摘要:CO2在地下深部咸水含水層地質(zhì)封存的多種封存機(jī)理中，束縛氣封存的潛力很大，可占封存總量的30%左右。殘余氣飽和度是評(píng)價(jià)束縛氣封存量的一個(gè)十分重要的參數(shù)。通過(guò)測(cè)定不同成分鹽水驅(qū)CO2的殘余CO2飽和度，對(duì)不同咸水含水層的束縛氣封存潛力進(jìn)行定性的評(píng)價(jià)，進(jìn)一步為深部咸水含水層的CO2封存量的評(píng)估提供了參數(shù)依據(jù)。同時(shí)也對(duì)深部咸水含水層CO2地質(zhì)封存的工程選址和目標(biāo)含水層的選擇具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。實(shí)驗(yàn)使用飽和CO2的蒸餾水、NaCl溶液、CaCl2溶液以及NaCl和CaCl2的混合溶液(質(zhì)量比1:1)，溶液質(zhì)量濃度都為10%，驅(qū)替飽和CO2的巖心，最后計(jì)算殘余CO2飽和度。飽和CO2的溶液驅(qū)替CO2的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段:活塞式驅(qū)替和攜帶式驅(qū)替。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，4種液體驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的殘余CO2飽和度由小到大依次為:蒸餾水、混合溶液、NaCl溶液、CaCl2溶液。結(jié)果表明:在界面張力和流體粘性共同作用下，界面張力對(duì)巖心中CO2驅(qū)替效果的影響起主導(dǎo)作用;這3種類(lèi)型鹽水中，Cl-Ca型水束縛氣封存潛力最大，其次是Cl-Na型水，Cl-Na·Ca型水最差。

如何減少大氣中的CO2以減輕溫室氣體效應(yīng)驅(qū)已經(jīng)是人類(lèi)面臨的重大科學(xué)問(wèn)題，實(shí)施CO2捕集及地質(zhì)封存(也稱(chēng)埋存或儲(chǔ)存)是目前大多數(shù)科學(xué)分0引言的研究較少，國(guó)內(nèi)外油氣藏、深部咸水層和不可開(kāi)采煤層等儲(chǔ)層都可存過(guò)以為二氧化碳地質(zhì)封存提供有效場(chǎng)所。碳封溶液存領(lǐng)導(dǎo)人論壇(The Carbon Sequestration L Forum)將CO2在地下深部咸水含水層中的封存機(jī)(理分為地層構(gòu)造封存、水動(dòng)力封存、束縛氣封存、溶解封存和礦化封存5-6]。束縛氣封存(殘余氣存)是指停止注氣后，CO2氣體飽和度開(kāi)始降低，地層水回流，占據(jù)之前由CO2氣體所占據(jù)的巖石孔隙，由于毛細(xì)力的作用，巖石孔隙中會(huì)殘留部分CO2氣體，以殘余氣的形式封存。這部分體對(duì)含水層和不滲透層完整性要求不高，從而增擇加了CO2封存的安全性。CO2封存的初始階段地層構(gòu)造封存占主導(dǎo)地位，隨著時(shí)間推移，束縛氣封存和溶解封存逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。而且，束縛氣封存增大了CO2與地層水和巖石的接觸時(shí)間，對(duì)溶解封存和礦化封存有促進(jìn)作用。本研究就是模擬CO2在地下深部咸水含水層的束縛氣封存過(guò)程，并最終計(jì)算殘余CO2飽和度。

國(guó)外有關(guān)殘余氣方面的研究開(kāi)始比較早，研究成果較多。Suekane等通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，至少CO2封存量的1/3是由束縛氣封存和溶解封存貢獻(xiàn)的;進(jìn)一步的研究表明，束縛氣封存和溶解封存的封存量至少占封存總量的38.8%而國(guó)內(nèi)對(duì)殘余氣的研究起步較晚，相關(guān)研究較體少。2000年秦玉等通過(guò)水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)測(cè)定了殘余氣飽和度;2010年生如巖研究了孔隙度滲透率、初始含氣飽和度對(duì)水驅(qū)砂巖氣的殘余氣泵飽和度的影響;Chang等通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)初始溶液中溶解的CO2越多，其最終的殘余CO2飽和度越大。

但是Suekane等所測(cè)定的殘余氣中，不但束縛氣，還包括了溶解氣，本次實(shí)驗(yàn)使用飽和CO2的驅(qū)替液，最終計(jì)算出來(lái)的殘余氣只包含縛氣，不用考慮溶解氣。前人的研究多是對(duì)殘余氣飽和度的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行研究(如生如巖、Cha等)，或者是簡(jiǎn)單測(cè)定殘余氣飽和度(等)，沒(méi)有很好地與CO2地質(zhì)封存的實(shí)際相結(jié)合。由于深部咸水含水層的水有多種水化學(xué)至類(lèi)型，目前對(duì)各種類(lèi)型咸水含水層束縛氣封存量的研究較少，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到測(cè)定不同成分鹽水CO2實(shí)驗(yàn)的殘余CO2飽和度的公開(kāi)文獻(xiàn)，相方面還有待進(jìn)一步研究。本研究首次用不同成水(飽和CO2)進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)測(cè)定殘余CO2飽尚未見(jiàn)到測(cè)定不同成分鹽水。所以實(shí)驗(yàn)使用飽和CO2的蒸餾水、NaCl、CaCl2溶液以及二者的混合液(質(zhì)量比1:1)，adership溶液質(zhì)量濃度均為10%，驅(qū)替飽和CO2的巖心40℃，10MPa條件下)，最后計(jì)算殘余CO2飽和。進(jìn)而定性地評(píng)價(jià)它們的束縛氣封存潛力，找出束縛氣封存潛力最大的水化學(xué)類(lèi)型，探究殘余O2飽和度的大小與水化學(xué)類(lèi)型之間存在的內(nèi)在系。本次研究結(jié)果將為深部咸水含水層的ＣＯ２封存量的評(píng)估提供參數(shù)依據(jù)，同時(shí)對(duì)深部咸水含水層ＣＯ２地質(zhì)封存的工程選址和目標(biāo)含水層的選擇具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1實(shí)驗(yàn)材料

1.1實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)所用藥品有NaCl、CaCl2、干冰、NaOH溶液和HCl溶液。所用器材:已測(cè)孔隙度的人工巖心A-9(直徑為5cm，長(zhǎng)度為8cm，孔隙度為14.37%)、酸式滴定管和堿式滴定管。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用裝置為地質(zhì)封存條件下CO2遷移物模擬平臺(tái)，如圖1所示。主要結(jié)構(gòu)分為以下幾個(gè)系統(tǒng):氣體制冷系統(tǒng)、氣體注入驅(qū)替系統(tǒng)、液入驅(qū)替系統(tǒng)、回環(huán)壓系統(tǒng)、巖心夾持系統(tǒng)、量系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集和微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等。CO2氣體經(jīng)氣體制冷系統(tǒng)冷卻后通過(guò)注氣壓注入儲(chǔ)氣罐，最大注入壓力20MPa。液體現(xiàn)，通過(guò)注水泵恒流注入儲(chǔ)液罐，最大注入流量為9.9ml/min。通過(guò)注射泵設(shè)置回、環(huán)壓。儲(chǔ)氣罐和儲(chǔ)液罐通過(guò)出氣、出液閥門(mén)將CO2、液體括注入巖心夾持器。通過(guò)真空泵對(duì)巖心抽真空。口端的氣體、液體通過(guò)氣液分離器分離，氣體通過(guò)濕式氣體流量計(jì)記錄瞬時(shí)和累計(jì)流量，體通過(guò)電子天平稱(chēng)重的方式記錄其瞬時(shí)和累g計(jì)流量。瞬時(shí)的入口、出口壓力通過(guò)計(jì)算機(jī)記秦玉錄。儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)液罐、巖心夾持器都放置于恒溫況箱內(nèi)，通過(guò)恒溫箱控制其內(nèi)部溫度，范圍為室溫至120℃。