封存CO2的泄漏过程预测与泄漏速率的影响因素特性

地下封存CO₂泄漏的评估方法和风险控制是碳捕集和封存（CCS）技术亟待解决的核心问题。为了揭示封存CO₂泄漏过程的影响因素及其特性,本文建立两相流驱替过程数学模型描述封存CO₂的泄漏过程,采用COMSOL Multiphysics 3.5a软件进行数值模拟。通过对基准问题及其解的拓展,分别对注入井与泄漏通道之间距离、泄漏通道半径、泄漏通道渗透率、CO₂注入速率和CO2注入深度等因素对封存CO2泄漏过程的影响特性进行研究,通过过程模拟和数据分析得到了影响因素的定量函数关系。研究表明：封存CO₂的渐近泄漏速率与注入井与泄漏通道之间距离倒数呈对数线性关系,与泄漏通道半径呈抛物线型关系,与注入速率呈线性关系;泄漏通道的绝对渗透率是CO₂泄漏速率控制的关键因素,而CO₂注入深度的增加并不能有效地降低CO₂泄漏速率。本文的计算模型和数值模拟结果不仅揭示了地下封存CO₂泄漏过程的影响因素与泄漏速率之间的定量关联规律,还可为地下封存CO₂的封存地点选择、泄漏速率估计和泄漏风险评估提供工程分析方法和计算工具。     

多孔介质内超临界CO2流体及泡沫驱油特性的比较实验研究

CO₂混相驱替可以提高原油采收率,因此近年来得到研究者们的广泛关注。使用高温高压驱替设备,利用超临界CO₂流体、超临界CO₂泡沫及N₂泡沫作为驱替介质,对油水饱和孔隙介质中的油相驱替特性开展了比较实验研究。通过对驱替过程沿程压力及对驱替增采油量的测量,对不同驱替手段在孔隙介质内的油相增采特性进行深入研究和探讨。研究发现在温度为50℃、压力为13 MPa时,超临界CO₂流体对多孔介质内的油相驱替效果有显著提升,当压力进一步升高到23 MPa时,油相增采效果不明显。说明在本实验条件下超临界CO₂流体与油相在50℃、13 MPa时可达到混相驱替状态;而采用超临界CO₂泡沫及N₂泡沫注入工艺未能进一步提高出油量。沿程压差测量结果则显示,与N₂泡沫相比,超临界CO₂泡沫在多孔介质试样内的驱替压差较小,起泡性能较差。实验结果对于筛选及评价超临界CO₂驱油工艺具有一定的指导意义。     

低渗砂岩油田CO2驱化学机理及提高采收率研究

针对低渗砂岩油藏进行了CO₂驱开发技术研究,分析了CO₂驱油化学机理及主要影响因素。基于目标油藏流体特征进行了PVT拟合,确定其CO₂驱最小混相压力,明确了不同压力及注入时机对CO₂驱采收率、气油比、含水率及驱动压差等的影响规律,探究了CO₂泡沫驱在提高采收率方面的效用。结果表明：24.5 MPa为目标区域CO₂驱的最小混相压力,采收率会随着压力的升高而增加,28 MPa时CO₂驱提高采收率可达30.57%。气体突破时间、总采收率与CO₂注入时机密切相关,CO₂注入越早,越有利于采收率的提高,出口含水率为60%时注入可提高采收率39.13%。CO₂泡沫驱可以在一定程度上起到提高采收率的效用。     

碳中和背景下CO2驱油技术研究进展

CCUS是指CO₂捕集、利用和封存，是解决全球气候变暖、控制CO₂排放的重要技术手段，CO₂驱油是CO₂利用的主要形式之一。本文阐述了CO₂混相驱、非混相驱和近混相驱的驱油机理、影响因素及国内外发展简况，系统整理并归纳了国内外CO₂防气窜及提高波及体积技术，重点介绍了水气交替技术、化学封窜剂、CO₂泡沫驱、碳化水驱和增稠的CO₂驱，包括基本做法、封气窜原理、研究进展等，探讨了CO₂驱油过程中存在的问题及解决对策，为碳中和背景下非常规油气的绿色开发提供理论指导和技术支持。     

CO2驱替开采致密油藏动态规律分析

致密油藏孔喉致密能量补充困难,仅依靠天然能量开采效果很差。为研究CO₂对致密油藏的改善效果,使用数值模拟方法,研究了CO₂驱替开采致密油藏的生产规律。研究表明：(1)CO₂驱替时日产油水平长期处于高产阶段,平均日油水平接近天然能量开采致密油藏的2倍,开采效果显著改善。(2)与水驱相比,CO₂驱可以更好地补充地层能量,具有更大的波及范围,采出程度更好,开采效果更好。(3)转驱时机过早或过晚,均不利于综合开采效果的改善,转驱时机的确定应综合考虑累产油量和CO₂换油率。本研究对促进CO₂驱替在致密油藏开采中的应用具有重要意义。     

CO2/表面活性剂复合驱油提高采收率研究

随着油田中大量轻烃采出，CO₂与地层原油的极性差异变大，萃取原油效果变差，并且由于黏性指进和过早突破的问题，开发效果越来越不理想。基于此，初选6种目前常用的驱油表面活性剂，进行溶解度、降黏实验以及耐盐、耐温实验，对表面活性剂进行筛选和评价。通过细管驱替实验测定地层压力下纯CO₂驱和复合驱的驱油效率，评价复合驱提高采收率的可行性。实验结果表明：表面活性剂AES能大大降低原油黏度，有效改善其流动性，并能溶于超临界CO₂，具有良好的两亲性，同时化学稳定性也符合生产要求，可作为驱油剂使用；在不高于混相压力下，以0.08 PV的表面活性剂段塞注入地层，在各个压力点下，复合驱的驱油效率都比纯CO₂驱要高，证明了复合驱提高采收率的可行性，原油MMP降低了5 MPa，使得油田的CO₂近混相驱甚至混相驱具备可能性。     

Y油田CO2驱水气交替规律

CO₂驱可以有效解决特低渗透油层注入难、采出难的问题,但同时也存在部分油井气油比上升速度快、气窜控制困难的问题。目前水气交替注入方式是应用最广、成本最低的一种治理气窜^[1]的方法。通过对油层岩心设定固定回压下,水气交替注入(WAG)与连续注CO₂气方式的驱替试验,研究在相同注入压差下,水气交替方式驱替效率明显高于连续注气方式,且在注入压差较低的情况下,水气交替注入的效果更好;通过填砂管试验,研究了水气交替过程中压力上升规律,在交替注入过程中,随着注入量的增加压差不断升高,其中注水压差迅速上升,注气压差上升速度较低。并通过理论研究指导现场CO₂驱工业化试验区水气交替实施,使试验区一直处于低气油比开发阶段。     

水合物法模拟海底封存CO2气体的实验

向海底地层和枯竭油气藏中注入CO₂气体形成稳定的CO₂水合物是一种极具前景的CO₂封存技术。为了进一步探究这一技术,本文利用水合物法进行了多组3MPa、5℃天然湿砂的CO₂封存实验模拟。初始水饱和度设置为10%、40%、70%,分别进行了纯水封存实验和3.5%（质量分数）NaCl溶液的封存实验,还利用自主研发的反应釜系统探索了3种不同进气方向（顶部进气、横置进气、底部进气）下的CO₂封存效果。结果发现横置进气的封存量普遍大于顶部进气的封存量,底部进气的封存量最小,而且横置进气的封存速度最快;初始水饱和度越高,水合物饱和度就越高,但水合物转化率越低,CO₂固态封存比例也越低;与纯水实验相比,盐的存在降低了CO₂的封存量,固态封存比例也会低于纯水实验,但封存速度更快。本文为实际工程操作时合理控制封存地层水饱和度、盐度以及合适的进气方向提供了依据。     

二氧化碳深盐水层埋存传质数值模拟

CO₂的深盐水层埋存被认为是埋存量最大、最有前景的CO₂埋存方式。通过针对我国地质特点，选取硅酸盐地质层为CO₂埋存层，利用TOUGHREACT软件，数值模拟研究了超临界CO₂埋存在硅酸盐地质层中的传质问题，得到以下结论：注入CO₂ 10年后，深度750 m处，盐水层pH值沿着远离注入井方向呈增大趋势；气体饱和度在近注入点附近区域为1，后沿径向逐渐降到0；方解石容积分数沿径向增加，最终回落到与盐水层中原有含量相同水平；矿物捕获的CO₂变化趋势与方解石相仿；HCO^-₃的变化趋势与CO₂气体和CO^2-₃浓度的变化密切相关，在注入中段区域增加，后回落到盐水层原有水平。这些结果有益于认识CO₂埋存机理。     

致密油藏二氧化碳驱油技术研究进展

我国致密油藏地质勘探资源储量高,储层条件差。常规注水开发无法满足致密油藏目前的开发需求。CO₂驱油技术在致密油藏的开发中具有一定的应用潜力,但其驱油过程面临技术、经济等方面的制约。本文总结了CO₂驱油技术研究及应用现状,并从多角度对CO₂驱油技术的影响因素进行分析,旨在为CO₂驱油技术在致密油藏开采过程中的低能耗高产出提供指导。     

Pore-scale study based on lattice Boltzmann method of density driven natural convection during CO2 injection project

Saline aquifers are chosen for geological storage of greenhouse gas CO₂ because of their storage potential. In almost all cases of practical interest, CO₂ is present on top of the liquid and CO₂ dissolution leads to a small increase in the density of the aqueous phase. This situation results in the creation of negative buoyancy force for downward density-driven natural convection and consequently enhances CO₂ sequestration. In order to study CO₂ injection at pore-level, an isothermal Lattice Boltzmann Model (LBM)with two distribution functions is adopted to simulate density-driven natural convection in porous media with irregular geometry obtained by image treatment. The present analysis showed that after the onset of natural convection instability, the brine with a high CO₂ concentration infringed into the underlying unaffected brine, in favor of the migration of CO₂ into the pore structure. With low Rayleigh numbers, the instantaneous mass flux and total dissolved CO₂ mass are very close to that derived from penetration theory (diffusion only), but the fluxes are significantly enhanced with high Ra number. The simulated results show that as the time increases, some chaotic and recirculation zones in the flow appear obviously, which promotes the renewal of interfacial liquid, and hence enhances dissolution of CO₂ into brine. This study is focused on the scale of a few pores, but shows implications in enhanced oil/gas recovery with CO₂ sequestration in aquifers.     

二氧化碳封存技术在油气行业应用进展

油气行业封存二氧化碳具有天然优势,利用油气藏封存二氧化碳不仅可以降低大气中二氧化碳的浓度,减缓温室效应,同时还可以通过向正在生产的油气井中注入二氧化碳达到驱油并增加原油产量的目的,具有很好的经济效益.目前,该技术应用在国内尚处于试点示范阶段,为了对该技术进行深入研究,充分发挥二氧化碳驱油在应对气候变化方面的积极作用,文...     

CO2浓度对混溶态(CO2+正己烷)/盐水界面微观特性的影响

在CO₂以超临界状态封存于油气藏时,储层中流体间的界面性质是影响封存效率和封存量的重要因素。利用分子动力学模拟的方法,对330 K、20 MPa混溶条件下(CO₂+正己烷)/NaCl溶液系统的界面微观性质进行了研究,分析了混溶相中CO₂摩尔分数变化时,界面处CO₂和正己烷的亲水、疏水特性及其影响,为CO₂地质封存提供理论依据。研究发现,随着混溶相中CO₂摩尔分数的增加,界面厚度及粗糙度增大,分子渗透加深,热波动加剧。界面上CO₂与水之间更强的相互作用造成了CO₂注入过程中界面张力的降低。CO₂表现出类似于表面活性剂的性质,并在CO₂摩尔分数为65%(质量分数为50%)时,其界面累积量以及正己烷的驱离量最大。界面处存在特殊的分子微观结构,CO₂、水及正己烷分子呈现特殊的排布方式。     

封存过程中二氧化碳对煤体理化性质的作用规律

强化煤层气(CH₄)开采的深部煤层封存二氧化碳(CO₂)技术能够将主要人为温室气体进行有效存储,但基于煤体特征和适宜储层条件下的CO₂流体特性,CO₂流体和煤体之间存在除吸附作用以外的其他流-固作用。CO₂流体和煤体之间的流-固作用关系既会影响煤层的CO₂封存潜力又会引发潜在的环境问题。为此,本文结合国内外的相关研究工作,介绍了煤层封存CO₂过程中煤体理化性质变化的研究成果,归纳了煤体理化性质变化对煤层封存CO₂潜力的影响,指出了煤体理化性质变化由此造成的环境安全与健康风险问题。分析表明:深部煤层封存CO₂过程中流-固作用及其影响主要包括两个方面:①CO₂流体能够诱导煤基质发生溶胀效应,因而会影响注入的CO₂流体在煤层内部的扩散和吸附能力;②CO₂流体具有萃取煤基质内部有机物的能力,会对环境安全与健康造成威胁。此外,本文还指出了煤基质溶胀机理及其可逆性、煤基质中被萃取出有机物的定性与定量分析是后续煤和CO₂流体作用关系的重要研究方向。     

油水分层流条件下腐蚀动力学特性模拟

当石油输送管道内处于油水分层流条件时,管道底部与酸性水层接触极易造成内腐蚀,严重威胁管道安全,传统的静止和单相流条件的腐蚀预测方法已不能指导管道的安全运行,而多相流动、离子传质、化学反应及电极动力学等多种不同尺度的物理化学过程对多相流腐蚀预测提出了挑战。本文基于多相流动特性及电化学腐蚀特性的耦合机理提出了分层流条件下腐蚀动力学模型,首先建立油水三层流传质计算模型,进而基于溶液区域和产物膜内部的传质计算,依据阴阳极电化学反应电流密度与传质通量之间的平衡关系,形成多相流条件下腐蚀预测方法。探究了离子传质、电极反应以及产物膜动态生长的耦合过程对腐蚀行为的作用机理,揭示了CO₂分压、温度对腐蚀发展规律的影响机制。研究发现温度、CO₂分压的改变会导致平衡反应方向的移动,从而改变离子浓度;离子的扩散系数是决定传质系数变化的内在原因;腐蚀速率的变化规律由产物膜生长和电极反应两种因素共同决定：腐蚀产物膜的生长会阻碍反应离子的传质效应,从而抑制腐蚀;而离子浓度的升高或传质增强会加快电极反应,促进腐蚀。     

微通道内CO2吸收与传质及资源化利用的研究进展

由于在流体流动、传质、传热及反应等方面良好的调控能力,微化工技术成为化工学科重要的发展领域。综述了近年来以CO₂应用为背景的微化工系统中的多相流与传质的研究进展。从流体流动和传质机理出发,分别介绍了物理吸收和化学吸收过程的传质规律。总结了二氧化碳资源化利用的应用进展。展望了微化工技术在二氧化碳吸收与传质方面的发展前景。     

Displacement of shale gas confined in illite shale by flue gas: A molecular simulation study

The shale gas is an unconventional supplementary energy to traditional fossil energy, and is stored in layered rocks with low permeability and porosity, which leads to the difficulty for exploration of shale gas. Therefore, using CO₂ gas to displace shale gas has become an important topic. In this work, we use molecular simulations to study the displacement of shale gas by flue gas rather than CO₂, in which flue gas is modeled as a binary mixture of CO₂ and N₂ and the shale model is represented by inorganic Illite and organic methylnaphthalene. CH₄ is used as a shale gas model. Compared to the pure CO₂, flue gas is easily available and the cost of displacement by flue gas would become lower. Results indicate that the pore size of shale is an important factor in the process of displacing shale gas and simultaneously sequestrating flue gas, while the flue gas N₂-CO₂ ratio shows a small effect on the process of CH₄ displacement, because the high partial pressure of flue gas is the main driving force for displacement of shale gas. Moreover, the geological condition also has a significant effect on the process of CH₄ displacement by flue gas. Therefore, we suggest that the burial depth of 1 km is suitable operation condition for shale gas displacement. It is expected that this work provides a useful guidance for exploitation of shale gas and sequestration of greenhouse gas.     

超临界CO2法再生油气回收用活性炭机理研究进展

储油罐中的原油及汽油等轻质油品在储存或运输过程中,部分轻组分蒸发产生多种对大气有毒、有害的挥发性有机物（VOCs）。在油气回收的终端环节,常采用活性炭对VOCs进行充分吸附达标后排放至大气。对吸附VOCs饱和的活性炭进行脱附再生,既可延长活性炭使用寿命,又可减少固体废弃物处理量。超临界CO₂再生活性炭方法较好地克服了传统的热再生法固有的缺陷,被认为是目前有前途的再生活性炭方法。本文详细阐述了超临界CO₂再生活性炭的机理研究现状,总结了机理研究的关键点及存在的问题,指出了VOCs在超临界CO₂作用下脱附的微观机理及脱附后的VOCs在活性炭中相关传质系数的计算模型为今后机理研究的关键突破口,为超临界CO₂再生活性炭基础理论的进一步完善指明了研究方向。     

Environmentally benign multiphase catalysis with dense phase carbon dioxide

Environmental concerns stemming from the use of conventional solvents and from hazardous waste generation have propelled research efforts aimed at developing benign chemical processing techniques that either eliminate or significantly mitigate pollution at the source. This paper provides an overview of heterogeneous and homogeneous catalysis in dense phase CO₂, considered a green solvent. In addition to solvent replacement, the demonstrated advantages of using dense phase CO₂ include the enhanced miscibility of reactants, such as O₂ and H₂ which eliminate interphase transport limitations, and the chemical inertness of CO₂. Further, the physicochemical properties of CO₂-based reaction media can be pressure-tuned to obtain unique fluid properties (e.g. gas-like transport properties, liquid-like solvent power and heat capacities). The advantages of CO₂-based reaction media for optimizing catalyst activity and product selectivity are highlighted for a variety of reactions including alkylation on solid-acid catalysts, hydrogenation on supported noble metal catalysts and a broad range of homogeneous oxidations with transition metal catalysts and dioxygen as an oxidant. Through these examples, the need is emphasized for a systematic approach to research and development of supercritical carbon dioxide based processes, taking into account conventional multiphase reaction engineering principles, catalytic chemistry and phase behavior.