二氧化碳减排、储存和资源化利用的基础研究--袁士义-973计划

项目名称： 二氧化碳减排、储存和资源化利用的基

起止年限：依托部门：础研究

袁士义 中国石油集团科学技术研究院 2011.1至2015.8

中国石油天然气集团公司 教育部 中

国科学院

首席科学家：

二、预期目标

1、总体目标

发展完善适合中国国情的规模化CO2捕集、埋存及高效利用理论并将研究成果转化为技术，实施CO2长期地质埋存和资源化利用的示范，在实施的试验区提高采收率10%以上，吨油埋存CO2达到1吨以上，体现CO2减排的社会效益和CO2高效利用的经济效益。 2、五年预期目标

本项目将在前期研究基础上，在规模化CO2捕集、埋存及高效利用基础研究方面产生质的飞跃和创新。研究将围绕一个理论技术体系、发展三个理论、建立与完善四个方法，加强人才培养，最终体现两个效益，为“十二五”后形成中国特点的CO2捕集、埋存及高效利用技术体系提供理论基础和科学依据。

一个理论体系：发展与完善适合中国国情的CO2捕集、埋存及高效利用的理论技术体系。

三个理论：

（1）适合中国国情的CO2长期地质埋存理论；

（2）陆相非均质低/特低渗透油藏CO2提高采收率理论； （3）以O2/CO2循环燃烧为基础的新型燃烧理论。 建立与完善四个方法：

（1）油气藏、煤层气藏及咸水层等地质体CO2埋存潜力评价及监测方法； （2）孔隙介质中CO2/地层油体系相态特征及渗流规律表征方法； （3）提高CO2驱油效率与扩大波及体积及埋存体积新方法； （4）低成本的CO2捕集与分离方法。 人才培养：

培养CO2埋存和资源化利用国际知名专家3～5名，国内技术骨干10～15名，博士生20名，硕士研究生30～50名。

体现两个效益：

（1）通过CO2埋存与驱油现场示范，在实施油田区块年埋存CO2达到10万吨以上，吨油埋存CO2达到1吨以上，体现CO2减排的社会效益；

（2）通过CO2资源化利用现场示范，在实施油田区块提高石油采收率10％以上，体现CO2高效利用的经济效益。

三、研究方案

1、学术思路和技术途径

本项目的基本学术思路是在CO2的高效资源化利用中实现其地质埋存。依据这一基本思路设臵研究内容，综合运用环境科学、地质学、化学、物理化学、流体力学、渗流力学、油藏工程学等理论和方法，系统深入地研究我国油藏条件下CO2提高油气采收率和地质埋存的基础科学问题，为形成CO2提高油气采收率—地质埋存一体化理论和技术体系奠定基础。 根据本项目的总体研究目标，拟定如下的研究思路与途径：

（1）为实现创新性研究思路，需要建立新的研究方法和模拟实验技术，作为新理论与新技术研究的公共基础。

（2）以CO2高效利用和地质埋存为主线设臵课题，使各课题之间具有内在联系，形成一个有机的研究体系。

（3）基础研究与技术研究紧密结合。在基础研究成果的指导下研究适合我国油藏条件的CO2提高采收率新技术。

（4）室内研究与矿场试验紧密结合。加快理论与技术研究成果的转化应用，并根据油田矿场试验中暴露出的问题完善理论与技术成果。

2、项目的创新与特色

本项目的最大特色是CO2长期地质埋存和CO2高效利用相结合。与国外海相沉积油藏相比，由于我国油藏条件的特殊性，CO2地质埋存和CO2利用的基本原理和技术特点都有很大的、甚至是本质的不同。本项目基于我国各类油藏地质特点开展研究，可望取得的理论创新和形成的具有独立知识产权的新技术主要体现在以下几点：

（1）建立适合中国国情的CO2捕集、埋存及高效利用理论技术体系。

（2）发展CO2长期地质埋存理论、陆相非均质低/特低渗透油藏CO2提高采收率理论、以O2/CO2循环燃烧为基础的新型燃烧理论。

（3）建立与完善油气藏、煤层气藏及咸水层等CO2埋存潜力评价及监测方法、孔隙介质中CO2/地层油体系相态特征及渗流规律表征方法、提高CO2驱油效率与扩大波及体积新方法、规模化CO2捕集与分离方法。

（4）实现CO2减排的社会效益和CO2高效利用的经济效益。

最终形成具有自主知识产权的CO2地质埋存和高效利用的综合技术，使我国CO2安全埋存—高效利用研究处于国际前列。

3、取得重大突破的可行性分析

本项目提出的CO2提高石油采收率与地质埋存一体化技术思路代表着环境科学、地质学、物理化学、石油工程等学科领域前沿和多学科交叉的新发展方向。我国在此领域的相关研究工作与国际前沿差距不大，基本上处于同步阶段。只要抓住这一有利时机，深入开展有关应用基础和技术研究，我国完全可以在该领域内跻身于世界领先地位。

在CO2捕集方面，有望发展一种新型的高温、低氧、非均相容积反应燃烧理念，并提出基于此理念的氧燃烧方式的设计计算原理。

在提高石油采收率技术方面，CO2驱油的适应性及其效果对于油藏条件非常敏感。由于我国陆相油藏条件的特殊性，国外普遍应用、技术成熟度相对较高的CO2混相驱在我国无法成为主导技术，迫切需要建立适合我国油藏特点的全新的思路、理论和技术。这种迫切的需求形成了本项目取得理论与技术重大突破的动力。

本项目的主要承担单位有高等院校、中科院、特大型石油企业，具备产学研相结合的科研优势。项目承担单位拥有支撑本项目研究所需的实验条件，拥有长期从事相关研究工作的高水平科研队伍。另外，本建议项目的主要承担单位曾承担过多项国际合作项目，与国外相关研究机构和相关学者具有长期的合作关系，建立了良好的学术交流渠道。所有这些都为本项目取得突破性成果提供了有力的保障。

四、年度计划

年度 研究内容 在文献调研、前沿跟踪的基础上，确立项目与课题研究方案、完善技术路完成项目与课题完成开题，并： 线，全面开展研究工作。 ①小型煤粉MILD燃烧台架建设并燃①获得多种碳基燃料的燃烧特性和气态污染物析出特性；完成综合试验预期目标 烧冷态数学模型、燃烧机理、综合试装置的系统改造；载氧体氧化-还原验装置安装调试、人工合成载氧体、活性以及动力学特性的变化规律； 天然矿石载氧体等。 ②完善油藏中CO2埋存潜力评价方水层中CO2埋存实际案例研究；天然的主要埋存方式研究等。 ②完善油藏中CO2埋存与提高采收率的潜力计算方法；完成国内外天然气埋存案例分析报告； 征；建立CO2目标埋存体的精细地质法；国内外天然气藏、煤层气藏、咸藏、煤层气藏、咸水层等地质体中CO2第 气藏、煤层气藏、咸水层中CO2埋存③明确大型代表性盆地充填演化特 ③收集资料与处理资料；分析沉积盆模型；完成孔隙介质中多相流动模式特征；刻画CO2封存场地储层、盖层④建立孔隙介质中CO2/地层油体系岩石赋存的地质环境信息和地质特相态关键参数测试方法；建立CO2/地层油体系复杂渗流基础数学模型。 确定④高中低渗透岩石孔隙结构特征研⑤建立CO2细观渗流力学方程；究、建立装置与实验方法、构建CO2/CO2与地层水反应对储层物性的影响建立超临界CO2的LBM模型等。 地层油体系复杂渗流基础数学模型。 规律；⑤建立并完善实验装置、CO2渗流条⑥推荐适合含CO2天然气田的CO2捕件下对储层物性影响机理与规律研集与提纯技术；推荐CO2气态、液态究等。 储存相态控制方法和储罐绝热方法；⑥CO2捕集技术方法与理论优选；试形成CO2液态注入工业化技术等； 验区数模跟踪研究；CO2混相驱与水 申请专利3-5项。 驱开发规律的差异；注采井筒安全风发表论文10-20篇，险评价等； 一 地充填演化与地质埋存体时空分布的数值验证等。 年 征等；

年度 研究内容 预期目标 ①完成3MW中试基地的初步建设和①完成所有实验台架的搭建；完善模50kWth燃烧综合试验装置的热态调拟研究模型，并获取实验与计算数试；煤粉MILD燃烧反应动力学实验；据；获得煤粉MILD燃烧反应机理；多种碳基燃料的燃烧机理研究；矿物低成本载氧体的批量制备技术等； 质成灰与痕量元素释放实验研究；载②提供西部油藏CO2埋存潜力评价报氧体颗粒批量制备的研究等； 告；天然气藏、煤层气藏、咸水层CO2②西部油藏CO2埋存潜力评价；天然埋存评价指标体系及筛选标准等。 气藏、煤层气藏、咸水层中CO2埋存③完成样品分析鉴定工作、查明盆地机理研究；确定天然气藏、煤层气藏、中浅层CO2埋存地质体特征、获取咸水层中CO2埋存的评价指标等； 层中CO2埋存的地质体筛选标准。 CO2充注对目标储层、盖层岩石力学考虑地下水动力学、热力学，以及地4． 确定天然气藏、煤层气藏、咸水性质关键参数影响的规律、建立综合盆地中球化学等方面对地层流体流动影响第 ③目的层段岩性描述与鉴定；浅层砂岩类储层沉积相研究、储层—下CO2埋存及CO2-EOR的流动模型 二 盖层系统有效应力场的变化研究、岩等； 石与CO2－水之间的反应实验、建立④形成各类孔隙介质中CO2/地层油流动模型和解法分析等。 ④中高渗孔隙介质中CO2/地层油体体系相态特征的表征方法；建立复杂渗流基础数学模型求解方法； 系相态实验及初步规律、储层岩石的⑤确定影响非均质油藏CO2驱波及效年 岩石力学性质分析、改善原油性能的率的主控因素；确定CO2与原油反应添加剂筛选、复杂渗流基础数学模型物对储层渗透率的影响机理与规律；数值求解方法与数值模拟器研究等； 建立CO2-水两相流LBM模型等。 ⑤完善CO2对储层物性影响规律及⑥1、适合含CO2天然气的CO2提纯描述方法、非均质油藏CO2驱过程中技术方法；明确CO2超临界注入相态突进机理及影响因素研究、反映界面控制规律；确定CO2混相驱开发效果润湿特性的格子Boltzmann模型研究等； ⑥CO2捕集技术应用评价；CO2管道输送工艺计算方法优选评价；开展CO2混相驱开发效果评价；CO2混相驱扩大试验方案及先导试验调整方案；井筒完整性对策研究等； 评价参数；形成井筒完整性对策等； 发表论文10-20篇，申请专利5-7项。

年度 研究内容 预期目标 ①多种烟气循环方式下以煤为主的①各操作参数对以煤为主的碳基燃碳基燃料的燃烧特性和非主量组分料的燃烧特性和非主量组分赋存、迁赋存、迁移和转化机理研究，燃料种移和转化机理；建立适用于燃烧设备类、载氧体种类等相关的连续性测试放大的相似准则等； 工作等； ②天然气藏、煤层气藏、咸水层中②天然气藏、煤层气藏CO2埋存潜力的计算方法；天然气藏、煤层气藏、CO2-岩石传质、溶解、扩散、渗流的咸水层中CO2埋存的地质体筛选标准力学分析；天然气藏、煤层气藏CO2等。 埋存潜力的计算方法；天然气藏、煤③初步确定中浅层咸水层流体性质层气藏、咸水层中CO2埋存的地质体与分布特征、给出目标区安安全稳定筛选标准等。 ③建立典型失效模式的工程地质力性价的工程地质力学评价方法等。 ④建立改善CO2/地层油体系混相条第 学模型、CO2在咸水层长期埋存的监件的新方法；数值模拟器应用。 测方法与技术研究、模拟在短周期时⑤建立CO2-原油多相多组分LBM模 三 间尺度CO2在咸水层中的迁移、富积型；建立CO2驱油藏基质与裂缝的耦状态等。 ④低渗透孔隙介质中CO2/地层油体合渗流模型；确定CO2与油层岩石矿物反应生成物对储层物性的影响机系相态实验及规律总结、混相压力与理与规律等。 地应力匹配关系研究、添加剂改善混⑥形成CO2超临界注入方法；、推荐年 相压力效果研究、数值模拟器调试与适合CO2驱采出气的分离注入技术方算例应用 ⑤考虑CO2-原油相互作用的LBM多法；确定CO2驱提高采收率关键因素； 制订注采井筒规范；形成2种井筒腐相多组分模型研究、CO2驱对储层物蚀监测方法；研发分层注气和高效举性影响的深化研究、CO2在裂缝性低升配套工具等。 渗透油藏驱油过程中的窜流特性研究等。 ⑥高含CO2天然气CO2分离提纯技术方法与应用方法研究；CO2超临界注入增压工艺研究；跟踪矿场试验；CO2驱提高采收率关键因素分析；井筒安全措施及规范研究；腐蚀监测技术研究；采油井高效举升工具研究。 发表论文10-20篇，申请专利3-5项。

年度 研究内容 ①多种烟气循环方式下各操作参数对多种碳基燃料的燃烧特性和非主预期目标 ①获得O2/CO2燃烧的优化运行参数和多污染物联合脱除的方法；以煤为量组分赋存、迁移和转化机理研究；燃料的化学链燃烧反应器模型的建多种烟气循环方式进行数值模拟；包立等； 含气固两相流动、传热的以煤为燃料②提交大型天然气藏、煤层气藏、咸的化学链燃烧过程数学模型等 水层CO2埋存潜力的评价报告；大型②天然气藏、煤层气藏、咸水层CO2油气藏、咸水层、煤层气藏CO2埋存埋存潜力的评价计算；我国大型油气地质体分布图册等。 藏、煤层气藏、咸水层CO2埋存潜力③明确断裂分布与盖层的关系、提出分类及排序；编制大型油气藏、咸水CO2埋存安全稳定性评价的工程地质层、煤层气藏CO2埋存地质体图册。 力学方法、建立更加完善的流动模 ③盆地埋存CO2地质体的时空分布、型等。 第 CO2目标封存场地安全稳定性评价 ④相态理论和数值模拟方法的应用、方法、目标区块三维地质模型以及、 检验与完善 CO2在咸水层中的迁移、富积状态、⑤建立描述CO2-骨架反应的LBM模型；确定影响裂缝性低渗透油藏中④补充相态实验测试与完善规律、建CO2驱油效果的主控因素；确定CO2立混相压力与地应力匹配关系、完善对岩石溶蚀导致储层物性的变化机器方案应用等。 ⑤孔隙群内CO2-原油流动LBM模型⑥CO2超临界注入设计方案；CO2驱采出气循环注入设计方案；CO2混相四 孔隙压扩散数值模拟研究等 数值模拟理与规律；形成CO2驱渗流理论。。 年 添加剂改善混相压力方法、及数值模拟研究；CO2宏观渗流数值驱开发规律总结；腐蚀技术对策；形模拟器、完善CO2在裂缝性低渗透油成分层注气工艺管柱等。 藏驱油过程中的窜流实验、提高CO2 驱波及效率方法研究等； ⑥CO2超临界管道输送工艺研究；CO2超临界注入工设计方案研究；CO2驱采出气循环注入设计方案研究；总结CO2混相驱开发规律研究；防腐腐蚀技术对策研究；分层注气工程方案研究等。 发表论文10-20篇，申请专利3-5项。

年度 研究内容 ①补充和完善研究； 预期目标 ①撰写10-15篇学术论文； 第 ②项目与课题研究任务完成与报告②申请专利3-5项； 五 汇总，并为后续工业化应用做准备； ③提交课题研究总结报告，完成结题③撰写项目与课题研究总结报告； ⑤项目结题验收。 验收。 ④提交项目研究总结报告，完成结题验收。 年 ④课题结题验收；

一、研究内容

（一）拟解决的关键科学问题

1、燃煤CO2的低成本富集与分离基础问题

富氧燃烧是能大规模富集燃煤CO2的新型燃烧的主流技术之一，需要研究基于煤粉容积燃烧方式的新型富氧燃烧理论，开展液体吸收剂的分子设计及气液吸收设备的多相流动、传质理论等研究。其主要问题包括：

（1）基于煤粉容积燃烧（MILD）方式的新型富氧燃烧理论； （2）新型燃烧方式的热力计算原理及工程放大规律； （3）新型燃烧方式下非主量组分的迁徙、转换和变化行为； （4）基于化学链氧解耦的富氧燃烧理论； （5）新型CO2吸附剂研究与应用；

（6）吸收剂的分子设计及气液吸收设备的多相流动、传质问题。 2、油气藏、煤层气藏及咸水层等地质体CO2安全埋存的基础理论问题

结合中国地质及油气藏实际，以CO2的长期埋存为目标，研究目标储层和盖层性质及相关地质问题对CO2埋存的影响和规律。其主要问题包括：

① 发展完善油气藏、煤层气藏、咸水层CO2埋存的地质理论； ② 发展完善油气藏、煤层气藏、咸水层CO2埋存评价方法； ③ 油气藏、煤层气藏中CO2资源化利用潜力评价； ④ 利用CO2提高煤层气藏、天然气藏采收率的可行性研究； ⑤ 我国工业排放CO2源—汇匹配与优化； ⑥ CO2地下长期埋存的监测和预测理论。

（3）CO2/地层原油体系在多孔介质中的相态特征及其表征问题

与国外海相沉积油田相比，我国大多数油田属于陆相沉积，原油类型、组成相对复杂，CO2/不同类型原油之间的相态变化较大。同时，研究发现在孔隙介质中，CO2/原油体系相态与PVT筒中显著不同，需要深入研究，建立与发展多孔介质中（微观尺度）的相态理论。其主要问题包括：

① 适合中国地质特点的CO2-原油体系的相态理论； ② 孔隙介质中CO2/地层油体系相态测试方法；

③ 各类孔隙介质（重点是特低渗透油藏）中CO2/地层油体系相态特征； ④ 含其他组分（烃类、H2S、N2等）时CO2/地层油体系相态特征； ⑤ 改善CO2/地层油体系混相条件的新方法及适应性。 （4）注CO2提高油气采收率的渗流力学基础问题

我国发现大量低渗透/特低渗透油藏，非均质性严重，驱油过程中渗流规律比较复杂，容易发生气体单向突破。需要研究CO2混相/非混相驱油在多孔介质中的渗流规律及主控因素，发展完善CO2驱油流度控制与扩大波及体积理论和方法。其主要问题包括：

① CO2混相/非混相驱油在多孔介质中的渗流规律及主控因素； ② CO2驱油与埋存过程对地层岩石矿物及物性的影响； ③ CO2驱油流度控制设计原理与扩大波及体积理论和方法； ④ 地层条件下微观及宏观物理模拟； ⑤ 多相多组分非线性渗流数值模拟。

（二）主要研究内容

根据上述科学问题，项目分解6个任务，设置6个课题组织研究。 针对科学问题1-“燃煤CO2的低成本富集与分离基础问题”，设置课题1-“低成本富集CO2的新型燃烧原理和分离技术”；

针对科学问题2-“油藏及相关地质体CO2埋存安全性评价及监控”，设置课题2-“油气藏及相关地质体CO2埋存机理及潜力评价”和课题3-“油藏及相关地质体CO2埋存安全性评价及监控”；

针对科学问题3-“CO2/地层原油体系在多孔介质中的相态特征及其表征问题”和科学问题4-“注CO2提高油气采收率的渗流力学基础问题”，设置课题4-“多孔介质中CO2地层油体系相态理论与数值模拟”和课题5-“CO2驱油中的渗流力学理论”；

针对项目的现场应用实践环节，设置课题6-“O2埋存和提高采收率工程技术与方法”。

各课题的主要研究内容如下：

课题1：低成本富集CO2的新型燃烧原理和分离技术

开发具有捕集CO2的化石能源新型利用技术是实现大规模减排CO2的根本途径，在各种减排技术中，氧燃烧技术已经成为化石能源近“零排放”技术的一个很具竞争力的重要发展方向，具有明显的优势和较强的应用前景。本课题紧密围绕煤炭氧燃烧方式的工业应用，针对其存在的固有的技术难点开展研究工作。针对煤粉的着火与稳定燃烧问题，发展一种全新的Mild-Oxyfuel燃烧理念和方式；为解决燃烧设备的工业放大问题，研究热力计算原理与工程放大规律；同时对新型燃烧方式下煤中非主量元素的迁徙变化行为研究；以及为降低制氧成本所提出的基于中间载体的链式制氧技术研究。从而为工程示范和商业化运行奠定基础。研究工作将围绕以下四个方面展开：

（1）MILD-Oxyfuel燃烧机理

针对煤粉在MILD-Oxyfuel燃烧方式，研究煤粉低氧自燃温度及MILD燃烧机理；研究煤粉弥散以及多相湍流反应流的混合与竞争机理，实现弥散颗粒多相容积燃烧过程；煤MILD-Oxyfuel燃烧方式下气固相互作用机制、混合过程及传热特性研究。

（2）新型燃烧方式下非主量组分的迁徙、转换和变化行为

煤中矿物质的非均匀分布特性及其矿相聚合、演化行为；高浓度CO2下外在矿物质破碎特性及演变动力学；煤中碱土元素在氧燃烧过程中的迁移行为及沾污特性；颗粒物以及易挥发重金属排放与富集规律。

（3）新型燃烧方式的热力计算原理和工程放大规律

在开展对辐射特性、火焰传播速率、燃烧器优化、受热面的布置原则等基础上，发展和完善新型燃烧方式下的热力计算原理和方法；建立适用于燃烧设备放大的相似准则，掌握燃烧设备的放大规律，为大型工业示范电站的设计、运行提供标准和依据。

（4）基于中间载体富集O2的新方法

研究不同组成及结构的氧吸附剂的合成及性能；探讨中间氧载体的批量制备技术；建立双鼓泡床热态实验台上研究基于氧气解耦的固体燃料O2/CO2燃烧系统连续运行特性；多尺度模型的建立与验证；为后续该技术的工业化应用奠定

基础。

课题2：油气藏及相关地质体CO2埋存机理及潜力评价

围绕 CO2 长期埋存的问题，以油气藏、煤层气藏、咸水层等地质体为主要对象，研究地质体中影响 CO2 埋存的机理及关键影响因素，建立科学规范的埋存潜力评价方法，并通过开展地质体CO2埋存潜力的评价，为新建大型工业CO2排放源的布局提供决策依据。

（1）油气藏、煤层气藏、咸水层 CO2 埋存机理及地质影响因素研究 从CO2在油气藏、煤层气藏及咸水层中的不同滞留方式出发，研究CO2在地质体中的埋存机理，分析地质环境、地质体分布、流体性质、注入方式等因素对埋存效果的影响，确定埋存目标地质体的筛选及评价埋存能力的指标体系。

（2）油气藏、煤层气藏、咸水层等地质体CO2埋存潜力评价方法研究 以CO2在地质体中的埋存机理为基础，考虑埋存的有效性和长期安全性，完善油气藏中CO2埋存潜力的计算方法，建立煤层气藏、咸水层中CO2埋存潜力的计算方法。

（3）油气藏、煤层气藏、咸水层等大型地质体CO2埋存潜力评价

开展国内适宜CO2埋存的大型油气藏、煤层气藏、咸水层的筛选，进行大型地质体中CO2埋存适宜性评价及潜力计算，确定我国大型地质体中CO2的埋存潜力。

（4）我国CO2埋存地质体分布图册编制及埋存发展战略研究

根据油气藏、煤层气藏、咸水层中CO2埋存潜力的评价结果，编制我国CO2埋存地质体分布图册，根据地质体特征、埋存规模、技术成熟水平等因素，对CO2埋存潜力进行分类划分，制定CO2埋存的中远期发展目标。

课题3：油藏及相关地质体CO2埋存安全性评价及监控

选择我国有代表性的大型含油气盆地为重点，以CO2的长期、安全埋存为目标，研究目标储层和盖层性质和特征及其力学稳定性，建立CO2埋存的监测方法与技术。根据研究需要，将课题分解为七个子任务：

（1）沉积盆地充填演化与地质埋存体时空分布特征

运用沉积学及盆地分析的相关理论与方法，从盆地性质、构造发育、地层发育、沉积相特征等方面分析CO2目标埋存盆地的充填演化特征；刻画目标埋存体储层和盖层的地质特征、物性特征及其圈闭类型，并给出咸水层矿化度、水的化学组分及类型；分析CO2目标埋存体储层、盖层及断裂的空间配置特征及其地质历史演化期次。

（2）CO2埋存的油藏及相关地质埋存体的精细地质描述

进行埋存体地层的精细对比研究，细化认识构造圈闭；分级界面控制，建立等时层序地层格架；分析沉积微相展布，预测其横向变化；评价储层和盖层，并研究储层非均质性和盖层的物性特征；在前面研究的基础上建立CO2目标埋存体的精细地质模型。

（3）CO2与水岩相互作用机理研究

在不同温度压力条件下，利用试验区块的岩石样品与CO2－水之间的相互作用，分析测定反应后矿物的特征，对CO2在地质埋存体中与周围介质作用的过程以及圈闭机理进行解释，探讨在陆相沉积盆地CO2地质封存的特征。

4、CO2埋存的目标储盖层工程地质力学特征与安全稳定性评价

识别影响目标埋存体储层、盖层安全稳定性的工程地质力学因素，分析储层、盖层工程地质力学特征，采用工程地质力学分析、岩体断裂力学分析、物理力学模拟实验和流-固耦合数值模拟等相结合的方法，研究CO2目标埋存体储层、盖层对CO2流体注入过程的工程地质力学响应机制；研究目标储层、盖层岩石的潜在失效模式与断裂力学判据或破坏准则，建立典型失效模式的工程地质力学模型；开展CO2目标封存场地安全稳定性评价方法的综合研究，建立进行CO2封存的目标储层、盖层安全稳定性评价的工程地质力学方法，并将此研究成果初步应用于CO2埋存场地稳定性评价与风险评估中。

5、CO2在油藏储集层和深部咸水层长期埋存的监测方法与技术研究 根据在不同介质中碳稳定同位素（δ水、气体以及岩石样品的δ

13

13

C值）的特征，系统测定试验区块的

C背景值，对注入试验不同时期的碳同位素比值变

化进行研究，以确定CO2在油藏储集层与深部咸水层的运移特性以及可能发生

的泄漏，监测CO2在油藏储集层与深部咸水层长期埋存的安全性。

6、CO2在地质埋存体中运移的数值模拟

在组分模型和考虑流固耦合的基础上建立更加完善的流动模型，基于一般组分模型的框架进行CO2-EOR程序系统设计，对新的流动模型进行离散和求解并开发相应的数值模拟程序。发展CO2前缘地球物理方法，对CO2在埋存地质体中的流动运移动态以及驱油效果进行预测与数值模拟。

7、CO2在多孔介质的多相流动与孔隙压传播特征

引入物质界面动力机制，改进CO2咸水层多相流动数值模式，发展非正交同位网格三维高阶精度时空守恒元/解元数值方法与三维杂交粒子水平集方法；开展物理实验，验证所发展的数值算法的可靠性，并开展CO2注入埋存体所激发的孔隙压在埋存体中的传播与积累特征研究；开展在试验区CO2地质封存多相流动数值模拟研究，模拟短周期内（100年时间尺度内）不同温度、压力与矿化度条件下CO2在咸水层中的迁移、富集状态，研究孔隙压扰动的传播与压力积累时空演变过程。

课题4：多孔介质中CO2地层油体系相态理论与数值模拟

针对陆相沉积储层原油中重质成分较多，地层温度梯度较大，油层埋藏深度较深的特点，以及主要应用对象包含高中低渗透储层的实际，探索和建立孔隙介质中CO2/地层油体系相态关键参数测试方法；测试和归纳各类孔隙介质（重点是特低渗透储层介质）中CO2/地层油体系相态特征；实验并总结含其他组分（烃类、H2S、N2等）时CO2/地层油体系相态特征；研究改善CO2/地层油体系混相条件的新方法及适应性；研究多相多组分非线性数值模拟理论；总结和形成中国油藏特点的CO2-地层油体系相态理论及考虑复杂渗流特点的数值模拟方法。

（1）探索和建立孔隙介质中CO2/地层油体系相态关键参数测试方法 利用恒速压汞（孔隙分析仪）分析了解类孔隙介质的孔隙结构特征、尺度范围，分析孔隙空间影响流体间传质的主控因素；利用CT、核磁共振以及微观模型等可视手段，建立孔隙介质中CO2/地层油体系相态关键参数测试方法；

（2）各类孔隙介质中CO2/地层油体系相态特征研究；

以PVT测试系统为基础，结合孔隙介质中CO2/地层油体系相态新方法，系

统研究孔隙介质中CO2/地层油体系相态特征；通过对比分析两类实验的特点，进一步完善孔隙介质中相态测试方法；归纳总结各类孔隙介质中CO2/地层油体系相态特征及其影响因素，建立表征方法和相关理论；

（3）改善CO2/地层油体系混相条件的新方法及适应性研究；

针对地层应力特点，探索高于原始地层压力条件下，CO2/地层油体系混相条件的适应性和安全性；针对地层油组分特点，探索筛选有机或无机添加剂改善CO2/地层油体系混相条件；形成安全、有效、低成本的改善CO2/地层油体系混相条件的新方法。

（4）多相多组分非线性数值模拟方法研究；

以室内实验研究为基础，综合考虑流体传质、固液物理化学反应/作用、宏观和微观扩散/弥散、流体相态与组成变化等多种复杂因素，建立基础数学模型，建立求解方法，优化数值计算方法，编制数值模拟器，丰富多相多组分非线性数值模拟理论。

（5）陆相沉积特点的CO2-地层油体系相态理论及复杂渗流数值模拟方法 以室内实验研究成果为基础，结合油田试验区实际进展，验证和完善CO2-地层油体系相态描述与表征方法，形成理论与知识体系，支持复杂渗流数学模型构建；结合油田试验区需求，应用数值模拟器计算CO2驱油与埋存方案，模拟动态过程，在应用中修正和完善数学模型及其算法，形成复杂渗流数值模拟方法。

课题5：CO2驱油中的渗流力学理论

本课题从微观和宏观机理研究入手，采用理论与实验相结合的方法，针对我国典型非均质油藏条件的特点，研究CO2混相/非混相驱油在多孔介质中的渗流规律及主控因素，明确CO2驱油与埋存过程对地层岩石矿物及物性的影响机理与规律，提出CO2驱油流度控制与扩大波及体积的方法，为改善CO2驱油效果提供理论基础和技术支持，发展和完善CO2驱油中的复杂渗流理论。

（1）CO2驱油过程中多相渗流的微观数值模拟

建立描述多相多组分在孔隙内流动的格子Boltzmann（LB）模型，发展描述流体内部不同组分及相态之间相互作用模型、流体与骨架之间相互作用模型。

基于发展的计算模型，开展孔隙尺度的微观数值模拟，研究CO2驱油过程

中的渗流力学微观机理，包括：超临界CO2在多孔介质内的微观运移规律、CO2-水多相体系在孔隙介质内的微观运移规律与机理、CO2-原油在孔隙介质内的混相和非混相微观运移规律、CO2-岩石反应与流动及传质之间的相互影响规律等。

通过上述模拟计算，分析地层条件下含CO2的多相体系的渗流特点，并与相关物理实验和宏观数值模拟相互支持、相互验证。

（2）CO2驱油过程中储层岩石物性变化机理

研究长期埋存条件下和驱油过程中CO2与油层岩石、地层水反应生成物质的析出、固化及其对储层孔隙结构和渗透率的影响机理与规律：

CO2与岩石组分反应生成物对储层孔隙结构和渗透率的影响机理与规律：采用同步辐射装置对不同岩石与CO2作用后的岩样内部进行观察得到不同径向角度下图片，通过对图片的数学反演分析岩样的孔隙、吼道，从而得到表征多孔介质的属性参数如孔隙度、吼道分布、连通性及迂曲度等，研究CO2驱替过程中，在不同的油藏温度及压力下，CO2与不同类型的岩石矿物反应所生成的物质所引起的储层微观孔隙结构的变化以及对储层渗透率的影响；岩石表面性质的变化对储层孔隙结构和渗透率的影响。

CO2对岩石矿物溶蚀导致储层孔隙结构和渗透率的变化机理与规律：研究CO2与地层水反应所形成的碳酸对岩石溶蚀所引起的储层微观孔隙结构的变化以及对渗透率的影响；温度、压力以及地层水的组成对不同类型的储层岩石孔隙结构和渗透率的影响；CO2与岩石的作用时间对孔隙结构和渗透率的影响。

CO2与地层水中不同离子反应生成物对储层孔隙结构和渗透率的影响机理与规律：研究CO2驱替过程中，在不同的温度及压力下，地层水中的不同离子与CO2作用所生成的不同沉积物对储层孔隙结构和渗透率影响；地层水的离子组成和矿化度对沉积物形成影响。

（3）CO2驱油过程中储层流体物性变化机理

研究CO2与原油反应的生成物质及沥青质、石蜡等固态析出物质对储层渗透率的影响机理与规律；

CO2与原油重组分反应的生成物、沥青质、蜡颗粒对储层渗透率的影响机理与规律：采用同步辐射装置的对不同种类的原油及地层水与CO2作用后的岩样内部进行观察得到不同径向角度下图片，通过对图片的数学反演分析岩样的孔

隙、吼道，从而得到表征多孔介质的属性参数如孔隙度、吼道分布、连通性及迂曲度等，研究在混相和非混相条件下，CO2对原油抽提后所剩余的重组分（沥青质、蜡颗粒）所引起的储层渗透率的变化；考察温度、压力以及原油组成的影响；CO2与原油反应的生成物、沥青质、蜡颗粒与水间的界面性质及其储层渗透率影响。

储层孔隙结构变化对渗透率、孔隙度等影响研究：当CO2与油层岩石、地层水反应生成物质的析出、固化，使得储层孔隙结构发生变化，根据以上研究结果，采用微观数值模拟方法或直接在吼道中求解N-S方程，从微观角度开展CO2驱油渗流力学研究，最终得到不同条件下的地层渗透率的变化，尤其对低渗透油藏，当CO2驱油时孔隙结构或吼道的微小变化可能导致渗透率的变化。

CO2驱储层物性变化的物理化学模型研究：根据CO2与储层岩石、地层水以及原油作用所引起的储层微观孔隙结构和渗透率的变化规律，建立CO2对储层孔隙结构、渗透率改变的物理化学模型。

CO2驱油的宏观数值模拟研究：根据上述研究结果，提出CO2驱油的渗流方程，采用非结构网格及有限体积离散方法，对CO2驱油进行宏观数值模拟研究，并从宏观角度揭示CO2驱油渗流机理。

（4）CO2混相/非混相驱油在多孔介质中的渗流规律及主控因素

针对CO2在多孔介质中的渗流规律开展混相和非混相的条件研究，建立基于典型原油组分的混相压力数学表征方法，并形成CO2混相和非混相在多孔介质中的渗流数学模型，寻求一维驱替和二维平面物理模拟实验的数值反演方法，针对CO2在多孔介质渗流过程中的混相和非混相现象进行渗流特征的主控因素研究，描述混相和非混相条件下多孔介质CO2渗流的影响因素。

典型原油组分的CO2混相压力数学表征方法：不同原油组分的原油与CO2混相条件研究；建立CO2混相压力数学表征方法。

考虑混相和非混相时多孔介质中CO2的分区渗流数学模型：基于混相压力为控制边界的多孔介质中CO2混相渗流数学模型；考虑混相和非混相时多孔介质中CO2的分区渗流数学模型。

多孔介质中CO2渗流的数值实验方法：多孔介质中CO2的分区渗流数学模型的求解；CO2一维驱替实验的数值实验方法；CO2二维平面物理模拟实验

的数值实验方法。

多孔介质中CO2渗流规律的主控因素：影响多孔介质中CO2混相和非混相渗流条件的主控因素；基于多孔介质中的CO2混相/非混相渗流规律的研究，通过分析不同因素（流体性质、储层特征、注采条件等）对CO2混相半径、渗流能力、压力分布、驱油效率的影响，筛选影响CO2混相、非混相在多孔介质中渗流的主控因素，总结影响多孔介质中CO2渗流效果的主控因素。

（5）CO2驱油流度控制设计原理与扩大波及体积方法

CO2驱储层流体在孔隙和裂缝中的流动与渗流机理：研究CO2在地层条件下、不同渗透性、不同孔隙类型以及不同岩性的多孔介质中的渗流特性，揭示其渗流及驱油机理。

CO2非混相驱油过程中的粘性指进机理及主控因素：研究CO2非混相驱油过程中粘性指进的模拟及描述方法的建立；非混相条件下，各种因素（主要研究温度、压力以及不同注入条件）对粘性指进的影响，探索主要影响因素及控制方法。

CO2在非均质油藏驱油过程中的突进机理与影响因素研究：CO2在不同渗透性及非均质性多孔介质中驱油效率研究；气体在注入过程中的动态反应与驱油效果的关系研究；气体突进因素的构成及主要影响因素。

CO2在裂缝性低渗透油藏驱油过程中多相渗流及窜流特性研究：油水在裂缝和致密基质介质中的渗流实验；CO2在裂缝和致密基质的渗流实验；油、水和CO2在裂缝—致密基质中的渗流理论分析。

提高CO2驱波及效率的方法：重点开展提高二氧化碳粘度的机理及方法；在地层条件下增加CO2粘度的可行性研究；低渗透非均质油藏中抑制CO2窜流方法的研究。

课题6：CO2埋存和提高采收率工程技术与方法

目前在CO2捕集、埋存和利用等方面还面临如何实现低成本CO2捕集与分离，采油井见CO2后的伴生气中CO2分离利用技术以及验证规模化应用技术可靠性；由于矿场试验时间短，低渗透油蔵CO2驱开发动态规律掌握不清，地层压力与混相压力差值较小的油藏达到并保持混相状态的技术方法还需攻关并在扩大试验中完善；利用老注采井实施CO2驱油与埋存的注采井筒安全风险控制

技术，缓蚀剂加注工艺以及腐蚀动态监测技术等腐蚀防护对策，CO2驱分层注气及采油井举升工艺等重大理论技术问题需要进一步深化。

（1）CO2提纯新方法和理论

立足油气田CO2埋存和驱油应用，重点研究含CO2气田气开发过程中的CO2捕集和提纯的方法与理论，研究CO2储存和长距离管道输送的基础理论、计算方法和工艺技术，为实现大规模CO2驱油与埋存提供廉价气源，或降低储运成本。

①CO2捕集技术方法与理论 ②CO2储运技术方法与理论 （2）CO2驱采出气回注技术与方法

与CO2液态注入工艺相比，采用超临界注入工艺实现CO2埋存和驱油更加经济，更容易达到混相。但我国CO2超临界注入工艺研究几乎还是空白，需要探索CO2超临界压缩相态控制规律，研究适合不同规模的CO2注入流程和工艺方法。同时还需针对CO2驱采出气，明确CO2驱循环注气过程中回注气的指标需求界限，优选和探索CO2驱采出混合气回注和分离注入技术与方法，为实现CO2全部埋存提供理论支持。

①CO2高压注入理论与工程技术方法 ②CO2驱采出气回注技术与方法 （3）CO2驱油油藏工程技术与方法

针对现场试验暴露的问题，着重开展混相状态监测技术与分析，CO2驱开发规律，开发效果评价方法，以及提高开发效果油藏工程方法等方面研究，以满足CO2驱先导试验及扩大试验的需要。

①CO2驱混相状态监测技术与分析应用研究 ②CO2驱开发动态规律研究 ③CO2驱开发效果评价方法研究 ④CO2驱井网优化技术研究

⑤CO2驱不同开发阶段混相条件分析研究

⑥CO2驱油跟踪模拟与评价预测技术研究

⑦提高开发效果油藏工程参数优化与方案设计技术研究 （4）CO2驱油注采工程技术与方法

针对CO2驱规模化应用的注采关键技术，对老注采井的完整性进行系统的分析研究，制定科学合理的井筒完整性管理规范和技术对策，为扩大试验提供借鉴基础；结合CO2驱扩大试验进一步对缓蚀剂加注工艺及监测技术应用评价，综合防腐路线需要进一步验证；研究与试验CO2驱分层注气工艺，有效调整层间矛盾；研究适合CO2驱采油井科学合理的生产管柱和合理工作制度及生产压差控制技术，以达到成熟推广应用。

①CO2驱油与埋存井筒完整性风险评价及对策研究； ②CO2腐蚀防护技术及方法完善研究； ③CO2驱油分层注气工艺技术； ④CO2驱油高效举升工艺技术。

⑥CO2驱油跟踪模拟与评价预测技术研究

⑦提高开发效果油藏工程参数优化与方案设计技术研究 （4）CO2驱油注采工程技术与方法

针对CO2驱规模化应用的注采关键技术，对老注采井的完整性进行系统的分析研究，制定科学合理的井筒完整性管理规范和技术对策，为扩大试验提供借鉴基础；结合CO2驱扩大试验进一步对缓蚀剂加注工艺及监测技术应用评价，综合防腐路线需要进一步验证；研究与试验CO2驱分层注气工艺，有效调整层间矛盾；研究适合CO2驱采油井科学合理的生产管柱和合理工作制度及生产压差控制技术，以达到成熟推广应用。

①CO2驱油与埋存井筒完整性风险评价及对策研究； ②CO2腐蚀防护技术及方法完善研究； ③CO2驱油分层注气工艺技术； ④CO2驱油高效举升工艺技术。

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