深部咸水層CO2地質(zhì)封存對地層壓力環(huán)境的影響

胡葉軍,王 蔚,任 杰,王 媛

(1. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2. 嘉興市世紀(jì)交通設(shè)計有限公司,浙江 嘉興 314001;3. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 4. 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室,江蘇 南京 210098)

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深部咸水層CO2地質(zhì)封存對地層壓力環(huán)境的影響

胡葉軍1,2,王 蔚3,任 杰1,4,王 媛1,4

(1. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2. 嘉興市世紀(jì)交通設(shè)計有限公司,浙江 嘉興 314001;3. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 4. 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室,江蘇 南京 210098)

針對深部咸水層CO2地質(zhì)封存過程中流體的運(yùn)移和壓力的傳遞現(xiàn)象,利用美國Frio地區(qū)的CO2咸水層封存試驗實測數(shù)據(jù),建立二維多巖相結(jié)構(gòu)模型,模擬分析CO2地質(zhì)封存中CO2注入階段巖石孔滲性能的變化特征、巖層壓力增加的變化特征以及CO2羽流的演化規(guī)律。結(jié)果表明,超臨界CO2在驅(qū)替咸水溶液的過程中形成類似漏斗狀的擴(kuò)散暈,蒸發(fā)作用產(chǎn)生的鹽沉淀主要位于井附近的單氣相區(qū),隨著鹽沉淀的增加,井周圍的滲透率降低、壓力積聚;蓋層滲透性提高避免了儲層內(nèi)部出現(xiàn)過大壓力,但卻增加了泄漏的可能性。

深部咸水層;多巖相模型;固體飽和度;CO2羽流;蓋層壓力

CO2地質(zhì)封存的適宜場所主要包括不可開采的煤層、枯竭油氣藏和深部咸水層,其中深部咸水層因其分布面積廣、厚度大、儲存容量巨大且不能作為飲用水被開采使用，所以被認(rèn)為是最具潛力的封存場所[1-4]。大量的CO2注入深部咸水層中會引起一系列多尺度現(xiàn)象,包括大尺度空間范圍的壓力傳播、封存區(qū)域內(nèi)的流體運(yùn)移以及局部范圍的鹽析現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會對蓋層的力學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響,從而影響整個封存系統(tǒng)的安全性[5]。

CO2注入深部咸水層后主要以超臨界態(tài)存在[6]。而超臨界CO2在咸水層中的運(yùn)移又是一個極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程,該過程包括超臨界CO2和咸水層中原有咸水在多孔介質(zhì)中流動、礦物溶解和沉淀等緩慢地球化學(xué)反應(yīng)過程[7]，并且還涉及多組分多相態(tài)的非等溫滲流、對流和擴(kuò)散過程[8]。超臨界狀態(tài)CO2注入深部咸水層后,一方面會在壓力梯度和質(zhì)量濃度梯度的驅(qū)動下隨地下咸水在巖石孔隙中擴(kuò)散；另一方面由于超臨界CO2的密度小于咸水,因此會因浮力作用而向上運(yùn)動[9]。除此之外,CO2在巖石孔隙中流動時,會因為毛細(xì)壓力的作用而滯留在孔隙空間中[10]。這3種作用形式往往會同時存在,構(gòu)成非常復(fù)雜的運(yùn)移行為。同時,CO2在咸水層中的運(yùn)移行為還會受到多種地下環(huán)境因素的影響,比如地層溫度和壓力的變化會影響超臨界CO2的黏度,進(jìn)而改變其在巖層孔隙中的滲透性能。

隨著CO2地質(zhì)封存技術(shù)的發(fā)展,國際上對CO2在深部咸水層中的運(yùn)移規(guī)律有了較深入的研究,分別在現(xiàn)場試驗與觀測、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬方面取得了重大進(jìn)展[11-13]。1996年,在挪威的Sleipner天然氣田上開始了世界上第一項CCS(Carbon Capture and Storage)工程。在項目實施的同時,國際能源署(IEA)開展了SACA(Sleipner Aquifer CO2Storage)國際合作研究計劃,運(yùn)用地震波法進(jìn)行CO2遷移狀態(tài)的跟蹤監(jiān)測[11]。監(jiān)測結(jié)果表明，CO2注入后大部分CO2會逐漸上浮,達(dá)到上覆蓋層的底部并沿底部輪廓向四周擴(kuò)散。由此可以看出浮力在超臨界CO2運(yùn)移過程中起到極為重要的驅(qū)動作用。美國能源局于2004年在德克薩斯州的Frio地區(qū)開展了CO2咸水層封存的試驗性計劃[12],利用觀測井對各個階段的CO2(包括注入前、注入過程中及注入后3個階段)進(jìn)行水文和地球物理化學(xué)監(jiān)測。2004年,在阿爾及利亞的In Salah地區(qū)也開始咸水層的CCS項目,除了采用鉆孔和地震波法觀測CO2的運(yùn)移過程外,還首次運(yùn)用了衛(wèi)星影像技術(shù)進(jìn)行注入井附近地表位移的觀測[13]。

CO2的注入過程涉及流體的運(yùn)移和壓力的傳遞。本文將基于Frio場地的地層特征,通過分析注入階段巖石孔滲性能的變化特征、壓力增加的時間和空間變化特征以及CO2羽流的演化規(guī)律,研究CO2地質(zhì)封存對地層穩(wěn)定性的影響。

1 Frio場地區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 Frio場地簡介

Frio咸水示范試驗是德克薩斯美國資源公司在德克薩斯州南部油田開展的一項關(guān)于咸水層地質(zhì)封存的試驗項目。試驗過程中,每10 d內(nèi)注入1 600 tCO2到達(dá)1 500 m深的飽和咸水砂層中。該示范區(qū)采用一個注入井和一個觀測井,在注入前開展的活動主要為傳統(tǒng)場地特征描述技術(shù),例如區(qū)域地質(zhì)背景回顧、詳細(xì)區(qū)域地質(zhì)模型開發(fā)、巖心樣品實驗室分析、咸水樣品收集與化學(xué)分析等。在注入期間和注入后,通過觀測井對整個過程中CO2在地下的活動進(jìn)行監(jiān)測,獲得有關(guān)CO2在多個不同規(guī)?？臻g分布的信息,用以評估CO2地質(zhì)封存的長期穩(wěn)定性以及帶來的環(huán)境效應(yīng)。選擇Frio作為CO2地質(zhì)封存場所的優(yōu)勢在于:(a)該區(qū)域具有高滲透砂巖含水層,同時具有阻礙CO2向上部外滲的低滲透頁巖隔水層;(b)該場地位于已知的油田開采區(qū),具有較全面的地質(zhì)資料,而且現(xiàn)有的鉆井可在CO2地質(zhì)封存過程中重復(fù)使用;(c)CO2的排放源臨近該封存場所。

1.2 水文地質(zhì)特征

Frio咸水示范區(qū)位于高鹽地區(qū)的西南部,地層巖性在埋深方向呈現(xiàn)砂巖和頁巖分層結(jié)構(gòu)。砂巖層位于地表以下1 500 m,上部覆蓋有大范圍的低滲透性頁巖層。砂巖層由A、B和C這3類砂巖組成,并通過局部的頁巖層相互隔離。用于封存CO2的咸水飽和C類砂巖層,鄰近深度1 500 m的Frio巖層頂板。根據(jù)鉆孔資料獲得Frio示范區(qū)埋深方向的水文地質(zhì)參數(shù)。Frio咸水層埋深方向分層結(jié)構(gòu)的總厚度為60 m,自上而下分別為厚度8 m的A類砂巖、厚度6 m的頁巖、厚度12 m的B類砂巖、厚度10 m的頁巖以及厚度24 m的C類砂巖。其中頁巖層的滲透率為0.001 D,孔隙率為0.14;砂巖層的滲透率為0.2～3.7 D不等,孔隙率為0.23～0.35不等。

2 模型建立及參數(shù)概化

根據(jù)場地的鉆孔信息和水文地質(zhì)參數(shù)資料,建立以注入井為中心的二維多巖相物理模型,間距1 200 m,縱向埋深1 500～1 560 m。注入井處于C類砂巖層中心,埋深1 550～1 556 m,如圖1所示。作為CO2儲存層的C類砂巖層上部覆蓋有A、B類砂巖,分別有頁巖層隔離。對該二維模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分,深度方向根據(jù)厚度進(jìn)行等距離剖分,分為30層,每層2 m;水平方向采用關(guān)鍵區(qū)域加密方案進(jìn)行剖分,以注入井為中心逐步疏松,共分140層。整個模型共剖分為4 200個單元。

圖1 多巖相模型示意圖Fig. 1 Sketch of multi-lithofacies model

基于上述物理模型,通過TOUGH/ECO2N對咸水層CO2注入問題進(jìn)行計算和分析[14],采用的模型參數(shù)參考場地水文地質(zhì)資料。模型參數(shù)設(shè)置見表1,其中,λ為孔隙分布指數(shù);Slr為殘余液體飽和度;Sgr為殘余氣體飽和度;Sls為液體飽和狀態(tài)下飽和度;p0為進(jìn)氣壓力值;pmax為最大毛細(xì)壓力值;Sg為氣體飽和度;XNaCl為鹽度。將CO2以恒定速度注入埋深1.5 km的深部咸水層中,咸水層為均質(zhì)的各向同性砂巖層,厚度為24 m,注入井半徑為0.5 m。咸水層上部是由砂巖和頁巖組成的互層結(jié)構(gòu),可以形成多道屏障,阻礙CO2向上運(yùn)移。整個儲存體系上下邊界為隔水邊界,即不允許流體從該邊界處流出;另外,當(dāng)模擬進(jìn)行到一定時間時,CO2將運(yùn)移至左右邊界,而系統(tǒng)中所有網(wǎng)格的初始體積是一定的,這將導(dǎo)致CO2不能繼續(xù)向周圍擴(kuò)散而集聚于邊界上。模擬時將左右邊界設(shè)為第一類邊界,壓力不變,達(dá)到流體流出的效果。

表1 模型參數(shù)設(shè)置

注：(a)初始條件:靜水壓力分布,地溫梯度30 ℃/km,地表溫度10 ℃,Sg=0%,XNaCl=3.2%。(b)邊界條件 ：左邊界和右邊界為第一類邊界(定壓邊界),其他為零流量邊界。

其他相同參數(shù)設(shè)置如下:巖石顆粒密度2 600 kg/m3,巖層熱傳導(dǎo)率2.51 W/(m·℃),巖石顆粒特殊焓920 J/(kg·℃),CO2擴(kuò)散系數(shù)10-7m2/s,CO2注入速率1.85 kg/s。

圖2 管道模型示意圖Fig. 2 Sketch of tube model

本文在模擬過程中考慮了孔隙率的變化,即巖石孔隙率會隨著多相流運(yùn)移發(fā)生改變。采用Verma等[15]的管道模型(tubes-in-series)(圖2)描述孔隙通道并計算滲透率的變化,R,r分別為不同管道的孔隙半徑。CO2驅(qū)替咸水溶液的過程中,一方面會有部分CO2通過溶解作用進(jìn)入咸水溶液中;另一方面咸水中的水分會不斷進(jìn)入氣相CO2中。在注入井附近咸水溶液會出現(xiàn)超飽和狀態(tài)而發(fā)生鹽析現(xiàn)象。隨著鹽沉淀的不斷積累,孔隙空間會被堵塞,進(jìn)而改變巖層的孔滲性能。本文不考慮鹽沉淀運(yùn)動的影響,只考慮固相飽和度。鹽析的產(chǎn)生對巖層孔隙率的影響可以通過下式來表示:

(1)

式中:φ——巖層孔隙率φ0——巖層的初始孔隙率;Ss——固體飽和度。

式(1)中,滲透率隨固體飽和度值而變化,多孔介質(zhì)滲透率的值可通過式(2)計算:

(2)

其中

圖3 巖心滲透率比值與固相飽和度關(guān)系Fig. 3 Relationship between rock permeability ratio and solid saturation

式中:k——巖層滲透率;k0——巖層初始滲透率;?！罂讖焦艿篱L度與小孔徑管道長度的比值;φr——滲透率降為零時的孔隙率占初始孔隙率的百分比(本文中這2個參數(shù)均取值0.8)。

根據(jù)式(1)和式(2),計算得到鹽析對滲透率的影響,如圖3所示。從圖3可知,當(dāng)固相飽和度為0.2時(即孔隙率降為初始孔隙率的0.8),滲透率降為0。

3 固相飽和度分布及滲透率變化

早期注入階段,CO2驅(qū)替咸水的過程會伴隨氣-液相之間組分的轉(zhuǎn)移。在蒸發(fā)作用下,咸水溶液中的水分不斷進(jìn)入氣相中,咸水的鹽度不斷升高。當(dāng)咸水達(dá)到飽和狀態(tài)時,再注入CO2便會有鹽沉淀形成。這個階段對應(yīng)著固相飽和度的迅速上升,如圖4所示。在沉淀形成處,咸水被排干,固相飽和度保持不變。

圖4 注入井附近Ss隨時間變化的曲線Fig. 4 Variation of solid saturation Ssnear well with time

從圖5可以看出,產(chǎn)生鹽沉淀的位置處于注入井附近的單氣相區(qū)。初始注入的CO2蒸發(fā)了注入井附近咸水中的水分,導(dǎo)致該位置鹽沉淀的積累。如果鹽沉淀的量達(dá)到一定的值,會大幅度降低注入井周圍的滲透率,從而使流體的流動受阻。

圖5 固相飽和度分布云圖(注入100 d)Fig. 5 Distribution of solid saturation (100 days later)

4 CO2羽流的演變

超臨界態(tài)的CO2注入埋深達(dá)1.5 km的深部咸水層中時,會出現(xiàn)氣相CO2驅(qū)替液相咸水的過程。圖6為不同注入時刻氣相飽和度的分布特征,由于氣相中水分含量很少,該飽和度云圖可以看成是超臨界CO2的分布圖。

從圖6中可以看出,氣相驅(qū)替液相的過程如下:前期注入的CO2將注入井附近孔隙中的咸水排出,并占據(jù)孔隙空間;由于密度差的存在,CO2會在浮力作用下積聚于蓋巖層下,蓋巖層能有效地阻擋CO2繼續(xù)向上運(yùn)移;當(dāng)蓋層下方CO2積聚到一定量時,會在濃度梯度和壓力梯度的作用下在咸水中擴(kuò)散,并進(jìn)一步溶解于咸水中。大量CO2注入咸水層后會形成3個明顯的區(qū)域:單氣相區(qū)(超臨界態(tài))、氣-液兩相區(qū)和單液相區(qū)。氣相區(qū)主要分布在注入井附近,氣-液兩相區(qū)的分布與氣相飽和度的分布一致,兩相區(qū)外為原咸水構(gòu)成的單液相區(qū)域。

圖6 氣相飽和度分布云圖Fig. 6 Distribution of gas saturation

5 壓力變化的時空分布特征

CO2在儲層內(nèi)驅(qū)替咸水的同時會伴隨壓力的傳播,且壓力傳播的影響范圍遠(yuǎn)大于CO2驅(qū)替范圍。蓋層的水文參數(shù)會對壓力的傳播產(chǎn)生重要的影響。圖7為注入CO21 a后,不同蓋層滲透率kg下壓力增加(ΔP)的空間分布云圖。從圖7可以看出,蓋層滲透率較大時(10-1D),垂向壓力影響范圍擴(kuò)大至頂部巖層。在該種情況下,由于較多的咸水從儲層中運(yùn)移出去為CO2提供了空間,注入井附近壓力增加幅度相對較小。蓋層滲透率較小時(10-4D),阻擋了咸水的運(yùn)動,壓力集中在儲層內(nèi),對上覆巖層的擾動較小。其他兩種情況下,壓力傳播的影響范圍介于上述兩者之間。隨著蓋層滲透性能的增加,儲層中的咸水進(jìn)入上部砂巖層中的量也會增加,這樣可以避免儲層內(nèi)出現(xiàn)過大的壓力。

圖7 壓力增加空間分布云圖(注入1 a)Fig. 7 Distribution of space with increasing pressure (one year later)

圖8 注入井附近壓力增加隨時間的變化Fig. 8 Variation of pressure near well with time

圖8為不同蓋層滲透率下壓力增加隨時間的變化特征曲線。在注入井附近的位置,早期壓力會快速的增加,用于驅(qū)替注入井周圍的咸水;當(dāng)注入井附近咸水被排出后CO2有足夠的運(yùn)移空間時,再注入CO2就會相對容易很多,壓力就會慢慢下降。從圖8中可以看出,蓋層滲透率對注入井附近壓力增加的幅度具有很大影響,壓力增加的峰值隨著蓋層滲透率的增加而減小。此外,根據(jù)前文的分析可知,隨著CO2不斷驅(qū)替咸水,在注入井附近會伴隨鹽沉淀的形成。如果鹽沉淀的量達(dá)到一定的值,會大幅度降低注入井周圍的滲透率,使流體的流動受阻,從而導(dǎo)致壓力積聚。如果大量CO2注入蓋層滲透率極低的咸水層中,注入井附近及蓋層下部過大的壓力抬升可能會導(dǎo)致巖石的開裂,進(jìn)而引發(fā)泄漏,影響封存的有效性和安全性。

6 結(jié) 論

依托Frio CO2封存場地的水文地質(zhì)特征,通過數(shù)值模擬研究了CO2在咸水層中的封存過程。分析注入階段CO2羽流的運(yùn)移規(guī)律和壓力增加在時間和空間上的分布特征,以及鹽析現(xiàn)象對巖層孔滲性能的影響。

a. 超臨界CO2在驅(qū)替咸水溶液的過程中,受密度差、濃度差和壓力差的共同作用,因此在整個儲存區(qū)域會形成類似漏斗狀的擴(kuò)散暈。此外,以注入井為中心存在著3個明顯的區(qū)域:單氣相區(qū)、氣-液兩相區(qū)和單液相區(qū)。

b. 驅(qū)替過程中的蒸發(fā)作用會形成鹽沉淀,而且沉淀主要位于注入井附近的單氣相區(qū)。根據(jù)VP模型的固體飽和度和滲透率之間的關(guān)系可知,當(dāng)固體飽和度達(dá)到0.2時,滲透率降為0,從而使氣相的流動受阻,壓力積聚。

c. 蓋層滲透率對壓力的傳播會產(chǎn)生重要影響。隨著蓋層滲透性能的增加,儲層中的咸水進(jìn)入上部砂巖層中的量也會增加。從空間角度來看,滲透率為10-1D的蓋層,注入井附近的壓力積聚不明顯,壓力可以很好傳遞到上部巖層;滲透率為10-4D的低滲透蓋層,注入井附近壓力積聚明顯,壓力無法穿越蓋層傳遞到上部巖層。從時間角度來看,低滲透蓋巖層壓力積聚的速度要比高滲透蓋巖層快,短時間內(nèi)無法消散。

d. 封存場地蓋層的性能至關(guān)重要,一方面蓋層的低滲透性決定了CO2封存的有效性;另一方面過低的滲透性會導(dǎo)致儲層內(nèi)出現(xiàn)過大的壓力,引起巖石開裂,從而影響CO2封存的安全性。

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Effect of CO2geological sequestration in deep saline aquifer on formation pressure environment

HU Yejun1, 2, WANG Wei3, REN Jie1, 4, WANG Yuan1, 4

(1.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.ShijiDesign&ResearchInstituteofCommunications,Jiaxing314001,China;3.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;4.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,Nanjing210098,China)

The process of CO2sequestration in deep saline aquifers involves fluid migration and pressure transmission. Based on the field data of CO2sequestration in saline aquifers in the Frio region of the United States, a two-dimensional multi-lithofacies model was established. The variation characteristics of the rock permeability during CO2injection, the variation characteristics of the rock pressure, and the evolution of the CO2plume were simulated and analyzed. The results show that the formation of a funnel-shaped diffusion halo was observed when supercritical CO2displaced the salt water, and salt precipitation due to evapotranspiration mainly occurred in the single gas phase region near the well. As salt precipitation increased, the permeability near the well decreased and the pressure increased. If the permeability of the cap rock is improved, the pressure in the reservoir will decrease, but the possibility of leakage will increase.

deep saline aquifer; multi-lithofacies model; solid saturation; CO2plume; caprock pressure

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.06.007

2015-11-10

國家自然科學(xué)基金(51179060)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金(20110094130002)

胡葉軍(1988—)，男，浙江嘉興人，碩士，主要從事二氧化碳地質(zhì)儲存研究。E-mail:bigjun7732@163.com

王媛，教授。E-mail：wangyuanhhu@163.com

TE122

A

1000-1980(2016)06-0512-07