[发明专利]一种基于CPA状态方程预测NaCl水溶液中CO2

说明书

本发明提供一种基于CPA状态方程预测NaCl水溶液中CO₂溶解度的方法。以CPA‑SRK状态方程、WS混合规则、NRTL活度系数模型、物料平衡方程、热力学平衡方程组和混相函数为基础，选用更适合CO₂的惰性缔合方案，建立了相态模拟逐步迭代数值计算方法。该方法计算速度快、精度高、适用范围宽泛，可指导高含CO₂气藏开发和碳捕集与封存，为提高天然气采收率和应对全球CO₂排放提供技术支持。

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发技术领域，针对高含CO₂天然气气藏开发以及碳捕集与封存(CCS)技术，提出一种基于CPA状态方程预测NaCl水溶液中CO₂溶解度的方法。

背景技术

众所周知，CO₂溶解度的实验测定既费时又昂贵。因此，在实验数据和相平衡的基础上发展了热力学模型，以突破实验方法的限制。目前，高含CO₂气藏的开发和CO₂埋存的相态模拟研究中均未考虑CO₂-地层水互溶和离子含量变化的影响，这将导致该类气藏开发指标动态预测和CO₂埋存中的溶解机理研究存在不准确性。对于CO₂-地层水混合体系的热力学研究，主要针对不同盐溶度进行对应的研究。由于其实验方法限制，该体系实验数据极少，因此导致该类多元混合体系的研究主要在二元体系的研究基础上进行。另外，CO₂-地层水的相平衡理论主要运用立方型状态方程和不同混合规则的结合，对实验数据进行泡点、露点和闪蒸计算，拟合不同混合规则对应的能量和二元交互参数。常规立方型状态方程(以SRK、RK为代表)被广泛运用于石油行业的热力学分析。但是，由于CO₂极强的非极性，且与H₂O之间存在较强的氢键作用，使得含有CO₂的天然气在地层水中的溶解规律复杂，导致其高压物性参数计算结果偏大。加之极性分子H₂O分子间存在其他氢键的弱化学作用，使得缔合分子出现自缔合和交叉缔合两种效果，令溶液体系的热力学相行为很难被常规的立方型状态方程所描述。因此，迫切需要含有缔合作用的状态方程从微观角度进行溶液体系热力学相平衡计算。

2000年以来，预测CO₂-H₂O-NaCl混合溶液体系中的xCO₂被大量学者广泛关注，主要从常规立方型状态方程结合不同混合规则、考虑缔合作用的状态方程两个方面对其进行研究。Duan和Sun(2003)基于1992年提出的Duan模型结合粒子相互作用理论，建立了预测CO₂在纯水和NaCl溶液中的溶解度的热力学模型。然后，为改善Duan和Sun的模型的性能，Duan等(2006)提出了一个非迭代方程。但是，Duan的模型比较复杂，有15个可调参数，且没有考虑CO₂和H₂O之间的相互作用。Spycher和Pruess(2005)使用含有CO₂和H₂O活度系数的溶解度模型来解释溶解盐的影响。Dubessy等(2005)利用Redlich-Kister的方法构建了CO₂-H₂O-NaCl体系中水、气组分活度系数的非对称热力学模型。Hassanzadeh等(2008)提出了类似于Duan模型的活度系数-逸度系数型热力学模型，该模型基于RK或PR状态方程。然而，这些简单的状态方程不能描述CO₂和H₂O之间的交叉缔合作用以及水的自缔合作用。