CO2在地层水中溶解度实验及理论研究+本科生校优

CO2在地层水中溶解度实验及理论研究

石油工程学院专业年级：石油工程2009级指导教师：卞小强

摘要：CO2在深部咸水层中埋存是减轻温室效应的有效途径之一，由于CO2具有超临界特性，CO2在地层水中的溶解能力远大于常规烃类气体，目前超临界CO2在不同矿化度的地层水中溶解规律仍没有完全认识清楚。针对此问题，采用物理模拟和理论模型相结合的研究方法，通过平衡液体闪蒸实验，测定不同温度不同压力条件下CO2在不同矿化度以及不同离子含量地层水中的溶解度。结果表明：在实验温度压力条件下，CO2在地层水中溶解度在11.83~37.31m3/m3之间；温度越高，CO2的溶解度越低，低压下随温度增加CO2溶解度降低幅度比高压下大；压力越高，CO2的溶解度越大，低温下随压力增加CO2溶解度增加的幅度比高温下小。对比6种CO2溶解度计算模型（Chang、Furnival、PR-HV、Duan(2003)、Duan(2006)、Dubacq）和实验数据表明：Duan(2006)模型精度最高（AAD=2.77%），其次是Duan(2003)模型（AAD=3.27%），最差的是Chang模型（AAD=10.24%）。该研究为准确快速求取CO2在地层水中溶解度数据提供新方法，对阐明CO2在深部咸水层有效埋存中的溶解机理具有重要意义。

关键词：CO2；溶解度；实验；理论模型；平均相对误差

Abstract：The storage of CO2in deep saline aquifers is one of the effective methods to reduce the greenhouse effect. Due to the characteristics of supercritical CO2，the solubility of CO2 in the formation water is greater than that of hydrocarbon gas reservoir. It is incompletely clear that the supercritical CO2 dissolves in formation water with different salinity at present. When it comes to this question, a combination of experiment and numerical models was adopted. The solubility of CO2in formation water with different salinities and different ion concentration was measured at different pressure and temperature conditions through balance liquid flash test. The results show that the solubility of CO2in formation water varies from 11.83 to 37.31 m3/m3at the range of experiments, that the CO2solubility decreases with increasing temperature and the increase of the CO2solubility with increasing temperature at lower pressure is greater than that at higher pressure, and that the CO2 solubility increases with increasing pressure and the increase of the CO2 solubility with increasing pressure at lower temperature is less than that at higher temperature.

A comparison of 6 models (Chang, Furnival, PR-HV, Duan (2003), Duan (2006) and Dubacq model) of CO2 solubility in formation water and experimental data shows that the accuracy of Duan (2006) model is the highest among all models in this work (AAD=2.77%), Duan (2003) model is the second and that the accuracy of Chang is the worst (AAD=10.24%). The work provides a novel method for an accurately fast acquirement of the solubility of CO2 in formation water, and is of great significance to study the solution mechanism of CO2 in deep saline aquifers.

Key words：CO2; Solubility; Experiment; Theoretical Model; AAD

1.引言

目前，CO2在深部咸水层中埋存是减轻温室效应的有效途径之一，是减缓温室效应最有效的现实选择。CO2在咸水层中的埋存机制主要包括构造圈闭埋存、残余气埋存、溶解埋存和矿物埋存4种基本方

式。其中，溶解埋存是CO2溶解在水中，与水中的钙、镁、铁等离子发生反应生成碳酸盐矿物，从而实现CO2圈闭埋存。我国CO2在深部咸水层中的地质埋存尚处于实验阶段，由于CO2具有超临界特性，CO2在地层水中的溶解能力远大于常规烃类气体，目前超临界CO2在不同矿化度的地层水中溶解规律仍没有完全认识清楚。对CO2在地层水中的溶解度计算模型研究仍存在较大的争议。

针对此问题，采用物理模拟和理论模型相结合的研究方法，首先通过平衡液体闪蒸实验，测定不同温度不同压力条件下CO2在不同矿化度以及不同离子含量地层水中的溶解度。然后对比6种CO2溶解度计算模型（Chang、Furnival、PR-HV、Duan(2003)、Duan(2006)、Dubacq）和实验数据，优选出适宜于实验条件下CO2在地层水中溶解度理论模型。该研究为准确快速求取CO2在地层水中溶解度数据提供新方法，对阐明CO2在深部咸水层有效埋存中的溶解机理具有重要意义。

2.物理模拟研究

2.1 实验的方法及条件

利用高温高压反应釜配制实验温度压力下的含过饱和CO2的水溶液，温度、压力稳定后开展饱和CO2水样品的单次脱气实验，测定不同温度、压力条件下不同水样品中溶解CO2的能力。本次实验条件为：35℃～135℃、8MPa～50MPa。

实验配制的地层水样物性分析见表1：

表1 实验配制地层水样物性汇总

HCO3-Cl-SO42-Ca2+Mg2+K++Na+矿化度水型PH值

12332.2 2603.3 325.3 26.3 17.3 6427.5 21531.8 NaHCO37.7

2.2 实验的设备及流程

主要实验设备包括高温高压反应釜、高压驱替泵、气液分离装置、气量计、水离子分析仪及密度计等。实验流程如图1所示：

图1 CO2在地层水中溶解度实验流程图2.3实验结果与分析

实验结果见图

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