of Limestones Containing Different Calcite and Dolomite Content Induced by CO2-Water-Rock Interaction

To investigate the impacts of mineral composition on physical and mechanical properties of carbonate rocks, limestone specimens containing different contents in calcite and dolomite are selected to perform CO2-water-rock reaction experiments. The X-ray Diffraction (XRD) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) are carried out to examine the change characteristics of mineral dissolution and pore structure after reaction. The core flooding experiments with Fiber Bragg gratings are implemented to examine the stress sensitivity of carbonate rocks. The results show that the limestones containing pure calcite are more susceptible to acid dissolution compared to limestone containing impure dolomite. The calcite content in pure limestone decreases as the reaction undergoes. The dissolution of dolomite leads to the formation of calcite in impure limestone. Calcite dissolution leads to the formation of macropore and flow channels in pure limestone, while the effects of impure dolomite in impure limestone results in mesopore formation. When confining pressure is lower than 12 MPa, pure limestones demonstrate higher strain sensitivity coefficients compared to impure limestone containing dolomite after reaction. When confining pressure exceeds 12 MPa, the strain sensitivity coefficients of both pure and impure limestones become almost equal.     

储层中CO2—水—岩石相互作用研究进展

本文综述了CO2对储层渗透率和储层岩石润湿性的影响、CO2与水间的相互作用,以及CO2、水与矿物(石英、硅酸盐和碳酸盐等)之间的相互作用。指出储层物性的改变会直接影响CO2的封存和EOR的效率;二氧化碳注入储层后,与地层水、储层岩石之间发生复杂的矿物溶蚀和沉淀作用是改变储层物性的直接原因。本文给出了大量可能发生的化学反应,讨论了影响反应速率的因素、研究中存在的问题和发展趋势,为今后实施CO2封存和EOR提供参考。     

水-岩作用对储层渗透性影响的数值模拟研究——以鄂尔多斯盆地东北部上古生界砂岩储层为例

油气储层的质量及演化往往受沉积作用和成岩作用的共同制约,成岩作用是影响储层孔渗最直接的因素,水-岩反应贯穿于整个成岩作用阶段,决定了孔渗的演化过程。本次研究以鄂尔多斯盆地东北部上古生界陆源碎屑岩储层下石盒子组-山西组为对象,运用多相流反应溶质运移数值模拟的方法,定量研究水-岩化学作用对含油气盆地储层渗透性能的影响,再现水-岩反应所造成的储层矿物溶解、沉淀以及储层渗透性的变化。结果表明：在成岩作用初期,矿物溶解过程占主导地位,模型运行50 Ma时,储层孔隙度由初始的0.30增至0.36,渗透率由初始的5.00×10^-15 m²增至8.70×10^-15 m²;在油气充注阶段（气体CO₂为主）,整个成岩作用矿物的沉淀量大于矿物的溶解量,导致固相体积增加,模型运行20 Ma时,储层孔隙度由0.20降低至约0.15,渗透率由5.00×10^-13 m²下降至约2.00×10^-13 m²。     

A Numerical Simulation Study of Temperature and Pressure Effects on the Breakthrough Pressure of CO2 in Unsaturated Low-permeability Rock Core

Gas breakthrough pressure is a key parameter to evaluate the sealing capacity of caprock, and it also plays important roles in safety and capacity of CO2 geological storage. Based on the published experimental results, we present numerical simulations on CO2 breakthrough pressure in unsaturated low-permeability rock under 9 multiple P-T conditions (which can keep CO2 in gaseous, liquid and supercritical states) and thus, a numerical method which can be used to accurately predict CO2 breakthrough pressure on rock-core scale is proposed. The simulation results show that CO2 breakthrough pressure and breakthrough time are exponential correlated with P-T conditions. Meanwhile, pressure has stronger effects on experimental results than that of temperature. Moreover, we performed sensitivity studies on the pore distribution index λ (0.6, 0.7, 0.8, and 0.9) in van Genuchten-Muale model. Results show that with the increase of λ, CO2 breakthrough pressure and breakthrough time both show decreasing trends. In other words, the larger the value of λ is, the better the permeability of the caprock is, and the worse the CO2 sealing capacity is. The numerical method established in this study can provide an important reference for the prediction of gas breakthrough pressure on rock-core scale and for related numerical studies.     

CO2地质封存盖层密闭性研究现状与进展

CO₂地质封存是应对全球性气候变化、减排温室气体的关键技术之一。大规模CO₂注入地层容易出现泄漏问题,尤其是通过盖层的泄漏,包括毛细管泄漏、盖层水力破裂和沿盖层既有断层的泄漏等。因此,盖层密闭性评价对CO₂地质封存长期安全稳定性的预测至关重要的。通过对密闭机理、影响因素、破坏模式等影响CO₂地质封存盖层密闭性的研究现状进行总结,发现盖层密闭机理包括毛细管封闭、水力封闭和超压封闭,影响盖层密闭性的主要因素有盖层岩性、盖地比特征、盖层厚度、盖层岩石力学性质和封存压力,进而对CO₂注入过程中盖层密闭性的破坏模式进行评价,并对盖层密闭性研究的不足提出了一些见解。     

考虑渗透率变化的煤层气储层数值模拟及参数敏感性研究

煤层气开采过程中储层渗透率的变化对产气量影响较大,通过引入S＆D渗透率变化模型,建立了考虑渗透率变化的煤储层三维气水两相渗流数学模型,完成模型检验后应用所编制软件研究了煤储层参数、吸附参数及渗透率模型特征参数对开发效果的影响。结果表明,煤层气产量随着初始含气量、煤层有效厚度、裂缝渗透率和Langmuir压力的增大而增大,随储层原始压力、裂缝孔隙度和Langmuir体积的增大而减小,而解吸时间对产气量影响不大;裂缝渗透率随着杨氏模量和基质收缩/膨胀系数的增大而增大,随泊松比和裂缝压缩系数的增大而减小。引入S＆D模型后计算的累积产气量要比常规模型低1.3%,因此不可忽视煤层气产出过程中渗透率的变化。     

化子坪长6储层长岩心CO2驱替实验及数值模拟评价

二氧化碳驱提高石油采收率(CO2-EOR)在我国大部分低渗透、低孔隙度油藏中的应用越来越重要。鉴于国家净零排放目标, 在采用二氧化碳驱提高采收率时, 二氧化碳封存是另一个重要考虑因素。针对低渗油藏, 开展天然岩心长岩心CO2驱替试验, 并利用TOGA(TOUGH Oil, Gas, Aqueous)软件建立岩心尺度数值模型开展模型的识别与验证, 对模型的有效性及物性参数进行敏感性分析, 结果表明, 1)根据出口气油比可将二氧化碳驱油与封存划分为未见气(0~100)、极少量气(100~1 000)、气体突破(1 000~10 000)、大量气窜(＞10 000)四个不同阶段; 2)孔隙度、渗透率及非均质性对模拟结果影响较大, 在后续实际场地模型中应予以重点关注。研究结果可为实际场地规模模型提供参数依据。