精选短文（20）：能源转换数值模拟之二氧化碳地质封存

由于过度使用化石能源产生了过多的CO2，因而造成了一系列气候和生态问题，于是碳捕获与封存概念应运而生。

CO2捕获和封存技术（Carbon Capture and Storage）简称CCS技术。CCS技术是减少排放CO2，迈向低碳，应对全球气候变暖的重要手段。CCS技术是将工业和有关能源产业所生产的CO2分离出来，再通过碳储存手段，将其输送并封存到海底或地下等与大气隔绝的地方。

CCS的方法一般可分为地质封存和海洋封存两类。地质封存是将CO2注入地质结构中，包括油田、气田、咸水层以及无法开采的煤矿等。研究表明，CO2性质稳定，可以在相当长的时间内被封存。地质封存技术最初的目的根本不是减缓全球变暖，而是提高原油产量。海洋封存是指将CO2通过轮船或管道运输到深海海底进行封存。

CO2地质封存主要机理与模拟方法

CO2地质封存主要有四种方式：构造封存、束缚空间封存、溶解封存和矿化封存。

四种方式中：

就封存量而言，大小顺序依次为：构造封存、束缚空间封存、溶解封存、矿化封存。

出于封存量以及安全性考虑，地质封存一般选择较深的、不易泄漏的油气储层或盐水层。在深度800m以下，CO2处于液态或超临界状态，其密度为水密度的50~80%，产生驱使CO2向上的浮力，遇到盖层后，停止向上运移，并聚集于此。

通过流体密度差模拟储层内气体上浮以及聚集过程。基于应力计算的Barton-Bandis模型，可模拟由于加压注入CO2引起的盖层渗漏。

束缚空间封存主要是由于毛细管力的存在使得CO2被吸附到岩石表面，进而被束缚在较小的岩石孔隙或裂隙内。

选择气相捕集相渗滞后HYSKRG模型，模拟由于岩石中水/气驱替和吸吮过程的转换，圈闭了一部分气体使其不可流动现象。通过重力差，底部注气，同时顶部注水，模拟优化加速气体封存，并且使CO2远离盖层，降低泄漏风险。

CO2是水溶性气体，注入后不断与地层水接触，逐渐溶于其中，溶解量的大小与地层温度、压力、矿化度以及和水的接触面等因素相关。

CO2在水中的溶解增加了水的密度和粘度，它向底部下沉，进一步改善气体的封存。应用Henry定律模拟水溶气，通过WinProp可以进行室内实验数据拟合。

随着CO2在地层水中的溶解量的增加，导致其pH值降低，将部分岩石矿物溶解生成钙、镁等二价阳离子，进而与溶解的CO2（碳酸根）发生矿化反应，经过数十年甚至上百年，形成碳酸盐矿物而沉积，从而实现CO2永久封存。

采用WinProp地球化学反应数据库、Builder地球化学向导功能，轻松设置水相和矿物质反应，模拟多相闪蒸、离子交换、水蒸发、盐析、矿物沉积以及溶解导致的孔隙变化等。