深煤层碳封存中CO2-H2O-煤的化学反应动力学过程及CO2的矿化捕集量研究

The most stable way of carbon dioxide storage is mineral sequestration. Gas-liquid-solid reaction is the most important issues in mineral sequestration which controls the content of carbon dioxide storage and the change of coal reservoir pore structure. The research object of this study is coal reservoir in southern Qinshui Basin. According to the test data of carbon dioxide storage field, kinetics of CO2-H2O -coal reaction will be studied. Theoretical analysis, experimental study and numerical simulation will be used in this study. At first, influencing factors and reaction kinetic mechanism of reaction in carbon dioxide storage will be analyzed. And then, quantitative research method of CO2 mineral sequestration content in the time and spatial scale will be established, the change of coal reservoir pore structure will be calculated also. At last, the coal reservoir which suitable for carbon dioxide storage should be selected, and the time and location suitable for methane producing should be analyzed. All these study can provide theoretical basis for site selection of carbon dioxide storage and enhancing coal bed methane recovery.

矿化捕集CO2是最稳定的碳封存方式，深煤层碳封存中矿化捕集的研究重点是气液固三相反应，这种反应控制了碳封存量和煤储层孔隙结构的改变。本项目拟以沁水盆地南部煤储层为研究对象，结合煤层碳封存现场试验数据，对煤层碳封存中存在的CO2-H2O-煤三相反应展开不同尺度的动力学研究。研究运用理论分析、实验研究和数值模拟的研究方法，首先分析煤层碳封存中化学反应的影响因素和反应动力学机理；然后建立一定时间和空间尺度上不同煤储层对CO2矿化捕集量的定量研究方法，计算化学反应对煤体孔隙结构的改变量；最后分析适合CO2矿化封存的煤储层类型，判断适合甲烷产出的时间和地点，为深煤层碳封存的选址和提高煤层甲烷采收率提供理论依据。

深煤层碳封存技术既可实现温室气体的减排，又可提高煤层气采收率，CO2注入煤层后会与地下水及煤层中矿物发生化学反应，这种反应会直接改变煤层孔隙结构和渗透率。基于煤层孔隙结构改变对煤层碳封存和煤层CH4排采的重要性，本次主要针对这个科学问题展开研究。本次研究以沁水盆地南部煤储层为主要研究对象，运用CO2-H2O-煤三相化学反应动力学实验和数值模拟两种研究方法，针对煤层碳封存过程中的矿物化学反应动力学过程和注入CO2对煤层的改造作用两方面展开不同尺度的研究。本次研究开展了七组CO2-H2O-煤三相化学反应动力学实验，主要研究化学反应对煤样孔隙结构的改造作用，并分析温度、压力和水动力扰动三个条件变化对化学反应过程的影响：根据反应溶液中元素含量的变化计算化学反应速率；通过测试化学反应前后煤样中矿物含量的变化分析参加化学反应的矿物类型和反应量；运用扫描电镜技术研究煤样孔隙类型和孔隙形态的变化，运用低温液氮吸附实验、低场核磁共振技术和CT扫描技术定量测试煤体孔径分布、比表面积、孔容、有效孔隙度和渗透率等参数的变化。运用数值模拟研究温度、CO2分压、盐效应、同离子效应四种因素对煤层中主要矿物在地下水中溶解度的影响，并研究CO2注入量、CO2注入距离、地层温度、地层压力等因素对煤层碳封存化学反应过程的影响，分析煤层在注入CO2后各参数在时间和空间两个尺度上的变化。最后，根据本次研究的实验数据和数值模拟结果提出了适合进行长期深煤层碳封存的地质条件，并建立煤层碳封存的选址流程。