考虑固相溶解的咸水层CO2溶解封存速率及封存量评估方法

本发明涉及co2地质封存，具体涉及一种考虑固相溶解的咸水层co2溶解封存速率及封存量评估方法。

背景技术：

1、咸水层co2地质封存，是将人为/工业排放的大量co2气体注入到具有稳定封闭结构且规模较大的咸水层，基于构造封存、溶解封存、毛细封存及矿化封存等机理将co2长期封存于地下，达到碳减排的目的。其中，co2溶解封存被公认为最具前景的长期安全封存机理。

2、注入咸水层的co2首先与咸水层中地下流体(即地层盐水)接触，并以co2分子形式溶解于盐水中，触发溶解封存机制，其溶解速率及封存量通常与环境条件、咸水层性质密切相关。

3、部分溶解于盐水中的co2则与盐水反应形成h2co3，并电离产生h+，使得地下流体呈现弱酸性，破坏了地层原有物理化学平衡，诱发co2、盐水以及地层岩石矿物之间反应物理化学反应。这一反应会消耗大量h+，促使溶解的h2co3不断发生电离，从而加速了咸水层co2溶解过程。此外，co2-盐水-岩石相互作用将改变咸水层岩石物理属性，如孔隙度与渗透率等，进一步影响咸水层co2溶解封存速率及封存潜力。

4、然而，现有针对咸水层co2溶解封存速率及封存量的评估鲜有考虑co2-盐水-岩石之间的化学反应及其对咸水层性质的影响，无法有效指导对咸水层co2溶解封存潜力的评估。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种考虑固相溶解的咸水层co2溶解封存速率及封存量评估方法，它在模拟过程中考虑咸水层co2溶解过程引发的化学反应，可更为准确评估咸水层co2溶解封存速率及封存量。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种考虑固相溶解的咸水层co2溶解封存速率及封存量评估方法，方法包括：

3、建立咸水层物理模型，获取地层环境属性值；

4、对物理模型进行计算域网格划分，根据地层环境属性值确定数值模拟边界条件；

5、构建咸水层co2溶解封存涉及的数学模型，包括co2在咸水层内的流动与扩散方程、咸水层内固相浓度及反应产物浓度演化动力学方程以及流体密度、孔隙度和渗透率更新方程；

6、耦合咸水层co2溶解封存涉及的数学模型，采用comsol多物理仿真软件中的稀物质传递模块与达西定律模块，开展咸水层co2溶解封存数值模拟，获取不同时刻咸水层co2浓度分布情况及不同时刻咸水层碳酸氢钙浓度分布情况；

7、根据不同时刻咸水层co2浓度分布情况及不同时刻咸水层碳酸氢钙浓度分布情况，评估咸水层co2溶解封存速率及封存量。

8、进一步，数值模拟边界条件为，计算域上边界采用co2饱和浓度边界，其余三个边界采用无渗透边界；其中，

9、co2饱和浓度是基于地层环境属性值的环境温度与压力确定的。

10、进一步，co2在咸水层内的流动与扩散方程为：

11、

12、

13、咸水层内固相浓度及反应产物浓度演化动力学方程为：

14、

15、流体密度实时更新方程：

16、

17、咸水层孔隙度更新方程为：

18、

19、咸水层渗透率更新方程为：

20、

21、式中，φ为咸水层孔隙度(-)；ρw为流体密度(kg/m3)；t为时间(s)；u为流体速度(m/s)；k为咸水层渗透率(m2)；μw为流体动力粘度(pa·s)；p为流体压力(pa)；g为重力加速度(m/s2)；cco2为流体中co2浓度(mol/m3)；d为扩散系数(m2/s)；kr为反应速率常数(m4/(mol·s))；av为固相反应比表面积(m-1)；为咸水层中碳酸钙浓度(mol/m3)，碳酸钙为咸水层内发生固相溶解的主要矿物，且溶解产物为ca(hco3)2，为咸水层中碳酸氢钙浓度(mol/m3)，ρw,0为地层流体初始密度(kg/m3)；β为体积膨胀系数(kg/mol)，mcaco3与ρcaco3分别为碳酸钙摩尔质量(kg/mol)与密度(kg/m3)；φ0与k0分别为咸水层初始孔隙度(-)与渗透率(m2)。

22、进一步，评估咸水层co2溶解封存速率的评估模型为：

23、

24、式中，cco2为流体中co2浓度(mol/m3)，为咸水层中碳酸钙浓度(mol/m3)，为咸水层co2溶解封存速率(mol/(m3·s))。

25、进一步，评估咸水层co2封存量的评估模型为：

26、

27、式中，为咸水层co2溶解封存总摩尔量(mol)；nco2(aq)为咸水层内以co2形式存在的co2总摩尔量(mol)；nca(hco3)2为咸水层内碳酸钙溶解产生的碳酸氢钙总摩尔量(mol)；v咸水层为评估区域咸水层体积(m3)；为咸水层co2总溶解封存质量(kg)；为co2摩尔质量(kg/mol)。

28、采用上述技术方案后，本发明充分考虑co2-流体-岩石间的化学反应，由化学反应造成的咸水层孔隙度与渗透率的变化，以及co2溶解于地层流体的浓度以及化学反应产物浓度对地层流体密度的影响，从而耦合咸水层内co2流动与扩散模型、固相溶解动力学模型、流体密度更新以及咸水层孔隙度与渗透率演化方程等多方面，更为全面地考虑咸水层co2溶解封存过程由物理化学反应引起的岩石与流体物理属性动态演变特征，开展咸水层co2溶解封存数值模拟，根据数值模拟结果，能够对咸水层物理属性变化情况下咸水层co2溶解封存过程溶解封存速率及封存量进行有效、准确评估，进而对咸水层co2地质封存提供指导。

技术特征：

1.一种考虑固相溶解的咸水层co2溶解封存速率及封存量评估方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的考虑固相溶解的咸水层co2溶解封存速率及封存量评估方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的考虑固相溶解的咸水层co2溶解封存速率及封存量评估方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的考虑固相溶解的咸水层co2溶解封存速率及封存量评估方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的考虑固相溶解的咸水层co2溶解封存速率及封存量评估方法，其特征在于，

技术总结
本发明涉及CO<subgt;2</subgt;地质封存技术领域，具体涉及一种考虑固相溶解的咸水层CO2溶解封存速率及封存量评估方法。方法包括：建立咸水层物理模型，获取地层环境属性值；对物理模型进行计算域网格划分，根据地层环境属性值确定数值模拟边界条件；构建咸水层CO<subgt;2</subgt;溶解封存涉及的数学模型；耦合咸水层CO<subgt;2</subgt;溶解封存涉及的数学模型，开展咸水层CO<subgt;2</subgt;溶解封存数值模拟，获取不同时刻咸水层CO<subgt;2</subgt;浓度分布及碳酸氢钙浓度分布情况；根据不同时刻咸水层CO<subgt;2</subgt;浓度分布及碳酸氢钙浓度分布情况，评估咸水层CO<subgt;2</subgt;溶解封存速率及封存量。本发明在模拟过程中考虑咸水层CO<subgt;2</subgt;溶解过程引发的化学反应，可准确评估咸水层CO<subgt;2</subgt;溶解封存速率及封存量。

技术研发人员：谭启贵,彭浩平,田瑞超,李智伟,许守武
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/10