Coal–Fluid Interfacial Tension in the Coal–Water–CO2 System: Implications for CO2 Sequestration in Coal Seams

环境科学 石油工程 固碳 表面张力 煤矿开采 化学 矿物学 废物管理 材料科学 地质学 二氧化碳 热力学 工程类 物理 有机化学
作者
Chao Cui,Yanbin Yao,Dameng Liu,Xiaoxiao Sun,Dong Feng
出处
期刊:Energy & Fuels [American Chemical Society]
卷期号:38 (12): 10801-10812
标识
DOI:10.1021/acs.energyfuels.4c01213
摘要

CO2 geological sequestration in coal seams is an effective method for reducing CO2 emissions and enhancing coal-bed methane extraction. In this context, the coal–fluid interfacial tension (γcoal–fluid) is a critical parameter that influences the CO2 injection, fluid distribution, CO2 storage capacity, and containment safety. Especially, the γcoal–fluid cannot be directly measured, and the influencing factors for γcoal–fluid (including γcoal−CO2 and γcoal–water in the coal–water–CO2 system) were not reported before. In this study, we calculated the γcoal–fluid of different rank coals under different pressures (3–8 MPa) and temperatures (40–70 °C) by using the combination of Young's equation and Neumann's equation. The results show that the γcoal−CO2 of all coal samples decreases with increasing pressure and coal rank, while it increases with increasing temperature. The γcoal–water slightly decreases with increasing temperature. Furthermore, we conducted a comprehensive investigation into the influence mechanism underlying these factors on γcoal–fluid and quantitatively established the γcoal−CO2 assessment model. Based on this, we also proposed a methodology for determination of the threshold pore size of caprock (TPSC) and evaluation of sealing security. The calculated TPSC decreases with the increase of burial, and a more water-wetting caprock corresponds to a lower TPSC. This study contributes to a deeper understanding of the wetting phenomenon in the coal–water–CO2 system and provides insight into monitoring the safety of CO2 sequestration in coal reservoirs.
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