超临界二氧化碳注入和储存过程中瞬态质量传递的孔隙尺度数值研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Pore-scale numerical investigation of transient mass transfer during supercritical CO 2 injection and storage

基于相场 lattice Boltzmann 方法模拟超临界 CO? 在 Berea 岩石孔隙中的位移行为，揭示了入口压力阈值（4.3 kPa）、润湿性（亲水表面降低 CO? 解吸）、界面张力与储容量负相关（NaCl/MgCl? 储容提升 20 kg/m2）等关键机制。

　　

唐友飞|乔宗良|曹月|张成斌|司凤琪

教育部能源热转换与控制重点实验室，东南大学，南京210096，中国

摘要

了解高压条件下二氧化碳注入含盐层时的多相流动动力学对于优化地质碳储存至关重要。本研究建立了一个基于相场格子玻尔兹曼模型，使用实际物理参数来模拟二氧化碳在砂岩孔隙中的超临界置换过程。引入了一种加权平均公式来计算固体边界处的虚拟相场参数，从而能够精确控制润湿性。主要研究发现表明，入口压力必须超过4.3千帕（对于20微米的孔隙）才能形成主导的流动路径。将入口压力从3.7千帕增加到7.4千帕后，二氧化碳饱和度提高了38%，压力差（Δp = 7.7千帕），流量（J_C = 8 kg/(m2·s）和储存容量（M_C = 200 kg/m2）也得到了提升。亲水表面（θ = 30°）由于盐膜润滑效应而表现出最小的二氧化碳解吸，而疏水表面尽管提高了注入能力，却降低了储存容量。界面张力（σ）与储存容量呈负相关，NaCl和KCl溶液的储存容量比MgCl?和CaCl?高出20 kg/m2。孔隙膨胀使储存容量相比原始结构提高了80 kg/m2。这些研究结果不仅有助于更深入地理解二氧化碳注入含盐层的时空演变机制，还通过量化的性能指标为实际工程应用提供了宝贵的指导。

引言

随着全球变暖及其引发的各类自然灾害，国际社会越来越意识到控制二氧化碳排放的重要性，并设定了碳达峰和碳中和的目标[1]。随着二氧化碳排放量的持续增加，工业界和研究人员开始关注二氧化碳的捕获、储存和利用。由于地下空间广阔，地质储存成为减少碳排放的重要措施之一[2]。在各种地质储存地点中，含盐层因其巨大的储存能力、可控的成本效益和公认的可靠性而特别受到重视，成为长期碳中和计划的基础[3][4]。自1996年挪威在北海启动的Sleipner项目以来，全球已成功实施了众多大规模的碳储存项目，包括Sn?hvit（挪威）、In Salah（阿尔及利亚）、Aquistore（加拿大）和Shenhua（中国）项目[5]。

二氧化碳地质储存涉及二氧化碳将盐水从多孔储层中置换出来，如图1所示。这一过程中多相流动的动态特性（如毛细粘性力竞争、粘度指数变化和润湿效应）对其储存效率和安全性影响的影响尚未完全阐明[6]。同时，储存效果依赖于储层容量分析和盖层稳定性评估，以支持项目的可行性、可靠性、经济可行性和环境效益[7][8]。然而，能够准确模拟孔隙尺度流动的计算模型在功能完整性和工程适用性方面仍面临挑战，这限制了储层尺度预测性能的进一步提升[9]。置换过程本身具有多相、多物理场和多尺度现象的复杂性，使得在孔隙尺度上完全量化二氧化碳储存机制变得困难。因此，有必要开发相应的模型并实现二氧化碳在含盐层中的动态置换。目前用于研究储层中流体运动和热传递的主流宏观方法是有限元方法[10]。然而，由于宏观方法基于连续介质的假设，无法在孔隙尺度上呈现细节，常常忽略孔隙结构的异质性，也难以捕捉孔隙中的相界面动态[11]。一些研究人员转向分子尺度方法，如分子动力学模拟，来研究微观粒子之间的相互作用[12]。尽管这些方法存在计算限制，但其结果往往难以直接应用于工程项目[13]。近年来，生成对抗网络也被用于预测二氧化碳羽流的演变，但这些机器学习方法需要足够的数据进行训练[14][15]。

格子玻尔兹曼方法（LBM）是一种基于离散运动理论和统计力学数值方法的介观计算方法，通过求解介观玻尔兹曼方程来填补这一空白。它采用简单的边界条件处理方法描述复杂通道的边界，避免了传统宏观方法所需的密集边界网格划分步骤，能够处理远大于微观尺度的流动问题，因此非常适合模拟孔隙流动[16]。Boek和Venturoli[17]使用LBM研究了Berea砂岩和Bentheimer砂岩中的流动，结果表明模拟结果与示踪试验得出的速度和渗透率一致。此外，LBM独特的离散分布函数计算方法天生适合并行计算，在孔隙流动问题中越来越受到重视[18]。在处理多相流动问题时，LBM通常提供四种类型的模型来明确跟踪相界面：颜色梯度模型、伪势模型、相场模型和自由能模型[19][20]。尽管伪势模型应用最广泛，但相场模型更适合计算多孔介质中的多相置换过程，因为它可以明确调整界面张力，并且容易实现高密度比和粘度比[21][22]。Moradi等人[23]使用LBM研究了在均匀分布颗粒的多孔区域中二氧化碳对水的置换过程，揭示了粘性力和毛细力之间的相互作用如何主导二氧化碳渗透前沿的分布模式，并得出了粘度比和毛细效应与粘性指数的关系。Fakhari等人[24]进行了实验，并建立了相场LBM来研究在储层条件下二氧化碳对水的置换过程，实验结果与LBM模拟结果吻合良好。

二氧化碳在含盐层中的储存受到操作参数的影响，并受到特定地下条件的限制。因此，许多研究人员研究了影响二氧化碳储存的因素[25]。Chen等人[26]指出，当注入引起的应力超过临界阈值时，将二氧化碳注入深层地下储层进行永久储存可能会无意中引发断层重新激活、盖层破裂和温室气体泄漏。因此，监测压力变化和二氧化碳羽流的运动至关重要。由于复杂孔隙结构与润湿性之间的相互作用对地下储层中二氧化碳储存行为有显著影响，Cheng等人[27]构建了不同的润湿性孔隙模型，揭示了混合润湿性如何诱导双重毛细力和压力。Song等人[28]研究了盐水和气体之间的界面张力，提出了一种显式的机器学习模型用于张力预测。含盐层中不同类型和浓度的盐对二氧化碳的注入和储存有不同的影响，有时甚至会改变孔隙结构[29]。此外，研究人员提出了不同的性能指标来评估二氧化碳储存的有效性。饱和度是许多孔隙尺度研究中常用的指标之一。二氧化碳注入流量和消耗的能量也通常被考虑在内。然而，孔隙尺度研究受到时间和空间尺度的限制，难以直接作为工程项目的参考。Chiquet等人[30]提出了一种基于二氧化碳上升到储层顶部的特性来计算单位面积储存容量的公式，从而可以根据孔隙尺度计算结果预测储存容量。

虽然相场LBM已广泛应用于多孔介质中的多相流动，但在真实的、异质孔隙结构中实现复杂润湿条件的精确和数值稳定控制仍然是一个挑战。本研究旨在通过引入一种新的加权平均边界处理方法来克服这一限制，该方法能够准确模拟在真实Berea砂岩几何形状下宽范围控制接触角下的超临界二氧化碳置换。在含盐层中储存二氧化碳时，流体之间的实际密度比对模型的计算稳定性构成挑战，盐度不断影响储存过程中的相变。为了解决这些问题并预测多孔含盐层的二氧化碳储存容量，本研究首先建立了相场LBM，并基于实际储层孔隙网络模拟了储存过程中二氧化碳置换盐水的动态特性。然后，分析了置换过程中重要因素的影响机制，并揭示了这些参数对储存性能的影响规则。本文的其余部分安排如下：第2节介绍建立的相场LBM和计算细节，第3节展示并分析了模拟结果，第4节总结了内容和结果。

部分摘录

数值方法

本研究采用矩形多孔介质来表示含盐储层的结构，并使用二维相场LBM方法重点研究二氧化碳在孔隙尺度上注入充满盐水的含盐储层的过程。所使用的多孔含盐层结构如图2所示，该结构由Boek和Venturoli[17]提出，分为三个部分：入口缓冲区、多孔介质区和出口缓冲区。

结果与讨论

本节将展示五个因素对含盐储层中二氧化碳注入和封存结果的影响，包括入口压力、润湿性、界面张力、盐度和孔隙结构。使用的压力和温度分别为30 MPa和70°C。二氧化碳在恒定注入压力下渗透，穿过右侧并达到稳定流动状态，此时认为收敛已经实现。整个过程在低马赫数和毛细数条件下进行。

结论

本研究通过建立基于真实储层孔隙网络和流体特性的相场LBM，解决了在孔隙尺度上预测二氧化碳封存性能的关键需求。虽然孔隙尺度动力学是理解宏观行为的关键，但将操作（入口压力）、界面（润湿性、界面张力）和地质（盐度、孔隙结构）参数与综合宏观储存容量联系起来的全面评估仍然缺失。

CRediT作者贡献声明

唐友飞：撰写——原始草稿，可视化，方法论，概念化。乔宗良：正式分析，概念化。司凤琪：撰写——审阅与编辑，监督。曹月：资源获取，资金筹集，概念化。张成斌：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号52206006）、江苏省科学技术厅（编号BT2024005）和中国国家重点研发计划（编号2022YFB4100700）的财政支持。