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采空区CO2地层水系统的界面张力(IFT)影响规律

来源:煤炭学报 浏览 75 次 发布时间:2024-07-01

碳排放导致的全球气候变暖问题日益显著,加快了能源行业低碳化结构调整的进程。CO2排放作为温室效应加剧的主要源头,与煤炭等化石能源使用密切相关。“双碳”战略目标的推行要求在煤炭绿色低碳发展的基础上,应同时积极探索碳捕集、封存和利用(CCUS)技术,最大限度实现CO2的捕捉封存、回收循环及资源化利用。对煤矿而言,CO2封存目标地质体主要为深部不可采煤层,而采空区作为非常规潜在封存地质体前景同样不容小觑。采空区CO2封存作为解决煤炭行业碳排放难题的重要负碳技术储备,在采空区废弃资源二次利用、碳减排等方面具有广泛的应用价值。


CO2在采空区碳封存的主要形式包括物理封存(构造封存、残余气封存)与化学封存(溶解封存、矿化封存)。就安全性而言,化学封存尤其是矿化封存被认为是安全性最高的封存方式。其中,CO2的扩散溶解传质是化学封存发生的首要条件。采空区上部覆岩与侧向封闭墙(煤柱+注浆封堵墙)形成封存空间,注入的游离态CO2会扩散溶解形成CO2−水体系,打破地层的地球化学平衡,经历CO2(g)→CO(aq)→HCO3−→CO32−的一系列动态化学转化过程。溶解度和反应程度受气液界面张力、环境温压、地层水离子质量分数等因素影响。


CO2充注进入采空区后的扩散传质效率受到气液界面张力较大影响。CHOW等通过实验,在298~488 K和0~50 MPa条件下测量了(N2+CO2)+H2O的界面张力(Interfacial Tension,以下简称为IFT),并改进了经验系数;美合日阿依·穆太力普等重点对封存地层温度、压力条件下的CO2−咸水/油相间IFT、岩石接触角(CA)、CO2溶解度及溶解CO2的咸水pH、CO2−油混相压力等相界面特性进行了实验和数值分析;邸梦瑶等开展了深部咸水层环境下CO2−水界面张力模型计算研究,并指出了界面张力测定对CO2安全封存的应用价值。CO2在地层水中的溶解度直接影响化学封存效率,研究点主要包括多尺度实验室研究及溶解度模型重构等。实验研究方面,龙震宇等利用高温高压反应釜等设备,测量不同温度、压力、矿化度下CO2在水中的溶解度,明确了CO2在水中的溶解规律;马丽丽等通过恒温水浴振荡器使静态溶解平衡的CO2−水体系中的流体产生回旋运动,以此研究流体的流速对CO2−水体系静态溶解平衡的影响;溶解度模型研究方面,几乎所有的建模原理都是从热力学基本原理出发,DUAN等建立了预测CO2在纯水和NaCl水溶液中溶解度的模型;MAO以及LI等均采用基于Pitzer电解质理论的活度系数和Peng-Robinson状态方程的方法建立了CO2在不同条件下的溶解度热力学模型。


虽然前期探索CO2地下封存技术的方式较多,但多是基于CO2的超临界态处理,对采空区储层环境下气态CO2气液界面扩散−溶解机理的探索有待进一步分析。笔者利用原位界面张力测定仪开展了不同温压、地层水矿化度及阳离子溶液种类对CO2−地层水系统的IFT影响规律实验,明晰了CO2注入含水碎胀煤岩体中的气液界面扩散效应,并将基于统计缔合理论结合兰纳−琼斯势能模型的状态方程(SAFT-LJ状态方程)与密度梯度理论(DGT)结合预测了IFT理论值;其次利用自主研发的地质封存地化反应模拟实验平台对相同条件下的CO2溶解性进行了探究实验,得到了采空区储层环境下CO2溶解度变化特征,采用D-S模型计算了对应CO2溶解度理论值,进一步阐明了CO2−地层水界面效应与溶解传质的耦合关系,以期为采空区CO2安全高效封存提供理论依据。


采空区CO2封存作为解决煤炭行业碳排放难题的重要负碳技术储备,在采空区废弃资源二次利用、CO2封存等方面具有广泛的应用前景。利用原位界面张力测定仪开展了不同温压、地层水矿化度及阳离子溶液类型对CO2地层水系统的界面张力(IFT)影响规律实验,明晰了CO2注入含水碎胀煤岩体中的气液界面扩散效应,并将基于统计缔合理论结合兰纳−琼斯势能模型的状态方程(SAFT-LJ状态方程)与密度梯度理论(DGT)结合预测了IFT理论值;利用自主研发的地质封存地化反应模拟实验平台对相同条件下的CO2溶解性进行了探究实验,得到了采空区储层环境下CO2溶解度变化特征,采用D-S模型计算了对应CO2溶解度理论值。

图 1    整体研究思路、实验设备及流程

图 2    不同温度、压力条件下 CO2−纯水界面张力变化情况

图 3    不同矿化度条件下 CO2−盐水界面张力变化情况

图 4    不同离子溶液类型条件下 CO2−纯水界面张力变化情况(矿化度统一为 1.5%)

图 5    自变量与界面张力−溶解度−溶解度变化规律

实验结果

环境温度一定时,采空区储层压力与IFT呈线性负相关关系,储层温度升高,IFT相应增加,但变化幅度较小;温压条件一定时,矿化度与IFT存在正相关性,且在本实验范围内,低压、高温、高矿化度会促使IFT升高;CO2−盐溶液之间的IFT呈现出随着阳离子价态升高而增大的现象(K+ < Na+ < Ca2+ < Mg2+);采空区储层压力与CO2溶解度呈正相关关系,当温度为25°C、纯水条件下,压力由0.5 MPa增至2.5 MPa,对应CO2溶解度由0.1627 mol/kg升至0.714 1 mol/kg;CO2溶解度随着温度与矿化度的升高而降低;相同质量分数下,一价阳离子溶液(NaCl、KCl)比二价阳离子溶液(CaCl2、MgCl2)可溶解更多的CO2。注入采空区中的游离相CO2克服界面张力通过扩散溶解传质作用打破了采空区地层的地球化学平衡,通过明确环境温压条件、采空区水环境对IFT及CO2溶解度的影响规律,阐明CO2地层水气液界面效应及溶解传质机理,以期为采空区CO2封存安全性及封存量评估提供理论基础。