采空区碳封存条件下CO-水界面特性及溶解传质规律研究

作     者：李树刚 张静非 林海飞 包若羽 丁洋 白杨 周雨璇 朱冰 

作者机构：西安科技大学安全科学与工程学院 煤炭行业西部矿井瓦斯智能抽采工程研究中心 应急管理部信息研究院 西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点试验室 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2023年

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

基　　金：国家自然科学基金面上资助项目（52374227 52074217） 陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2021JLM-26） 

主　　题：采空区 CO 封存安全性 气液界面扩散-溶解 界面张力 溶解度 

摘      要：采空区CO2封存作为解决煤炭行业碳排放难题的重要负碳技术储备，在采空区废弃资源二次利用、CO2封存等方面具有广泛的应用前景。本研究利用原位界面张力测定仪开展了不同温压、地层水矿化度及阳离子溶液类型对CO2-地层水系统的界面张力(IFT)影响规律实验，明晰了CO2注入含水碎胀煤岩体中的气液界面扩散效应，并将基于统计缔合理论结合兰纳-琼斯势能模型的状态方程(SAFT-LJ状态方程)与密度梯度理论(DGT)结合预测了IFT理论值；利用自主研发的地质封存地化反应模拟实验平台对相同条件下的CO2溶解性进行了探究实验，得到了采空区储层环境下CO2溶解度变化特征，采用D-S模型计算了对应CO2溶解度理论值。实验结果表明：环境温度一定时，采空区储层压力与IFT值呈线性负相关关系，储层温度升高，IFT值相应增加，但变化幅度较小；温压条件一定时，矿化度与IFT值存在正相关性，且在本实验范围内，低压、高温、高矿化度会促使IFT值升高；CO2-盐溶液之间的IFT值呈现出随着阳离子价态升高而增大的现象(K+Na+Ca2+Mg2+)；采空区储层压力与CO2溶解度呈正相关关系，当温度为25℃、纯水条件下，压力由0.5MPa增至2.5MPa，对应CO2溶解度由0.1627 mol/kg升至0.7141 mol/kg；CO2溶解度随着温度与矿化度的升高而降低；相同浓度下，一价阳离子溶液(NaCl、KCl)比二价阳离子溶液(CaCl2、MgCl2)可溶解更多的CO2。注入采空区中的游离相CO2克服界面张力通过扩散溶解传质作用打破了采空区地层的地球化学平衡，通过明确环境温压条件、采空区水环境对IFT值及CO2溶解度的影响规律，阐明CO2-地层水气液界面效应及溶解传质机理，以期为采空区CO2封存安全性及封存量评估提供理论基础。