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界面張力主導：殘余氣飽和度的深部咸水層CO2封存潛力評估（三）
來源：《現(xiàn)代地質(zhì)》 瀏覽 415 次 發(fā)布時間:2025-12-31
3.3殘余CO2飽和度
運用Excel對數(shù)據(jù)進行處理，用實驗過程中采集的CO2的總量，減去從驅(qū)替液中散逸出的CO2的量，減去實驗開始前儀器管道中存在的CO2的穩(wěn)量和溶解在流出的驅(qū)替液中的從巖心中驅(qū)替出的1 CO2，即得到了殘余的CO2量，最后換算成10MPa條件下的CO2體積。代入式(2)得到各種情況下的殘余CO2飽和度，如表1所示。但是最后溶解的那部分CO2的量很小(0.1g左右)，在制作曲線時并沒有將其計算在內(nèi)。
| 驅(qū)替液 | 驅(qū)替出的CO2質(zhì)量/g | 殘余CO2飽和度/% |
| 蒸餾水 | 9.07 | 35.96 |
| 10%混合溶液 | 8.93 | 36.93 |
| 10% CaCl2溶液 10% NaCl溶液 | 8.52 | 39.85 |
| 8.71 | 38.46 |
Li等研究發(fā)現(xiàn)氣驅(qū)水的殘余水飽和度曲線可以分為3個階段:活塞式驅(qū)替階段、攜帶式驅(qū)替階段和溶解式驅(qū)替階段。以驅(qū)替液突破巖心的時間為分界點，本次實驗的殘余CO2飽和度隨時間的變化也可分為兩個階段:活塞式驅(qū)替階段和攜帶式驅(qū)替階段。如圖10所示，這兩個階段與CO2壓力和流量曲線變化的兩個階段的對應(yīng)關(guān)系很好。
活塞式驅(qū)替階段:驅(qū)替液突破巖心前，驅(qū)替過對巖心中CO2的推擠，將巖心中大部分不受毛細力控制的CO2氣體排出，驅(qū)替出的CO2氣量大，殘余CO2飽和度隨時間迅速減小。攜帶驅(qū)替階段:驅(qū)替液突破巖心后，巖心中的大部O2氣體已被驅(qū)出，驅(qū)替液只能裹挾出受毛細制較弱的部分氣體和殘留的小部分自由氣體，所以從巖心中驅(qū)替出的CO2迅速減少，殘余CO2飽和度隨時間減小的速率也大大降低，隨著巖心CO2氣體不斷減少，殘余CO2飽和度最終趨于定。不同溶液驅(qū)替條件下殘余CO2飽和度趨于的速率由大到小依次為:10%CaCl2溶液、%NaCl溶液、蒸餾水。第二階段對最終的殘余CO2飽和度貢獻很小。本實驗所使用的是飽和了CO2的驅(qū)替液，所以不存在Li等實驗中的殘余飽和度曲線的溶解式驅(qū)替階段。
3.4實驗預(yù)期結(jié)果
各種溶液對巖心中CO2驅(qū)替效果與界面張力及流體與超臨界CO2的粘性差有關(guān)。二者間的粘性差越小，則對CO2的驅(qū)替效果越好。據(jù)Chalbaud等的研究，溶液中的陽離子對界面張力有影響。界面張力隨著離子濃度的增加而增加，并且隨著陽離子的價位和表面積的增加而增加，所以陽離子對界面張力的影響有以下結(jié)果：Cs+<Rb+<NH+4<K+<Na+<Li+<Ca2+.查閱《化學化工物性數(shù)據(jù)手冊·無機卷》可知，動力粘度有如下關(guān)系：超臨界CO2<蒸餾水<10%CaCl2溶液<10%NaCl溶液，具體數(shù)據(jù)如表2所示。據(jù)生如巖的研究，界面張力越小殘余氣飽和度越小，即界面張力越大對CO2的驅(qū)替效果越差，殘余CO2飽和度越大。超臨界CO2的粘性比4種驅(qū)替液的粘性都小，所以驅(qū)替液粘度越小，則與CO2之間的粘性差越小，對CO2的驅(qū)替效果也越好，殘余CO2飽和度越小。本次實驗中界面張力和流體間粘性差的作用是相抵觸的。在界面張力和粘性兩種因素中，如果界面張力起主導作用，則實驗結(jié)果為：蒸餾水驅(qū)替的殘余CO2飽和度<10%NaCl溶液驅(qū)替的殘余CO2飽和度<10%CaCl2溶液驅(qū)替的殘余CO2飽和度；若粘性起主導作用，則實驗結(jié)果為：蒸餾水驅(qū)替的殘余CO2飽和度<10%CaCl2溶液驅(qū)替的殘余CO2飽和度<10%NaCl溶液驅(qū)替的殘余CO2飽和度。
| 溶液 | 質(zhì)量濃度/% | 動力粘度/(mPa/s) |
| 5 | 10.7 | |
| 10 | 11.9 | |
| NaCl溶液 | 15 | 13.4 |
| 20 | 15.8 | |
| 25 | 18.6 | |
| 5 | 1.10 | |
| 10 | 1.27 | |
| CaCl2溶液 | 15 | 1.52 |
| 20 | 1.89 | |
| 25 | 2.54 |
表220℃時NaCl、CaCl2溶液的動力粘度
4結(jié)論
(1)在CO2深部咸水含水層封存的機理中，束縛氣封存在封存潛力和安全性方面具有十分重要的意義。同時，束縛氣的存在也對封存機理中的溶解封存和礦化封存有促進作用。殘余氣飽和度評價束縛氣封存量的一個十分重要的參數(shù)，通對殘余CO2飽和度的測定可以為評價CO2封存潛力。
(2)比較圖2一圖9及表1，發(fā)現(xiàn)出口壓力、壓力差和CO2流量隨時間變化的曲線波動越劇烈，應(yīng)的殘余CO2飽和度越大。通過對各驅(qū)替實O_2流量隨時間變化的曲線和壓力差隨時間變。查閱《化學化的曲線相比較，可以發(fā)現(xiàn)CO2流量的波動與壓力差的波動是相對應(yīng)的。所以該驅(qū)替實驗中，巖心夾持器兩端的壓力差對驅(qū)出的CO2流量十分敏感。
(3)從表1可以看出，蒸餾水驅(qū)替的殘余CO2飽和度<10%NaCl溶液驅(qū)替的殘余CO2飽和度<10%CaCl2溶液驅(qū)替的殘余CO2飽和度，說明在界面張力和流體粘性共同作用下，界面張力對巖心中CO2驅(qū)替效果的影響起主導作用。
(4)通過對殘余CO2飽和度的對比，發(fā)現(xiàn)在質(zhì)量濃度為10%的溶液中，CaCl2溶液驅(qū)替的殘余CO2飽和度最大，NaCl溶液的次之，混合液的最小。所以可以認為，就地下深部咸水含水層而言，這3種類型鹽水中，Cl-Ca型水束縛氣封存潛力最大，其次是Cl-Na型水，Cl-Na·Ca型水最差。
本次實驗雖說是模擬CO2毛細殘余封存過程，但是沒有考慮到CO2占據(jù)含水層中水的空間之后，在毛細力作用下殘留在巖石孔隙中水(殘余水)的影響。所以本次實驗所測得的殘余CO2飽和度，只能用于定性地找出哪種化學類型地下水的束縛氣封存潛力最大，而不能對CO2束縛氣封存量進行定量評價。