深部咸水层气水混注下CO2运移规律及强化埋存机制

赵嘉; 姚传进; 周昶; 宋雨媛; 张秀晴

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505605

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (13) :5424-5434 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505605

石油、天然气工业

深部咸水层气水混注下CO₂运移规律及强化埋存机制

赵嘉 ¹^,²^,³ ,
姚传进 ¹^,²^,³^,^* ,
周昶 ¹^,²^,³ ,
宋雨媛 ¹^,²^,³ ,
张秀晴 ¹^,²^,³

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Investigation of CO₂ Migration Characteristics and Enhanced Storage Mechanisms under Gas-brine Co-injection in Deep Saline Aquifers

ZHAO Jia ¹^,²^,³ ,
YAO Chuan-jin ¹^,²^,³^,^* ,
ZHOU Chang ¹^,²^,³ ,
SONG Yu-yuan ¹^,²^,³ ,
ZHANG Xiu-qing ¹^,²^,³

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摘要

深部咸水层注入CO₂易形成指进现象,限制埋存效率。基于核磁共振技术开展了气水混注驱替实验,系统研究了气水混注下CO₂运移规律及其对埋存能力的强化机制。结果表明:气水混注促使CO₂与咸水形成自发分离和聚集的间歇流动模式,CO₂和咸水流速分别降低82.17%和58.33%;混注下中孔中CO₂运移占比降低16.3%,小孔中增加3.5%,微孔中负对流现象加剧;混注导致产出液中H⁺浓度显著上升,气水比(GWR)为0.5时CO₂溶解反应程度为单相注入的3.98倍;相渗曲线揭示了不同气水比下的影响机制:残余捕集增强机制(GWR= 0.2)、驱替捕集平衡机制(GWR= 0.5)和驱替主导弱捕集机制(GWR= 0.8)。综合归一化驱替效率和埋存效率评价表明,注入速率为0.2 mL/min、气水比为0.5的条件下,气水混注可有效提高CO₂埋存能力。该研究为深部咸水层CO₂地质埋存工程提供了理论基础和优化策略。

Abstract

CO₂ injection into deep saline aquifers is prone to viscous fingering phenomena, limiting storage efficiency. Gas-brine co-injection displacement experiments were conducted using nuclear magnetic resonance (NMR) technology to systematically investigate CO₂ migration characteristics and enhancement mechanisms for storage capacity. The results demonstrate that gas-brine co-injection induced an intermittent flow pattern characterized by spontaneous separation and aggregation of CO₂ and brine, by which CO₂ and brine flow velocities are reduced by 82.17% and 58.33%, respectively. CO₂ migration proportion in mesopores is decreased by 16.3% while it is increased in smallpores by 3.5% through co-injection, with intensified negative convection phenomena observed in micropores. H⁺ concentration in produced fluids is significantly elevated by co-injection, with CO₂ dissolution reaction extent reaching 3.98 times that of single-phase injection at gas-water ratio (GWR) of 0.5. Distinct influence mechanisms under different GWR are revealed by relative permeability curves: residual trapping enhancement mechanism (GWR = 0.2), displacement-trapping balance mechanism (GWR = 0.5), and displacement-dominated weak trapping mechanism (GWR = 0.8). Based on comprehensive evaluation using normalized displacement efficiency and storage efficiency, it was indicated that CO₂ storage capacity can be effectively enhanced by gas-brine co-injection under conditions of 0.2 mL/min and GWR of 0.5. This research provides theoretical foundation and optimization strategies for CO₂ geological storage engineering in deep saline aquifers.

Graphical abstract

关键词

深部咸水层 / 气水混注 / CO₂运移规律 / 强化机制 / 核磁共振

Key words

deep saline aquifer / gas-brine co-injection / CO₂ migration characteristics / enhancement mechanism / NMR

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赵嘉, 姚传进, 周昶, 宋雨媛, 张秀晴. 深部咸水层气水混注下CO₂运移规律及强化埋存机制[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(13): 5424-5434 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505605

ZHAO Jia, YAO Chuan-jin, ZHOU Chang, SONG Yu-yuan, ZHANG Xiu-qing. Investigation of CO₂ Migration Characteristics and Enhanced Storage Mechanisms under Gas-brine Co-injection in Deep Saline Aquifers[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(13): 5424-5434 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505605

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随着全球气候变化的加剧和碳排放目标的日益严格,碳捕集与埋存(carbon capture and storage,CCS)作为减少CO₂排放和缓解温室气体效应的关键技术已被广泛认可^[1-2]。深部咸水层作为一种具有广阔储存潜力和分布广泛的储层类型,成为实现大规模CO₂埋存的关键场所^[3-4]。中国南海地区工业生产导致碳源富集,近海盆地具有良好的储盖层物性和圈闭特征,封存潜力较大,中国首个海上地质封存示范工程,即恩平凹陷工程项目,于2023年6月在南海珠江口盆地建成投产。恩平凹陷位于珠江口盆地珠一坳陷西缘,为典型下断上坳双层结构,其中HJ储层平均黏土含量高达14.92%,为典型的海相高泥质砂坝储层,储层孔隙较发育,粒间孔分布较均,单孔隙常见泥质杂基填充,受泥质影响,孔隙间连通性相对较差^[5-7]。

由于HJ储层孔隙连通性差及非均质性强等特点^[5-7],在单一CO₂注入的传统埋存方式中会造成指进现象加剧,进而注入的CO₂沿储层中的高渗通道快速突破^[8],降低了残余捕集和溶解捕集能力,同时增加了CO₂泄漏风险^[9-10]。此外,注入条件与储层流体动力学之间的复杂耦合作用,制约了对CO₂运移规律的定量表征^[11]。为抑制指进现象的发生,气水混注技术作为一种改进传统单一CO₂注入的新方法,逐渐受到关注。根据武博浩^[12]的研究,咸水和CO₂混注增强了驱替效果,因为注入的咸水段塞导致CO₂羽流分散,有效控制了气体流速。Rathnaweera等^[13]进一步探究了不同围压和注入压力下混注的驱替效果,研究表明混注对CO₂捕集效果的深度效应更加明显,有利于增强埋存的长期安全性。Zhang等^[14]借助X射线CT成像技术对气水混注的作用机制进行探究,从压降差异等方面证实了混注对流体运移的调控作用。上述研究表明,气水混注显著影响了CO₂在咸水层中的流动特性^[15],但对不同微观孔隙结构中CO₂运移规律的认识仍存在局限性^[16],且CO₂在咸水中的溶解特性以及CO₂和咸水的相对渗透率变化未被广泛关注。因此,深入探究气水混注下CO₂运移规律及其对埋存的影响机制对于实现高效CO₂地质埋存至关重要^[17-18]。

现探讨气水混注下CO₂运移规律及强化埋存机制。首先,结合核磁共振技术和分形理论,表征气水混注下不同孔隙中CO₂的运移规律;其次,阐明气水混注下CO₂的溶解特性及相渗演变规律,系统揭示了强化埋存的机制;此外,基于归一化驱替效率与埋存效率的综合评价方法,探究不同气水比与注入速率组合对埋存能力的影响,提出提高CO₂埋存能力的优化策略,为深部咸水层CO₂地质埋存提供理论与实践指导。

1 基于核磁共振的气水混注驱替实验

1.1 实验材料

实验中所用岩心取自南海HJ储层,对HJ储层岩石进行XRD测试分析,结果如图1所示,储层岩心中含有大量的石英,占整个矿物组分的55.6%,该储层黏土矿物含量居高(14.6%),呈现为典型的海相高泥质砂坝储层。实验所用岩心基本参数如表1所示,选取的岩心样品渗透率和孔隙度接近,这有助于排除物性差异对实验结果的影响,更准确地评估气水混注对两相流动和埋存的影响。通过常规离子色谱分析可测定南海HJ储层咸水组成(表2),根据苏林分类法,该水型为CaCl₂水型。实验所用CO₂纯度为99.9%,小于0.01%的其他杂质的比例可以忽略不计。

1.2 实验装置

核磁共振技术已成为评估流体分布及其在多孔介质中迁移的重要方法。使用的实验系统包括气液注入系统、核磁在线监测系统、压力控制系统和采出计量系统,如图2所示。核磁在线监测系统使用MacroMR12-110H-HTHP大孔径低场核磁共振仪获取数据,其具体操作参数如下:TE(回波时间)为0.25 ms,TW(等待时间)为3 000 ms,NECH(回波数)为4 000,NS(扫描数)为32,RFD(射频时间延迟)为0.08 ms。ISCO高精度注入泵压力精度为0.01 MPa,流速精度为0.01 mL/min;压力控制装置精度为0.01 MPa。

1.3 实验流程

采用核磁共振气水混注驱替实验系统开展不同气水比和注入速率下的气水混注驱替实验,具体实验步骤如下。

(1)将岩心在60 ℃下真空干燥24 h,将其放置到核磁监测装置的岩心夹持器中,在开始岩心驱替实验之前,用CO₂冲洗流体管线和岩心,以从系统中去除空气。

(2)以0.5 mL/min的流速注入约10倍孔隙体积(pore volume,PV)的咸水,进行多次扫描直到T₂恒定,完成咸水饱和后给系统继续加压至HJ储层压力18 MPa。

(3)分别以气水比(GWR)为0.2、0.5、0.8、1.0将CO₂和咸水以总流速为0.2、0.5、1.0、1.5 mL/min注入岩心进行驱替直到达到稳态条件(即不再有咸水置换且T₂信号值无变化),当GWR=1.0时,即单一CO₂注入。在实验过程中,温度保持在60 ℃,并确保围压高于入口压力5 MPa,回压保持在13 MPa。

(4)使用电子天平和气体流量计监测和记录被驱替出来的咸水和CO₂的流量。每间隔一定驱替PV进行一次CPMG序列测试,由此获得一系列不同驱替PV后的T₂分布,至最终T₂信号稳定后,结束实验。

2 实验结果与讨论

2.1 基于核磁共振及分形理论的孔隙分布特征

分形理论被广泛认为是孔隙复杂性和储层质量评估的有效方法,已有研究结果表明,使用核磁共振数据计算的分形维数可为定量评估岩心微观非均质性提供依据^[19]。依据横向弛豫时间与孔隙半径之间的转换系数,将T₂信号分布转化为孔隙半径分布,并结合分形维数对岩心不同孔隙类型进行划分,以进一步探究不同尺度孔隙中气水混注对CO₂运移的影响。

横向弛豫时间T₂信号值通常由CPMG序列测量。T₂主要由体弛豫时间(T_2B)、扩散弛豫时间(T_2D)和表面弛豫时间(T_2S)组成,表达式为

(1)

$\frac{1}{{\mathit{T}}_{2}}=\frac{1}{{\mathit{T}}_{2\mathrm{B}}}+\frac{1}{{\mathit{T}}_{2\mathrm{D}}}+\frac{1}{{\mathit{T}}_{2\mathrm{S}}}$

由于表面弛豫率较大,扩散弛豫和体积弛豫特别小,可以忽略不计。将岩心孔隙半径统一为毛细管模型的等效孔隙半径,横向弛豫时间T₂可简化为

(2)

$\frac{1}{{\mathit{T}}_{2}}=\mathit{\rho }\frac{\mathit{S}}{\mathit{V}}={\mathit{F}}_{\mathit{S}}\frac{\mathit{\rho }}{\mathit{r}}=\mathit{c}\mathit{r}$

(3)

$\mathit{r}=\mathit{C}{\mathit{T}}_{2}^{1/\mathit{n}}$

式中:ρ为表面弛豫率的常数,m/ms;S为间隙表面积,μm²;V为孔隙体积,μm³;F_S为几何因子;r为等效孔隙半径,μm;c为与ρ和F_S相关的系数,μm/ms;n为幂指数;C为转化系数。

考虑到毛细管模型和Kozeny模型,当孔隙半径小于r时,累积体积分数为

(4)

${\mathit{W}}_{\mathit{r}}=\frac{{\mathit{r}}^{3-\mathit{D}}-{\mathit{r}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}^{3-\mathit{D}}}{{\mathit{r}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^{3-\mathit{D}}-{\mathit{r}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{x}}^{3-\mathit{D}}}$

式(4)中:r_max为最大孔隙半径;r_min为最小孔隙半径;D为分形维数。假设r_min ≪ r,可以得到

(5)

${\mathit{W}}_{\mathit{r}}=\frac{{\mathit{T}}_{2}^{3-\mathit{D}}}{{\mathit{T}}_{2\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^{3-\mathit{D}}}$

(6)

$\mathrm{l}\mathrm{g}{\mathit{W}}_{\mathit{r}}=(3-\mathit{D})\mathrm{l}\mathrm{g}{\mathit{T}}_{2}-(3-\mathit{D})\mathrm{l}\mathrm{g}{\mathit{T}}_{2\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$

在各种T₂截止值下的累积体积分数可以通过T₂分布的积分获得。因此,W_r可以通过式(6)计算,表达式为

(7)

${\mathit{W}}_{\mathit{r}}=\frac{{\int }_{{\mathit{T}}_{2\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}^{{\mathit{T}}_{2}}\mathit{A}\left({\mathit{T}}_{2}\right)\mathrm{d}{\mathit{T}}_{2}}{{\int }_{{\mathit{T}}_{2\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}^{{\mathit{T}}_{2\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}\mathit{A}\left({\mathit{T}}_{2}\right)\mathrm{d}{\mathit{T}}_{2}}$

式(7)中:T_2min为最小弛豫时间;T_2max为最大弛豫时间。

对HJ储层岩心进行压汞测试[图3(a)],结果显示分布曲线在6.312 μm处有明显的峰值,说明岩心中存在主导性的孔隙尺寸,在1 μm左右存在较弱的次峰值,且岩心孔喉半径分布范围为0.004 1~16.121 5 μm,反映了明显的多尺度非均质性孔隙特征。根据压汞实验和核磁共振实验结果,孔隙半径与横向弛豫时间的累计频率分布曲线如图3(b)所示,结合式(3)进一步计算得到C为0.091 6,n为0.893。基于式(7),饱和咸水岩心下lgW_r - lgT₂的关系曲线如图3(c)所示,分形维数可以从lgW_r -lgT₂曲线的斜率计算出来^[19],以往的研究探讨了分形理论计算及孔隙分类边界标准^[20],此处不再赘述。根据核磁共振T₂曲线特征和分形维数分析,结合多尺度孔隙结构的划分标准,将研究岩心的孔隙系统划分为四类[图3(d)]:微孔(< 0.27 μm)、小孔(0.27 ~2.9 μm)、中孔(2.9~9.28 μm)和大孔(> 9.28 μm)。

2.2 气水两相流动特征

图4为不同气水比注入时咸水及CO₂流速变化。与单相注入相比,混注条件下CO₂和咸水流速显著降低,流速降低程度与气水比呈负相关性,当GWR=0.2时,咸水和CO₂流速降低程度分别为58.33%和82.17%。气水混注对咸水和CO₂流速波动性的影响不尽相同,随着混注中咸水体积的增多,咸水流速趋于平缓且波动性下降,而CO₂流速波动性增强,GWR=0.2、0.5时,波动集中于驱替初期,说明注入咸水有效控制了驱替后期气体流速。气水混注驱替时T₂信号分布呈现的双峰特征(图5),反映了CO₂与咸水在不同尺度孔隙中的复杂分布。随着气水比减小,0.01~1 ms范围内的第一个峰值增强,表明更多咸水被推向小孔和微孔区域;而1~10 ms范围内的第二个峰值降低,表明大孔和中孔中CO₂占据比例下降。该现象是由气水混注引起的毛细管力重分布导致的,气水混注形成的局部压力梯度扰动了原有孔隙中的毛细管力平衡,触发了贾敏效应现象,即气泡被卡在孔喉处形成毛细管阻塞,迫使后续流体改变流动路径,这一机制与Zhang等^[14]研究中观察到的非均质多孔介质中气水流动规律一致。另一个现象是微小孔隙中T₂信号的增加,这表明驱替过程中出现负对流现象,随着气水比减小,负对流现象逐渐加剧,说明CO₂受到共同注入咸水的显著影响。由于岩心结构的非均质性,流体在流经不同孔隙时的毛管阻力不同,CO₂进入较大的孔隙后,主流通道内的压力增加,出现局部压差,该局部压力梯度造成了反向流动机制,称为“负对流”,这使得CO₂将咸水从大孔和中孔中置换出来,并逐渐将其推向微孔和小孔^[19]。

2.3 不同孔隙中CO₂运移规律

对不同孔隙中的T₂信号幅值进行累计求和,与饱和咸水岩心的T₂累计信号幅值相比,可得到不同驱替PV下各孔隙中CO₂运移占比,如图6所示。与单一CO₂注入相比,气水混注条件下孔隙非均质性对CO₂运移的影响更为显著。微孔中CO₂运移占比为负值,证实了较小孔隙中负对流现象的存在,该现象与Yang等^[19]在致密油藏研究中观察到的负对流类似,而本文研究进一步对负对流现象进行了量化表征。中孔的CO₂运移占比平均降低16.3%,小孔中的运移占比平均提升幅度为3.5%,说明气水混注对驱替初期大孔隙的运移有一定抑制作用,对后期小孔隙波及具有促进作用。在混注过程中,由于CO₂和咸水两相同时流经孔隙空间,一相的流动路径受到另一相的影响,因此CO₂和咸水通过自发分离和聚集而间歇流动^[13-14],形成流动循环,改变了CO₂沿高渗通道突破的流动趋势。

进一步对高速(1.5 mL/min)和低速(0.2 mL/min)气水混注下孔隙运移占比差异进行分析,如图7所示。当注入速率较高时,大部分气水比下的气水混注对驱替初期CO₂向小孔隙运移具有促进作用,但驱替结束时导致CO₂的运移占比下降,说明气水混注应在低注入速率下实行。而GWR=0.2时,CO₂运移规律与其他气水比具有明显差异,此时高速率抑制了CO₂向大孔中运移,但向中孔运移程度的增幅高达13.4%,说明该气水比下高速率注入具有促进作用。

2.4 气水混注下的溶解特性

与其他埋存方式相比,溶解埋存在相同时间尺度内提供了更安全高效的CO₂埋存方式,但其受制于CO₂的低溶解性。随着CO₂向咸水层不断注入,CO₂溶于咸水后生成碳酸,由于碳酸性质极为不稳定,因此快速发生电离。作为二元弱酸,碳酸可产生两级电离,释放H⁺后使得地层水pH降低,可通过检测气水混注后产出液体的H⁺浓度来评估CO₂溶解反应程度^[13]。使用纯CO₂注入测得的H⁺浓度对气水混注下测得的H⁺浓度进行归一化处理得到归一化CO₂溶解反应指数(I_H⁺),用以评估气水混注对CO₂-咸水溶解反应的影响程度。

(8)$\mathrm{CO}_{2}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \leftrightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{CO}_{3} \leftrightarrow \mathrm{H}^{+}+\mathrm{HCO}_{3}^{-} \leftrightarrow \mathrm{H}^{+}+\mathrm{CO}_{3}^{2-}$

(9)

${\mathit{I}}_{{\mathrm{H}}^{+}}=\frac{[{\mathrm{H}}^{+}{]}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}+\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{e}}}{[{\mathrm{H}}^{+}{]}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}}$

图8为不同注入速率及气水比下H⁺浓度及归一化CO₂溶解反应指数。气水比与H⁺浓度的变化并非呈现为线性相关。当气水比较低时,H⁺浓度相对较高,但GWR=0.2时,H⁺浓度明显低于气水比为0.5的条件,原因是溶解反应的发生同时受到气体量和两相流动的共同影响。在GWR=0.2时,CO₂注入体积较少,导致CO₂与水的接触面积减小,溶解效果较差。在GWR=0.5时,H⁺浓度达到峰值,归一化CO₂溶解反应指数为3.98,直观展示了气水混注对CO₂溶解反应的增强倍数。然而,当气水比进一步增加到0.8时,H⁺浓度显著下降,归一化CO₂溶解反应指数的变化趋势与H⁺相同,说明过高的气水比可能导致气体流动性增强,反而降低溶解效果。气水比对气体的分散程度以及气泡的形成和大小有着重要影响,在较低的气水比下,水相中气体分散更加均匀,气泡尺寸较小,增加气体与水的接触面积,从而提高气体的溶解速率。随着注入速率的增加,H⁺浓度总体上呈现下降趋势,注入速率从0.2 mL/min增加至1.0 mL/min时,H⁺浓度变化较为剧烈,说明该阶段溶解反应对注入速率的敏感性较强,尤其是GWR=0.5条件下,H⁺浓度降幅达68.3%;相应地,

${\mathit{I}}_{\mathrm{H}}^{+}$

也从3.98降至3.27,降幅为17.8%。随着注入速率增至1.5 mL/min,不同气水比条件下的H⁺浓度差距逐渐缩小,但GWR=0.5条件下的溶解反应程度依然最佳。

2.5 不同气水比下相渗演变规律

相对渗透率曲线能够定量表征多相流体在多孔介质中的流动特征,反映CO₂的驱替和滞留,对理解和预测CO₂与咸水的流动行为具有重要作用^[2]。根据《岩石中两相流体相对和渗透率测定方法》(SY/T 5345—2007),采用非稳态法对气水混注驱替实验数据进行处理得到不同气水比驱替下的相渗曲线(图9)。基于相渗演变特征和驱替机理分析,可将不同气水比下的影响机制归纳为三类:残余捕集增强机制(GWR=0.2)、驱替捕集平衡机制(GWR=0.5)和驱替主导弱捕集机制(GWR=0.8)。具体而言,气水比为0.2时,气相相对渗透率K_rg最大值仅为0.08,远低于单相CO₂注入(0.32),表明CO₂流动性受到严重抑制,其相渗曲线的等渗点左移且K_rw在较宽饱和度范围内维持较高值,表明咸水流动占据主导地位。该气水比情况下咸水段塞过大,对CO₂的流动具有强抑制作用,会增强CO₂在孔隙结构中的滞留能力,但不利于CO₂驱替咸水,导致较高的残余水饱和度(S_wr0.2=0.45)。气水比为0.5时,K_rg增大至0.22,咸水对CO₂流动的抑制作用有所减弱,同时避免了单一流体驱替中的指进效应,改善了流体分布的均匀性,这与上述核磁共振监测结果(图5)显示的CO₂在不同尺度孔隙中分布更为均衡的结论一致,此时残余水饱和度较小(S_wr0.5=0.29),说明CO₂的驱替效率有效提升。当气水比增大至0.8时相渗曲线接近单一CO₂驱替,K_rg在高CO₂饱和度下有所增加,表现出气相主导的驱替行为,驱替前缘优先沿大孔隙贯通,导致早期气相突破,使得残余水饱和度有所升高(S_wr0.8=0.41)。这种情况下CO₂的流动性强,但滞留能力较弱,会导致残余捕集效率降低^[13-14]。

2.6 埋存能力评价及强化机制

在碳埋存过程中,CO₂注入咸水层进行驱替,然后通过4种机制被封存在地层中,因此,驱替效率与埋存效率是衡量储层CO₂注入效果和长期封存能力的两大关键指标。驱替效率反映CO₂注入对咸水的置换能力,是表征CO₂在多孔介质中的运移波及范围的重要参数。埋存效率则衡量储层内有效滞留的CO₂比例。驱替效率高有助于扩大CO₂波及范围,提高储层利用率;而埋存效率则决定最终有效封存量,本文研究选取二者结合分析以全面评价气水混注下CO₂埋存能力。

与单一CO₂注入相比,气水混注导致较低的驱替效率。然而,由于气水混注中CO₂的比例不同,很难直观地比较不同气水比与驱替效率之间的关系。因此,定义归一化驱替效率(N_E)来评价不同气水比对驱替效率的影响,如式(9)所示。CO₂的埋存效率(S_CO₂)可根据注入气体的质量相对于出口处测量的气体质量进行计算,如式(10)所示。

(10)

${\mathit{N}}_{\mathrm{E}}=\frac{{\mathit{E}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}+\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{e}}}{{\mathit{E}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}}\times 100\mathrm{\%}$

(11)

${\mathit{S}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}=\frac{{\mathit{M}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}-{\mathit{M}}_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}}{{\mathit{M}}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}}\times 100\mathrm{\%}$

式中:E为驱替效率;M_in和M_out分别为注入和产出CO₂的质量。

图10为不同注入速率及气水比下气水混注的归一化驱替效率及CO₂埋存效率。由归一化驱替效率可知,在高速注入(1.5 mL/min)下,所有气水比条件下的N_E均较低,表明高速注入易引发CO₂提前突破,导致驱替效率降低,气水混注不适合在高速注入下实行。在0.2 mL/min的注入条件下,不同气水比的N_E差异显著:GWR=0.2时驱替效率偏低,仅为0.146 7;GWR增加时N_E显著提升,说明气水比较大时咸水对CO₂羽流具有良好的稳定作用,有效增加了多尺度孔隙中的CO₂波及范围和流动均匀性。当GWR=0.2时,在大多数注入速率下气水混注均不利于驱替,而GWR= 0.5时,大多数注入速率对驱替有促进作用,随着注入速率降低到0.2 mL/min,N_E增加到0.904 1,表明该条件下的气水混注可近似代替单一CO₂注入。如图10(b)所示,不同注入条件下埋存效率与驱替效率变化规律不同。尽管在高注入速率下驱替效率整体较低,但埋存效率在部分气水比条件下仍有小幅提升。针对不同气水比与注入速率的组合,结合驱替效率与埋存效率的分布趋势进一步分析其埋存能力:GWR=0.2时,驱替效率和埋存效率均偏低,表明此时咸水段塞过大,显著抑制了CO₂的驱替波及能力;GWR=0.5时,二者均达到峰值,验证了该条件下气水混注对CO₂驱替前缘控制、孔隙波及和滞留能力的协同优势;GWR=0.8时,驱替效率稍有回升但埋存效率下降,此时CO₂突破效应增强,导致CO₂在孔隙结构中的滞留能力不足。注入速率为0.2 mL/min和GWR =0.5的组合不仅实现了较高的归一化驱替效率(N_E= 0.904 1),还显著提升了CO₂埋存效率(S_CO₂=79.51%),证实了该条件下采取气水混注提高CO₂埋存效果的可行性。

综上所述,气水混注过程中两相流体并非同时流动,而是通过自发分离和聚集的方式间歇性流动。如图11所示,CO₂和注入咸水进入多孔介质后,CO₂的运移能力大于咸水,由于毛细渗吸作用使得CO₂优先占据较大孔隙;当CO₂到达下一个孔隙时,后续咸水会压缩气体一同占据大孔隙,从而对两相流动形成阻力。在随后的CO₂注入过程中,CO₂则占据较小孔隙,其运移过程并不完全依赖于已形成的优势通道。因此气水混注能够通过该方法波及较小孔隙,增强CO₂在非均质多孔介质中对低渗透区域的可达性和滞留性,同时增大CO₂与咸水的接触面积来促进溶解,从而提高埋存效率。

3 结论

(1)气水混注中CO₂和咸水形成自发分离和聚集的间歇流动模式,使中孔中CO₂运移占比平均降低16.3%,小孔中运移占比平均提升3.5%,微孔中的负对流现象加剧。该注入方式有效抑制了CO₂向较大孔隙的运移,同时增强了小孔隙中的波及能力。

(2)在注入速率为0.2 mL/min和气水比为0.5的条件下,产出液体H⁺浓度是单一CO₂注入的3.98倍,表明气水混注下CO₂溶解反应程度显著提高,利于CO₂的溶解捕集。

(3)相渗曲线揭示了不同气水比下的3种影响机制:残余捕集增强机制(GWR=0.2)、驱替捕集平衡机制(GWR=0.5)和驱替主导弱捕集机制(GWR=0.8)。气水比=0.2时,CO₂流动受到显著抑制强化了残余捕集但驱替效率低,导致高残余水饱和度;气水比=0.8时接近单相注入特性,虽驱替主导但易形成突破效应,滞留能力减弱,残余水饱和度回升;气水比=0.5时实现了CO₂驱替效率与捕集能力的最佳平衡。

(4)当注入速率为0.2 mL/min,气水比为0.5时,气水混注能够在保持较高驱替效率(归一化驱替效率达0.904 1)的同时,实现最佳的CO₂埋存效率(79.51%),该条件下采取气水混注可提高CO₂埋存能力。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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