李海燕，高 陽(yáng)，王萬(wàn)福，陳昌照，黃海龍

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 2.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 102206）

0 引言

目前，溫室氣體過(guò)度排放所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)已經(jīng)嚴(yán)重威脅整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，CO2減排已經(jīng)成為全球急需解決的問(wèn)題.在化石燃料還無(wú)法被新能源替代條件下，有效控制和削減CO2的排放量已成為一個(gè)亟待深入研究的課題[1-3］.當(dāng)前，最有效的減排途徑是大規(guī)模地捕集和儲(chǔ)存CO2（Carbon Capture and Storage，簡(jiǎn)稱(chēng)CCS）[4］.其中，地下封存被認(rèn)為是最有效和最具可行性的方式.CO2地質(zhì)封存的場(chǎng)所主要有無(wú)開(kāi)采價(jià)值的煤層、油氣田和咸水層等[5］.根據(jù)國(guó)際能源署IEA（International Energy Agency）和聯(lián)合國(guó)政府氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）評(píng)價(jià)CO2封存量，其中以深部咸水層封存潛力最大，為400～10 000Gt[6］.咸水層適合用于碳封存：一是深部咸水層一般為含鹽度較高的咸水層，不能作為水資源加以利用；二是咸水層圈閉構(gòu)造發(fā)育更普遍；三是咸水層中存在適于CO2儲(chǔ)存的大型圈閉構(gòu)造.

注入后CO2相繼發(fā)生4種封存機(jī)制[7］：構(gòu)造封存、殘余氣封存、溶解封存和礦化封存.注入的CO2在浮力作用下向上運(yùn)移，垂向上被蓋層封堵，CO2以自由氣的形式存儲(chǔ)在構(gòu)造圈閉中，而在吸吮過(guò)程中少部分以殘余氣的形式封存在巖石孔隙中[8］.隨后發(fā)生溶解，溶解CO2的地層水在密度作用下向下運(yùn)移，對(duì)流作用促進(jìn)溶解，酸性的提高可能溶解一些基巖礦物，CO2與釋放的金屬離子生成穩(wěn)定的碳酸鹽，CO2被固化在礦物里.由于礦化過(guò)程中有新礦物產(chǎn)生，因此礦化封存是目前最穩(wěn)定、最持久的封存方式[9-11］.百萬(wàn)年后注入的CO2可能大部分通過(guò)溶解或礦化封存方式存儲(chǔ)在地層中，只有少量的構(gòu)造和殘余氣，封存安全性隨之增加.長(zhǎng)期封存研究主要是通過(guò)數(shù)值模擬，但是具體反應(yīng)機(jī)制需要通過(guò)儲(chǔ)層條件下的實(shí)驗(yàn)獲得，為模擬提供必要的參數(shù).

近年來(lái)，中國(guó)的CO2封存工程受到重視.中國(guó)擁有眾多的沉積盆地，有適合封存的場(chǎng)所.Pang Zhonghe等在中國(guó)第一個(gè)試點(diǎn)渤海灣盆地應(yīng)用化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)成功追蹤到CO2的流動(dòng)[12］，Wang Tianye等通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法論證鄂爾多斯盆地封存的可行性[13］.Qiao Xiaojuan等論述中國(guó)蘇北盆地圈閉的評(píng)價(jià)指標(biāo)，估算存儲(chǔ)量大于60億t[14］.為了探討CO2注入咸水層后巖石及流體的變化，應(yīng)用研制的高壓釜實(shí)驗(yàn)裝置，模擬地層條件下（109℃、33.1MPa）飽和CO2地層水—巖石相互作用，論述中國(guó)渤海灣盆地南堡凹陷咸水層封存的可行性.

1 地質(zhì)概況和巖石學(xué)特征

南堡凹陷為渤海灣盆地北側(cè)的小型含油氣凹陷，在區(qū)域構(gòu)造上位于華北地臺(tái)東南部、燕山臺(tái)褶帶的南緣，面積約為1 932km2.南堡凹陷沙河街組巨厚的咸水層可以作為CO2地質(zhì)封存的有利場(chǎng)所.

沙河街組巖石類(lèi)型以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，占67.13%；長(zhǎng)石巖屑砂巖次之，占25.17%，少量長(zhǎng)石砂巖（3.50%）和巖屑砂巖（4.20%），成分成熟度很低.碎屑組分以巖屑和長(zhǎng)石為主，石英含量明顯低于前兩者.成分成熟度指數(shù)平均為0.36，表明成分成熟度低.

沙河街組砂巖沉積于扇三角洲環(huán)境，物源近、搬運(yùn)距離近，巖屑和長(zhǎng)石含量較高，石英含量相對(duì)較低，剛性顆粒含量低，塑性顆粒含量高.分選中等—好，壓實(shí)作用中等—強(qiáng)烈.分選中等—差，磨圓度以次圓—次棱為主.砂巖膠結(jié)致密，膠結(jié)物類(lèi)型有碳酸鹽礦物（方解石、白云石）、自生黏土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石、伊／蒙混層和綠／蒙混層），平均孔隙度為16%，平均滲透率為27×10-3μm2.

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 設(shè)備

為了進(jìn)行高壓釜實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)高溫高壓實(shí)驗(yàn)裝置，并委托南通飛宇石油儀器設(shè)備有限公司進(jìn)行制作.裝置主要由五大系統(tǒng)構(gòu)成，包括模型系統(tǒng)（2個(gè)反應(yīng)釜、巖心夾持器、調(diào)速測(cè)速電機(jī)、維壓取樣系統(tǒng)）、注入系統(tǒng)（平流泵、儲(chǔ)液容器、二氧化碳冷卻系統(tǒng)、高壓CO2氣瓶、N2氣瓶及管閥件）、壓力溫度測(cè)試系統(tǒng)（壓力表、壓力變送器、溫控儀、溫度傳感器）、安全控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)采集處理系統(tǒng)（電路控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、軟件處理子系統(tǒng)）.

自行研制的高溫高壓碳封存儀器的溫度不大于250℃，壓力為常壓至40MPa，儀器外觀見(jiàn)圖1，工作流程見(jiàn)圖2.

2.2 流程

（1）首先打開(kāi)反應(yīng)釜的釜蓋，將巖心樣品放入反應(yīng)釜中的網(wǎng)狀托盤(pán)中，并調(diào)節(jié)放置巖心裝置位置；然后關(guān)閉釜蓋，通入適量N2，排除反應(yīng)釜中殘余的空氣.

（2）注入定量的咸水溶液，向反應(yīng)釜中曝氣，封閉反應(yīng)釜體.

（3）加熱反應(yīng)釜至指定溫度后維持高溫環(huán)境.

（4）打開(kāi)制冷系統(tǒng)與CO2鋼瓶，使儲(chǔ)液罐中含有少量液態(tài)CO2.

（5）打開(kāi)控制系統(tǒng)界面，設(shè)定實(shí)驗(yàn)壓力，實(shí)時(shí)記錄壓力溫度時(shí)間數(shù)據(jù).

（6）通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)啟動(dòng)注入泵注入液態(tài)CO2到反應(yīng)釜中，達(dá)到指定壓力時(shí)停止，壓力、溫度隨時(shí)可以調(diào)節(jié)（升高或降低）.

圖1 咸水層碳封存高溫高壓反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Hydrothermal reactor of carbon storage in saline aquifers of high temperature and high pressure

圖2 模擬地層高溫高壓條件下CO2—水—巖石相互作用實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of CO2flooding water-rock experiment simulating strata condition of high temperature and high pressure

（7）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使巖心—咸水—超臨界CO2三相充分接觸.

（8）在反應(yīng)過(guò)程中，隨時(shí)通過(guò)維壓取樣器取出水溶液，將取樣器固定在反應(yīng)釜下端的冷卻槽中（冷卻槽要與反應(yīng)釜盡可能接近），取樣器一端連接于釜體的取樣口，另一端連接于手搖泵上，由手搖泵將取樣器活塞一端壓力加至和釜體壓力平衡時(shí)打開(kāi)取樣器和容器連接端的閥門(mén)；然后將手搖泵慢慢退泵至取滿(mǎn)為止.關(guān)閉取樣器和容器連接端閥門(mén)，通過(guò)隔熱手柄拿走取樣器，再取出取樣器中液體.

（9）計(jì)算機(jī)按照指定時(shí)間間隔（時(shí)間步長(zhǎng)為1min～1d）記錄并顯示溫度、壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線.

（10）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先切斷反應(yīng)釜和注入泵的連接，再依次關(guān)閉注入泵、攪拌電機(jī)、加熱系統(tǒng)電源.

（11）打開(kāi)排氣閥泄除壓力；然后卸下反應(yīng)釜上的攪拌電機(jī)，取下反應(yīng)釜的保溫層蓋和釜體的保溫層及加熱層，必要時(shí)注入冷水冷卻反應(yīng)釜.

（12）冷卻到室溫后，打開(kāi)釜蓋，取出巖心并放到烘箱中，在105℃溫度下烘干24h，用一次性針管取出釜內(nèi)液體，裝入無(wú)污染的塑料瓶準(zhǔn)備進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定.

2.3 巖樣

實(shí)驗(yàn)巖樣取自渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡油田有利的咸水層構(gòu)造（見(jiàn)表1）.高93井取樣深度為3 336.92m，溫度為109℃，壓力為33.1MPa.巖性為細(xì)砂巖.巖樣規(guī)格為直徑2.5cm、高3.0cm的圓柱體，以及1.0cm×1.0cm×0.1cm的薄片狀，用于實(shí)驗(yàn)前后進(jìn)行掃描電鏡觀察.實(shí)驗(yàn)前的巖樣掃描電鏡見(jiàn)圖3.由圖3可以看到未被溶蝕的石英、鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、高嶺石和方解石等.

表1 巖樣的巖石學(xué)特征Table1 Petrological characteristics of the sandstone sample

圖3 高壓釜實(shí)驗(yàn)前掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM pictures before autoclave experiments

2.4 流體

根據(jù)流體取樣化驗(yàn)結(jié)果，地層水為NaHCO3型，總礦化度為5 685mg／L；陽(yáng)離子以K＋、Na＋為主，陰離子以為主.實(shí)驗(yàn)流體根據(jù)地層水實(shí)際成分配比而成（見(jiàn)表2）.

2.5 過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前對(duì)巖石樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析.實(shí)驗(yàn)巖樣為直徑2.5cm、長(zhǎng)3.0cm的圓柱體.實(shí)驗(yàn)在高壓釜裝置內(nèi)進(jìn)行，溫度為109℃，壓力為33.1MPa.設(shè)計(jì)反應(yīng)18d，每隔一段時(shí)間（0.3，1.0，3.0，6.0，9.0，12.0，18.0d）對(duì)實(shí)驗(yàn)流體進(jìn)行維壓取樣，以檢測(cè)流體的pH和各種離子的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將巖樣在烘箱內(nèi)用105℃溫度烘干24h，然后稱(chēng)質(zhì)量，噴金后進(jìn)行掃描電鏡（SEM）觀察，并應(yīng)用X線能譜儀測(cè)定樣品的元素組成.

表2 高93井地層水分析數(shù)據(jù)Table 2Formation water analysis of G93well

3 結(jié)果與討論

處于超臨界狀態(tài)的CO2氣體易溶于水形成H2CO3，密度接近于液體，擴(kuò)散系數(shù)高，黏度低，可以增強(qiáng)溶液的酸度，加快化學(xué)反應(yīng)速率.在CO2—水—巖石反應(yīng)體系中，注入的超臨界CO2先擴(kuò)散進(jìn)入巖樣孔隙中，與地層水形成弱酸性液體；再與巖石發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而引起巖石物性、礦物成分及地層水組成的變化.

3.1 巖樣溶蝕

3.1.1 質(zhì)量變化

在地下深層溫度壓力條件下巖樣與CO2和水反應(yīng)前后巖樣的質(zhì)量變化見(jiàn)表3.由表3可知，2塊巖樣的質(zhì)量降低，說(shuō)明發(fā)生溶蝕反應(yīng)，失重比分別為3.62%和3.89%.

表3 巖樣反應(yīng)前后質(zhì)量Table3 Rock sample mass change after reaction g

3.1.2 長(zhǎng)石、黏土礦物溶蝕

巖石中的礦物在水中的溶解作用分為2類(lèi)，即全等溶解和不全等溶解[15］.長(zhǎng)石在水中的溶解為不全等溶解，也就是在溶解過(guò)程中有些礦物組分的離子進(jìn)入溶液中而有些組分轉(zhuǎn)變成新礦物.高尚堡深層巖樣中的長(zhǎng)石主要是鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石，因此主要為不全等溶解.通過(guò)掃描電鏡觀察（見(jiàn)圖4），鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的溶解作用主要沿節(jié)理面的薄弱部位進(jìn)行，邊緣被溶解呈鋸齒狀，孔喉中書(shū)頁(yè)狀或蠕蟲(chóng)狀的高嶺石在109℃溫度條件下發(fā)生輕微的溶蝕，主要化學(xué)反應(yīng)式為

實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)石英溶蝕，實(shí)驗(yàn)后的石英表面仍然比較光滑，有研究表明石英溶蝕溫度在200℃以上才明顯[16］.

3.2 新礦物生成

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后還觀察到新礦物的生成.在SEM下可以看到在孔隙處有新生的細(xì)小晶體，表面光滑，不規(guī)則平面呈層狀，能譜鑒定發(fā)現(xiàn)主要元素為硅、鋁和氧，認(rèn)為是高嶺石.另外，在長(zhǎng)石表面發(fā)現(xiàn)許多新生的小顆粒，呈不規(guī)則菱形多面體，能譜鑒定元素主要為氧、鈣和碳，部分樣品上還有一定數(shù)量的鐵和鎂元素，認(rèn)為是方解石及菱鐵礦和菱鎂礦或其混合物（見(jiàn)圖4）.

3.3 溶液變化

3.3.1 pH

高壓釜反應(yīng)過(guò)程中pH變化曲線見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)，溶液初始pH為7.79，3d后pH急劇降到6.06，然后持續(xù)緩慢下降，6d后降為5.82，然后緩慢上升，最后趨于平穩(wěn)，到反應(yīng)結(jié)束時(shí)上升到6.33.pH急劇下降后又上升、最后平穩(wěn)的原因是先期CO2溶解，然后和長(zhǎng)石反應(yīng)消耗氫離子增加pH，雖然新礦物的生成降低pH，但溶解速度更快.

3.3.2 金屬離子質(zhì)量濃度

高壓釜反應(yīng)過(guò)程中陽(yáng)離子質(zhì)量濃度變化曲線見(jiàn)圖6.由圖6可知，通過(guò)離子檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)溶液中K＋和Na＋的變化規(guī)律是先下降后上升、最后趨于平穩(wěn)，2個(gè)樣品中2種離子的變化趨勢(shì)一致，呈正相關(guān).

實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)的K＋和Na＋為地層水中的離子質(zhì)量濃度，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后注入CO2形成的CO2-3首先與溶液中的Ca2＋和Mg2＋發(fā)生反應(yīng)，消耗一些K＋和Na＋，而長(zhǎng)石的溶蝕比較微弱，導(dǎo)致K＋和Na＋的質(zhì)量濃度急劇下降；然后隨著實(shí)驗(yàn)中超臨界CO2的注入，約7h后鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的溶解逐漸加強(qiáng)，導(dǎo)致K＋和Na＋的質(zhì)量濃度逐漸上升，最后逐漸趨于平穩(wěn)，最終的K＋和Na＋質(zhì)量濃度高于實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)的質(zhì)量濃度.

Ca2＋和Mg2＋的質(zhì)量濃度也是先降后升，原因?yàn)椋鹤⑷氲某R界CO2先與溶液中的Ca2＋和Mg2＋發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鹽的中間產(chǎn)物或碳酸鹽沉淀，導(dǎo)致Ca2＋和Mg2＋的質(zhì)量濃度降低；然后不斷注入的超臨界CO2使長(zhǎng)石的溶蝕和黏土礦物的溶解加劇，約6d后溶蝕速度超過(guò)新礦物生成速度，從而造成Ca2＋和Mg2＋的質(zhì)量濃度開(kāi)始上升，最后逐漸趨于平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)終止時(shí)的Ca2＋和Mg2＋質(zhì)量濃度高于實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)的質(zhì)量濃度.

圖4 高壓釜實(shí)驗(yàn)后掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM pictures after autoclave experiments

圖5 高壓釜反應(yīng)過(guò)程中pH變化曲線Fig.5 Change of pH during the reaction

圖6 高壓釜反應(yīng)過(guò)程中陽(yáng)離子質(zhì)量濃度的變化曲線Fig.6 Change of cation concentration during the reaction

4 結(jié)論

（1）超臨界的CO2溶于水使咸水層酸性增強(qiáng)，然后與碎屑巖儲(chǔ)層砂巖相互作用，使長(zhǎng)石和黏土礦物發(fā)生溶蝕生成方解石、菱鎂礦和菱鐵礦等固碳新礦物，表明該儲(chǔ)層CO2封存的可行性和穩(wěn)定性.

（2）實(shí)驗(yàn)初期隨著CO2的注入溶液的pH先急劇下降，然后CO2和長(zhǎng)石反應(yīng)消耗氫離子使pH緩慢上升，由于溶解速度快于新礦物的生產(chǎn)速度，最后pH趨于平穩(wěn)但低于初始狀態(tài)的pH.

（3）金屬陽(yáng)離子的質(zhì)量濃度在實(shí)驗(yàn)初期急劇下降，因?yàn)樽⑷氲某R界CO2與Ca2＋和Mg2＋發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鹽的中間產(chǎn)物或碳酸鹽沉淀，同時(shí)消耗K＋和Na＋；隨著CO2的持續(xù)注入使長(zhǎng)石的溶蝕和黏土礦物的溶解加劇，約6d后溶蝕速度超過(guò)新礦物的生成速度，導(dǎo)致陽(yáng)離子質(zhì)量濃度顯著上升后趨于平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)終止時(shí)陽(yáng)離子質(zhì)量濃度高于實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)地層水中的陽(yáng)離子質(zhì)量濃度.

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