二氧化碳地质封存是一种重要的碳减排技术,淮南煤田作为中国华东地区重要的煤炭生产基地,具有巨大的CO₂地质封存潜力。本论文以淮南煤田谢家集-上窑勘查区和八里塘勘查区为研究对象,通过文献查阅和资料收集、开展了压力脉冲衰减法和压汞实验,获取了煤系储层的储层温度、储层压力、孔渗等地质参数,通过X-ray CT扫描成像和孔裂隙结构数字化重构手段,构建了煤样孔裂隙结构二维和三维地质模型,结合有限元软件COMSOL进行数值模拟计算,阐明了CO₂地质封存过程中孔裂隙结构、不同注入参数对CO₂运移和分布规律的影响。本次研究主要取得以下成果: (1)CT建模结果揭示煤系样品孔隙迂曲度在1-2范围内,孔裂隙结构相对简单、连通性较好,更利于气体快速解吸和产出。在选择代表性体积单元时,需要考虑储层的非均质性和复杂性,以确保体积单元的代表性。当样品尺寸为30μm时,孔隙度趋近于5.44%,30μm为能够反应样品整体孔隙度的最小体积单元。渗透率与平均孔喉比通常呈正相关,喉道较发育,流体在孔裂隙间的流动阻力较小,孔裂隙间的连通性较好。相反,喉道数量少且窄会限制流体的流动速度,孔裂隙连通性较差。 (2)三维二氧化碳单相流数值模拟结果揭示在三维孔裂隙结构中,在距注入端较近、孔径较大且迂曲度小的孔隙中二氧化碳流速大;但在迂曲度较大、孔径由小变大的孔隙中流动方向因孔隙结构突变发生变化,二氧化碳流速降低;距注入端位置决定了流体从注入点到达某个孔裂隙的难易程度和时间:距离注入端越近的孔裂隙,受到的压力梯度越大,流动阻力相对较小,CO₂的运移速度更快,反之CO₂运移速度较慢。 (3)二维二氧化碳驱水两相流数值模拟结果显示主流孔道的形成是CO₂在地下运移过程中的一个重要阶段,CO₂从无序扩散向有序流动转变。主流孔道的形成依赖于孔道的交联与合并,主流孔道作为CO₂在储层中的主要流动通道,显著提高了CO₂的扩散速度和运移距离,有助于CO₂更广泛地运移分布到储层中,提高了CO₂的封存容量。 (4)二维二氧化碳驱水两相流数值模拟结果揭示在煤系地层中二氧化碳地质封存过程中涡流的形成促进CO₂与地下储层中的岩石或水发生相互作用,加速CO₂的封存过程,但在孔裂隙结构中,涡流的形成可能导致流体在孔隙壁附近形成复杂的流动模式,增加流体在孔隙中的滞留时间,影响流体的整体流动效率。盲端结构(孔隙一端开口一端封闭)增加了流体流动的复杂性,降低了CO₂的注入效率,盲端的开口方向、纵深决定了其中水被完全驱替出来的难易程度;在CO₂驱水过程中,CO₂穿透多孔介质后,随着水被驱替,因CO₂黏度低于水的黏度,CO₂流速显著增大。 (5)二维二氧化碳驱水两相流数值模拟结果揭示随CO₂时间延长,CO₂扩散范围扩大,速度减缓,分布形态复杂化,形成多个CO₂高浓度分布区域,CO₂封存效率越高,CO₂封存量的增速虽减缓但仍持续增长;CO₂地质封存中,注入速度对CO₂运移及分布有重要影响,随着注入速度增加,CO₂在多孔介质中的运移速率提升,穿透多孔介质时间显著缩短,有利于提高CO₂封存效率。 图[36]表[9]参[89]