深部砂岩咸水层碳封存中不同地质条件下CO2-水-岩相互作用机理研究

The current CO2 excessive emissions increasingly affect the ecological environment, CO2 storage in deep saline aquifers is considered to be the most effective and feasible way for the emission reduction. At present, using the geological data of oil and gas exploration and development area on sedimentary basin potential targets for characterization and potential evaluation is a common practice. Oil and gas exploration and development of saline aquifer in Daqingzijing area of Qingshankou Formation in Songliao Basin have rich data, providing a excellent examples for carbon capture mechanism in saline aquifers. Aiming at the unclear CO2 - water - rock coupling mechanism and difficult carbon storage capacity assessing of the continental sandstone saline aquifers, combined with our continental sandstone saline aquifer geological features, this proposal is desinged to determine a reasonable experimental range of temperature, pressure, pH value and salinity,which suitable for China's geological characteristics. With the help of advanced technologies for reservoir rock and mineral testing, using the designed autoclave experimental device, applying the research ideas that from a single geological condition to different geological conditions of CO2 - water- rock reaction experiments, to explore the coupling relations of various ionic contents of the solutions, pH value and reaction time in a single geological condition, and the variation laws of salt water solution and rock mineral composition under different geological conditions. Analyze the reaction mechanism for CO2-water-rock under different geological conditions to provide a geological theory basis for the formulation of CO2 storage scenario, an accurate assessment of carbon sequestration capacity in different geological conditions of China continental sandstone saline aquifers.

目前CO2的过度排放日益影响生态环境，在深部咸水层中封存CO2被认为是减排最有效和最具可行性的方式。目前利用油气勘探开发区有效的地质资料对沉积盆地内潜在目标进行表征是通行的做法。松辽盆地大情字井区青山口组咸水层勘探开发资料丰富，提供了碳封存机理研究的极好实例。本项目拟针对陆相砂岩咸水层CO2-水-岩相互作用机理不清、碳封存容量评估难等问题，结合我国陆相盆地砂岩咸水层地质特点，确定适合我国地质特征的温度、压力、pH值、矿化度实验范围，借助储层岩矿测试先进技术，应用设计的高压釜实验装置，采用从单一地质条件到不同地质条件下CO2-水-岩反应实验的研究思路，探索单一地质条件下溶液中各种离子含量、pH值与反应时间的相互作用关系、不同地质条件下咸水溶液和岩心矿物成分的变化规律，分析CO2-水-岩相互作用机理，为我国不同地质条件陆相砂岩咸水层CO2封存方案的制定及碳封存容量的准确评价提供地质理论依据。

目前CO2减排已经成为全球缓解温室效应急需解决的问题。当前最有效的减排途径应是大规模地捕集和储存CO2，其中咸水层碳封存被认为是潜力最大的封存方式。本项目主要通过实验探索中国陆相砂岩咸水层中CO2-水-岩三者的相互作用机理。实验选取了松辽盆地南部大情字井区的咸水层低孔低渗岩心，渤海湾盆地南堡凹陷咸水层中孔低渗岩心及克拉玛依油田咸水层的高孔高渗岩心，应用自行研制的高压釜实验装置，开展了不同条件下砂岩咸水层中CO2-水-岩反应实验。统计分析了国外碳封存成功案例，结合中国陆相盆地地质特征，确定了实验温度为30℃～100℃，实验压力为7.38～30MPa，实验pH值在3～9，实验矿化度为5g/L～35g/L，此外为了探讨高温下石英溶蚀和矿物生成情况，还开展了100℃～250℃的高压釜实验。高压釜实验证明了CO2矿化封存的可行性，并得出以下主要结论：超临界的CO2溶于水使咸水层酸性增强，然后与碎屑岩储层相互作用，使长石和黏土矿物发生溶蚀生成方解石、菱镁矿和菱铁矿等固碳新矿物，表明该储层CO2封存的可行性和稳定性。实验初期随着CO2的注入溶液的pH值先急剧下降，然后CO2和长石反应消耗氢离子使pH值缓慢上升，由于溶解速度快于新矿物的生产速度，最后pH值趋于平稳但低于初始状态的pH值。金属阳离子的质量浓度在实验初期急剧下降，实验终止时阳离子质量浓度均高于实验初始状态地层水中的阳离子质量浓度。当温度在30℃～100℃之间逐渐升高时，随着温度增加，CO2-水-岩反应强度逐渐降低。当压力在7.38MPa～30MPa之间逐渐升高时，随着压力增加，CO2-水-岩反应强度变化不明显。当温度稳定在100℃，压力稳定在20MPa，pH值在3～9之间逐渐升高时，随着pH值增加，实验开始阶段消耗了较多的CO2，但实验结束时CO2-水-岩反应强度变化不明显。当矿化度在5g/L～35g/L之间逐渐升高时，随着矿化度增加，CO2-水-岩反应强度变化不明显。最后在建立典型区块三维地质模型的基础上，应用上述实验确定的埋存系数2%，用容积法计算的CO2在咸水层中的理论埋存量为7174.96亿吨，有效埋存量为143.50亿吨，可操作埋存量为57.83亿吨；用容量系数法计算的埋存量为141.84亿吨，与容积法中的有效埋存量较为接近。该项目研究为中国咸水层碳封存容量评估提供了地质依据。