一种CO2微气泡强化地质矿化封存方法及注入系统与流程

本发明属于co2地质封存及ccus，尤其是涉及一种基于纯物理微气泡生成与在线注入的co2地质封存强化矿化捕获方法及注入系统。

背景技术：

1、co2地质封存是应对气候变化的主要技术之一，在各类型的地质体中，深部咸水层因其分布地域广泛、封存潜力巨大而备受关注。特别是co2矿化封存，即通过co2-咸水-岩石的物理化学作用将气态或超临界态co2转化为热力学稳定的固态碳酸盐矿物（如方解石、白云石等），因其能显著降低长期co2泄漏风险，被认为是最安全、最永久的封存形式。然而，在深部咸水层矿化封存的实际工程实践中，仍然面临着制约封存效率与安全性的关键科学与技术难题。

2、首先，传统注入流体的物理化学性质限制了co2波及效率与反应速率。目前主流的注入介质为超临界co2或饱和碳酸水。超临界co2黏度远低于咸水，极易在咸水层发生黏性指进和重力超覆，导致流体优先沿高渗通道快速突进，广大低渗基质区域未被有效波及。这种非均质流动不仅大幅降低储层的有效利用体积，更导致co2与岩石矿物接触面积极其有限。饱和碳酸水驱虽提升了酸性接触，但受限于亨利定律的溶解度限制，co2在咸水中的溶解传质效率较慢，且流体仍倾向沿优势通道流动，难以进入微米级甚至次微米级致密基质孔隙，导致深部矿化反应动力学极慢，矿化反应周期极为漫长。

3、其次，现有化学泡沫流体技术存在成本与储层伤害的双重风险。为解决流体流度控制问题，现有技术常采用co2泡沫流体进行驱替。通过在液相中添加表面活性剂，利用泡沫流体的jamin效应封堵优势通道。但这种方法存在显著缺陷，维持泡沫稳定需要高浓度化学药剂，大幅增加封存工程运营成本；且化学药剂极易在储层岩石表面吸附造成损耗；最重要的，大多数发泡剂属于两亲分子，可能改变岩石表面润湿性，或与储层敏感性矿物发生反应，进而诱发黏土膨胀或运移，进而导致储层渗透率被不可逆伤害。

4、再次，新兴纳米材料稳定气泡技术面临固相堵塞与工艺复杂性挑战。近年来，部分研究提出采用改性纳米材料构建pickering乳液或超稳定纳米气泡以提升气泡稳定性。虽然固相颗粒可构建稳定气泡壁，但将其引入深部储层带来新风险：纳米材料在细微喉道处易发生机械卡堵，造成近井地带或深部基质物理堵塞，严重损害注气能力。且纳米材料制备工艺复杂，分散稳定性难以控制，难以适应大规模工业化注入的需求。

5、综上，现有地质封存技术陷入“两难”境地：传统方式注入波及差、反应慢；化学药剂或纳米材料辅助导致封存运营成本飙升，且对地层造成伤害。基于现有理论，微米气泡具有独特理化优势：首先，微气泡粒径低于或接近岩石基质孔隙半径，可以分散相形式进入常规流体难以波及的微小孔隙；其次，气泡粒径越小，内部压力越高，微气泡高内压可显著提升气体在液相的溶解驱动力，强化传质作用；再次，同等体积条件下，微气泡的气-液接触面积较之宏观气泡呈数量级增长，极大程度加速地球化学反应进程。

6、然而，现有物理微气泡发生装置大多针对常压或低压环境设计。在深部咸水层的温压条件下，气体物性发生剧变，传统物理发生器的剪切效率急剧下降，难以生成粒径范围窄的微气泡；其次，在无化学剂条件下，纯物理制备微气泡属热力学不稳定体系，现有地面注入工艺通过长距离井筒或管线输运至地层过程中，微气泡会因熟化或碰撞聚并而迅速破裂、融合，最终以分层的气液流体形式进入地层，失去微气泡尺度优势；再次，现有通用气泡发生器通常追求高通量，难以精准控制气泡粒径分布。若气泡粒径不能与砂岩基质孔隙形成优良的匹配关系，则易于产生严重的jamin效应，导致注入困难。

7、综上所述，如何利用纯物理方法在微小孔隙尺度上重构流体相态，利用微气泡的“瞬态”高能特性来实现深部咸水层的均匀化改造与强化矿化捕获效率，是当前ccus领域亟待突破的技术瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供：

2、一种co2微气泡强化地质矿化封存方法及注入系统，以解决传统co2封存中co2传质速率慢、co2-水-岩反应范围有限、矿化捕获效率低，以及化学发泡剂或纳米稳定剂等辅助方式可能带来储层伤害、成本增加和注入能力下降等问题。

3、术语说明：

4、除非另有定义，否则本文所有科技术语具有的涵义与本发明主题所属领域技术人员通常理解的涵义相同。

5、术语“任选/任意”或“任选地/任意地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，该描述包括发生所述事件或情况和不发生所述事件或情况。

6、本文所用术语“co2微气泡”指：直径通常在微米级(1-100 μm)、优选d50粒径为5-20μm的二氧化碳微气泡分散在水相中形成的亚稳态分散体系。所述亚稳态是指在不添加化学发泡剂、表面活性剂或纳米材料稳定剂的条件下，co2微气泡能够在有限时间内保持分散状态，但可能因熟化、碰撞或聚并而失稳，因此需要通过低延迟连接管线在其显著聚并前注入岩心或目标储层。

7、本文所用术语“聚并半衰期”指：在与注入过程相同的温度、压力和矿化度条件下，利用高压可视化单元记录co2分散相数量随时间的变化，以开始观测时单位视场内可识别co2分散相数量为n0，当单位视场内可识别co2分散相数量降低至0.5n0时所对应的时间定义为聚并半衰期。

8、本文所用术语“纯物理生成”指：在不加入化学发泡剂、表面活性剂或纳米稳定剂的条件下，通过物理方式例如机械搅拌、机械剪切生成co2微气泡的方式。

9、本文所用术语“低延迟注入”指：通过缩短co2微气泡从多级微孔剪切单元生成出口至孔隙介质入口间的输送路径和输送时间，使得所述co2微气泡流体在发生显著聚并或气液分层前进入岩心或目标储层。低延迟注入并非指输送时间绝对为零。在岩心尺度注入与评价条件下，所述输送路径可由低延迟连接管线构成，输送时间优选不超过10 s；在目标储层应用条件下，可通过将co2微气泡生成单元设置在井口、井筒、邻近位置或井下，并缩短其至目标层入口间的输送距离实现低延迟注入。

10、本文所述co2与地层水或模拟咸水的体积比，是指系统工作温度和压力条件下两者的体积流量比；本文所述进入多孔陶瓷膜板或烧结金属介质的体积流量，是指co2与水相形成的气液混合流的总表观体积流量。

11、本文所用术语“矿化捕获”指：将气态co2转化为稳定碳酸盐矿物永久封存的ccus核心路径。

12、第一方面，本发明提供：

13、一种co2微气泡强化地质矿化封存方法，包括：

14、s1、在不添加化学发泡剂、表面活性剂或纳米稳定剂的条件下，将气态或超临界态co2与模拟咸水或地层水引入注入系统，并设定注入压力pinj，使其ppore

15、s2、将水相和气态或超临界态co2混合进行机械搅拌预分散处理，在流体内形成强湍流剪切场，将不连续气体段塞重构为团状流，形成初步分散的气液混合流；

16、s3、将所述水、co2混合流进行多级微孔剪切处理，通过不锈钢丝网、多孔陶瓷膜板或烧结金属介质进行逐级剪切，生成亚稳态co2微气泡流体；

17、s4、将所述亚稳态co2微气泡流体在显著聚并或气液分层前输送并注入岩心或目标储层，以使所述co2微气泡在保持分散状态条件下进入孔隙介质；

18、s5、在目标储层温压条件下，使所述co2微气泡与孔隙水及储层矿物接触反应，提高co2向孔隙水的传质速率并扩大co2-水-岩接触范围。

19、进一步地，机械搅拌预分散处理的搅拌速度为2000-6000 rpm，并使搅拌雷诺数

re>104，从而在气液混合流中建立强湍流剪切场，将不连续段塞流重整为团状流。

20、进一步地，步骤s4中，微气泡流体采用脉冲式注入方式：

21、交替向岩心注入s3生成的微气泡流体与模拟咸水。

22、更进一步地，单次注入的co2微气泡流体，单次注入体积为0.2-0.5 pv；

23、单次注入的模拟咸水，体积设定为0.3-1.0 pv；且需要满足单次注入的模拟咸水的体积始终高于单次注入的co2微气泡流体体积。

24、第二方面，本发明提供：

25、一种co2微气泡强化地质矿化注入系统，用于实现上述的方法，包括：

26、流体注入单元，用于按照设定比例同时注入气态或超临界态co2和模拟咸水；

27、机械搅拌预分散单元，所述机械搅拌预分散单元和流体注入单元连接，用于对注入的气态或超临界态co2和模拟咸水进行搅拌，将co2和模拟咸水进行初步混合；

28、多级微孔剪切单元，与所述机械搅拌预分散单元连接，用于对初步混合后的流体进行逐级微孔剪切，形成亚稳态co2微气泡；

29、在线监测单元，与所述多级微孔剪切单元的出口连接，用于对所述微米级co2分散相的粒径分布及分散状态进行在线观测；

30、岩心驱替单元，通过低延迟连接管线与所述在线监测单元的出口连接，用于夹持岩心并接收经在线监测后的微米级co2分散相流体；；

31、回压控制单元，所述回压控制单元与所述岩心驱替单元连接，用于控制岩心出口压力。

32、进一步地，所述设定比例的设置为：

33、咸水层渗透率满足1 md ≤ k<10 md，co2、模拟咸水的体积比为1:20至1:5；

34、咸水层渗透率满足10 md ≤ k<50 md，co2、模拟咸水的体积比为1:5至1:2；

35、咸水层渗透率满足k ≥ 50 md，co2、模拟咸水的体积比为1:2至1:1。

36、进一步地，所述机械搅拌预分散单元包括容器，所述容器的顶部设置电机，所述容器内部设置中心轴，所述电机驱动所述中心轴旋转；所述中心轴上安装多层搅拌桨叶，所述容器内壁上垂直设置多个折流板。

37、更进一步地，所述搅拌桨叶的外径为容器内部直径的1/3至1/2。

38、进一步地，所述多级微孔剪切单元包括卧式管状外壳，所述管状外壳内部按照液体流动方向依次设置第一不锈钢丝网、第二不锈钢丝网、多孔陶瓷膜板，所述第一不锈钢丝网目数为100-300目，所述第二不锈钢丝网的目数为2000-3000目，所述多孔陶瓷膜板的平均孔径为2-5 μm。

39、更进一步地，所述卧式管状外壳的尾部为锥形收缩结构。

40、更进一步地，所述co2与水相形成的气液混合流体在系统工作温度和压力条件下进入所述多孔陶瓷膜板或烧结金属介质的体积流量控制在5-10 ml/min。该流量范围能够在微孔道内形成足够压差、节流膨胀作用和孔壁剪切作用，使得预分散流体中的粗粒径气泡进一步破碎为微米级co2微气泡；若流速过低，气泡易在多孔陶瓷膜板出口聚并形成大气泡，若流速过高，则易造成岩心端面淤积，端面压差过高。

41、进一步地，所述co2地质封存强化矿化捕获注入系统还包括：

42、在线监测单元，所述在线监测单元设置在多级微孔剪切单元和岩心驱替单元之间，用于对微孔剪切后的流体进行在线观测。

43、在线监测单元还可与监控计算机及自动控制系统通信连接，用于识别co2微气泡粒径分布、数量密度及气液分层状态。当监测到co2微气泡d50>20 μm，或水、co2发生明显分层时，在注入压力低于目标储层岩石破裂压力且不超过设备额定工作压力条件下，自动控制系统提高机械搅拌预分散单元的搅拌速度和/或提高流体进入多孔陶瓷膜板或烧结金属介质的体积流量，以提升湍流强度和孔壁剪切应力，直至co2微气泡恢复至微米级分散状态。

44、更进一步地，所述在线监测单元包括金属外壳，所述金属外壳上下表面均设置开口，上表面开口内设置上蓝宝石玻璃，下表面开口内设置下蓝宝石玻璃；上蓝宝石玻璃和下蓝宝石玻璃之间具有微流控流动通道。

45、进一步地，所述多级微孔剪切单元的出口和岩心驱替单元的进口之间通过低延迟连接管线连接，所述低延迟连接管线为内径0.25-1 mm、长度5-20 cm的耐高压毛细管。

46、本发明至少具有如下有益效果：

47、（1）预期能够提升co2矿化捕获效率和封存稳定性。

48、本发明通过机械搅拌预分散处理以及后续的微孔剪切处理，生成co2微气泡流体，微气泡促进co2在孔隙水中形成高浓度碳酸环境，增强co2-水-岩反应，促进ca2+、mg2+、fe2+等离子释放，并为碳酸盐矿物沉淀提供有利条件，从而预期能够提升co2矿化捕获效率和封存稳定性。

49、（2）利用微气泡独特的理化特性，显著强化传质动力学与矿化反应速率。

50、基于young-laplace方程，本发明制备的微气泡具备显著的表面张力自增压效应（气泡粒径越小，内部压力越高），这种高内压机制为co2向水相的传质提供了额外的热力学驱动力，基于young-laplace效应，微气泡界面产生附加压力，提高气-液界面处co2的局部溶解驱动力，并结合co2微气泡较高的比表面积，促进co2向水相的传质和溶解，在孔隙内形成相对较高浓度的碳酸环境。较之常规宏观流体，该机制预期能够加速长石等硅酸盐矿物的溶蚀速率，有利于缩短矿化封存的反应周期。

51、（3）实现对致密基质微孔隙的有效波及与改造。

52、本发明通过控制微气泡粒径，使其与目标储层孔喉尺寸相适应，降低因气泡尺寸高于孔喉而导致的界面卡堵及附加毛管阻力，从而提升co2微气泡流体对微小孔隙的进入和波及能力。这不仅有利于扩大co2的有效封存体积，还将co2-咸水-岩石的化学反应场扩展至岩石微观内表面。

53、（4）为纯物理co2微气泡的低延迟注入及工程放大提供技术路径。

54、本发明将机械搅拌预分散、多级微孔剪切和低延迟输送相结合，使co2与水相在不添加用于生成或稳定气泡的化学发泡剂、表面活性剂或纳米稳定剂的条件下形成co2微气泡，并缩短所述co2微气泡生成后至进入孔隙介质之间的外部输送时间。在岩心尺度下，可通过低延迟连接管线减少微气泡在岩心外部的驻留；在目标储层应用条件下，可通过提高微气泡生成设备的处理能力、采用多个剪切模块并联以及将微气泡生成单元设置于井口、井筒邻近位置或井下，缩短微气泡至目标层之间的输送路径，从而为纯物理co2微气泡的工程注入和规模放大提供一种可行技术方案。