深部储碳——碳中和相关研究及综述

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文一：

CO2封存与盖层完整性研究综述

摘要：

这篇综述全面概述了碳捕获和储存（CCS）的技术和科学，包括对二氧化碳（CO2）运输和后续捕获的关键方面的简要描述。重点介绍了在地质介质中固存二氧化碳的各种方法，以及注入二氧化碳后发生的不同碳缓解过程。

对于地质开窗工程而言，目标储层和盖层的理想特征是防漏程度高、储层容量大、封闭有效、地层无断层。讨论了盖层-二氧化碳-孔隙流体相互作用的地球物理和地球化学方面，在注入二氧化碳期间和之后盖层的稳定性，以及预先存在的裂缝和断层重新打开的可能性对密封完整性的影响。同样在地质开窗中，注入压力与注入的CO2施加的向上压力（由于浮力）一起导致储层中应力场的扰动。二氧化碳溶解在地下水中时形成的碳酸引起的应力变化以及储层岩石和盖层的化学和物理变化，可能导致盖层强度降低和破坏。该综述指出了在高压和高温共同作用下盖层完整性的主要研究空白和进一步研究的必要性。CO2注入引起的压力场和应力场的变化，以及超临界CO2与储层中盐水的相互作用，也需要进行实验研究。

图：2030年和2070年预计气温变化的空间分布

图：CO2实验的绝对压力、下游压力和有效渗透率的实验毛细管穿透曲线

图：平均体积刚度与轴向应力的关系图，表明脆性岩石在裂纹萌生和裂纹损伤之间发生的主要应变速率变化。rcs=裂纹聚结应力阈值

文二：

二氧化碳对褐煤地质力学和渗透行为的影响：对煤层二氧化碳封存的影响

摘要：

断裂力学和热力学理论与实验研究结果相结合，提供了证据表明二氧化碳在煤上的吸附导致煤强度降低。在原位条件下，通过向煤层中引入二氧化碳而导致的煤炭弱化可能会导致压裂，导致渗透率增加。这些影响对煤层中二氧化碳储存的建议具有重要意义。

通过单轴和三轴实验室研究，探讨了CO2吸附对澳大利亚东南部褐煤抗压强度和渗透性的影响。对空气饱和和二氧化碳饱和试样的应力-应变响应的比较表明，单轴试验的抗压强度下降了13%，弹性模量下降了约26%，但三轴试验的强度或弹性模量没有显著下降。三轴试样的力学性能没有吸附作用，可能是由于模拟地面条件下饱和期不足，或者由于褐煤试样的机械可变性，然而，需要进一步测试，以揭示在较高限制条件下CO2吸附导致强度明显可忽略的原因。应力-应变过程中的二氧化碳流出测量表明，随着孔隙闭合，初始渗透率降低，随后随着压裂，试样渗透率显著增加。

在将这些结果应用于煤层CO2封存时需要考虑的问题包括：预期的区域和局部原位应力是否足以启动具有吸附弱化的压裂；煤的性质（如等级、含水量）可能如何影响CO2吸附的地质力学影响，以及拟议的裂缝相关渗透率增加的预期幅度。

图：岩石在三轴压缩应力-应变过程中的渗透率测试结果：（a）泥岩，（b）砂质页岩，（c）细粒砂岩，（d）中粒砂岩

图：不同吸附相的平均钻速

图：定制三轴装置

图：典型的单轴失效试样

文三：

深层含盐含水层中二氧化碳封存的地球化学方面：综述

摘要：

二氧化碳已被确定为影响地球气候稳定性的主要化合物之一。减少排放到大气中的温室气体总量被认为是缓解气候变化的关键机制。在深层含水层中地质储存二氧化碳目前是一种公认的储存方法，因为含水层比其他地质介质具有更大的储存能力。随着CO2注入，含水层中启动的岩石-水-CO2相互作用在含盐含水层中的CO2封存中发挥着至关重要的作用，并包括不同的捕获机制：地质捕获、流体动力学捕获和地球化学捕获（溶解性捕获和矿物捕获）。其中，地质圈闭和溶解性圈闭在短期内更有效，但从长远来看，矿物圈闭更安全、更经济。与其他捕集机制相比，目前对地球化学捕集的了解仍处于早期阶段，因为完成这一过程需要大量时间。迄今为止，很少对砂岩储层进行研究，因为砂岩储层被认为是地质构造中储量最大的。然而，由于具有地球化学捕集的CO2储存的长期安全性，最近出现了研究这一过程的趋势。盐水含水层中的溶解和矿物捕获过程都取决于注入二氧化碳和含水层的流体-岩石-矿物特性。直到最近，尽管人们还认为温度、压力、地层水的盐度和地层岩石的矿物成分是影响矿物捕获的唯一参数，但最近的研究表明，各向异性和层理模式也可能显著影响地球化学圈闭。这篇综述对深层含水层中溶解性和矿物捕获过程的地球化学的当前知识进行了全面的研究。

图：捕集机制的时间尺度

图：地下CO2与岩石的相互作用。

文四：

耦合数值模拟研究印度煤中CO2-ECBM过程中吸附时间的影响

摘要：

储层煤层气的产量是几个参数的函数，包括现场气体含量、煤的渗透率和煤层厚度。这种煤层通常具有较低的吸附时间，并且由于水的提取而在压力耗尽时容易从煤中释放甲烷。从经济角度来看，具有高吸附时间的煤通常是不合适的。本研究采用数值模拟的方法研究了吸附时间在二氧化碳胁迫下煤的生产行为中的作用。中间深度为1600英尺的厚煤层采用两口生产井和一口注入井建模。改变吸附时间，并监测水/甲烷的产生和CO2注入行为长达4000天。研究发现，非平衡吸附时间的煤具有较高的CO2吸附能力。因此，它们可以考虑通过气体注入来提高甲烷的回收率。在甲烷解吸开始之前，这种类型的煤会释放出大量的水，尽管注入了二氧化碳，但气体释放的开始仍然延迟。在第一年年底，吸附时间s=0.1天的煤的产水量减少了近50%，而s=50天的煤仅减少了23.5%的水分释放。在高吸附时间的煤的情况下，六个月后的CO2注入速率增加到41.6 mscfd，而在低吸附时间的煤炭的情况下上升到仅20 mscfd，表明几乎是前一种情况下气体注入速率的两倍。s=0.1天的煤炭第一年甲烷产量为90 mscf，s=300天的甲烷产量为42 mscf。第五年末，各品种累计天然气产量分别为842 mscf和613 mscf，表明差异缓慢缩小。提出了理解不同吸附时间的煤的行为的可能机制。还证实，在典型的印度冈瓦纳大陆环境中，吸附时间小于10天的煤遵循平衡趋势。

图：二氧化碳和甲烷基质气体体积与压力对水分的朗缪尔曲线

图：基于煤层气潜力的煤田类别

文五：

印度烟煤的CO2渗透性：对碳固存的影响

摘要：

煤的渗透率是评估煤层作为甲烷储层或二氧化碳汇性能的最关键参数之一。煤的储层行为为天然气生产性能的长期规划和储层排水提供了许多挑战。此外，煤从盆地到盆地、从煤层到煤层以及同一煤层的部分内的不均匀性使这一过程更加复杂。需要对储层的具体情况进行了解，以便尽可能最佳地估计其行为。

煤基质的收缩/膨胀、气体流动和滑移、地质力学变化、割理各向异性和有效应力等因素控制着煤中气体的流动行为。近几十年来，世界各地不同盆地对这些方面的研究已经取得了进展。然而，目前还没有关于印度冈瓦纳大陆煤的膨胀诱导渗透率特征或有效应力的作用的研究。考虑到印度煤的CO2储存潜力相当高，在三轴条件下使用气相CO2对印度Jharia盆地Barakar组的烟煤进行了测试。本文介绍了影响应力的变化结果，包括围压和孔隙压力，并结合了煤膨胀对气态CO2流动模式的影响。在新开发的三轴单元中，对应于目标煤层的不同深度，煤受到不同的围应力。对于每个约束，在不同的注入压力下注入CO2。为了最大限度地减少温度对气相特性的影响，温度始终保持在26°C，同时使用排水测试方法将下游压力保持在一个大气压。结果表明，在低约束条件下，注气压力的增加导致煤的渗透率最初降低，然后几乎保持不变。

然而，在较高的约束条件下，渗透率随着注入压力的增加而增加。煤的膨胀有助于降低渗透率。在初始约束期间，随着注气压力的变化，煤中的体积膨胀降低了渗透率。随着围压的增加，煤的渗透率降低了一到两个数量级。最后，针对印度煤，提出了有效应力和膨胀对煤渗透率作用的经验关系。在较低的有效应力下，对数mic递减模型更适合，而指数递减关系在有效应力>12MPa时更适合数据。