CO的物理化學(xué)特性課件

1、第二講CO2的物理化學(xué)特性第1頁，共42頁。我們生活中的CO2第2頁，共42頁。工業(yè)CO2的來源電廠、鋼鐵廠：化石燃料（含碳物質(zhì)）燃燒 C + O2 = CO2油氣田、采礦：天然氣、油田伴生氣，碳酸鹽礦石分解化工過程：合成氨，H2生產(chǎn)過程，發(fā)酵氣，石灰窯石油煉制：石油裂解-輕烴+ CO2CO2主要的溫室氣體，實現(xiàn)減排需要掌握其基本物理化學(xué)性質(zhì)第3頁，共42頁。主要內(nèi)容CO2物理性質(zhì)CO2化學(xué)性質(zhì)超臨界CO2第4頁，共42頁。二氧化碳的物理性質(zhì)大氣的重要組成部分：0.03-0.04%（體積） 顏色氣味狀態(tài) 密 度溶解性CO2 無色無味氣體通常狀況CO2 空氣1.977g/L 1.293g/L (

2、標準狀況)能溶于水：（通常狀況）第5頁，共42頁。物理性質(zhì) 無色氣體（常溫常壓下），密度比空氣的大，可以像液體那樣傾倒。通常1體積的水約能溶解1體積的二氧化碳，增加壓強會溶解得更多。 在加壓和降溫冷卻的情況下，二氧化碳會變成固體，稱為“干冰”。干冰可以升華，直接變成氣體。第6頁，共42頁。CO2密度CO2密度是溫度和壓力的函數(shù)溫度增加，密度減??；壓力增加，密度增加當(dāng)CO2由氣相變?yōu)橐合嗷虺R界狀態(tài)時，密度急劇增加運輸、封存的狀態(tài)運輸封存第7頁，共42頁。CO2在水中溶解度CO2非極性分子，可溶于極性較強的溶劑水是極性分子，CO2較易溶于水溶解度大小與溫度、壓力、溶劑性質(zhì)有關(guān)壓力增加，溶解度增加

3、溫度增加，溶解度減少咸水中溶解度與含鹽量密切相關(guān)，鹽度增加，溶解度減少第8頁，共42頁。CO2在原油中溶解度CO2在原油中的高溶解度非混相驅(qū)原理之一CO2的注入可導(dǎo)致原油體積膨脹、降低原油粘度-CO2非混相驅(qū)提高石油采收率的原理大量CO2溶于原油中，使原油粘度由9.8mPa.s降到2.9mPa.s，使原油體積增加了17.2%大慶勘探開發(fā)研究院在45和12.7MPa的條件下進行試驗，CO2在油田注入水中的溶解度為5 %（質(zhì)量），而在原油中的溶解度為15%（質(zhì)量）；第9頁，共42頁。CO2黏度黏度表示流體流動的難易程度動力黏度：流體中任意點上單位面積的剪應(yīng)力與速度梯度的比值，是流體內(nèi)摩擦而引起的阻

4、力黏度大，不易流動；黏度小，容易流動通常情況下，流體黏度隨著壓力增加而增加，隨著溫度的升高而降低CO2的溶解降低原油粘度，從而增加了原油的流度；CO2溶于水后，水的粘度將提高20%以上，同時也降低了水的流度。因此CO2溶解后，油和水的流度趨向靠近，所以改善了油與水流度比，擴大了波及體積。第10頁，共42頁。主要內(nèi)容CO2物理性質(zhì)CO2化學(xué)性質(zhì)超臨界CO2第11頁，共42頁?；瘜W(xué)性質(zhì)通常條件下CO2性質(zhì)穩(wěn)定，無毒性，不助燃，化學(xué)活性比較弱高溫條件下才具有足夠活性，與不溶的化合物、化學(xué)元素起反應(yīng)第12頁，共42頁。與水反應(yīng)CO2 H2O H2CO3現(xiàn)象：通入二氧化碳時，紫色石蕊試液變紅碳酸很不穩(wěn)定

5、，容易分解H2CO3 H2O CO2現(xiàn)象：當(dāng)加熱時，碳酸分解，從溶液中逸出二氧化碳，所以紅色石蕊試液又變成紫色。第13頁，共42頁。地層水化學(xué)反應(yīng)CO2注入進儲層之后，就會以超臨界流體被儲存在蓋層之下化學(xué)反應(yīng)如下：溶解到水中形成弱碳酸分解形成碳酸氫根離子儲層酸性增加使得原始的儲層礦物溶解，發(fā)生礦化反應(yīng)，生成新的碳礦物質(zhì)第14頁，共42頁。CO2與堿反應(yīng)CO2易與堿金屬和其氫氧化物反應(yīng)生成相應(yīng)的碳酸鹽2OH-+CO2CO32-+H2O碳酸鉀和碳酸鈉的溶液都容易吸收CO2 M2CO3+CO2+H2O 2MHCO3可逆反應(yīng)，溫度低時向右進行，即進行CO2的化學(xué)吸收；溫度高時向左進行，即進行CO2的解

6、吸作用第15頁，共42頁。CO2的化學(xué)吸收劑1-乙醇胺(ETA或MEA)溶液作為化學(xué)吸收劑2RNH2+CO2+H2O (RNH3)2CO3其中R為C2H4OH溫度為35-45，反應(yīng)向右進行，即吸收過程溫度提高到105或更高時，溶液沸騰，反應(yīng)向左進行，即CO2的解吸過程工業(yè)上分離CO2方法的依據(jù)第16頁，共42頁。CO2的有機合成反應(yīng)工業(yè)利用合成尿素，170-200，13.8-24.6MPa CO2 +2NH3 NH2COONH4合成甲醇，升溫加壓，銅、鋅催化劑 CO2 +2H2 CH3OH + H2O第17頁，共42頁。CO2的生化反應(yīng)擴大吸收源植物新陳代謝 6CO2 +6H2O C6H12O

7、6+6O2動物呼吸從大氣中吸入氧氣，與體內(nèi)的糖發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生所需熱量，同時排出CO2糖第18頁，共42頁。CO2的還原反應(yīng)高溫下 CO2 CO + O2吸熱，可逆反應(yīng)，1200分解率3.2%H2還原CO2 CO2 +H2 CO + H2O吸熱反應(yīng)，高溫、催化劑條件下反應(yīng)被烴類還原 CO2 +CH4 3CO + 2H2第19頁，共42頁。用途滅火器光合作用汽水你能說出這些用途與哪些性質(zhì)相關(guān)嗎？第20頁，共42頁。主要內(nèi)容CO2物理性質(zhì)CO2化學(xué)性質(zhì)超臨界CO2第21頁，共42頁。CO2相態(tài)圖7.38MPa，31.10.52MPa，-56.5第22頁，共42頁。超臨界CO2超臨界CO2是指溫度和壓

8、力均在臨界點（31.1，7.38MPa）以上的CO2流體CO2地質(zhì)埋存中，絕大多數(shù)儲層的溫度和壓力在臨界點之上，所以CO2處于超臨界狀態(tài)要研究CO2在地質(zhì)埋存中的埋存量計算方法、流動分布情況以及監(jiān)測等一系列問題時，必須搞清楚超臨界CO2的性質(zhì)變化第23頁，共42頁。超臨界CO2的密度和粘度第24頁，共42頁。超臨界CO2的特點兼有氣體、液體雙重特性高密度，密度接近液體黏度與氣體相似擴散系數(shù)接近氣體，有較好流動性與液態(tài)CO2相比，無表面張力臨界溫度和壓力都較低，易于工業(yè)化CO2不可燃、無毒、化學(xué)穩(wěn)定性好、易分離，不 會產(chǎn)生副反應(yīng)并且廉價易得CO2來源于化工副產(chǎn)物，應(yīng)用過程中易于回收， 能夠減少溫

9、室氣體的排放很強的溶劑化能力，良好的傳質(zhì)性能，溶解性能隨壓力變化第25頁，共42頁。性質(zhì)氣體超臨界流體液體1bar，1530Tc，PcTc，4Pc1530密度/(g/mL)(0.62)10-30.20.50.40.90.61.6黏度/g/(cms)(13)10-4(13)10-4(39)10-4(0.23)10-2擴散系數(shù)/(cm2/s)0.10.40.710-30.210-3(0.23)10-5氣體、液體和超臨界流體的性質(zhì)第26頁，共42頁。超臨界二氧化碳的其他應(yīng)用其他應(yīng)用： 萃取 材料加工 噴涂 發(fā)泡 增塑 清洗 制備超細微粒聚合反應(yīng)介質(zhì)第27頁，共42頁。超臨界二氧化碳驅(qū)油超臨界CO2表

10、面張力接近于0，粘度很小，擴散系數(shù)很大。因此超臨界CO2注入到地層中具有無孔不入的性質(zhì)，能進入到各種微小的孔隙中，驅(qū)替其中的油氣與注水相比，CO2的表面張力、粘度都低，流度大，可以降低所需要的驅(qū)替壓力。另一個優(yōu)勢：溶劑化能力很強，可以溶解井底周圍地層中的重油和有機質(zhì)，改善地層的流動狀況非混相、混相驅(qū)第28頁，共42頁。超臨界CO2開發(fā)非常規(guī)油氣藏鉆井、完井技術(shù)2014.3非常規(guī)油氣藏開發(fā)技術(shù)第29頁，共42頁。提綱 一、緒論二、超臨界CO2流體的物理特性三、超臨界CO2開發(fā)非常規(guī)油氣藏的優(yōu)勢四、結(jié)論與建議 第30頁，共42頁。一、緒 論1、我國油氣勘探開發(fā)趨勢 我國頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣等

11、非常規(guī)油氣資源非常豐富。目前我國常規(guī)油氣資源探明程度相當(dāng)高，儲量增長“入不敷出”穩(wěn)產(chǎn)難度越來越大。非常規(guī)油氣資源將成為我國新的油氣增長點。 我國低滲透油氣儲量占剩余儲量的50%左右，新增探明儲量中7080%為低滲特低滲油氣藏，低滲油氣藏將成為我國油氣增長的主力。低滲和非常規(guī)油氣資源將成為我國未來油氣開發(fā)的重點！第31頁，共42頁。2、非常規(guī)及低滲油氣藏開發(fā)面臨的主要問題 鉆井速度極慢，建井周期長，投資成本高； 堅硬巖石（大理巖、花崗巖等） 致密低滲巖石（頁巖等）孔隙度和滲透率極低，儲層極易受污染； 儲層粘土含量高，遇水易膨脹 污染后難恢復(fù)豐度低、單井產(chǎn)量低、采收率低、開采周期長（有的高達30年

12、）；一、緒 論第32頁，共42頁。超臨界流體既不同于氣體也不同于液體，具有許多獨特物理化學(xué)性質(zhì) 密度接近于液體能夠為井下馬達提供足夠扭矩、溶劑化能力強黏度接近于氣體擴散系數(shù)大于液體傳熱、傳質(zhì)性能良好表面張力接近于零可進入到任何大于超臨界流體分子的空間易流動、摩阻系數(shù)低二、超臨界CO2流體的物理特性 2、超臨界CO2物理特性物理特性氣體（常溫常壓）超臨界流體液體（常溫常壓）（1）密度（g/cm3）0.00060.0020.20.90.61.6（2）黏度mPa.s10-20.030.10.23.0（3）擴散系數(shù)（cm2/s）10-110-410-5第33頁，共42頁。1、易于破碎堅硬及難鉆巖層，可

13、較大幅度提高鉆井速度 。三、超臨界CO2鉆井開發(fā)非常規(guī)油氣藏的優(yōu)勢 花崗巖曼柯斯頁巖SC-CO2 Jet大面積坑道輪廓不明顯破碎體積較大大面積崩落Water Jet小的溝槽輪廓較為清晰破碎體積較小193 MPa Water90 MPa SC-CO2第34頁，共42頁。噴射破巖實驗實驗巖樣流體類型門限壓力 MPa花崗巖水CO2比值：CO2/水755067%曼柯斯頁巖水CO2比值：CO2/水1245544% 利用水力輔助機械聯(lián)合破巖方式對曼柯斯頁巖進行實驗 ，結(jié)果表明利用超臨界CO2是用水的鉆進速度的3.3倍。 壓力低于124MPa時，水力射流不能破巖；超臨界CO2噴射破巖的有效壓力低至55MPa

14、。 曼柯斯頁巖噴射鉆井實驗1、易于破碎堅硬及難鉆巖層，可較大幅度提高鉆井速度 。三、超臨界CO2鉆開發(fā)非常規(guī)油氣藏的優(yōu)勢 第35頁，共42頁。水基鉆井液打開低滲透儲層的危害 固相顆粒進入儲層堵塞孔隙吼道；泥漿濾液侵入到油氣層中，導(dǎo)致油氣層中粘土膨脹，進一步堵塞地層孔隙吼道；引發(fā)水鎖效應(yīng) 、巖石潤濕性反轉(zhuǎn)、原油乳化等。 超臨界CO2流體打開低滲透儲層的優(yōu)勢 致密的砂巖儲層超臨界CO2流體中不含固相顆粒，不會堵塞孔隙吼道；超臨界CO2流體不是液相、也不含液相，不會導(dǎo)致儲層中粘土膨脹。從根本上避免了水鎖效應(yīng) 、巖石潤濕性反轉(zhuǎn)、原油乳化等危害的發(fā)生。2、在低滲及特低滲油氣層開發(fā)中，可有效保護油氣層 。

15、三、超臨界CO2鉆開發(fā)非常規(guī)油氣藏的優(yōu)勢 第36頁，共42頁。3、易鉆各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，提高單井產(chǎn)量 超臨界CO2對儲層無污染，而且容易鉆水平井、多分支井、超短半徑輻射水平井以及各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，均可大幅提高油氣單井產(chǎn)量。 三、超臨界CO2鉆開發(fā)非常規(guī)油氣藏的優(yōu)勢 第37頁，共42頁。A 高效置換甲烷4、有效提高油氣采收率 CO2與頁巖的吸附強度大于CH4與其吸附強度，因此進行超臨界CO2驅(qū)替開采時，它可以置換吸附在頁巖層上的CH4，增加游離態(tài)氣體含量，從而進一步提高頁巖氣采收率。 吸附于巖石顆粒和有機質(zhì)表面甲烷含量約20%85% ，排水降壓開采解析程度有限。粘土和泥質(zhì)為頁巖最主要組分（粒徑較小，

16、563m），比表面積大，粘土礦物含量越高吸附氣含量越高，越具開采價值。三、超臨界CO2鉆開發(fā)非常規(guī)油氣藏的優(yōu)勢 第38頁，共42頁。B 高效驅(qū)替甲烷4、有效提高油氣采收率表面張力為零粘度小擴散系數(shù)大傳質(zhì)性能好滲透率極低，10-410-6 md（致密砂巖10-210-3md）孔隙度極低（通常小于5%，以微孔隙為主 ）毛管力極強（微孔增大了流體毛管力） 頁巖儲層特性SC-CO2容易進入任何大于其分子的空間（包括毛管孔隙），有利于驅(qū)替氣藏中的甲烷氣體；三、超臨界CO2鉆開發(fā)非常規(guī)油氣藏的優(yōu)勢 第39頁，共42頁。C 改善流動通道4、有效提高油氣采收率超臨界CO2流體密度大，溶劑化能力強，能溶解近井地帶的重油組分及其他有機物CO2與粘土礦物中的水結(jié)合，能為粘土砂層脫水，增大儲層滲透率和孔隙度；改善油水流度比，改善儲層潤濕性，降低流動阻力；三、超臨界CO2鉆開發(fā)非常規(guī)油氣藏的優(yōu)勢 第40頁，共42頁。四、結(jié)論與建議 1、超臨界CO2破巖門限壓力低、破巖速度快，對于典型的難鉆頁巖層來說，能夠大大縮短建井周期，降低鉆井費用； 2、超臨界CO2流體既不含固相也不含水，對儲層無任何損害和污染，非常適