CO2注入砂岩地层所致绝热冷却的实验评估

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Experimental evaluation of adiabatic cooling due to CO2 injection into sandstone formations

　　

本文介绍了一项关于在枯竭油藏地质碳封存（GCS）相关条件下，向多孔介质注入二氧化碳时焦耳–汤姆逊（JT）效应和蒸发冷却作用的系统性实验研究。实验在两种渗透率截然不同的砂岩上进行了岩心渗流实验。分布式压力和温度传感器记录了二氧化碳注入期间的瞬态热响应，揭示了不同的冷却机制。在低渗透率肯塔基岩心中，冷却主要受多孔介质内分布式的等焓焦耳–汤姆逊膨胀支配，而在高渗透率本特海默岩心中，温度演变主要由局部入口压力损失触发的相变（蒸发）冷却控制。这一对比表明，在高渗透率系统中，冷却可以由近井筒或边界施加的限制来调控，而在致密岩石中，多孔介质本身决定了膨胀和冷却的空间分布模式。在两种情况下，在瞬态多孔介质条件下，表观相变均一致地出现在比纯二氧化碳相边界预测的更低压力（或等效的更高温度）处。利用开源代尔夫特先进研究地球模拟器（open-DARTS）进行的补充模拟，以实测入口压力为驱动并包含与岩心夹持装置的导热换热，定量地复现了致密岩心传感器记录，并表明表观相边界偏移与测量位置处的局部热交换一致。研究结果提供了多孔介质中二氧化碳膨胀过程中蒸发冷却的实验室量化数据，有助于揭示枯竭油田碳封存作业中近井筒热行为的一些现象。

引言

地质碳封存（GCS）是减轻人为二氧化碳排放并实现全球净零目标的核心策略之一（Bachu, 2008, Benson and Cole, 2008）。该过程包括从大型工业源捕获二氧化碳并将其储存在深层地质构造中，如咸水层或枯竭气藏。其中，枯竭烃类油藏因其良好的地质表征、已证实的盖层完整性和现成的井及基础设施而尤为引人注目。与此同时，枯竭后的低压力创造了一个注入环境，在该环境中，近井筒区域承受着巨大的压力差，使得热–水耦合效应在实际操作中具有相关性，而非次要细节。

荷兰北海的离岸GCS项目正作为大规模储存的近期途径，通过基于枢纽的运输与储存链来发展。例如，Porthos项目旨在收集鹿特丹港多个排放源的捕获二氧化碳，通过专用二氧化碳管网输送至改造后的离岸平台，注入枯竭气藏。目前签约的储存量为3700万吨二氧化碳，相当于15年运营窗口内每年约250万吨，注入深度计划在海床以下约3–4千米。系统包括约30千米陆上管道和一条约20千米的深海管道，通往距海岸约20千米的离岸平台（Porthos, 2023, Porthos, 2026）。与此同时，Aramis倡议旨在建立开放的二氧化碳骨干管道，将多个工业集群与枯竭离岸气田储存点相连。当前公开计划描述初期产能约750万吨/年，随着额外运输商和储存油田接入，可扩展至2200万吨/年的设计产能，目标启动日期约为2030年（Aramis CCS, 2023）。尽管此类项目展示了大规模GCS的技术可行性，但将二氧化碳注入低压、近枯竭气田可能引入与井筒和近井筒区域强冷却和相变相关的操作挑战。操作挑战包括流动保障风险（如水合物或干冰形成）以及潜在的注入能力或井完整性影响（Hoteit et al., 2019, Schiferli, 2023, Aghajanloo et al., 2026）。

当二氧化碳注入已被开采至低压的储层时，进入孔隙空间时会经历快速膨胀。对于典型地下条件下的实际气体，等焓压力下降通常伴随温度降低（正焦耳–汤姆逊系数，μJT）。在注入背景下，局部冷却可理解为与μJT和局部压力下降之积成正比，意味着冷却在压力下降集中的区域最强。这一压力下降的空间分布取决于系统的流动阻力：在低渗透率岩石中，可在多孔介质内维持显著的压力梯度，冷却沿流动路径分布；而在高渗透率系统中，内部梯度较小，大部分有效膨胀可能发生在多孔介质入口表面上游或极靠近入口表面的位置（入口控制型冷却）。如果降压跨越了二氧化碳相边界，部分稠密相二氧化碳流体可能闪蒸为两相混合物。相关的潜热吸收可加剧焦耳–汤姆逊冷却之外的温度下降，并通过耦合的相重分布和与岩石的热交换引入强非线性。对于稠密相二氧化碳，从80–100巴的注入压力膨胀至低于40巴的近枯竭储层，可产生约20°C的温度下降（Oldenburg, 2007, Mathias et al., 2010）。

在残余水的存在下，局部温度足够低可进入二氧化碳–水水合物稳定区，可能通过水合物/冰的形成降低渗透率和注入能力（Aghajanloo et al., 2024a, Riano Castaneda et al., 2025）。即使避免了水合物，强热瞬态也可能影响流动保障和操作选择（如允许的注入速率、入口温度控制和启停程序），这促使需要在受控边界条件下解决多孔介质内部冷却发生位置和时机的数据。二氧化碳注入过程中的焦耳–汤姆逊冷却主要已通过解析和数值模型进行研究。早期的Oldenburg（2007）使用TOUGH2/EOS7C模拟预测了注入井周围冷却的幅度和空间范围，并指出了水合物形成和热应力等风险。Mathias et al.（2010）开发了封闭式径向解，阐明了参数标度和冷却锋面随储层性质和操作条件变化的传播特性。

近期研究已将这些框架扩展到瞬态热交换和早期时间行为，并探讨了冷却对注入速率、储层压力和注入流体温度敏感性的操作影响（Chesnokov et al., 2024, Zamani et al., 2024, Tweed et al., 2024）。这些方法的一个共同局限是，预测的最强冷却发生在压力下降局部化的区域（井筒、射孔、完井设备和近井筒多孔区域），但在缺乏能够以足够空间分辨率解析多孔介质内部压力和温度的实验时，难以验证焦耳–汤姆逊冷却、相变冷却和与岩石热交换之间的分配。

尽管与强二氧化碳冷却相关的实验研究确实存在，但它们侧重于不同方面。第一组研究包括节流和管道流动实验，测量快速降压和工程流动管线中相变期间焦耳–汤姆逊驱动的温度降低。例如，近临界管流和孔板节流实验直接测量了显著的焦耳–汤姆逊冷却并可视化了降压过程中从单相到两相二氧化碳的转换（Kazemifar and Kyritsis, 2014, Li et al., 2021）。第二组研究由多孔介质调查组成，主要强调注入能力损伤过程，对空间分辨的热–水行为提供的见解有限。岩心和砂包实验考察了在巨大压力下降下严重局部冷却的风险以及水合物/冰堵塞的可能性（Maloney and Briceno, 2009），近期工作将建模与专门实验相结合，量化了枯竭气田注入相关条件下与水合物相关的渗透率降低（Aghajanloo et al., 2024b, Riano Castaneda et al., 2025）。然而，迄今为止，仍缺乏能够同时以足够保真度解析注入过程中岩石内部压力和温度空间演化的岩心尺度数据集，以便区分分布式焦耳–汤姆逊冷却与入口闪蒸/潜热效应，并量化相对于纯相边界预测的系统性偏移。

为解决这些空白，本研究在两种渗透率对比鲜明的砂岩上进行了受控的二氧化碳岩心渗流实验。肯塔基砂岩（0.37 mD）代表由压力驱动的焦耳–汤姆逊膨胀主导的致密系统，而本特海默砂岩（1–2 D）提供了一个入口闪蒸和蒸发可能主导冷却行为的高渗透率环境。利用分布式温度和压力测量，我们量化了焦耳–汤姆逊和蒸发冷却的相对贡献，并表征了冷却锋面在多孔介质内的时空发展和传播。此外，我们研究了实验中观察到的相对于纯热力学预测的相边界偏移的幅度和潜在机制。实验结果使用开源代尔夫特先进研究地球模拟器（open-DARTS）（Voskov et al., 2024）进行的数值模拟进行了定性复现。

章节摘录

实验装置

为了在受控且可重复的条件下研究二氧化碳注入过程中的焦耳–汤姆逊和相变冷却，构建了一个专用的实验室岩心渗流系统。设计理念是复现注入井筒附近遇到的热–水条件，同时提供沿岩石的分布式压力和温度测量。这需要一套能够提供稳定液态二氧化碳并施加严格定义压力的装置……

方法

实验设计为保持岩心完全干燥，使测量的温度响应可归因于二氧化碳的膨胀和相变，而非水合物或水相关效应。图4提供了带仪器岩心夹持装置的详细特写。方法、实验和结果的详细信息见Groot（2025）。本文中的实验命名与该学位论文保持一致，以便于交叉引用。

岩心制备始于……

结果

本节展示了本特海默和肯塔基砂岩岩心的实验观测。这两个样品因渗透率截然不同而表现出根本不同的冷却机制：本特海默表现出强烈的入口驱动响应，一旦形成两相二氧化碳，相变（蒸发）冷却即占据主导；而肯塔基则表现出由内部压力梯度控制的分布式焦耳–汤姆逊冷却模式。综合来看，结果区分了两种冷却……

数值模拟

为补充实验并检验纯二氧化碳热力学能否复现多孔介质中观察到的冷却和相变行为，我们使用开源代尔夫特先进研究地球模拟器（open-DARTS）进行了组分非等温模拟。Open-DARTS使用全隐式有限体积法求解耦合的质量守恒和能量守恒方程，并通过基于算子的方法评估实际流体的热力学和输运性质……

讨论

渗透率是控制压力下降发生在岩心中何处的主要参数，从而决定了观察到哪种冷却机制。在致密肯塔基砂岩（约0.4 mD）中，沿岩心全长发展出显著的内部压力梯度。因此，膨胀在多孔介质内逐步发生，热响应呈分布状：温度最低点从入口到出口依次出现，并追踪压力驱动的传播……

结论

二氧化碳注入多孔介质时的冷却机制受压力下降发生位置以及等焓膨胀、潜热释放和与岩石热交换之间平衡的控制。在致密肯塔基砂岩（约0.4 mD）中，强内部压力梯度产生分布式焦耳–汤姆逊冷却，温度最低点从入口到出口依次传播。在高渗透率本特海默砂岩（约1 D）中，膨胀集中在上游……

CRediT作者贡献声明

C. Groot：初稿撰写、可视化、验证、软件、方法学、调查研究、正式分析、数据整理。S. Jones：监督、方法学、审阅与编辑、数据整理、概念构思。D. Voskov：监督、软件、资源、项目管理、方法学、资助获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知可能影响本文所述工作的相互竞争的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢代尔夫特理工大学的机构支持，以及参与RICH-ID-III项目的所有关联公司提供的资金支持。我们还感谢代尔夫特理工大学地球科学与工程系的实验室人员和同事，特别感谢Michiel Slob提供的支持。

C. Groot | S. Jones | D. Voskov

荷兰代尔夫特理工大学土木与地球科学系，Mekelweg 2, 2628 CD, 代尔夫特, 荷兰