二氧化碳地質(zhì)封存Welcometo第二章:CO2多相流基礎(chǔ)理化性質(zhì)第一節(jié):CO2在儲層中的高壓物性第二節(jié):CO2與地層水的相互作用第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一.CO2相圖二.密度三.粘度四.壓縮因子第一節(jié):CO2在儲層中的高壓物性CO2的物理性質(zhì)17世紀初，比利時化學(xué)家J.B.Van.Helmont(1577~1644)在檢測木炭燃燒和發(fā)酵過程中發(fā)現(xiàn)CO2,是一種與其他氣體不同的氣體。1757年，J.Black第一個應(yīng)用定量的方法研究這種氣體。CO2的物理性質(zhì)CO2,在常溫常壓下為氣態(tài)，密度比空氣大，密度、相態(tài)、粘度等性質(zhì)會隨溫度和壓力發(fā)生變化CO2的特性參數(shù)CO2的物理性質(zhì)CO2相圖可以看出，純CO2的相態(tài)圖有兩個明顯的特征點:三相點和臨界點。臨界點壓力為7.38MPa，臨界溫度為31.1℃。三相點壓力為0.52MPa，溫度為-56℃。當(dāng)溫度和壓力均超過臨界點時，CO2就進入超臨界態(tài)。超臨界流體在臨界點附近的一個重要特征是，熱物理參數(shù)隨溫度的變化非常劇烈，臨界點附近微小的溫度和壓力變化就能導(dǎo)致其特性的改變CO2的物理性質(zhì)CO2的密度CO2密度隨壓力的變化表CO2的物理性質(zhì)CO2的密度密度ρ定義為單位體積(V)物質(zhì)的質(zhì)量(m),即:氣體的摩爾數(shù)(n)是質(zhì)量(m)與相對分子質(zhì)量(M)之比,故有:n=m/M代入狀態(tài)方程pV=n·R·T中,即得:式中:

p--壓力;

R--理想氣體常數(shù);

T--溫度CO2的物理性質(zhì)CO2的密度考慮偏差系數(shù)對真實氣體的影響,狀態(tài)方程可以寫成式中

Z--壓縮系數(shù)。

因此，二氧化碳的密度可以下式進行計算:二氧化碳氣體的相對分子質(zhì)量可表示為:式中Ma--空氣的相對分子質(zhì)量(28.97);

M--二氧化碳的相對分子質(zhì)量(44.01);

γg二氧化碳的相對密度,純二氧化碳的相對密度為1.1192。CO2的物理性質(zhì)CO2的密度純CO2密度隨溫度和壓力變化的關(guān)系圖CO2的密度隨壓力的增大而增大，隨著溫度的升高而降低;在30℃左右變化最劇烈，但是隨著壓力增加，密度變化的劇烈程度有所減緩氣態(tài)密度:1.977g/L(0℃，101.325kPa)液態(tài)密度:0.9295kg/L(0℃101.3485kPa)固態(tài)密度:1.56kg/L(-79℃)CO2的物理性質(zhì)CO2的密度?

由于密度的變化CO2的體積隨地層深度發(fā)生變化

地面條件下1000m3的CO2到地下800m深度后，體積壓縮到3.8m3一:CO2相圖二.密度三.粘度四.壓縮因子第一節(jié):CO2在儲層中的高壓物性CO2的物理性質(zhì)CO2的粘度

氣體黏度表示氣體流動的難易程度。黏度大,說明氣體不易流動;反之,黏度小,氣體容易流動。

動力黏度(μ)定義為流體中任意點上單位面積的剪應(yīng)力(τ)與速度梯度的比值,它是流體(氣體或液體)內(nèi)摩擦而引起的阻力?？杀硎緸?

標準狀態(tài)下二氧化碳氣體的動力黏度為0.0138mPa·s;

臨界狀態(tài)下的黏度則為0.0404mPa·s。

通常情況下,流體的黏度會隨著壓力的增加而增加,隨著溫度的升高而降低CO2的物理性質(zhì)CO2的粘度一般采用液相的計算公式,在其后結(jié)合混合函數(shù)來計算氣相的黏度。這些方程計算起來幾繁,而且與期望的結(jié)果相差很大。Vesovic等(1990)和Fenghour等(1998)給出了基于實驗數(shù)據(jù)的一個經(jīng)驗公式來計算二氧化碳的黏度其適用條件是溫度范圍為200~1500K密度值可達到1400kg/m溫度在1000K以下時,黏度公式的最大適用壓力可達到300MPa。該方法已經(jīng)被看作是一種標準。下邊介紹該方法計算過程。二氧化碳的黏度由三部分組成:式中----零密度時的粘度，mPa·s；----由于密度增加時附加粘度，mPa·s；----在臨界點附近增加的粘度，mPa·s。CO2的物理性質(zhì)CO2的粘度

零密度下的黏度計算可由下式得到:

在這里，μ0(T)的單位μPa·s，溫度的單位是K.減少的橫截面的面

下邊的經(jīng)驗公式得到：式中e----系數(shù)

計算

方程中的系數(shù)E00.235156E35.347906×10-2E1-0.491266E4-1.537102×10-2E25.211155×10-2

CO2的物理性質(zhì)CO2的粘度隨著溫度增加的附加黏度由Fenghour等人（1998）的方法得到見下式式中--二氧化碳的密度，kg/m3T—溫度，K;--溫度增加的附加黏度，g—系數(shù)。

附加二氧化碳黏度表達式中的系數(shù)CO2的物理性質(zhì)CO2的粘度二氧化碳黏度會隨著溫度的降低而增加,二氧化碳的黏度是溫度和壓力的函數(shù)CO2的物理性質(zhì)CO2的粘度純CO2二粘度隨壓力變化的關(guān)系圖

CO2粘度作為壓力、溫度的函數(shù)，溫度較高時，CO2粘度隨壓力增大而增大，但增幅很小;隨著溫度降低，粘度隨壓力遞增關(guān)系變大，當(dāng)溫度進一步降低后，粘度在某一壓力下會發(fā)生突變。一:CO2相圖二.密度三.粘度四.壓縮因子第一節(jié):CO2在儲層中的高壓物性CO2的物理性質(zhì)CO2的壓縮因子壓縮因子亦稱為偏差系數(shù)，系指在相同壓力與溫度條件下的實際氣體體積與理想氣體體積的比值。令阿馬格數(shù)A為:偏差系數(shù)Z為：故：式中，--理想氣體的壓力與體積；p，V--真實氣體的壓力與體積；--標準狀態(tài)的氣體溫度，K;T--實際氣體溫度，K?；駽O2的物理性質(zhì)CO2的壓縮因子

使用圖版時應(yīng)先求得氣體的對比溫度及對比壓力，公式如下

對比溫度：

對比壓力：式中--混合氣體的臨界溫度，K;--混合氣體的臨界壓力，Mpa；--真實氣體的絕對溫度，K;--真實氣體的絕對壓力，Mpa。

再利用Tr與Pr的值在圖版中查取值壓縮因子Z

注意：溫度的單位！CO2的物理性質(zhì)CO2的壓縮因子(1)蒸氣壓線(2)飽和液體線(3)臨界溫度線(T=31攝氏度)(4)波義耳軸線;(5)氣液兩相區(qū);(6)氣相區(qū)(過熱區(qū))其液相體積為零；(7)液相區(qū),其氣相體為零純二氧化碳壓縮度圖版CO2的物理性質(zhì)CO2的壓縮因子純二氧化碳氣體的Z-P關(guān)系曲線兩相區(qū)的Z，A值溫度（℃）壓力（Mpa）液相（Z）氣相（Z）液相（A）氣相（A）317.3830.2740.2740.3050.305205.6970.1350.5450.1450.585104.5020.09870.6370.10230.66003.4820.07400.7080.07400.708-102.6500.05470.7610.05270.733-251.6900.03430.8240.03120.749-401.0060.02060.8770.01760.749CO2的物理性質(zhì)CO2的壓縮因子CO2的壓縮因子隨溫度升高而增加;當(dāng)壓力較低時，隨壓力的升高而降低;當(dāng)壓力較高時，則隨壓力的升高而增加在溫度低于50℃，壓力6~18MPa范圍時，CO2具有較小的壓縮因子以及對壓力、溫度變化的較高敏感性謝謝觀賞二氧化碳地質(zhì)封存Welcometo第二章:CO2多相流基礎(chǔ)理化性質(zhì)第一節(jié):CO2在儲層中的高壓物性第二節(jié):CO2與地層水的相互作用第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用第二節(jié):CO2與地層水的相互作用一.CO2相圖二.擴散系數(shù)三.界面張力CO2與地層水的相互作用在常壓下二氧化碳溶于水,形成濃度不高的碳酸,具有弱酸的性質(zhì),其動態(tài)平衡方程式如下:當(dāng)二氧化碳被注入進儲層之后,就會以氣體的形式被儲存或是作為臨界流體被儲存于蓋層之下。所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如Ortoleva等人(1998)所描述。首先,二氧化碳溶解到水中形成弱碳酸再通過碳酸的分解形成碳酸氫根離子:生成的物質(zhì)可以和巖石發(fā)生一系列反應(yīng),如使方解石溶解CO2的水溶液與其他碳酸鹽巖反應(yīng)的方程式與上式近似。最終,CO2通過一系列的反應(yīng)轉(zhuǎn)換成碳酸氫鹽。CO2與地層水的相互作用同時由于儲層酸性的增加使得原始的儲層礦物得以溶解，主要的礦化反應(yīng)如下：隨著時間變化又引起了溶解的陽離子和碳酸氫根離子之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化，例如：這些溶解的碳酸氫鹽離子與二價的陽離子反應(yīng)而沉淀為新的碳質(zhì)礦物。所以,含有Ca、Mg、Fe的碳酸鹽儲層被看作是固定二氧化碳在儲層中的原始物質(zhì)。CO2的溶解度CO2的在地層水中的溶解度收到壓力（P）、溫度（T）及礦化度（C，即NaCl質(zhì)量摩爾濃度）的共同影響。1.下面為2種礦化度（0.07和0.7mol/kg）地層水中CO2溶解度與壓力之間的關(guān)系CO2與地層水的相互作用CO2在地層水中的溶解度及其計算公式①相同溫度條件下，CO2在2種地層水中的溶解度隨壓力變化整體上呈非線性關(guān)系，

在0~15MPa和15~30MPa兩個范圍內(nèi)，CO2溶解度與壓力基本呈線性關(guān)系。②在壓力低于15MPa時，CO2溶解度隨著壓力的增加而快速增加，在壓力高于15MPa時CO2溶解度隨著壓力增加而緩慢增加。③對比曲線斜率可知，相同溫度條件下，0~15MPa范圍內(nèi)的增長斜率遠遠大于15~30MPa范圍內(nèi)的增長斜率。由此可知，15MPa為CO2溶解度變化的轉(zhuǎn)折點(轉(zhuǎn)變壓力)。④在相同礦化度地層水中，溫度越高，達到相同CO2溶解度所需的壓力越大。因此即使在相同油田區(qū)塊的不同井或相同井的不同井段，CO2溶解度都會容易出現(xiàn)較大差異。CO2在地層水中的溶解度及其計算公式0.7mol/kgNaCl地層水中CO2溶解度與壓力之間的關(guān)系①與壓力對CO2溶解度影響規(guī)律相比，在相同壓力條件下，CO2溶解度在不同溫度下的變化規(guī)律較簡單，即溶解度隨著溫度的增加而線性降低;②與壓力高于10MPa相比，當(dāng)壓力低于10MPa時，CO2在地層水中溶解度隨溫度的增加而降低更快，表明較高的壓力(大于15MPa)在一定程度上可緩解或抑制溫度對CO2溶解度的影響以至于在更高的壓力及溫度下，這種現(xiàn)象會更加明顯CO2在地層水中的溶解度及其計算公式③文獻數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)壓力高于30MPa且溫度高于373.15K時，CO2溶解度出現(xiàn)隨著溫度的增加而非線性增加的趨勢。與較高的壓力(大于15MPa)相比，較低的壓力(小于15MPa)對CO2溶解度的影響更強。CO2在地層水中的溶解度及其計算公式0.7mol/kgNaCl地層水中CO2溶解度與壓力之間的關(guān)系323.15K下CO2溶解度與礦化度之間的關(guān)系①CO2溶解度隨著礦化度的增加而明顯降低，其主要原因是NaCl的加入導(dǎo)致“鹽析效應(yīng)”，即當(dāng)離子鹽被加入到水中時，一方面降低水的活度系數(shù)，另一方面離子鹽溶解形成復(fù)雜化合物將吸收水分子，即所謂的“溶劑效應(yīng)”②CO2在3種礦化度水溶液中溶解度隨溫度壓力的變化趨勢基本一致，表明礦化度對CO2溶解度的影響是獨立的，基本不受溫度及壓力的影響，即溫度和壓力既不能加強也不能緩減“鹽析效應(yīng)”CO2在地層水中的溶解度及其計算公式CO2溶解度計算公式亨利定律在恒定溫度下，溶解在液體中的氣體濃度與其上方氣體的分壓成正比。方程式:·C:溶解在水中的CO2濃度(摩爾/升)·kH:享利定律常數(shù)，取決于溶劑、氣體和溫度(摩爾/(升·大氣),·PCO2:CO2的分壓(大氣)亨利定律常數(shù)kH隨溫度變化，常數(shù)值的增減反映了溫度對溶解度的影響。CO2在地層水中的溶解度及其計算公式CO2溶解度計算公式擴散系數(shù)定義為在單位時間內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)的量，是描述某一物質(zhì)在另一物質(zhì)中擴散能力的物理量。在CO2地質(zhì)封存中，擴散系數(shù)幫助我們理解CO2在地層水中的遷移速率擴散系數(shù)直接影響地下封存CO2的效率，包括其在水中的溶解、遷移以及最終分布。了解和計算擴散系數(shù)對于預(yù)測CO2在地下水體中的行為和評估其長期穩(wěn)定性至關(guān)重要。CO2在地層水中的溶解度及其計算公式CO2在地層水中的擴散系數(shù)CO2溶解度計算公式CO2擴散系數(shù)的計算斯托克斯-愛因斯坦方程是用來估算流體中擴散系數(shù)的常用公式:其中：·D是擴散系數(shù)(m2/s)·k是玻爾茲曼常數(shù)(1.380649x10-23J/K)·T是絕對溫度(K)·η是流體的動態(tài)粘度(Pa·s)，·r是擴散粒子的半徑(m)對于在地層水中擴散的CO2:·溫度(T):以開爾文(K)計量。溫度對擴散速率的影響是正比關(guān)系。粘度(η):這取決于地層水的溫度和化學(xué)組成。例如，鹽度可以增加水的粘度，從而降低擴散率。粒子半徑(r):對于CO2，這通常在分子水平上考慮，有效大小可以通過分子動力學(xué)模擬或?qū)嶒灁?shù)據(jù)得出。影響擴散系數(shù)的因素·溫度:溫度升高，分子運動加速，導(dǎo)致擴散系數(shù)增加?！毫?壓力的增加可能會減小分子間距，影響擴散系數(shù)。·介質(zhì)特性:地層水的粘度、化學(xué)組成等也會影響CO2的擴散系數(shù)?！し肿哟笮『拖嗷プ饔?較大的分子或那些與溶劑有強烈相互作用的分子傾向于擴散得更慢。CO2在地層水中的界面張力界面張力是指兩種不同物質(zhì)(如液體-液體、液體-氣體、或液體-固體)接觸界面處存在的一種張力。這種張力是由于界面兩側(cè)分子間不同的相互作用力造成的。在液體-氣體系統(tǒng)中，例如水和空氣的界面，界面張力是由水分子之間較強的相互吸引力(如氫鍵)相對于水分子與空氣分子之間較弱的相互作用力所導(dǎo)致的。這種相互作用力的不平衡導(dǎo)致了一個努力減小表面面積的力，從而使液體表面呈現(xiàn)出一種緊繃的狀態(tài)。CO2與地層水的重要性

二氧化碳(CO2)與地層水的相互作用在二氧化碳捕獲利用與封存(CCUS)和增強油氣回收(EOR)技術(shù)中扮演著關(guān)鍵角色。在CCUS中，理解CO2與地層水的相互作用對于評估CO2的長期穩(wěn)定性和封存效率至關(guān)重要。這包括了解CO2如何在地下水中溶解，以及它如何與周圍的巖石發(fā)生反應(yīng)可能影響儲層的完整性。

在EOR過程中，將CO2注入油田可以幫助提高原油的提取率。CO2與地層水的相互作用影響CO2的分配和流動性，從而影響油田的回收效率。CO2在地層水中的界面張力1.二氧化碳的物理狀態(tài)·氣態(tài)：在標準大氣壓和室溫下，二氧化碳處于氣態(tài)。氣態(tài)二氧化碳易于運輸和注入地下儲層·液態(tài)：二氧化碳密度高，有利于長距離輸送和高效儲存?！こR界狀態(tài):當(dāng)溫度和壓力超過臨界點時，二氧化碳達到超臨界狀態(tài)，具有氣體和液體的混合特性。超臨界二氧化碳具有高滲透性和溶解能力，是CO2地質(zhì)封存和增強油氣回收(EOR)中的理想狀態(tài)2.地層水的特性·礦化度:地層水的礦化度指的是溶解在水中的礦物質(zhì)含量。高礦化度的地層水可能會影響二氧化碳的溶解度和界面張力，·溫度:地層水的溫度隨地質(zhì)深度增加而增加，溫度的變化會影響CO2的溶解度和界面張力·壓力:地下深處的水承受著較高的壓力，這會直接影響到CO2的物理狀態(tài)以及其與地層水的界面張力，3、CO2在地層水中的界面張力影響因素溫度:高溫如何降低界面張力機理:隨著溫度的升高，液體分子之間的熱運動增加，導(dǎo)致分子間相互作用力減弱。對于C02和地層水的系統(tǒng)，這意味著二氧化碳分子和水分子之間的吸引力減小，從而降低界面張力。影響:高溫條件下，CO2更容易在地層水中擴散和移動，有助于提高CO2的地質(zhì)封存效率和在增強油氣回收中的表現(xiàn)。壓力:高壓對CO2溶解性和界面張力的影響機理:隨著壓力的增加，CO2的溶解性增加，在高壓下，CO2和水的混合更加充分，有助于減少二者之間的界面張力。影響:高壓有利于提高CO2在地層水中的溶解度，減小界面張力促進CO2在巖石孔隙中的滲透能力，從而提高封存效率和EOR效果CO2在地層水中的溶解度及其計算公式CO2濃度:

CO2的溶解度如何影響界面張力機理:CO2的溶解度反映了CO2在地層水中的濃度。當(dāng)CO2濃度增加，尤其是在其開始達到飽和溶解度時，界面張力會受到影響。高CO2濃度意味著更多的CO2分子與水分子接觸，影響界面張力。影響:影響:CO2濃度的增加在初期可能不顯著影響界面張力，但當(dāng)接近或達到飽和時，可能會導(dǎo)致界面張力的變化。理解這一點對于控制CO2在水中的分散和流動非常重要。水質(zhì):礦化度和其他溶解物的影響機理:機理:地層水的礦化度指的是溶解在水中的鹽類和礦物的含量。高礦化度的水通常含有較多的離子，這些離子可以與CO2分子相互作用，影響界面張力影響::某些溶解的鹽類和礦物可以降低CO2和水之間的界面張力，作促進二者的混合。然而，這種影響取決于具體的離子種類和濃度。例如，高濃度的鈣和鎂離子可能促進CO2的溶解而某些離子可能會增加界面張力CO2在地層水中的溶解度及其計算公式4.CO2封存和界面張力的影響界面張力對CO2注入效率的影響界面張力在二氧化碳(CO2)注入地下儲層過程中扮演著重要的角色，它直接影響注入過程的效率。較低的界面張力有助于CO2在地層水中的擴散和滲透，因此能夠更容易地注入儲層。當(dāng)CO2與地層水之間的界面張力減小時，CO2可以更順暢地穿過巖石孔隙，減少了注入過程中所需的能量和壓力。這不僅提高了注入過程的效率，還可以增加在特定壓力下可以注入儲層的CO2總量。封存安全性和CO2在儲層中的遷移封存安全性是CO2地質(zhì)封存(CCUS)中的一個核心考慮因素，它涉及到防止CO2從儲層逸出到地表或地下水中。界面張力影響CO2在巖石孔隙中的分布和流動性。較高的界面張力可能導(dǎo)致CO2更多地聚集成泡，而不是均勻分布在儲層中，這增加CO2通過巖石孔隙上升和逃逸的風(fēng)險。此外，界面張力還影響CO2與儲層巖石及其孔隙水的相互作用，這可能影響儲層的封閉性和完整性。理解和控制這些相互作用對于確保長期封存安全性至關(guān)重要。CO2在地層水中的溶解度及其計算公式謝謝觀賞二氧化碳地質(zhì)封存Welcometo一.CO2在原油中的溶解度二.

CO2與原油體系中的粘度三.

CO2與原油混相及最小混相壓力四.CO2對原油的萃取能力五.CO2對原油的膨脹特征六.CO2-原油界面張力第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用1.CO2在原油中的溶解度二氧化碳在原油中的高溶解度已使其成為一種頗為吸引人的非混相驅(qū)工藝。正如我們所知道的,二氧化碳的親和力可導(dǎo)致原油膨脹和降低原油黏度給出了兩種系統(tǒng)的溶解度數(shù)據(jù)：包括二氧化碳和輕質(zhì)油的二元和三元混合系統(tǒng)二氧化碳和重質(zhì)油系統(tǒng),適用溫度范圍為40~90下根據(jù)壓力和溫度確定的原油中二氧化碳的溶解度第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用圖中,溶解度表示為??????2,即二氧化碳與原油混合液中二氧化碳摩爾數(shù)。知道了二氧化碳的摩爾數(shù),據(jù)定義??????2可以換成??????:估算法計算原油的摩爾分子量:式中????????——儲罐原油的分子量根據(jù)定義,計算標準條件下的原油密度：式中????一一原油重，°API;??osc一一儲罐原油的密度Ib/ft3所以:1.

CO2在原油中的溶解度第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用1.

CO2在原油中的溶解度原油中二氧化碳溶解度的修正系數(shù)是特征因數(shù)(K)的函數(shù)第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用一.CO2在原油中的溶解度二.

CO2與原油體系中的粘度三.

CO2與原油混相及最小混相壓力四.CO2對原油的萃取能力五.CO2對原油的膨脹特征六.CO2-原油界面張力第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用2、CO2與原油體系的粘度在????2—原油系統(tǒng)的行為研究中，有必要在溫度、壓力或系統(tǒng)組成發(fā)生變化后重新計算平衡。黏度、密度、組分含量和其他相變體系的參數(shù)都需要計算出來。儲層的注入率和儲層流體的流動性與????2-原油系統(tǒng)的粘度有直接關(guān)系。在儲層開發(fā)中，尤其是低滲透率的儲層儲層開發(fā)，因此，粘度是儲層開發(fā)的重要參數(shù)之一。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用2、CO2與原油體系的粘度目前使用的粘度模型分為兩類：第一類模型具有統(tǒng)一的形式，可以適用于氣相和液相。其中包括基于相應(yīng)狀態(tài)原理的模型（LBCLohrenz-Bray-Clark）模型，CS(Pedersen）模型）和基于狀態(tài)方程的模型。另一類模型僅用于描述氣體或液體其中一相，包括氣體粘度模型（CarrKobayashi-Burrows模型，Dempsey模型，Dean-Stiel模型，Lee-GonzalezEakin模型，Standing模型等）和液體粘度模型（基于Eyring理論和LVIS理論）。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用2.1.LBC模型

Lohrenz等引入了利用低密度粘度和相對密度計算高壓、高密下的粘度體系，得到如下方程：本模型形式簡單，在工程上較常使用。但該模型在計算時對于相對密度的變化較為敏感，因此要求求得的相對密度較為精確。而關(guān)聯(lián)系數(shù)的取值困難也限制了該模型的使用。2.2CS模型(Pedersen模型)

Pedersen在1987年提出了廣義對應(yīng)狀態(tài)的CS模型，認為兩種性質(zhì)相近的流體間的粘度一定存在某種關(guān)系，因此參比物質(zhì)的選取就成為該模型的精度基礎(chǔ)。得到如下方程：選取的參比物質(zhì)與目標物質(zhì)的性質(zhì)越相近，那計算的誤差就越小。同時，在迭代過程中頻繁更換參比物質(zhì)會導(dǎo)致計算過程的復(fù)雜化。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用結(jié)論：這個模型形式簡單，累積誤差小。誤差較小，但需要有與目標物質(zhì)性質(zhì)相似的參考物質(zhì)來達到合理的準確性。目標物質(zhì)，以達到合理的準確性。這將需要在迭代過程中頻繁更換參考物質(zhì)，這使得計算非常復(fù)雜。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用2.3PR模型

郭緒強等建立了基于PR狀態(tài)方程的粘度模型（PR粘度模型），PR方程中的體積替換為了粘度，壓力和溫度的數(shù)值互換后，得到PR粘度模型：第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用其中：2.3PR模型

應(yīng)用于混合物的粘度計算時，PR粘度方程可以表示為：第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用該模型求解后可得三個根，在不同的相態(tài)區(qū)域，粘度的取值都不相同。不同條件下的粘度值標準不同，粘度值標準如下。飽和氣體和液體的黏度分別等于最小和最大的氣體和液體的粘度分別等于最小和最大實根大于b"的最小實數(shù)和最大實數(shù)；粘度等于液相或臨界區(qū)的方程的最大實數(shù)根；液體的粘度等于流體的粘度等于氣相中方程的最小實數(shù)根。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用結(jié)論：該模型的優(yōu)點是：粘度方程和EOS可以在計算過程中同時得到解決。而且它受假設(shè)和密度的影響較小。然而，當(dāng)應(yīng)用于非理想體系（如CO2—原油系統(tǒng)）時，該模型的精度不夠高。PR模型能同時求解狀態(tài)和粘度方程，不同于CS模型，該模型受密度的影響較小。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用一.CO2在原油中的溶解度二.

CO2與原油體系中的粘度三.

CO2與原油混相及最小混相壓力四.CO2對原油的萃取能力五.CO2對原油的膨脹特征六.CO2-原油界面張力第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用3.CO2與原油體系的最小混相壓力

混相效應(yīng)

混相效應(yīng)是指兩種流體能相互溶解而不存在界面，消除了界面張力。CO2與原油混合后，不僅能萃取和汽化原油中輕質(zhì)烴，而且還能形成CO2和輕質(zhì)烴混合的油帶。油帶移動是最有效的驅(qū)油過程，可使采收率達到90%以上。

第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用3.CO2與原油體系的最小混相壓力原因：

混相驅(qū)作為一種最有效的提高原油采收率的方法越來越受到重視，在實施混相驅(qū)的過程中，一個極其重要的參數(shù)是確定注氣過程的最小混相壓力MMP,在該壓力下的局部驅(qū)油效率接近100%?；煜囹?qū)原理是使油氣兩相之間的界面張力（IFT）降低為零，油氣之間沒有密度差，因此，在混相狀態(tài)，油氣兩相的偏差系數(shù)和比容是相同的。有充分的證據(jù)表明，CO2—原油混相驅(qū)是高密度CO2流從原油中抽提烴類化合物。

CO2可以大量地溶解在儲層原油中，增大了液相的體積、降低了液相的黏度、減小了油水相IFT，原油的滲流能力增強，原油產(chǎn)能大幅提升。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用最小混相壓力測定法主要包括：第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用3.1細管實驗法測定最小混相壓力（MMP）細管實驗法是測量油田注入CO2氣體與原油間的最小混相壓力（MMP）標準方法，此方法應(yīng)用最多且最廣泛。它可以近似模擬CO2與原油在地層多孔介質(zhì)中的油氣驅(qū)替過程，能夠真實反映注氣后CO2與原油的多級接觸動態(tài)混相進程。同時，由于細管本身具有的填裝介質(zhì)（多為石英砂）粒度、緊密度均勻和長徑比大的特征，驅(qū)替劑及被驅(qū)物在其中的流動可近似看作各處流動阻力均一的一維流動。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用（1）細管實驗裝置在長巖心驅(qū)替裝置上完成注氣驅(qū)油MMP實驗，下圖為實驗裝置的詳細流程圖，該流程主要由三部分組成。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用驅(qū)替單元主要是用于進行CO2驅(qū)油、恒溫系統(tǒng)主要是提供恒溫環(huán)境，計量單元主要是為了后期計算驅(qū)油效率。實驗具體流程為：將儲集罐中注入介質(zhì)，注氣的具體操作主要是通過驅(qū)替裝置進行，地面原油、地層流體以及注入介質(zhì)三個儲集罐通過并聯(lián)方式以備隨時使用，回壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)負責(zé)控制與調(diào)解整個過程的壓力，觀測窗口主要是用來驅(qū)替過程中觀測注入氣的顏色變換，實驗結(jié)束后，通過液量計和氣量計進行分離計量。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用（1）細管實驗裝置（2）細管實驗步驟清洗細管，清洗材料是石油醚，清洗完成的標志是細管的出口和入口石油醚的顏色和組分相同。吹干細管，向細管中通入N2或者壓縮空氣將細管吹干，一般烘干的過程需要不低于六小時，接下來，測量細管所充填物質(zhì)的物理性質(zhì)，并且測得細管的孔隙度和滲透率，從而求得孔隙體積。細管進行飽和原油，此過程需要注意的是，飽和原油的時候需在要求的地層溫度和驅(qū)替壓力下進行飽和。然后進行正式的驅(qū)替實驗，每次驅(qū)替實驗均是在所要求的溫度和壓力下進行的，包括飽和油以及整個裝置細管中的壓力，其中整個裝置的壓力是利用之前提到的回壓調(diào)節(jié)器來控制的。實驗操作過程中，有以下細節(jié)需要注意：經(jīng)過多次考察，用微量注入泵注入驅(qū)替劑至0.7PV時就建立了傳質(zhì)帶。隨后可以將注入速度提高一倍左右，繼續(xù)實驗。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用（3）細管實驗結(jié)果記錄：在驅(qū)替工程中，應(yīng)隨時在觀測窗口觀察驅(qū)替液體的顏色。并且每隔二十分鐘，通過半自動液體收集器對驅(qū)替出來的油樣進行收集和計量一次，通過全自動氣量計進行捕集和測量同時排出的氣體。為了后面的分析研究，必須將實驗數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果記錄下來。通過觀察實驗現(xiàn)象：當(dāng)驅(qū)替壓力高于MMP，混合物的顏色由深黑逐漸變?yōu)辄S色，并逐漸透明化最終變?yōu)榱涟咨?，CO2與原油之間無明顯相界面達到混相，細管實驗法所得到的結(jié)果最準確。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用3.2.升泡儀法測定最小混相壓力（MMP）升泡儀法判別最小混相壓力（MMP）有兩種方法：(1)根據(jù)觀察到的氣泡形狀來確定最小混相壓力（MMP），當(dāng)壓力低于最小混相壓力（MMP）時，在油柱中上升的氣泡上部接近球形而底部扁平，當(dāng)壓力等于或大于最小混相壓力（MMP）時，在油柱中上升的氣泡底部扁平的氣／油界面發(fā)生裂變，出現(xiàn)尾狀。升泡儀法優(yōu)點:測定周期短（約一天）實驗結(jié)果獲得較簡便升泡儀法缺點：所測值不夠精確只能測量正向接觸的最小混相壓力（MMP），因此難以推廣。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用3.2升泡儀法測定最小混相壓力（MMP）升泡儀法判別最小混相壓力（MMP）的方法：根據(jù)油—氣系統(tǒng)中壓力與氣泡位移之間的關(guān)系確定最小混相壓力（MMP），當(dāng)壓力低于最小混相壓力（MMP）時，氣泡中的氣體以較緩慢的方式向新接觸的原油擴散并溶解，移動距離長，壓力高于最小混相壓力（MMP）時，氣泡的組分已經(jīng)與原油混相，氣泡在上升過程中迅速向原油擴散，移動距離短。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用3.3最小混相壓力（MMP）計算模型優(yōu)選①Cronquist關(guān)聯(lián)式（1978年）1978年，Cronquist通過對大量實驗數(shù)據(jù)進行處理，提出一個冪函數(shù)關(guān)聯(lián)式，用于預(yù)測純CO2與原油之間的MMP，將MMP關(guān)聯(lián)成溫度(TR)、MWc5+、甲烷含量的函數(shù)，該表達式如下：式中，TR—油層溫度，℃MWc5+—原油中C5＋組分的摩爾質(zhì)量，g/mol。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用②Lee關(guān)聯(lián)式（1979年）1979年，Lee僅考慮了油層溫度（TR）而建立了關(guān)于純CO2—原油最小混相壓力（MMP）的計算公式，該表達式如下：③Yellig&Metcalfe關(guān)聯(lián)式（1980年）1980年，Yellig&Metcalfe考慮了油層溫度（TR）而建立了關(guān)于純CO2—原油最小混相壓力（MMP）的計算公式，該表達式如下：但該經(jīng)驗公式適用條件35℃≤≤88.9℃。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用3.4CO2最小混相壓力變化規(guī)律隨著注入二氧化碳中甲烷或氮氣摩爾分數(shù)的增加，注入氣體與原油的最小混相壓力都有逐漸增大的趨勢在雜質(zhì)氣體摩爾分數(shù)不超過20%的條件下，甲烷摩爾分數(shù)每增加5%，最小混相壓力增大0.2~0.6MPa氮氣摩爾分數(shù)每增加5%，最小混相壓力增大2.2~3.2MPa

與甲烷相比，氮氣對二氧化碳驅(qū)最小混相壓力的影響更顯著。以最小混相壓力不高于目前地層壓力23.7MPa為條件，考慮當(dāng)注入二氧化碳中僅含一種雜質(zhì)氣體的情況，則可確定注入二氧化碳中甲烷的臨界摩爾分數(shù)為5.6%，而氮氣的臨界摩爾分數(shù)為2%。二氧化碳中混入不同摩爾分數(shù)甲烷或氮氣時的最小混相壓力第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用目前最小混相壓力預(yù)測模型主要存在以下缺點：模型大都是基于有限的數(shù)據(jù)點開發(fā)的，精確度差。所使用的熱力學(xué)參數(shù)和油藏流體參數(shù)取值范圍有限。模型預(yù)測的相關(guān)性不能準確地描述最小混相壓力隨輸入?yún)?shù)變化的趨勢。如根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，最小混相壓力隨著油藏溫度的升高而增大，然而一些預(yù)測模型未能體現(xiàn)出這種關(guān)系。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用一.CO2在原油中的溶解度二.

CO2與原油體系中的粘度三.

CO2與原油混相及最小混相壓力四.CO2對原油的萃取能力五.CO2對原油的膨脹特征六.CO2-原油界面張力第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用4.CO2對原油的萃取能力在一定壓力下，CO2混合物能萃取和汽化原油中不同組分的輕質(zhì)烴，降低原油相對密度，從而提高采收率。CO2首先萃取和汽化原油中的輕質(zhì)烴，隨后較重質(zhì)烴被汽化產(chǎn)出，最后達到穩(wěn)定。壓力為32MPa時CO2—原油體系的油滴壓力為32·218MPa時N2—原油體系的油滴第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用4.CO2對原油的萃取能力在一定壓力下，CO2混合物能萃取和汽化原油中不同組分的輕質(zhì)烴，降低原油相對密度，從而提高采收率。CO2首先萃取和汽化原油中的輕質(zhì)烴，隨后較重質(zhì)烴被汽化產(chǎn)出，最后達到穩(wěn)定不同壓力CO2—原油體系中油滴的圖像第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用4.CO2對原油的萃取能力在不同壓力條件下，隨萃取次數(shù)增加，萃取率呈現(xiàn)增長趨勢且具有相似性。相同萃取次數(shù)條件下，萃取率隨壓力升高而升高;萃取次數(shù)達5次后，萃取率趨于穩(wěn)定，不再隨萃取次數(shù)增加而增大，且壓力越高萃取率穩(wěn)定值越高。各曲線對應(yīng)壓力(MPa)從下到上依次為:7.0、10.0、13.0、16.2、20.0、23.5、30.3、35.0、40.0第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用4.CO2對原油的萃取能力不同壓力下CO2對原油的穩(wěn)定萃取率可將CO2對原油的萃取分為兩個強度不同的壓力區(qū)間壓力小于10.0MPa時，萃取率較低，CO2對原油的萃取能力較弱壓力大于10.0MPa的第二區(qū)間，萃取率隨壓力的升高顯著增大，壓力達到40.0MPa時的萃取率可達85.2%CO2對原油的萃取率隨萃取次數(shù)(a)和壓力(b)的變化第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用4.CO2對原油的萃取能力CO2混相驅(qū)中，CO2抽提原油中的輕質(zhì)組分或使其汽化，從而降低界面張力。CO2驅(qū)過程是CO2不斷富化過程。CO2富化是通過CO2對原油中的C2～C6組分的抽提作用引起的。CO2對原油中的C2～C6組分的抽提作用產(chǎn)生兩種情況第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用4.CO2對原油的萃取能力一種情況是當(dāng)油層溫度>50℃時，CO2萃取原油組分，形成CO2—富氣相，稱為原油的氣化機理當(dāng)油層溫度<50℃時，CO2不能氣化原油，只能萃取原油的輕餾分，形成CO2—富液混合物，稱為CO2在原油中的冷凝機理CO2對原油組分的抽提過程，也是它與原油之間界面張力不斷降低的過程。隨著界面張力的降低，毛管數(shù)增大，相對滲透率曲線發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)界面張力達到超低界面張力時，毛管數(shù)增大至10-2數(shù)量級以上，剩余油飽和度為零。溫度對二氧化碳與原油p-x相圖的影響L—液相；L1、L2—第一液相、第二液相；V—蒸氣第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用一.CO2在原油中的溶解度二.

CO2與原油體系中的粘度三.

CO2與原油混相及最小混相壓力四.CO2對原油的萃取能力五.CO2對原油的膨脹特征六.CO2-原油界面張力第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用5.CO2對原油的膨脹特征實驗5.1實驗原理向一定量純烴組分中加入高溫高壓CO2使體系發(fā)生一定程度的膨脹。通過恒質(zhì)膨脹實驗獲得壓力與體積關(guān)系曲線中的單相段即可定量確定體系的膨脹幅度,進而研究其影響因素。5.2實驗步驟(1)測定常壓下純經(jīng)組分的密度。用AntonPaar數(shù)字密度計測定每種純組分在50C時的常壓密度ρ50,為準確計量烴組分摩爾數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如用AntonPaar密度計測得50°C時常壓下正己烷的密度為ρ50=0.6334g/cm3(2)測定高壓下純烴組分的密度，50°C下向PVT釜中泵入少量純烴組分,保持常壓條件穩(wěn)定1h,記錄釜中樣品體積V50。將體系加壓至p，穩(wěn)定30min后記錄體積V。根據(jù)質(zhì)量守恒即可計算50°C、壓力為p條件下純烴組分的密度第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用5

.CO2對原油的膨脹特征(3)實驗樣品的配制。樣品的配制均在50°C下完成，先向PVT釜內(nèi)充入一定量的CO2。穩(wěn)定4h后讀取PVT樣品的壓力和體積,再向釜中泵入設(shè)定體系所需烴組分的體積。通過步驟(2)中測定的烴組分密度和CO2的性質(zhì)計算各個摩爾比例下需要加入烴組分的體積:(4)PVT釜內(nèi)達到設(shè)定溫度后,打開攪拌器、升高壓力使流體形成單相。穩(wěn)定4h,保證流體均勻穩(wěn)定。(5)以0.5mL/min的速度退泵,觀察釜內(nèi)壓力變化及相態(tài)變化,當(dāng)發(fā)現(xiàn)壓力不再下降甚至升高或者有氣泡冒出時停泵、靜置30min,記錄壓力即為粗測的飽和壓力。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用5

.CO2對原油的膨脹特征(6)升壓至30MPa,恒壓穩(wěn)定30min記錄壓力、活塞位置(CCD讀數(shù))、泵讀數(shù)(7)依次降低系統(tǒng)壓力,每級均定30min計數(shù)(8)當(dāng)體系壓力達到飽和壓力時,停止實驗。將壓力升高至高于泡點壓力,溫度升高到下一個溫度點,準備下一組實驗5.3

CO2膨脹系數(shù)第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用5.CO2對原油的膨脹特征5.4CO2對原油的膨脹特征影響因素1)原油烴組分針對不同碳原子數(shù)和分子結(jié)構(gòu)的烴類物質(zhì),CO2對其膨脹作用顯著不同。分子結(jié)構(gòu)相同,膨脹系數(shù)隨碳原子數(shù)的增加而減小碳原子數(shù)相同,環(huán)狀烴要比鏈狀烴的膨脹系數(shù)大。這種規(guī)律在CO2含量較高時變得更加明顯。膨脹系數(shù)與碳原子數(shù)和CO2含量的變化關(guān)系第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用5.CO2對原油的膨脹特征2)CO2摩爾含量烴組分體積膨脹系數(shù)和CO2,摩爾含量現(xiàn)凹型上升關(guān)系,即隨著CO2摩爾含量的增加.膨脹系數(shù)以斜率遞增的方式進行快速增大，具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的其他烴類物質(zhì)其膨脹系數(shù)與CO2摩爾含量也具有類似的變化關(guān)系,可見,烴組分中CO2的摩爾含量也是其膨脹幅度的重要影響因素。鏈狀烷烴體積膨脹系數(shù)隨CO2含量的變化關(guān)系第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用5.CO2對原油的膨脹特征CO2注入油藏后，使原油體積大幅度膨脹，便可以增加地層的彈性能量，還有利于膨脹后的剩余油脫離地層水以及巖石表面的束縛，變成可動油，使驅(qū)油效率升高，提高原油采收率。原油的密度越高，相對分子質(zhì)量越小，原油的膨脹系數(shù)越大。圖為原油的膨脹系數(shù)與CO2物質(zhì)的量分數(shù)關(guān)系。從圖可以看到，原油中CO2物質(zhì)的量分數(shù)越大，原油的膨脹系數(shù)越大。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用5.CO2對原油的膨脹特征3)溫度由于烴組分—CO2體系的壓縮性,溫度會一定程度影響體積的大小，但溫度對加CO2前、后體積的膨脹性影響規(guī)律尚不清楚當(dāng)體系中含有少量CO2<50%)時,膨脹系數(shù)隨溫度變化幅度很小,此時受溫度的影響可以忽略當(dāng)CO2含量達到75%時,體系膨脹系數(shù)隨著溫度升高有一定幅度的增大,此時受溫度的影響是不可忽略的因此,溫度對烴組分體積膨脹幅度也具有一定的影響,主要表現(xiàn)在CO2摩爾含量較大的體系第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用5.CO2對原油的膨脹特征4）壓力隨壓力升高，F(xiàn)s先升高1.25(萃取開始壓力Pext=10.0MPa)，后開始降低當(dāng)壓力達到原油收縮壓力Pshr=13.0MPa時，F(xiàn)s降至1.0以下，說明原油體積收縮;壓力達到40.0MPa時，F(xiàn)s為0.3CO2對原油的膨脹系數(shù)隨壓力的變化第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用一.CO2在原油中的溶解度二.

CO2與原油體系中的粘度三.

CO2與原油混相及最小混相壓力四.CO2對原油的萃取能力五.CO2對原油的膨脹特征六.CO2-原油界面張力第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用6.CO2—原油體系的平衡界面張力6.1界面張力測量裝置核心部分為一個帶藍寶石視窗可視化的高壓腔，腔體最大承溫和承壓分別為200℃、100MPa。在高壓腔頂部懸掛有一根毛細管針(針孔直徑可調(diào))。高壓腔視窗外部安裝有一部高速高清攝像機，可以對容器腔體內(nèi)部進行實時拍照和攝像。界面張力測定實驗流程第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用6.CO2—原油體系的平衡界面張力6.2界面張力測定實驗步驟(1)采用石油醚和乙二醇先后清洗高壓腔內(nèi)部的針頭及腔體壁面，然后加熱腔體至實驗溫度的同時用CO2氣體吹洗高壓(2)采用真空泵對腔體抽真空，然后將CO2氣體注入高壓腔，直至達到所需實驗壓力，關(guān)閉注入閥門并穩(wěn)定3h，直至腔體內(nèi)的壓力不再變化(3)輕輕打開連接高壓注射器的閥門，從腔體頂部緩慢地將原油注入，并在探針處形成小油滴，由攝像機記錄小油滴的變化，每個小油滴保持時間不低于20min，取最后測量時間100s內(nèi)的界面張力平均值作為此壓力下的測量值，以避免人為誤差對實驗結(jié)果的干擾(4)實驗結(jié)束后，排出廢氣和廢液，重復(fù)步驟(2)、(3)，開展下一組壓力的實驗。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用6.3CO2-原油體系界面張力特征在第I階段(壓力小于5.5MPa)，界面張力隨壓力的增加而快速降低，此階段中CO2快速溶于原油，CO2-原油體系的界面張力迅速下降。在第Ⅱ階段(壓力為5.5~8.5MPa)，界面張力下降幅度變緩，斜率減小，此階段中隨壓力的增加CO2能夠繼續(xù)溶解于原油中，使得界面張力繼續(xù)降低，而另一方面由于瀝青質(zhì)沉淀量增大，瀝青質(zhì)顆粒逐漸在油氣界面處懸浮并聚集，導(dǎo)致界面張力增大，這兩種作用機制引發(fā)界面張力下降的幅度變緩。不同壓力下CO2-原油體系界面張力6.CO2—原油體系的平衡界面張力第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用不同壓力下CO2-原油體系界面張力6.CO2—原油體系的平衡界面張力6.3CO2-原油體系界面張力特征第Ⅲ階段(壓力大于8.5MPa)，界面張力下降幅度進一步變緩，此時由于瀝青質(zhì)析出量大量增加，裸露的瀝青質(zhì)顆粒逐漸聚集變大、沉淀，導(dǎo)致大部分油氣界面被瀝青質(zhì)顆粒包圍，造成界面張力大幅增加，而CO2溶解度仍然隨壓力的增加而增大，在這兩種機制作用下，界面張力的下降幅度進一步變緩。E型原油中由于不含有瀝青質(zhì)，因此其原油樣品與CO2界面張力隨壓力的變化未出現(xiàn)以上3個階段，而是呈現(xiàn)出線性下降趨勢。第三節(jié):CO2與地層原油的相互作用謝謝觀賞二氧化碳地質(zhì)封存Welcometo一.CO2在巖石表面的吸附作用二.

巖石表面的潤濕作用三.

儲層巖石的毛管力四.CO2與多相流體相對滲透率第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用CO2具有較高的吸附能力，這是由于其分子結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)所決定的。CO2分子由一個碳原子和兩個氧原子組成，碳原子與氧原子之間的化學(xué)鍵較為穩(wěn)定。這使得CO2相對較容易與其他物質(zhì)發(fā)生吸附作用，尤其是與固體表面發(fā)生相互作用。CO2的吸附能力還被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在工業(yè)上，CO2吸附技術(shù)被用于分離和提純氣體混合物。例如，利用CO2的吸附能力可以將CO2從天然氣中分離出來，得到高純度的天然氣。在環(huán)境保護方面，CO2的吸附能力也發(fā)揮著重要作用。例如，CO2,的吸附可以應(yīng)用于廢氣處理和空氣凈化。通過將廢氣中的CO2吸附到特定的吸附劑材料上，可以有效地凈化廢氣，降低對環(huán)境的污染。此外，CO2的吸附還可以用于水處理和土壤修復(fù)等方面，有助于改善環(huán)境質(zhì)量。一、CO2

吸附作用CO2吸附技術(shù)的基本原理:化學(xué)吸附:某些吸附劑可以通過化學(xué)反應(yīng)將CO2分子固定在其表面。這種吸附機理主要依賴于吸附劑表面上的化學(xué)反應(yīng)活性基團，例如氨基團(-NH,)或羧酸基團(-COOH)，這些基團可以與CO2發(fā)生化學(xué)鍵的形成?；瘜W(xué)吸附通常具有較高的吸附容量和選擇性。物理吸附:物理吸附是指CO2分子與吸附劑之間的物理相互作用，包括范德華力和表面張力等。這種吸附機制與CO2分子與吸附劑表面的非化學(xué)相互作用有關(guān)。物理吸附通常在相對較低的溫度下發(fā)生，并且吸附劑之間的相互作用較弱。擴散:

CO2分子在吸附劑中的擴散過程也是影響吸附機理的因素之一。擴散是指CO2分子在吸附劑孔隙中的運動過程。吸附劑的孔隙結(jié)構(gòu)和分子尺寸決定了CO2分子的擴散速率和能力。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.1CO2吸附計算公式鈉肥皂分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)式兩相界面層吸附物質(zhì)的分布第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用1.1CO2吸附計算公式液體表面吸附:遵循吉布斯等溫吸附方程G一吉布斯吸附量，為單位面積表面層中溶質(zhì)的摩爾數(shù)與溶液中任一相當(dāng)薄層中溶質(zhì)的摩爾數(shù)之差(或過剩值、多余量)，又稱比吸附。恒溫下，表面張力隨溶液濃度的變化率，稱溶質(zhì)表面活度溶質(zhì)在溶液中的平衡濃度第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用固體界面的吸附規(guī)律(1)固體表面對被吸附物質(zhì)的吸附量隨界面面積的增大而增加;(2)固體表面凹凸不平表面物質(zhì)成分也不均一，不同的成分具有不同的吸附性能，所以固體的吸附具有選擇性。固體表面不同部位的吸附效果常有較大差異;(3)吸附是放熱的，升高溫度，吸附量降低。但有的體系，溫度升高溶質(zhì)的溶解度降低使溶質(zhì)在固體表面的吸附量增加，此時，若溶解度降低超過了溫度對吸附量的影響時吸附量將隨溫度的增加而增大;(4)吸附量與被吸附物質(zhì)的濃度成正比，濃度越大吸附量越大。氣體具有較大的壓縮性固體表面對氣體的吸附量隨壓力的升高而增大。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.2CO2煤層吸附

一、CO2吸附作用

1.2CO2煤層吸附

煤巖的形成煤是由大部分固態(tài)有機質(zhì)與少部分礦物質(zhì)組成的一種有機巖，其有機質(zhì)來源于低等植物或高等植物。在地表的沼澤、湖泊及淺海濱岸地帶，植物死亡后的遺體經(jīng)過分解、化合、聚合等生物地球化學(xué)作用，可使低等植物轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，而高等植物則形成泥炭，這一轉(zhuǎn)變過程是成煤作用的第一階段(即腐泥化或泥炭化作用)成煤作用的階段劃分第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用煤巖的形成由于地殼沉降等原因，腐泥或泥炭被沉積物覆蓋掩埋于地下深處，并在地層溫度、壓力條件下發(fā)生成巖、變質(zhì)作用，使泥炭轉(zhuǎn)變?yōu)楹置骸熋?、無煙煤，這一轉(zhuǎn)變過程是成煤作用的第二階段(即煤化作用)。煤中有機質(zhì)對地層溫度、壓力變化的響應(yīng)，比無機沉積物敏感得多，因此無機沉積物的成巖與變質(zhì)作用往往滯后于煤。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.2CO2煤層吸附

不同壓力下煤層對二氧化碳的吸附最要比甲烷大。當(dāng)二化碳注入到煤層中,由于煤層對二氧化碳的吸附能力要比煤層氣(甲烷)大得多,因此可以通過置換煤層中甲烷氣體的方式實現(xiàn)煤層中二氧化碳的埋存。煤對各種氣體的吸附作用曲線圖第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.2CO2煤層吸附

利用煤層對二氧化碳和煤層氣(主要為甲烷)吸附能力的差異,實現(xiàn)二氧化碳排替CH4,獲得更多的CH4。即二氧化碳提高煤層氣采收率技術(shù)(CO2-ECBMR,EnhancedCoalBedMethaneRecovery),這項技術(shù)可以實現(xiàn)二氧化碳地質(zhì)埋存與利用的雙贏。煤層中的二氧化碳埋存是一項僅在論證階段的工藝技術(shù)(IPCC,2005)。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.2CO2煤層吸附

煤樣吸附CO2后，線性膨脹量也在10MPa左右時達到最大值，隨后略有降低垂直層面方向上的最大線性膨脹量比平行層面方向上的對應(yīng)值高9.4-18.0%三個地區(qū)煤樣吸附CO2后的線性膨脹量第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.2CO2煤層吸附

霍州、長治和晉城地區(qū)煤樣吸附CO2后，體積膨脹量隨壓力升高逐漸增大，在10MPa左右時出現(xiàn)最大值三個地區(qū)煤樣的最大體積膨脹量分別為3.43%、3.82%和4.44%,即隨煤階升高，膨脹量增大三個地區(qū)煤樣吸附CO2后的體積膨脹量第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.2CO2煤層吸附

關(guān)于CO2的吸附膨脹機理，主要有3種解釋:1）CO2吸附造成煤表面自由能降低，從而使煤發(fā)生體積膨脹

√任何氣體都能引起固體的膨脹

x引起的膨脹量較小2）CO2可以溶解在煤中，起到增塑劑的作用，使煤結(jié)構(gòu)發(fā)生變形

√基于煤和聚合物的相似性，即都具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，借鑒了聚合物中“溶脹”概念x煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)和交聯(lián)鍵類型都較聚合物復(fù)雜3）CO2可以與煤形成氫鍵或發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移作用，降低煤結(jié)構(gòu)的交聯(lián)度

√考慮了中低階煤和CO2都具有酸堿兩性的特征

x對于以π電子體系為主的高階煤，CO2難以與其形成氫鍵或發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移作用第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.2CO2煤層吸附

通常在吸附實驗中，頁巖顆粒填入高壓容器后，顆粒與顆粒間、以及顆粒與壁面之間都會存在一定的空隙。CO2在吸附過程中就會在空隙中形成吸附相和未吸附相，吸附相和未吸附相均會占據(jù)一定體積，其之間關(guān)系為式中：為空隙體積，cm3；為CO2通形成吸附相體積，cm3；為未吸附相體積，cm3第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.2CO2煤層吸附膨脹特征

一、CO2吸附作用1.3CO2的頁巖吸附實驗

實驗儀器如圖第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用1.3CO2的頁巖吸附實驗

實驗步驟(1)采用氨氣作為注入介質(zhì)，在40℃恒定溫度下，測定高壓氣體吸附儀空樣品桶中氦氣在不同壓力下的天平讀數(shù)，并采用線性關(guān)系擬合不同壓力下的天平讀數(shù)(m)與氨氣密度，獲得樣品桶的質(zhì)量和體積(2)用錐子將頁巖樣品敲碎后，放入研缽中用研杵將碎裂的頁巖研磨至所需粒度，研磨過程需輕微且緩慢，以防止顆粒外濺的同時避免研磨過快造成溫度上升，對頁巖中的黏土礦物產(chǎn)生影響;(3)分別用35、50、100和325目的篩網(wǎng)篩選出不同粒徑的頁巖顆粒(對應(yīng)),然后分別稱取約3g的不同粒徑樣品放入樣品桶中，升溫至實驗溫度，并從高壓吸附儀閥門處對樣品桶和樣品抽真空6h,以充分去除水分和空氣。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用實驗步驟(4)將氦氣再次注入樣品桶，測定步驟(1)中相同氨氣壓力下的天平讀數(shù)，并采用線性關(guān)系擬合不同壓力下的天平讀數(shù)與氦氣密度，獲得樣品的質(zhì)量和體積(5)對樣品桶和樣品抽真空6h,然后注入CO2開展不同實驗條件下的吸附實驗，并根據(jù)式計算CO2吸附質(zhì)量mab。(6)每組實驗重復(fù)測定3次，取3次測定值的平均值作為實驗結(jié)果。每組實驗結(jié)束后，對樣品桶重新抽真空6h,然后改變實驗條件，開始下一組實驗。式中:Δm為天平稱量的讀數(shù),g;Fb為天平的拉力,N;g為重力加速度,m/s2;msc為樣品桶質(zhì)量,g;m為頁巖樣品質(zhì)量,g,,mab為CO2吸附質(zhì)量(即吉布斯吸附量),g,Vsc為樣品筒體積,cm3；Vs為頁巖巖心體積,cm3:Vab為吸附相體積,cm3;ρg為不同壓力下CO2密度，g/cm3。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用1.3CO2的頁巖吸附實驗

隨著目標頁巖中黏土礦物含量增加，頁巖吸附能力和CO2吸附量均不斷增大，當(dāng)黏土礦物含量低于16.4%時，CO2吸附量變化幅度較小，反之，CO2吸附量的增加幅度較大由于頁巖對CO2的吸附主要在有機碳的活性部位，當(dāng)黏土礦物含量增加時，頁巖中的有機碳含量也會相應(yīng)增大CO2吸附量與黏土礦物質(zhì)量含量的關(guān)系第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用1.3CO2的頁巖吸附實驗

一、CO2吸附作用

1.3CO2頁巖吸附量影響因素分析

此外，隨著頁巖中黏土礦物含量增加，絕對吸附量與吉布斯吸附量之間的差值也在不斷增大這是因為黏土礦物含量增加，CO2吸附相體積也隨之增大，由于吉布斯吸附量未考慮吸附相體積的影響，導(dǎo)致其與絕對吸附量的差值不斷增大掃描電鏡下頁巖黏土礦物類型及形態(tài)第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用不同注入壓力下CO2吸附量對比隨著注入壓力的增加，CO2分子的壓縮性增加，自由相CO2密度快速增加，使CO2在頁巖顆粒表面的吸附由單層吸附快速過渡到多分子層吸附，導(dǎo)致吸附量增加。當(dāng)注入壓力小于12MPa時，由于CO2吸附相體積隨注入壓力的增加而增大，主體相體積快速減小造成絕對吸附量與吉布斯吸附量的差值不斷增大。而當(dāng)注入壓力由12MPa增至15MPa時，絕對吸附量與吉布斯吸附量的差值開始減小，這是因為雖然注入壓力增加，CO2注入量增大。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.3CO2頁巖吸附量影響因素分析

不同CO2相態(tài)類型下吸附量對比氣態(tài)CO2的絕對吸附量最低，僅為1.18g/cm3其次為超臨界態(tài)，而液態(tài)CO2狀態(tài)下的絕對吸附量最大，達到2.54g/cm3CO2在液態(tài)、超臨界態(tài)和氣態(tài)的絕對吸附量與吉布斯吸附量之間的差值分別為0.14、0.11和0.04g/cm3,呈降低趨勢由于CO2在不同相態(tài)下的注入壓力不同;CO2在液態(tài)、超臨界態(tài)和氣態(tài)的密度分別為0.823、0.651和0.192g/cm3。當(dāng)CO2密度增大時，CO2,吸附相體積和絕對吸附量增加。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用一、CO2吸附作用

1.3CO2頁巖吸附量影響因素分析

一.CO2在巖石表面的吸附作用二.

巖石表面的潤濕作用三.

儲層巖石的毛管力四.CO2與多相流體相對滲透率第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用本節(jié)重點和難點:潤濕程度的度量標準巖石潤濕性的判定方法潤濕性和潤濕次序?qū)τ退⒂^分布的影響規(guī)律的分析第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用二、CO2對儲層巖石的潤濕作用第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用二、CO2對儲層巖石的潤濕作用潤濕:流體在分子力作用下沿固體表面的一種延展現(xiàn)象。潤濕性:流體在分子力作用下沿固體表面延展或附著的傾向性潤濕相和非潤濕相:當(dāng)不混相的兩相流體與巖石固體接觸時，能沿固體表面發(fā)生流散的流體相為潤濕相，另一相則為非潤濕相。1、潤濕性概念第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用二、CO2對儲層巖石的潤濕作用1、潤濕性概念一滴水滴在固體表面上很快鋪開，稱為水濕或水對固體表面有選擇性潤濕。因一滴水銀，滴在固體表面上不能鋪開，稱為空氣濕或稱空氣對固體表面有選擇性潤濕。因潤濕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因:表面能的降低第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用二、CO2對儲層巖石的潤濕作用2、潤濕程度的描述—接觸角，附著功(1)接觸角(潤濕角)θ①概念：接觸角：從固體表面出發(fā)，經(jīng)過極性大的流體到達三相周界點切線所經(jīng)歷的夾角。油、水、儲層巖石體系空氣、水、玻璃空氣、水銀、玻璃第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用二、CO2對儲層巖石的潤濕作用2、潤濕程度的描述—接觸角，附著功②潤濕程度判斷(石油工業(yè)中,θow)?θ＝0°完全潤濕親水性極強強水?θ＜90°潤濕好親水性好水濕?θ＝90°潤濕中等中性中等潤濕?θ＞90°潤濕不好親油性好中性油濕?θ＝180°完全不潤濕親油性極強強油濕第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用二、CO2對儲層巖石的潤濕作用2、潤濕程度的描述—接觸角，附著功③接觸角與界面張力的關(guān)系在三相周界點O有三種界面張力σgL、σgs、σLs相互作用。平衡時有：第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用二、CO2對儲層巖石的潤濕作用2、潤濕程度的描述—接觸角，附著功④潤濕的實質(zhì)是作用于三相周界相應(yīng)的兩相界面張力相互作用的結(jié)果，是固體和液體兩相界面張力的降低。潤濕是流-固間的界面綜合現(xiàn)象；潤濕與流體性質(zhì)、固體表面性質(zhì)有關(guān)。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用二、CO2對儲層巖石的潤濕作用一.CO2在巖石表面的吸附作用二.

巖石表面的潤濕作用三.

儲層巖石的毛管力四.CO2與多相流體相對滲透率第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用三、CO2對儲層巖石毛管力1.毛管中流體的上升毛細管中液面的上升或下降現(xiàn)象第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用毛管力(capillarypressure)公式及性質(zhì)1、氣液體系的毛管力2、油水體系的毛管力第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用三、CO2對儲層巖石毛管力1.毛管中流體的上升毛管壓力的性質(zhì)與應(yīng)用：（1）毛管力Pc與毛細管半徑r成反比。毛管孔道半徑越小，毛管力越大，親水毛管中液面上升越高。推論：油藏中油水的交界，不是一個面，而是一個油水過渡帶。因為，油藏中毛細管直徑不同，毛細管中的液面參差不齊，油水界面或油氣界面成為一個具有相當(dāng)厚度的油水或油氣過渡帶，而不是一個截然分開的平面。第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用三、CO2對儲層巖石毛管力1.毛管中流體的上升毛管壓力的性質(zhì)與應(yīng)用：（2）油水過渡帶>油氣過渡帶密度差小第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用三、CO2對儲層巖石毛管力1.毛管中流體的上升（3）毛管力存在于任何方向放置的毛細管中。上述討論是指垂直毛細管，在實際油層中毛管傾斜時，只要其它參數(shù)(如σ，r，cosθ，???)不變，液柱上升的高度將不變化。當(dāng)毛細管水平時，水槽中的水被吸出，在地層中水濕毛細管的毛管力是驅(qū)油的動力。水平毛細管水驅(qū)油示意圖第四節(jié):CO2與儲層巖石的相互作用三、CO2對儲層巖石毛管力1.