化石燃料为主的能源结构在短期内难以转变,这意味着在2050年实现CO₂净零排放以及稳定全球平均升温1.5℃是一项极其紧迫而严峻的挑战。作为目前阶段实现化石能源直接脱碳利用的唯一有效技术选择,碳捕集、利用与封存技术(CCUS)被国际普遍认可,全球项目数量呈现逐年大幅增长趋势。我国CCUS技术持续发展并完善,目前总体水平已处于示范及研发阶段,但玄武岩CO₂地质封存技术仍处于概念阶段。作为地球上最常见的岩石之一,玄武岩覆盖了5%以上的大陆表面积和大部分海底,具有相当可观的CO₂封存潜力。其金属离子质量占比更是高达25%以上,充足的物质条件能够促进CO₂矿化,从而进一步提高长期封存的安全稳定性。由此可见,玄武岩或将成为未来重点关注的CO₂地质封存处置选择。 由于研究起步较晚,现阶段全球既存的玄武岩CO₂地质封存工程示范项目仅有3个,然而玄武岩矿物及化学组成的不同对固碳反应的影响差异十分显著,亟需针对更多地区的玄武岩类型开展试验及模拟研究以丰富现阶段数据资料。另一方面,虽已针对CO₂-水-玄武岩相互作用机制及影响因素分析进行了初步探索,但相关理论研究仍处于早期阶段需要进一步完善。我国东南沿海一带具有较高的CO₂排放量,咸水层沉积盆地的匮乏限制了其地质封存技术的选择,但新生代玄武岩的广泛分布使其可以作为我国玄武岩CO₂地质封存的重点研究区。基于上述背景,本文针对浙江嵊县组新生代玄武岩开展了CO₂地质封存的试验及模拟研究,以期进一步探索玄武岩固碳机制、完善基础理论、推动技术发展、填补研究空白。主要的研究内容和结论如下: 首先,针对研究区玄武岩进行资料收集和样品测试,获取了地层地质资料、储层物理及化学参数等数据。在此基础上,开展多参量气-水-岩反应室内试验,分析了不同反应周期、玄武岩孔隙度、玄武岩比表面积、温度、压力及催化剂使用条件下CO₂-水-玄武岩相互作用特征。试验结果表明:在180天反应时间内,CO₂-水-玄武岩之间的相互作用速率呈现出先快后慢的变化趋势,前60天主要表现为原生矿物溶解,后120天伴随次生矿物沉淀过程。玄武岩表面没有检测到次生碳酸盐沉淀,但在反应后溶液的悬浮物中发现了方解石、铁白云石等矿物生成。增大玄武岩孔隙度和比表面积能够加快水岩相互作用过程。在相对低的温度(15℃)和压力(1MPa)条件下,CO₂在玄武岩中实现了有效的矿物转化。四硼酸钠作为催化剂促使反应中CO₂气体消耗显著增大,从而提高了反应速率。 借助数值模拟方法,还原了试验条件下CO₂-水-玄武岩相互作用过程。根据试验结果,对模拟所采用的相关矿物反应动力学参数进行了修正。在验证了数值模型准确性的基础上,研究了温度、压力及蚀变矿物对反应的影响。模拟结果表明:作为玄武岩中主要反应性矿物,橄榄石及辉石随温度和压力增大表现出溶解速率加快的特征。当蚀变矿物体积含量低于10%时,玄武岩中主要矿物的溶解速率与新鲜样品表现差异不大。温度升高促使次生碳酸盐矿物沉淀量增多,但同时也大幅缩短了粘土矿物及沸石类矿物的结晶时间。在压力增大条件下,粘土矿物表现出更强的溶解效应,片钠铝石次生沉淀量减小同时生成时间滞后。作为蚀变矿物,绿泥石对反应过程中菱镁矿、铁白云石等碳酸盐矿物的生成有一定的抑制作用,而钙蒙脱石更多影响了次生粘土矿物的沉淀过程。 基于静态模型的输入参数,结合研究区储层地质概况,开展了场地级玄武岩CO₂地质封存反应运移模拟研究。采用水和CO₂共注入工况,设置了3:1和5:1两种不同水气注入比,研究了不同时间尺度(1年、2年、5年、10年)及空间范围(距注入井水平方向200m、500m、800m、1000m)上的矿物溶解、沉淀及转化特征,分析了各类次生矿物的体积含量占比变化规律,探讨了具体矿物间的沉淀次序及竞争关系。结果表明:在CO₂持续注入过程中,储层原生矿物不断溶解,溶解速率随时间逐渐削弱,最大溶解区域始终位于注入点附近。受到矿物晶体结构的影响,硅酸盐矿物沉淀过程相对较慢,反应前5年的次生矿物类型以碳酸盐沉淀为主。在空间分布上,次生矿物中碳酸盐体积含量占比在距注入井水平方向200m以外区域上持续降低,伴随粘土矿物增多。铁白云石优先在注入点附近沉淀,方解石是远端位置上的主要次生碳酸盐矿物。次生硅酸盐矿物中,伊利石始终拥有最高的体积含量占比。注水量的改变对矿物沉淀特征有较大影响,具体表现为碳酸盐矿物中片钠铝石及菱镁矿沉淀速率显著提升,硅酸盐矿物中钙蒙脱石沉淀量大幅增长。模拟时间及空间范围内,沸石类矿物及金属氧化物的体积含量始终较低,且不同工况下未表现出显著的沉淀差异。 在对研究区玄武岩依次开展了室内试验、静态数值模拟、场地级反应运移模拟分析等相关研究后,实现了玄武岩固碳效率的定量化计算及玄武岩固碳速率与溶解速率之间的函数关系分析。将金属氧化物Na₂O向片钠铝石(Na Al CO₃(OH)₂)沉淀转化过程考虑在内,对矿物置换法评估玄武岩CO₂矿化封存潜力时所考虑的主要矿物类型进行了补充,并采用改进后的公式计算了研究区玄武岩地下CO₂矿化理论封存潜力。在此基础上,结合碳酸盐矿物和硅酸盐矿物在次生矿物中的体积含量占比,提出有效转化率概念修正了有效封存参数,对研究区玄武岩地下CO₂矿化有效封存潜力进行了评估。结果表明:玄武岩总固碳量随反应时间持续增长,但固碳效率呈现出逐渐衰减的变化趋势,在180天后大致稳定在516.96mg/(kg·d)。增大岩石孔隙度及比表面积对提升固碳效率有积极影响。以饱和或欠饱和CO₂水溶液作为封存工质,相对低的温压条件对反应效率的促进更大。四硼酸钠作为反应催化剂使得玄武岩固碳效率提升了10%。研究区玄武岩固碳速率与溶解速率之间存在y=13.4344e^0.2241x-7.4797的函数关系,R²=0.9983。浙江嵊县组新生代玄武岩地下CO₂矿化封存潜力巨大,理论固碳量和有效固碳量分别达到了44.1860Gt和5.3023Gt,可以作为原位固碳的潜在储层以解决我国东南沿海地区碳中和“源汇不匹配”的关键问题。