孔隙介质超临界CO2毛细捕获机制与两相流宏观特性

The supercritical (sc) CO2 capillary trapping mechanism and the macroscopic properties for scCO2-water two-phase fluid flow behavior in porous media, is a key scientific issue in the saline aquifers geological carbon sequestration, and also a frontier issue in the field of enhanced oil/gas recovery. By the microscopy-micromodel-high pressure-multiphase flow experiment system and the Navier–Stokes equations-based numerical simulation at the pore-scale, this project intends to give an insight into the mechanisms controlling the pore-scale two-phase fluid flow behavior and its impact on the macroscopic properties. The displacement pattern criterion will be proposed to account for the effects of pore structure and wettability, illustrating the condition of the onset of capillary and viscous fingerings, and the mechanism of scCO2 capillary trapping is then revealed from the respects of the evolution of free energy and the forces balance. After that, the hydraulic conductivity model and the saturation-capillary pressure curve model will be proposed, and the computer code are to be developed for numerical simulation of the scCO2-water two-phase fluid flow processes in saline aquifers. The research results are of great scientific significance in the better understanding the mechanism response for the scCO2 capillary trapping and macroscopic properties for scCO2-water two-phase flow behavior in porous media, and also of important practical values in improving the effectiveness of scCO2 capillary trapping and optimization design of scCO2 injection schemes in saline aquifers geological carbon sequestration.

孔隙介质超临界二氧化碳(CO2)的毛细捕获机制与超临界CO2-水两相流宏观特性是咸水层CO2地质封存中的关键科学问题，也是油/气开采领域的前沿课题。本项目以孔隙介质为研究对象，采用显微镜-微观模型-高压多相流实验观测技术和基于纳维-斯托克斯方程的孔隙尺度两相流三维数值模拟方法，研究孔隙尺度超临界CO2-水两相流的细观机制及其对两相流宏观特性的影响，建立反映介质湿润性与孔隙结构特征的两相流驱替模式判别准则，阐明毛细指进与黏性指进发生的临界条件，从自由能演化与力学状态平衡两个视角揭示超临界CO2的毛细捕获机制，建立超临界CO2-水两相流渗透特性与毛细压力-饱和度演化模型，发展咸水层超临界CO2-水两相渗流数值模拟方法与分析工具。研究成果对深化孔隙介质超临界CO2毛细捕获机制与宏观流动特性的认识具有重要理论意义，对于优化咸水层CO2注入方案与提高咸水层CO2毛细封存效率具有重要的应用价值。

孔隙介质超临界CO2的毛细捕获机制与两相流宏观特性是咸水层CO2地质封存中的关键科学问题，也是油/气开采领域的前沿课题。本项目通过研发可视化实验平台，提出了多相渗流流动模式理论判据，建立了考虑流动模式的多相渗流宏观本构模型与数值模拟方法。经过四年的努力，在实验技术、流动机理和分析方法等三个方面取得了如下成果：. （1）在实验技术方面，发展了多相渗流多尺度可视化实验技术，实现了超临界CO2-水多相渗流过程在微米、毫米和分米三个尺度上的实时动态观测，解决了传统可视化实验无法兼顾多尺度观测与图像快速采集的技术难题，形成了集样品自主制备、改性和图像后处理为一体的成套实验技术，为多相渗流的宏细观机理研究提供了强有力的“多尺度直接观测”工具。. （2）在流动机理方面，发现了孔隙尺度下流体“折断”和“绕流”两种毛细捕获机制，发现了裂隙介质中毛细-黏性过渡流、集中通道流两种新的多相渗流流动模式，建立了首个完整的裂隙介质多相渗流流动模式相图，并基于界面稳定性分析，提出了考虑介质特性（湿润性、非均质性和粗糙度）的流动模式理论判据，解决了经典判据无法考虑介质特性的难题。在此基础上，发现了不同的流动模式具有不同的能量转换与耗散机制，建立了细观尺度界面稳定性与能量耗散率等宏观状态变量之间的对应关系，为多相渗流宏观模型的构建奠定了理论基础。. （3）在分析方法方面，基于上述能量转换与耗散机制，发展了考虑流动模式的细观尺度黏滞力均匀化技术，建立了反映流动模式的多相渗流宏观模型，进而建立了集参数预估、高效模拟与动态反馈为一体的多相渗流分析方法，解决了工程尺度岩土介质多相渗流参数的获取难题，成功应用于二氧化碳地质封存以及白鹤滩等水利水电工程的渗流分析与控制等工程实践。. 发表SCI收录论文13篇（地学顶级、自然指数论文5篇），授权发明专利4项，获批软著权3项；培养博士研究生4名，硕士研究生1名。. 项目负责人获批国家优秀青年基金人才项目（批准号：52122905）。