地质埋存中超临界CO2/深部盐水的界面特性研究

咸水含水层是二氧化碳(CO2)封存的主要地质储体,具有巨大的埋存潜力。当CO2封存于咸水含水层时，CO2的注入能耗以及注入率在很大程度上取决于CO2与地下含盐水（brine）之间的界面性质。本项目拟采用分子动力学仿真的方法，对地质封存中的界面现象及物理机理进行解释与研究。主要分析CO2/brine复杂界面系统中分子间（内）作用力、分子的结构、potential of mean force和virial等，以期得到系统内各种作用力对界面张力（IFT）的贡献以及CO2分子和盐离子的行为；从分子层面解释盐成分、浓度、温度、压强和多种盐共存等影响因素对界面特性的影响规律和原因，从而进一步为IFT的大小控制、变化过程预测提供理论依据。此外，本项目还拟对(CO2+oil)/brine多相界面进行初步研究。本项目的研究，将对CO2地质封存的存储效率、存储能力的提高和存储地址、表面添加物的选取起到指导作用

本项目采用分子动力学仿真的方法，对地质封存中的界面现象及物理机理进行解释与研究。根据立项内容，开展了四个方面的研究，并取得了一定的进展：（1）盐离子成分对CO2/brine界面张力（IFT）的影响研究。对不同的盐离子添加到水中会产生不同的IFT增加斜率（如CaCl2的增加斜率是NaCl的二倍多）这一现象从阳离子电荷数、原子量、Lennard-Jones参数σ和ε，及离子强度三个方面进行了详细分析。结果表明，约80%的IFT变化是由阳离子电荷数引起的；在电荷相同时，Lennard-Jones参数σ越大，ε值越小，则IFT增加量越小；势能阱的深度越大离子对水分子内部结构的影响越大，而该影响超过了离子粒径的影响。（2）温度、压强等操作参数对IFT的影响研究。详细研究了不同温度和压力下CO2-NaCl盐水系统，计算所得的界面张力随温度及压力的变化与实验一致，并观测到了压强平衡点。分析了界面系统内CO2的体相性质、物质界面过余量及界面分子取向随环境条件的变化规律。（3）混合盐成分对IFT的影响研究。分析了CO2/(NaCl+CaCl2)系统在不同的NaCl:CaCl2配比情况下，混合盐浓度为0.9, 1.8 和2.7 molar时IFT以及界面结构的变化。结果表明，在不同盐浓度下，IFT均随NaCl: CaCl2的比值呈线性变化，而随离子强度变化几乎不变，且与总浓度的变化关系不大，为我们进行混合盐IFT的预测提供了新的思路。（4）(CO2+oil)/brine系统的初步研究。对330K、20MPa下CO2-正己烷-NaCl溶液系统的界面特性进行了研究，CO2与正己烷形成混溶，界面粗糙度随着混溶相中CO2摩尔分数增加而增大；CO2摩尔分数为65%时，界面内CO2的累积量以及正己烷的驱离量最大；界面处CO2、正己烷及水的分子取向分布规律都随着CO2摩尔分数的增加而减弱。但界面相互作用与分子形态之间的相互联系，以及CO2浓度变化时界面微观结构的变化及影响还有待进一步研究。在本项目资助下，基本完成了任务书中的研究内容，发表SCI检索论文1篇，国内期刊论文1篇，投稿1篇；出国参加国际会议1人次，宣读论文1篇；参加国内工程热物理年会3次，每次2人，宣读论文2篇，已培养1名博士研究生与3名硕士研究生，其中1名硕士研究生已毕业，获得工学硕士学位。