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地质封存中CO2混合体系密度变化规律研究

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 CO2-EOR强化采油技术

1.3 CO2+烷烃密度研究现状

1.4 CO2混合气体密度研究现状

1.5 本文研究内容和主要工作

2 CO2混合体系密度测量实验系统

2.1 实验系统

2.2 实验原理

2.3 实验步骤

2.4 实验不确定度分析

2.5 本章小结

3 CO2+undecane混合溶液密度测量实验研究

3.1 CO2+undecane混合体系密度测量

3.2 实验结果分析

3.3 CO2+undecane混合体系超额摩尔体积

3.4 本章小结

4 CO2+undecane混合体系密度预测模型

4.1 BWRS模型

4.2 PC-SAFT模型

4.3 PHSC模型

4.4 本章小结

5 CO2+N2+O2三元混合气体密度测量实验研究

5.1 实验材料

5.2 实验结果及分析

5.3 标准化储存总量

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

CO2等温室气体排放量的增加，加速了全球变暖的进程。为了减轻温室效应，必须降低CO2的排放速率，减小大气中CO2的浓度。CO2捕获和封存（CCS）技术将CO2从排放源捕集并运输到封存地点进行地下储存，是减少CO2排放的重要方式。其中CO2强化采油技术（CO2-EOR）在大型CO2储存项目中的应用日益广泛，具有提高石油采收率的经济优势。
　　为了实现CO2的高效稳定封存，需要掌握CO2和原油混合物的密度、相行为等特性，为封存过程的设计和优化提供基础。十一烷(undecane)作为一种中长链烷烃，是原油的典型组分，可作为模拟原油，因此CO2+undecane混合物的性质具有很大的研究价值。由于捕获到的CO2含有N2、O2、Ar、SOx等杂质气体，这些杂质气体对于CO2运输和封存会产生不利的影响，掌握含有杂质的CO2热力学性质对于减弱杂质气体带来的不利影响有着重要的意义。
　　本研究使用磁悬浮天平测量了313.15-353.15 K，8-19 MPa下，CO2摩尔浓度为0.8874的CO2+undecane混合体系的密度。分析发现CO2+undecane混合溶液的密度随着压力的升高而变大，随着温度的升高而降低，并且出现了高CO2浓度密度变化趋势线和低CO2浓度密度变化趋势线相交的情况。随着CO2摩尔浓度的增大，混合溶液的密度先增大后减小，极大值点对应的CO2浓度为最佳注入浓度，利用CO2+undecane的超额摩尔体积分析也可以得到一致的结论。基于实验数据，对PHSC模型的温度缩放因子进行了优化，改进后的PHSC模型预测精度得到了显著提高；进一步对不同的CO2+烷烃体系进行了模型分析，优化后对不同烷烃体系采用统一的二元相互作用系数，计算过程得到简化，模型预测精度也能满足工程计算需求。
　　本文同时测量了CO2+N2+O2三元混合气体在293.15-353.15K，5-18MPa下的密度。分析发现，N2、O2等不凝结杂质气体的存在会降低CO2气体的临界压力，相较于低温条件，实验压力范围内高温下的CO2密度随着压力的升高没有出现密度突变现象。本研究计算了含杂质的CO2标准化封存总量，发现随着压力的升高，标准化封存总量存在极小值点。为了降低杂质气体的影响，提高CO2封存的效率，可以通过提高CO2注入深度来避开最小标准化封存总量的压力区间。

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