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:
  • 构造封存存在较高的泄露风险
  • 溶解封存和束缚空间封存风险较低
  • 矿化封存是最安全也是时间最长的,可能需要几百年

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。

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