CO的物理化学特性课件

1、第二讲CO2的物理化学特性第1页，共42页。我们生活中的CO2第2页，共42页。工业CO2的来源电厂、钢铁厂：化石燃料（含碳物质）燃烧 C + O2 = CO2油气田、采矿：天然气、油田伴生气，碳酸盐矿石分解化工过程：合成氨，H2生产过程，发酵气，石灰窑石油炼制：石油裂解-轻烃+ CO2CO2主要的温室气体，实现减排需要掌握其基本物理化学性质第3页，共42页。主要内容CO2物理性质CO2化学性质超临界CO2第4页，共42页。二氧化碳的物理性质大气的重要组成部分：0.03-0.04%（体积） 颜色气味状态 密 度溶解性CO2 无色无味气体通常状况CO2 空气1.977g/L 1.293g/L (

2、标准状况)能溶于水：（通常状况）第5页，共42页。物理性质 无色气体（常温常压下），密度比空气的大，可以像液体那样倾倒。通常1体积的水约能溶解1体积的二氧化碳，增加压强会溶解得更多。 在加压和降温冷却的情况下，二氧化碳会变成固体，称为“干冰”。干冰可以升华，直接变成气体。第6页，共42页。CO2密度CO2密度是温度和压力的函数温度增加，密度减小；压力增加，密度增加当CO2由气相变为液相或超临界状态时，密度急剧增加运输、封存的状态运输封存第7页，共42页。CO2在水中溶解度CO2非极性分子，可溶于极性较强的溶剂水是极性分子，CO2较易溶于水溶解度大小与温度、压力、溶剂性质有关压力增加，溶解度增加

3、温度增加，溶解度减少咸水中溶解度与含盐量密切相关，盐度增加，溶解度减少第8页，共42页。CO2在原油中溶解度CO2在原油中的高溶解度非混相驱原理之一CO2的注入可导致原油体积膨胀、降低原油粘度-CO2非混相驱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，使原油体积增加了17.2%大庆勘探开发研究院在45和12.7MPa的条件下进行试验，CO2在油田注入水中的溶解度为5 %（质量），而在原油中的溶解度为15%（质量）；第9页，共42页。CO2黏度黏度表示流体流动的难易程度动力黏度：流体中任意点上单位面积的剪应力与速度梯度的比值，是流体内摩擦而引起的阻

4、力黏度大，不易流动；黏度小，容易流动通常情况下，流体黏度随着压力增加而增加，随着温度的升高而降低CO2的溶解降低原油粘度，从而增加了原油的流度；CO2溶于水后，水的粘度将提高20%以上，同时也降低了水的流度。因此CO2溶解后，油和水的流度趋向靠近，所以改善了油与水流度比，扩大了波及体积。第10页，共42页。主要内容CO2物理性质CO2化学性质超临界CO2第11页，共42页。化学性质通常条件下CO2性质稳定，无毒性，不助燃，化学活性比较弱高温条件下才具有足够活性，与不溶的化合物、化学元素起反应第12页，共42页。与水反应CO2 H2O H2CO3现象：通入二氧化碳时，紫色石蕊试液变红碳酸很不稳定

5、，容易分解H2CO3 H2O CO2现象：当加热时，碳酸分解，从溶液中逸出二氧化碳，所以红色石蕊试液又变成紫色。第13页，共42页。地层水化学反应CO2注入进储层之后，就会以超临界流体被储存在盖层之下化学反应如下：溶解到水中形成弱碳酸分解形成碳酸氢根离子储层酸性增加使得原始的储层矿物溶解，发生矿化反应，生成新的碳矿物质第14页，共42页。CO2与碱反应CO2易与碱金属和其氢氧化物反应生成相应的碳酸盐2OH-+CO2CO32-+H2O碳酸钾和碳酸钠的溶液都容易吸收CO2 M2CO3+CO2+H2O 2MHCO3可逆反应，温度低时向右进行，即进行CO2的化学吸收；温度高时向左进行，即进行CO2的解

6、吸作用第15页，共42页。CO2的化学吸收剂1-乙醇胺(ETA或MEA)溶液作为化学吸收剂2RNH2+CO2+H2O (RNH3)2CO3其中R为C2H4OH温度为35-45，反应向右进行，即吸收过程温度提高到105或更高时，溶液沸腾，反应向左进行，即CO2的解吸过程工业上分离CO2方法的依据第16页，共42页。CO2的有机合成反应工业利用合成尿素，170-200，13.8-24.6MPa CO2 +2NH3 NH2COONH4合成甲醇，升温加压，铜、锌催化剂 CO2 +2H2 CH3OH + H2O第17页，共42页。CO2的生化反应扩大吸收源植物新陈代谢 6CO2 +6H2O C6H12O

7、6+6O2动物呼吸从大气中吸入氧气，与体内的糖发生反应，产生所需热量，同时排出CO2糖第18页，共42页。CO2的还原反应高温下 CO2 CO + O2吸热，可逆反应，1200分解率3.2%H2还原CO2 CO2 +H2 CO + H2O吸热反应，高温、催化剂条件下反应被烃类还原 CO2 +CH4 3CO + 2H2第19页，共42页。用途灭火器光合作用汽水你能说出这些用途与哪些性质相关吗？第20页，共42页。主要内容CO2物理性质CO2化学性质超临界CO2第21页，共42页。CO2相态图7.38MPa，31.10.52MPa，-56.5第22页，共42页。超临界CO2超临界CO2是指温度和压

8、力均在临界点（31.1，7.38MPa）以上的CO2流体CO2地质埋存中，绝大多数储层的温度和压力在临界点之上，所以CO2处于超临界状态要研究CO2在地质埋存中的埋存量计算方法、流动分布情况以及监测等一系列问题时，必须搞清楚超临界CO2的性质变化第23页，共42页。超临界CO2的密度和粘度第24页，共42页。超临界CO2的特点兼有气体、液体双重特性高密度，密度接近液体黏度与气体相似扩散系数接近气体，有较好流动性与液态CO2相比，无表面张力临界温度和压力都较低，易于工业化CO2不可燃、无毒、化学稳定性好、易分离，不 会产生副反应并且廉价易得CO2来源于化工副产物，应用过程中易于回收， 能够减少温

9、室气体的排放很强的溶剂化能力，良好的传质性能，溶解性能随压力变化第25页，共42页。性质气体超临界流体液体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扩散系数/(cm2/s)0.10.40.710-30.210-3(0.23)10-5气体、液体和超临界流体的性质第26页，共42页。超临界二氧化碳的其他应用其他应用： 萃取 材料加工 喷涂 发泡 增塑 清洗 制备超细微粒聚合反应介质第27页，共42页。超临界二氧化碳驱油超临界CO2表

10、面张力接近于0，粘度很小，扩散系数很大。因此超临界CO2注入到地层中具有无孔不入的性质，能进入到各种微小的孔隙中，驱替其中的油气与注水相比，CO2的表面张力、粘度都低，流度大，可以降低所需要的驱替压力。另一个优势：溶剂化能力很强，可以溶解井底周围地层中的重油和有机质，改善地层的流动状况非混相、混相驱第28页，共42页。超临界CO2开发非常规油气藏钻井、完井技术2014.3非常规油气藏开发技术第29页，共42页。提纲 一、绪论二、超临界CO2流体的物理特性三、超临界CO2开发非常规油气藏的优势四、结论与建议 第30页，共42页。一、绪 论1、我国油气勘探开发趋势 我国页岩气、煤层气、致密砂岩气等

11、非常规油气资源非常丰富。目前我国常规油气资源探明程度相当高，储量增长“入不敷出”稳产难度越来越大。非常规油气资源将成为我国新的油气增长点。 我国低渗透油气储量占剩余储量的50%左右，新增探明储量中7080%为低渗特低渗油气藏，低渗油气藏将成为我国油气增长的主力。低渗和非常规油气资源将成为我国未来油气开发的重点！第31页，共42页。2、非常规及低渗油气藏开发面临的主要问题 钻井速度极慢，建井周期长，投资成本高； 坚硬岩石（大理岩、花岗岩等） 致密低渗岩石（页岩等）孔隙度和渗透率极低，储层极易受污染； 储层粘土含量高，遇水易膨胀 污染后难恢复丰度低、单井产量低、采收率低、开采周期长（有的高达30年

12、）；一、绪 论第32页，共42页。超临界流体既不同于气体也不同于液体，具有许多独特物理化学性质 密度接近于液体能够为井下马达提供足够扭矩、溶剂化能力强黏度接近于气体扩散系数大于液体传热、传质性能良好表面张力接近于零可进入到任何大于超临界流体分子的空间易流动、摩阻系数低二、超临界CO2流体的物理特性 2、超临界CO2物理特性物理特性气体（常温常压）超临界流体液体（常温常压）（1）密度（g/cm3）0.00060.0020.20.90.61.6（2）黏度mPa.s10-20.030.10.23.0（3）扩散系数（cm2/s）10-110-410-5第33页，共42页。1、易于破碎坚硬及难钻岩层，可

13、较大幅度提高钻井速度 。三、超临界CO2钻井开发非常规油气藏的优势 花岗岩曼柯斯页岩SC-CO2 Jet大面积坑道轮廓不明显破碎体积较大大面积崩落Water Jet小的沟槽轮廓较为清晰破碎体积较小193 MPa Water90 MPa SC-CO2第34页，共42页。喷射破岩实验实验岩样流体类型门限压力 MPa花岗岩水CO2比值：CO2/水755067%曼柯斯页岩水CO2比值：CO2/水1245544% 利用水力辅助机械联合破岩方式对曼柯斯页岩进行实验 ，结果表明利用超临界CO2是用水的钻进速度的3.3倍。 压力低于124MPa时，水力射流不能破岩；超临界CO2喷射破岩的有效压力低至55MPa

14、。 曼柯斯页岩喷射钻井实验1、易于破碎坚硬及难钻岩层，可较大幅度提高钻井速度 。三、超临界CO2钻开发非常规油气藏的优势 第35页，共42页。水基钻井液打开低渗透储层的危害 固相颗粒进入储层堵塞孔隙吼道；泥浆滤液侵入到油气层中，导致油气层中粘土膨胀，进一步堵塞地层孔隙吼道；引发水锁效应 、岩石润湿性反转、原油乳化等。 超临界CO2流体打开低渗透储层的优势 致密的砂岩储层超临界CO2流体中不含固相颗粒，不会堵塞孔隙吼道；超临界CO2流体不是液相、也不含液相，不会导致储层中粘土膨胀。从根本上避免了水锁效应 、岩石润湿性反转、原油乳化等危害的发生。2、在低渗及特低渗油气层开发中，可有效保护油气层 。

15、三、超临界CO2钻开发非常规油气藏的优势 第36页，共42页。3、易钻各种复杂结构井，提高单井产量 超临界CO2对储层无污染，而且容易钻水平井、多分支井、超短半径辐射水平井以及各类复杂结构井，均可大幅提高油气单井产量。 三、超临界CO2钻开发非常规油气藏的优势 第37页，共42页。A 高效置换甲烷4、有效提高油气采收率 CO2与页岩的吸附强度大于CH4与其吸附强度，因此进行超临界CO2驱替开采时，它可以置换吸附在页岩层上的CH4，增加游离态气体含量，从而进一步提高页岩气采收率。 吸附于岩石颗粒和有机质表面甲烷含量约20%85% ，排水降压开采解析程度有限。粘土和泥质为页岩最主要组分（粒径较小，

16、563m），比表面积大，粘土矿物含量越高吸附气含量越高，越具开采价值。三、超临界CO2钻开发非常规油气藏的优势 第38页，共42页。B 高效驱替甲烷4、有效提高油气采收率表面张力为零粘度小扩散系数大传质性能好渗透率极低，10-410-6 md（致密砂岩10-210-3md）孔隙度极低（通常小于5%，以微孔隙为主 ）毛管力极强（微孔增大了流体毛管力） 页岩储层特性SC-CO2容易进入任何大于其分子的空间（包括毛管孔隙），有利于驱替气藏中的甲烷气体；三、超临界CO2钻开发非常规油气藏的优势 第39页，共42页。C 改善流动通道4、有效提高油气采收率超临界CO2流体密度大，溶剂化能力强，能溶解近井地带的重油组分及其他有机物CO2与粘土矿物中的水结合，能为粘土砂层脱水，增大储层渗透率和孔隙度；改善油水流度比，改善储层润湿性，降低流动阻力；三、超临界CO2钻开发非常规油气藏的优势 第40页，共42页。四、结论与建议 1、超临界CO2破岩门限压力低、破岩速度快，对于典型的难钻页岩层来说，能够大大缩短建井周期，降低钻井费用； 2、超临界CO2流体既不含固相也不含水，对储层无任何损害和污染，非常适