利用CO2封存提高含水層熱量采收率
作為減緩氣候變化的措施之一，有人提出了一種以CO2替代水作為傳熱流體的新型EGs(增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng))，并可收到地質(zhì)封存的CO2效用。為此研究了CO2的熱物理性質(zhì)并進(jìn)行了數(shù)值模擬，以探討這種工程地?zé)醿?chǔ)中的流體動(dòng)力學(xué)和熱傳遞問(wèn)題。
研究表明，在裂隙介質(zhì)中，CO2可較水從巖石中提取更多的熱量。同時(shí)，CO2具有良好的水力學(xué)特性，由于其具有更大的壓縮系數(shù)和膨脹率，使得浮力增加，從而降低流體循環(huán)系統(tǒng)的能耗。CCO2—EGS在熱和水力學(xué)方面具有優(yōu)點(diǎn)，但在水巖相互作用方面存在不確定性，仍需進(jìn)一步研究。目前還沒(méi)有關(guān)于EGS中CO2質(zhì)量流量因各種機(jī)制損失進(jìn)入儲(chǔ)層中比例的報(bào)道，損失比例應(yīng)與具體EGS儲(chǔ)層的滲透率、孔隙率、水化學(xué)和礦物組成有關(guān).根據(jù)新墨西哥FentonHin的長(zhǎng)期(近1年)水循環(huán)試驗(yàn)，水的損失為注入量的7--12%，由此粗略估算CO2—EGS中流體損失為注入量的5%，CO2損失可估計(jì)為1內(nèi)1000MW，而一個(gè)1000MW大型燃煤電廠的CO2排放量為30，000t/d，也即一個(gè)1000MWe的CO2一EGS可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)封存一個(gè)3000MWe燃煤電廠排放的CO2。
雖然這些估算很粗糙，但說(shuō)明C02一EGS具有實(shí)現(xiàn)大量封存CO2的潛力。
砂巖地?zé)醿?chǔ)層的回灌是地?zé)崽锕芾碇械囊淮箅y題。中國(guó)豐富的中低溫地?zé)豳Y源主要賦存于大的沉積盆地之中，如華北盆地、蘇北盆地、關(guān)中盆地和松遼盆地，但地?zé)崴粌H賦存于滲透性高、容易回灌碳酸巖儲(chǔ)層中，也賦存于難于回灌的砂巖儲(chǔ)層中，其中回灌率多低于20%，成為地?zé)豳Y源可持續(xù)利用的主要技術(shù)障礙。
傳統(tǒng)的酸化方法中利用HF和HCI來(lái)去除高溫地?zé)嵯到y(tǒng)中的碳酸鹽和硅酸鹽結(jié)垢，但由于尺度和成本問(wèn)題，不適于提高砂巖儲(chǔ)層回灌率，需要探索新的方法。砂巖熱儲(chǔ)中CO2—水——巖相互作用為提高砂巖地?zé)醿?chǔ)層的回灌率提供了可能的途徑。
CO2巖芯驅(qū)替試驗(yàn)揭示出砂巖儲(chǔ)層巖石滲透率和孔隙率的不同變化情況.滲透率的減小可由自生粘土的遷移阻塞孔喉，或當(dāng)初始粘土礦物很少時(shí)，由孔隙空間中高嶺石的結(jié)晶引起側(cè)，后一情形常見于含有鉀長(zhǎng)石或其它可溶鋁硅酸鹽顆粒的地層中。滲透率的增大可由碳酸鹽礦物的溶解造成，但當(dāng)其為粘土礦物遷移阻塞孔喉所致的滲透率減小所抵消時(shí)，則滲透性不會(huì)發(fā)生明顯的改變。
CO2注入會(huì)導(dǎo)致礦物的溶解、遷移和沉淀。礦物的溶解會(huì)導(dǎo)致巖石孔隙率和滲透率增大，而礦物的沉淀會(huì)導(dǎo)致二者減小。因此，巖石孔隙率和滲透率的變化主要受巖石礦物分布和咸水化學(xué)組成的控制，并因儲(chǔ)層不同而變化。
數(shù)值模擬解釋了砂巖儲(chǔ)層中CO2—水—巖相互作用對(duì)于滲透率和孔隙率的長(zhǎng)期效應(yīng).己有研究揭示了CO2脫氣所致礦物的溶解和沉淀。對(duì)低溫系統(tǒng)模擬表明地?zé)嵯到y(tǒng)中的碳酸鹽對(duì)CO2
的變化非常敏感。應(yīng)用反應(yīng)性遷移模型對(duì)某長(zhǎng)石砂巖儲(chǔ)層(深度2km，75oC)注入帶CO2所致礦物蝕變的研究表明儲(chǔ)層孔隙率變化和CO2捕獲。注入CO2引起的礦物蝕變導(dǎo)致孔隙率改變。在酸化帶，礦物溶解起主要作用，孔隙率顯著增加;在CO2捕獲帶，CO2以次生礦物形式捕獲與巖石骨架，孔隙率減小。溶解C02的遷移和礦物蝕變通常使孔隙率減小，在外圍產(chǎn)生低滲帶，影響儲(chǔ)層的增長(zhǎng)和壽命。而大量CO2可通過(guò)碳酸鹽礦物的形式封存(如下圖8)所示。
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對(duì)日本砂巖咸水層CO2現(xiàn)場(chǎng)注入試驗(yàn)的數(shù)值模擬表明，通常認(rèn)為的系長(zhǎng)期過(guò)程CO2—水—巖相互作用在初始階段就可以對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生影響。根據(jù)sato等的模擬工作，只考慮鈣長(zhǎng)石溶解作用，儲(chǔ)層巖石孔隙率60年后將增大2%.美國(guó)Firo沙巖咸水層的CO2現(xiàn)場(chǎng)注入試驗(yàn)表明，CO2注入后碳酸鹽礦物和鐵氫氧化物發(fā)生快速溶解，并導(dǎo)致蓋層中產(chǎn)生CO2和咸水的泄漏通道。
綜上，我們引入CO2—EATER(CO2一EnhanCed Aqulfer Themal Energy Recovery)的概念，認(rèn)為通過(guò)CO2—水—巖相互作用提高砂巖熱儲(chǔ)層回灌率具有深入研究的必要和潛力。
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