CO2、H2O、NaCl等是许多地质流体中主要的成分,研究CO2-H2O-NaCl体系的气液相平衡及溶解过程对CO2地质储存、CO2促进煤层气的开采、流体包裹体的分析等具有重要的理论和实际意义。目前观测CO2在溶液中溶解过程的方法大多属于非原位扰动观测,样品的移动影响观测的准确度。因各种实验方法测量得到的CO2溶解度数据,平均误差约为7%,使得与基于这些数据建立的溶解度模型之间有很大的偏差。另一方面,目前报道的CO2在盐水中的溶解度实验数据较缺乏,尤其缺乏低温(298 K以下)高压(20 MPa以上)下的数据。准确获取广阔温压、盐度范围内CO2在(盐)水溶液中的溶解度对于CO2海洋储存及深部咸水层的埋存意义重大。本文利用显微激光拉曼光谱技术,通过汞封的方法在透明管式高压腔中制得了一系列CO2浓度已知的标准样品,根据内标法的原理建立拉曼定量因子与CO2浓度之间的定量关系,并通过此关系计算得到了273.15~573.15 K、0~50 MPa范围内CO2在纯水和NaCl溶液中的溶解度数据。进一步将本实验测得的数据重新拟合参数,改进了前人建立的溶解度热力学模型。最后,以松辽盆地为例,采用埋存机制法估算了整个松辽盆地深部咸水层CO2储存量。本论文主要结论如下:(1)建立新的、更为可靠的、可用于准确测量广阔温度高压地质流体中CO2浓度的拉曼定量关系。根据已知CO2浓度标准样品的测量,建立CO2气体浓度与拉曼峰面积比Par(或强度比Hr)的函数关系。结果揭示,相同温度下,压力和CO2浓度对Par/mCO2和Hr/mCO2几乎无影响。升高温度,Par/mCO2增大,但随盐度的变化较小。相比之下,Hr/mCO2随温度的增加而显著下降,而增大盐度却削弱了这种趋势。以Hr/mCO2作为定量因子,则各盐度下随温度变化的Hr/mCO2可通过二项式较好的拟合。研究进一步表明,同一温度下拉曼定量因子Hr/mCO2与盐度成很好的线性关系。据得到的关系式,可以用来定量分析含CO2-H2O-NaCl流体包裹体中的CO2含量及CO2水合物中气液两相平衡浓度等。本定量方法还可推广于地质流体中其他溶解气浓度的测定,例如甲烷。 (2)基于得到的定量关系,在采集CO2饱和(盐)水溶液的拉曼光谱的基础上,得到了CO2在纯水中在温度273.15~573.15 K、压力0~50 MPa范围内以及CO2在盐水溶液中在温度273.15~473.15 K、压力0~40 MPa、盐度1~5 mol/kg NaCl范围内的溶解度。。经对比,本实验数据与前人实验数据和模型的预测结果具有较好的一致性。与Duan和Mao模型预测结果相比,CO2在纯水中的溶解度数据的平均偏差分别为2.52%和4.13%;在1 M NaCl溶液中分别为2.76%和2.06%;在3 M NaCl溶液中分别为2.42%和1.98%。但是,低温段(523 K)本实验数据与这两个模型的预测值偏差较大,说明前人模型在低温和高温段有待改进。(3)改进了CO2在纯水和氯化钠水溶液中的溶解度模型。参照前人建立模型的方法,用本研究实验数据重新拟合模型参数,改进了CO2在纯水和NaCl溶液中的溶解度模型。改进的模型预测的溶解度数据与本实验数据平均偏差为1.43%,与前人实验数据相比,平均偏差约为4%,而与Duan和Mao的模型平均偏差约为3%和2%。相较于前人的模型,本文改进的模型预测精度更高。 (4)本文基于得到的溶解度数据改进的模型对CO2地质封存和海洋封存的评估预测具有较好的适用性。以松辽盆地为例,采用埋存机制法,获取相关地质资料并通过改进的溶解度模型计算松辽盆地储存条件下CO2的溶解度,对松辽盆地咸水层CO2储存潜力进行了评价。计算得到松辽盆地深部咸水层CO2储存量约为262.4 Gt,表明松辽盆地具有较高的CO2储存能力,适宜CO2储存。