CO2咸水层封存中地层水蒸发对多孔介质流体流动的影响机制研究

本文针对CO2咸水层封存过程中地层水蒸发行为研究不足的问题，通过建立并验证CO2-H2O相平衡模型，揭示了蒸发作用受热力学条件和相变调控的规律，提出了考虑蒸发效应的相对渗透率修正方法，证实蒸发能降低束缚水饱和度、增强气相流动能力，对提高CO2封存效率具有积极意义。

　　

随着工业活动导致温室气体排放不断增加，CO₂地质封存已成为缓解这一问题的有效策略之一。在多种潜在的地质封存场所中，咸水层因其分布广泛和封存容量巨大而被视为大规模CO₂封存的最可行选择之一。尽管目前全球范围内已开展了大量关于CO₂咸水层封存的理论研究、实验室实验和现场应用，但作为CO₂咸水层封存理论框架的基本组成部分，地层水在CO₂封存过程中的蒸发行为尚未得到足够重视。

以往研究多集中于盐沉淀和注入能力损害等方面，对蒸发降低束缚水饱和度、扩大有效孔隙喉道半径、增强气相流动能力及改变相对渗透率的潜力关注有限。此外，静态相平衡分析和动态多相流动模拟大多孤立进行，缺乏严格的热力学-流动耦合，限制了人们对封存操作过程中蒸发与CO₂驱替相互作用机理的理解。更重要的是，一个稳健的气液相平衡模型不仅要提高预测精度，还必须保持计算效率，以便与油藏尺度模拟相结合。

为了弥补这些知识空白，本研究将改进的Peng-Robinson状态方程与组分数值模拟相结合，在岩心和油田尺度上系统定量分析了地层水蒸发行为及其对CO₂封存性能的影响。研究旨在阐明蒸发的双重作用——一方面通过降低束缚水饱和度提高注入能力，另一方面可能通过盐沉淀损害渗透率——并为优化CO₂注入策略提供新见解。

研究人员主要采用了改进的Peng-Robinson (PR) 状态方程模型、气液相平衡计算、核心尺度和油田尺度的数值模拟（使用CMG软件的GEM模块）、相对渗透率校正方法以及毛细管模型分析。样本队列参数基于中国鄂尔多斯盆地1273米深的目标咸水层的实际测井和岩心分析数据。

研究首先通过改进的PR方程建立了CO₂-H₂O二元体系的气液相平衡模型，引入了温度依赖的二元相互作用参数，提高了预测精度。模型在15°C至100°C的温度范围和多种压力条件下进行计算，与实验数据对比显示平均相对误差仅为4.80%，验证了模型的可靠性。

在低压力条件下（0.0001–2 MPa），CO₂保持气态，压力是控制水蒸发的主导因素；而在中高压力条件下（2–100 MPa），CO₂处于超临界状态，温度成为主要控制因素。无论压力如何，升高温度始终促进蒸发。蒸发行为强烈依赖于CO₂的相变，较高温度通过促进CO₂向气态或超临界状态转变进一步增强了H₂O蒸发。

核心尺度模拟揭示了地层水迁移受两种耦合机制控制：驱替和蒸发。驱替将水饱和度降低至束缚水饱和度，而蒸发则进一步将其降至零。研究识别了两个不同的迁移前缘：驱替前缘和蒸发前缘。蒸发前缘的传播表明水蒸发是局部化的，响应于局部气体饱和度和热力学条件的变化。

蒸发降低了束缚水饱和度，扩大了有效孔隙空间，增强了气相相对渗透率。研究人员提出了一种校正方法来修正常规相对渗透率曲线，以考虑蒸发效应。校正后的模型能够再现从CO₂-H₂O两相流向单相气流转变的过程。

油田尺度模拟结果表明，蒸发效应最显著发生在近井地带，形成一个从几米到几十米范围的干燥带。这种现象主要由两个因素控制：高的孔隙体积驱替和低的水蒸气饱和度。蒸发有效降低了主要在近井地带消耗的CO₂注入压力，从而进一步提高了CO₂的注入能力。

通过毛细管模型定量评估了蒸发诱导盐沉淀对渗透率的影响。结果表明，较低的束缚水饱和度、较低的盐度和较高的盐密度共同有助于减轻盐沉积引起的渗透率损害。由于束缚水蒸发导致的有效孔隙半径增加超过了盐沉淀引起的减少，地层水蒸发对流体流动产生了净积极效应。

本研究通过改进的PR状态方程准确预测了CO₂-H₂O系统的气液相平衡；揭示了地层水蒸发受CO₂相变和热力学条件控制的规律；阐明了蒸发通过降低束缚水饱和度、增强气相流动能力和降低注入压力等多重机制积极影响CO₂封存过程；提出的相对渗透率校正方法为准确模拟考虑蒸发效应的气液两相流动提供了实用工具。这些发现不仅深化了对CO₂咸水层封存过程中复杂相行为和质量传递机制的理解，而且为优化封存策略、提高封存效率和安全性提供了重要理论依据和技术支持。