第2章二氧化碳地質(zhì)封存理論基礎(chǔ)1.二氧化碳還有哪些物性參數(shù)會影響其地質(zhì)封存？以及這些參數(shù)是如何影響二氧化碳的地質(zhì)封存的？答：二氧化碳的地質(zhì)封存效果受到其多種物性參數(shù)與地下環(huán)境相互作用的綜合影響。首先，CO2的粘度直接影響其在地層中的流動特性。低粘度的CO2在超臨界狀態(tài)下更易擴散和遷移，可能增強其在多孔介質(zhì)中的分布均勻性，但同時也會增加泄漏風(fēng)險，尤其是在存在裂縫或滲透性較高的地質(zhì)構(gòu)造中。其次，壓縮性決定了CO2在高壓環(huán)境下的體積變化。高壓縮性意味著CO2在深層高壓條件下體積顯著縮小，可提高單位體積儲層的封存量，但壓縮性過強可能導(dǎo)致注入過程中壓力波動加劇，需精細(xì)調(diào)控注入速率以避免地層破裂。然后，熱力學(xué)性質(zhì)（熱容和熱導(dǎo)率）通過影響CO2與周圍巖層之間的熱交換，間接調(diào)控封存過程。CO2注入地層時會因絕熱膨脹或壓縮產(chǎn)生溫度變化，其熱容決定了溫度變化的幅度，而熱導(dǎo)率則影響熱量向圍巖的傳遞速率。若局部溫度顯著下降，可能導(dǎo)致巖石收縮或CO2水合物形成，改變孔隙結(jié)構(gòu)；反之，溫度升高可能加速化學(xué)反應(yīng)，影響長期封存效果。此外，擴散系數(shù)決定了CO2在孔隙流體中的分子擴散速率。高擴散性可促進CO2與地層水或烴類的混合，加速溶解封存過程，同時增強與礦物的接觸，促進礦化封存。然而，擴散過快也可能導(dǎo)致CO2過早分散至非目標(biāo)區(qū)域，降低封存集中度，尤其在非均質(zhì)地層中可能形成復(fù)雜運移路徑。最后，化學(xué)活性是CO2與儲層礦物及流體反應(yīng)的核心驅(qū)動力。CO2溶于水后生成碳酸，會溶解碳酸鹽礦物，增加孔隙度和滲透率，短期內(nèi)可能提升封存空間，但長期可能弱化蓋層完整性；同時，溶解的CO2與硅酸鹽礦物反應(yīng)可生成次生碳酸鹽礦物，通過礦化作用實現(xiàn)永久封存，但反應(yīng)速率受溫度、壓力和礦物成分的制約。這些物性參數(shù)并非孤立作用，而是通過復(fù)雜的多場耦合共同影響封存系統(tǒng)的動態(tài)演化。2.結(jié)合二氧化碳基礎(chǔ)物性，思考如何利用這些參數(shù)提高二氧化碳的封存效率或封存容量。答：二氧化碳的物理化學(xué)特性與其封存效率及容量提升密切相關(guān)。從物性參數(shù)出發(fā)，超臨界態(tài)特性提示在深部地質(zhì)封存中，通過控制儲層溫壓條件使CO2維持超臨界相態(tài)，可顯著降低黏度并提升流動擴散能力，使其更充分滲透至儲層巖石微孔隙，同時利用其近似液態(tài)的高密度壓縮體積空間，使單位地層容積封存量提升40%以上。針對溶解度特性，在咸水層封存中可通過構(gòu)建高壓封閉體系促使更多CO2溶解于地層水，形成密度更大的碳酸水溶液向下運移，既降低氣相逃逸風(fēng)險又通過離子交換促進礦物碳酸化反應(yīng)。礦物封存領(lǐng)域則需結(jié)合CO2酸性特征，優(yōu)化鎂鐵質(zhì)巖層破碎粒徑與反應(yīng)界面設(shè)計，利用原位酸性環(huán)境加速橄欖石、輝石等礦物的蝕解速率，通過預(yù)注催化離子溶液或構(gòu)建微納米孔隙網(wǎng)絡(luò)縮短礦物碳酸化反應(yīng)周期。對于蓋層密封性設(shè)計，需綜合考慮超臨界CO2的低界面張力特性，采用多層非均質(zhì)蓋層結(jié)構(gòu)并注入硅酸鹽凝膠，利用毛細(xì)管力差異構(gòu)建動態(tài)封堵屏障。在工程實施層面，通過注入?yún)?shù)動態(tài)調(diào)控實現(xiàn)相態(tài)轉(zhuǎn)換與地層應(yīng)力的協(xié)同匹配，在注入初期采用低溫高壓促使CO2快速達到超臨界態(tài)，中期梯度降壓誘導(dǎo)部分CO2溶解于地層水形成混合封存機制，后期通過溫度場調(diào)控激活礦物反應(yīng)，形成物理封存-溶解封存-化學(xué)封存的多級固碳體系，從而實現(xiàn)封存容量與長期穩(wěn)定性的雙重提升。3.分析并總結(jié)4種二氧化碳封存方式的特點。答：二氧化碳封存技術(shù)通過不同機制將二氧化碳長期固定于地下或轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定形態(tài)，其特點因作用原理和環(huán)境條件而異。構(gòu)造封存依托地質(zhì)結(jié)構(gòu)的封閉性，將超臨界二氧化碳注入深層多孔巖層（煤層、油氣藏或咸水層），依靠頂部致密蓋層實現(xiàn)物理隔離，具有封存規(guī)模大、見效快的特點，但對地質(zhì)構(gòu)造完整性和長期監(jiān)測要求較高。殘余封存則利用巖石孔隙的毛細(xì)作用力將二氧化碳以微小氣泡形式滯留于多孔介質(zhì)中，其穩(wěn)定性與巖層滲透率密切相關(guān)，雖受限于儲層物性，卻能在合適的地層中形成動態(tài)封存。溶解封存通過二氧化碳與地下水的相互作用形成酸性溶液，并與礦物發(fā)生緩慢反應(yīng)，這一過程受水文地質(zhì)條件與流體運移速率影響，雖可增強封存安全性，但可能改變地下水化學(xué)平衡并存在泄漏風(fēng)險。礦化封存通過二氧化碳與富鎂鐵礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鹽礦物，將氣體轉(zhuǎn)化為固態(tài)形式，這種轉(zhuǎn)化雖需較長時間且受反應(yīng)動力學(xué)限制，卻實現(xiàn)了近乎永久的封存，其環(huán)境風(fēng)險最低但技術(shù)經(jīng)濟性仍需突破。這四種方式在封存時效、安全等級和技術(shù)成熟度上形成梯度：構(gòu)造與殘余封存?zhèn)戎匚锢矸獯妫m合中短期規(guī)?；瘧?yīng)用；溶解與礦化封存依托化學(xué)轉(zhuǎn)化，雖進程緩慢卻為長期固碳提供更可靠路徑，不同技術(shù)的組合應(yīng)用可兼顧封存效率與穩(wěn)定性需求。4.分析深部煤層中，地應(yīng)力是通過哪些途徑影響二氧化碳混合流體的？答：在深部煤層中，地應(yīng)力通過改變煤層的物理結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，直接或間接調(diào)控CO2混合流體的賦存、運移及相互作用。首先，地應(yīng)力場主導(dǎo)了煤層的孔隙和裂隙結(jié)構(gòu)。高圍壓環(huán)境下，煤體受壓縮導(dǎo)致孔隙率降低、裂隙閉合，顯著削弱滲透率，限制CO2的擴散和運移能力；而構(gòu)造應(yīng)力方向的不均一性則促使裂隙網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)各向異性，使得CO2混合流體優(yōu)先沿最大主應(yīng)力方向或原有裂隙優(yōu)勢路徑流動，形成非均勻分布。其次，地應(yīng)力與CO2注入引發(fā)的孔隙壓力變化存在動態(tài)耦合效應(yīng)。CO2注入后，孔隙壓力升高會降低有效應(yīng)力，可能誘發(fā)煤體膨脹或微裂隙擴展，從而暫時改善滲透性；但隨著流體壓力消散，有效應(yīng)力恢復(fù)可能加劇孔隙閉合，形成滲透率的動態(tài)震蕩。此外，地應(yīng)力通過調(diào)控煤的吸附-解吸平衡影響CO2與CH4的競爭吸附過程。高地應(yīng)力條件下，煤基質(zhì)壓縮可能增強對CO2的吸附能力，促進CH4的解吸置換，但應(yīng)力導(dǎo)致的孔隙閉合也可能阻礙解吸氣體的擴散釋放，形成吸附-滲流矛盾的復(fù)雜局面。同時，地應(yīng)力與深部高溫環(huán)境的協(xié)同作用可能改變CO2的相態(tài)行為，在超臨界狀態(tài)下，CO2的密度和擴散系數(shù)受應(yīng)力控制的孔隙結(jié)構(gòu)影響更為顯著，其與煤有機質(zhì)的相互作用（溶解、溶脹）也會因應(yīng)力場對微觀結(jié)構(gòu)的約束而呈現(xiàn)差異。長期地應(yīng)力作用還可能誘發(fā)煤體的蠕變或塑性變形，導(dǎo)致裂隙系統(tǒng)逐漸調(diào)整，進一步影響CO2混合流體的封存穩(wěn)定性?？傊貞?yīng)力通過物理結(jié)構(gòu)重塑、滲流-力學(xué)耦合、吸附-應(yīng)力協(xié)同及相態(tài)調(diào)控等多重機制，深刻影響著CO2混合流體在深部煤層中的動態(tài)行為與工程效能。5.結(jié)合多相多場耦合理論，分析二氧化碳注入過程中，儲層可能發(fā)生哪些變化？答：基于多相多場耦合理論分析可知，在二氧化碳地質(zhì)封存過程中，當(dāng)超臨界CO2注入地下儲層后，首先會擾動原有的滲流-應(yīng)力-化學(xué)-溫度多場平衡狀態(tài)：孔隙壓力的急劇升高會改變儲層有效應(yīng)力分布，可能誘發(fā)剪切滑移或拉伸破壞，導(dǎo)致微裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成與擴展，這種力學(xué)場變化會反作用于滲流場，形成優(yōu)勢滲流通道與流體重新分布。同時，CO2-水-巖相互作用將顯著改變儲層化學(xué)場，酸性流體的生成促使碳酸鹽礦物溶解，釋放Ca2+、Mg2+等金屬陽離子，而硅酸鹽礦物的蝕變則可能形成次生黏土礦物，這種礦物相的動態(tài)轉(zhuǎn)化將導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)重構(gòu)，滲透率呈現(xiàn)各向異性演化。溫度場的擾動則通過改變流體黏度、界面張力及化學(xué)