CO2储存过程中含CO2地层水及共存流体的热力学模拟

CO2地质储存过程的数值模拟要求相关的水-气-盐体系的热力学模型必须具有很高的精度与可靠性。为此，本项目拟通过一套特殊的参数约束条件、简便有效的临界效应处理方法与精心设计的独特算法，建立中低温压下含CO2盐水及共存流体的一种简便、实用的高精度状态方程。它不仅能精确地预测纯流体及混合物的溶解度、相平衡、PVT(压力-体积-温度)性质以及许多其它热力性质（包括平衡线、单相区、气体组分的超临界区），而且能再现纯流体及混合物的临界条件，精确地模拟临界区的性质，从而为CO2储存、流体包裹体研究、油气(包括天然气水合物)开采、水-岩相互作用等许多相关的地质与工业过程的模拟提供一个必要的工具。该方程不但在精度方面显著地优于现有的热力学模型，同时也有良好的预测性和外延性。本研究中的建模方法与临界效应处理方法可以推广到其它的热力学模型，从而为纯流体及混合物相平衡和PVT性质的同时精确预测找到了一种有效方法。

CO2捕获与封存(CCS)、流体包裹体与水-岩相互作用的研究以及油气的开采等均需要准确地掌握含CO2地层水体系的热力学性质，如相平衡、压力-体积-温度-组成(PVTx)性质以及许多其它性质。因此，建立中低温压下CO2-H2O-盐体系的高精度热力学模型非常重要。本项目的主要内容和结果如下：.(1) 系统地评价了中低温（T≤647 K）条件下CO2-H2O、CO2-H2O-盐混合物的溶解度、相平衡和PVTx数据和更宽P-T范围内H2O、CO2和CH4的相平衡和PVT数据。.(2) 对许多地质流体状态方程的理论基础、形式、精确度、偏差大小与分布、适用范围、理论临界点及其对方程精度的影响进行了评价，并对CO2-H2O、CO2-H2O-NaCl体系的液体密度模型和一些混合物状态方程进行了评价。.(3) 建立了带有临界校正项的多参数维里型状态方程。对H2O、CO2和CH4，方程分别可用于从三相点到(647.096K, 200 MPa)、(720 K, 100 MPa)和(1600 K, 150 MPa)。方程能再现纯流体的临界条件，能精确地计算纯流体的相平衡、PVT以及许多其它的热力学性质（包括临界区），如逸度系数、剩余焓、剩余熵及汽化热。通过一定的混和规则和电解质溶液模型，该方程可以扩展到水-气和水-气-盐混合物。.(4) 利用高质量的PVTx实验数据提出了一种适合于CCS的高精度CO2溶液密度模型。为了简化计算，本项目还建立了一种简单、精确的液态水体积模型作为它的参考项。对该模型的进一步改进即将完成。.(5) 开展了一些三、四元水盐体系固－液平衡及溶液密度的实验和计算研究，得到了相应的相图和饱和溶液的密度。.(6) 建立了CO2-H2O-NaCl体系的一种PVTx模型（273–1273 K、0–500 MPa）。该模型仅需一、二元参数，可用来计算相关包裹体的多种热力学性质。.(7) 根据热力学模型和一些必要的测量结果，提出了无需气相体积分数即可计算CH4-H2O-NaCl流体包裹体组成、摩尔体积和均一化压力的一种新方法。.上述结果以及将要得到的结果可广泛地用于许多相关的地质、工业和环境过程的模拟或解释。