本文關(guān)鍵詞：CO_2地質(zhì)儲(chǔ)存中CO_2-流體界面性質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)研究

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【摘要】：CO2地質(zhì)封存是最具前景的溫室氣體CO2減排方法之一,其儲(chǔ)層選址有深部鹽水層、油氣藏等。在CO2注入儲(chǔ)層的過(guò)程中,流體之間的界面張力(Interfacial tension,簡(jiǎn)稱(chēng)IFT)直接決定了封存安全性指標(biāo)、注入能耗及最大存儲(chǔ)量,因此流體間的界面相互作用及界面性質(zhì)是CO2儲(chǔ)存過(guò)程中的關(guān)鍵因素。目前實(shí)驗(yàn)已測(cè)得了CO2-鹽水系統(tǒng)中IFT隨鹽成分、溫度和壓力的變化規(guī)律,以及油氣藏中混溶態(tài)(CO2+原油)-鹽水的IFT隨CO2濃度的變化關(guān)系,但是未對(duì)其變化的物理機(jī)理進(jìn)行深入研究。分子動(dòng)力學(xué)模擬(Molecular Dynamics Simulation,簡(jiǎn)稱(chēng)MD模擬)是物理化學(xué)過(guò)程機(jī)理研究的重要工具,可觀(guān)測(cè)到實(shí)驗(yàn)難以測(cè)得的微觀(guān)結(jié)構(gòu)及特征。因此,開(kāi)展CO2-流體系統(tǒng)IFT變化機(jī)理及界面特性的MD模擬研究,可更好地闡述地質(zhì)存儲(chǔ)中IFT現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì),為其變化過(guò)程的預(yù)測(cè)提供依據(jù),對(duì)CO2存儲(chǔ)效率的提高起到指導(dǎo)作用。本文首先利用MD模擬的方法開(kāi)展了CO2-鹽水界面中鹽成分對(duì)IFT的影響研究。以343K、20MPa下的CO2-NaCl、CO2-CaCl2和CO2-(NaCl+CaCl2)混合鹽界面作為研究對(duì)象,從原子特性參數(shù)和離子強(qiáng)度等方面探討了影響IFT變化的因素,并進(jìn)行了IFT變化規(guī)律的預(yù)測(cè)。結(jié)果表明,在單一鹽離子的影響中,大約80%的IFT變化是由陽(yáng)離子電荷數(shù)引起的,其次勢(shì)能阱深度的影響較大NaCl和CaCl2界面IFT增加值隨離子強(qiáng)度成線(xiàn)性變化,且其斜率相近,說(shuō)明離子產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)IFT的影響是具備量化條件的；在不同混合鹽摩爾比下,單位離子強(qiáng)度IFT增值基本上趨于一個(gè)定值,由此總結(jié)出了CO2-強(qiáng)電解質(zhì)鹽溶液系統(tǒng)的IFT預(yù)測(cè)公式,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其次,開(kāi)展了300-373K和4-30MPa范圍內(nèi)CO2-NaCl系統(tǒng)界面IFT的MD模擬研究,分析了CO2體相密度、物質(zhì)界面過(guò)余量、界面分子平均取向角度等參數(shù)的變化規(guī)律,探討了IFT隨環(huán)境條件的變化關(guān)系,尤其是壓力拐點(diǎn)Pplateau的存在原因。CO2體相密度隨著壓力的升高而增大,其增大趨勢(shì)在Pplateau時(shí)變緩,導(dǎo)致了界面上水分子的受力產(chǎn)生變化,引起了IFT的改變；壓力升高,CO2的界面累積量和離子的界面驅(qū)離量都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),離子在界面的影響越來(lái)越小,因此Pplateau的取值呈現(xiàn)出與鹽成分無(wú)明顯聯(lián)系的現(xiàn)象；界面上CO2分子與水側(cè)水分子的排布規(guī)律與T型CO2-水界面化合物的結(jié)構(gòu)相符,且P"gPplateau時(shí)水偶極更加傾向于指向水相,水合物的表面活性劑特性更明顯,造成了IFT隨壓力的變化趨勢(shì),導(dǎo)致了Pplateau的存在。最后,以易于模擬的正己烷作為原油的代表,進(jìn)行了油氣藏中混溶條件下CO2.原油-鹽水界面的初步研究,分析了330 K、20 MPa時(shí)混溶相中不同CO2濃度XcO2下(CO2+正己烷)-NaCl溶液系統(tǒng)的界面微觀(guān)性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)XCO2升高時(shí),界面厚度和粗糙度都增大,這說(shuō)明分子滲透更深,分子熱波動(dòng)引起的毛細(xì)波紋更短,CO2分子取代正己烷與水分子形成較強(qiáng)的界面相互作用,導(dǎo)致了IFT的降低;當(dāng)XCO2=62.5%時(shí),即C02與正己烷質(zhì)量比趨近于1：1時(shí),CO2的界面累積量及正己烷的驅(qū)離量都達(dá)到最大值,C02的表面活性劑效應(yīng)最強(qiáng)烈；界面厚度內(nèi)各分子的取向傾向規(guī)律都隨著XCO2的增大而減弱,這是由于CO2分子在界面的絕對(duì)密度分布增加而造成的,分子取向傾向性的降低再次證實(shí)了CO2和水分子間的作用力比正己烷與水之間更強(qiáng)烈。
【關(guān)鍵詞】：CO_2地質(zhì)儲(chǔ)存 分子動(dòng)力學(xué)模擬 界面張力 界面特性
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：X701;X141
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 主要符號(hào)說(shuō)明7-11
• 第一章 緒論11-22
• 1.1 課題背景11-12
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 CO_2在鹽水層中存儲(chǔ)的IFT實(shí)驗(yàn)研究12-14
• 1.2.2 CO_2在油氣藏中存儲(chǔ)的IFT實(shí)驗(yàn)研究14-15
• 1.2.3 流體界面的分子模擬研究15-17
• 1.3 本文研究目的和內(nèi)容17-18
• 1.3.1 研究目的17-18
• 1.3.2 研究?jī)?nèi)容18
• 參考文獻(xiàn)18-22
• 第二章 分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算方法22-32
• 2.1 分子動(dòng)力學(xué)模擬簡(jiǎn)介22-23
• 2.2 物理模型23-25
• 2.2.1 分子勢(shì)能函數(shù)23-24
• 2.2.2 分子力場(chǎng)模型24-25
• 2.3 幾何模型25-27
• 2.3.1 幾何建模25
• 2.3.2 周期性邊界25-26
• 2.3.3 位能截?cái)?/span>26
• 2.3.4 NP_ZT系綜條件26-27
• 2.3.5 速度初始化及算法27
• 2.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法27-29
• 2.4.1 IFT計(jì)算28
• 2.4.2 吉布斯界面28
• 2.4.3 界面過(guò)余量計(jì)算28-29
• 2.4.4 分子取向參數(shù)計(jì)算29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 參考文獻(xiàn)30-32
• 第三章 鹽離子對(duì)CO_2-鹽溶液界面IFT的影響研究32-41
• 3.1 單一鹽成分對(duì)IFT的影響研究32-35
• 3.1.1 陽(yáng)離子電荷數(shù)32-33
• 3.1.2 其他原子特性參數(shù)33-34
• 3.1.3 離子強(qiáng)度34-35
• 3.2 混合鹽離子對(duì)IFT的影響研究35-39
• 3.2.1 混合鹽系統(tǒng)IFT的變化規(guī)律35-36
• 3.2.2 離子強(qiáng)度對(duì)混合鹽IFT的影響36-39
• 3.3 本章小結(jié)39-40
• 參考文獻(xiàn)40-41
• 第四章 溫度及壓力對(duì)CO_2-鹽水界面IFT的影響研究41-47
• 4.1 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證41-42
• 4.2 計(jì)算結(jié)果分析42-46
• 4.2.1 CO_2密度及溶解度42-43
• 4.2.2 界面物質(zhì)過(guò)余量43-44
• 4.2.3 界面分子取向角度44-46
• 4.3 本章小結(jié)46
• 參考文獻(xiàn)46-47
• 第五章 混溶態(tài)(CO_2+正己烷)-鹽水界面微觀(guān)特性研究47-55
• 5.1 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證47-49
• 5.2 計(jì)算結(jié)果分析49-53
• 5.2.1 界面厚度及粗糙度49
• 5.2.2 界面過(guò)余量49-51
• 5.2.3 界面分子取向概率51-53
• 5.3 本章小結(jié)53
• 參考文獻(xiàn)53-55
• 第六章 全文總結(jié)及展望55-57
• 6.1 全文總結(jié)55-56
• 6.2 展望56-57
• 致謝57-58
• 作者簡(jiǎn)介,攻讀碩士期間參加的學(xué)術(shù)活動(dòng)與發(fā)表的論文58

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