相對(duì)滲透率模型和毛細(xì)壓力模型中參數(shù)對(duì)含水層CO2封存中鹽沉淀的影響

吳傳明 向曉軍 趙銳銳

摘要：將CO2注入到深部咸含水層中，會(huì)產(chǎn)生鹽沉淀現(xiàn)象。在建立模型研究鹽沉淀現(xiàn)象時(shí)，相對(duì)滲透率模型和毛細(xì)壓力模型中參數(shù)的選擇會(huì)對(duì)鹽沉淀現(xiàn)象產(chǎn)生影響。本文采用數(shù)值模擬的方法，評(píng)估相對(duì)滲透率模型和毛細(xì)壓力模型中指數(shù)m，殘余水飽和度Slr和毛細(xì)進(jìn)入壓力P0這三個(gè)參數(shù)對(duì)鹽沉淀的影響。結(jié)果表明，指數(shù)m對(duì)鹽沉淀的影響最大，直接影響了鹽沉淀的分布及整體形態(tài)。m值越大，鹽沉淀的分布范圍越小，鹽沉淀總量越小。殘余水飽和度Slr對(duì)局部的鹽沉淀產(chǎn)生影響。Slr值越小，鹽沉淀區(qū)前緣的固體飽和度越大。毛細(xì)進(jìn)入壓力P0對(duì)鹽沉淀的影響最小。

關(guān)鍵詞：含水層;CO2封存;鹽沉淀;相對(duì)滲透率模型;毛細(xì)壓力模型

Abstract：?Injecting CO2 into the deep saline aquifer will result in salt precipitation. When studying the salt precipitation by models，the choice of parameters in the relative permeability model and the capillary pressure model will affect the salt precipitation. In this paper，the numerical simulation is used to evaluate the effects of index m，residual water saturation Slr and capillary entry pressure P0 in the relative permeability model and the capillary pressure model on salt precipitation. The results show that the index m has the greatest influence on salt precipitation，which directly affects the distribution and overall morphology of salt precipitation. The larger the value of m，the smaller the distribution range of salt precipitation and the smaller the total amount of salt precipitation. The residual water saturation Slr influences local salt precipitation. The smaller the Slr value，the greater the solid saturation of the leading edge of the salt precipitation zone. The capillary entry pressure P0 has the least effect on salt precipitation.

Keywords：?aquifer;CO2storage;salt precipitation;relative permeability model;capillary pressure model

1 引言

溫室氣體減排一直是國(guó)際社會(huì)持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題[1]。CO2是主要的溫室氣體。有學(xué)者提出可將CO2埋藏在地下，從而減少向大氣中排放，緩解溫室效應(yīng)[2，3]。深部咸含水層是封存CO2的有效場(chǎng)所之一，因?yàn)槠浞植挤秶鷱V，封存潛力巨大且技術(shù)上可行[2，4-7]。

當(dāng)CO2注入到深部含水層中后，在注入井周圍，CO2會(huì)驅(qū)替地層水，而地層孔隙中殘留的極少量地層水會(huì)慢慢溶解在CO2中，這樣當(dāng)鹽濃度達(dá)到最大飽和度時(shí)，固體鹽會(huì)在孔隙中沉淀。固體鹽沉淀會(huì)改變地層的孔隙度，從而進(jìn)一步對(duì)地層滲透性和CO2注入性帶來(lái)不利的影響[8，9]。

為了有效地封存CO2，一般要求將CO2注入到深度大于800m的地層中，此時(shí)CO2以不同于地層水的超臨界狀態(tài)存在，CO2在地層中的運(yùn)移涉及到多相流動(dòng)問(wèn)題。此外，已有研究表明，地層水向著注入井的毛細(xì)壓力回流會(huì)持續(xù)提供鹽成分，從而可能導(dǎo)致更多固體鹽沉淀[8]。因此，在建立模型研究鹽沉淀現(xiàn)象時(shí)，相對(duì)滲透率模型和毛細(xì)壓力模型中參數(shù)的選擇會(huì)對(duì)鹽沉淀現(xiàn)象產(chǎn)生影響。本文采用數(shù)值模擬的方法，評(píng)估相對(duì)滲透率模型和毛細(xì)壓力模型中三個(gè)參數(shù)對(duì)鹽沉淀現(xiàn)象的影響，為后人開(kāi)展鹽沉淀的模擬研究提供指導(dǎo)。

2 研究方法

2.1 模擬軟件

本研究采用數(shù)值模擬的方法，選用美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的TOUGH2/ECO2N軟件建立數(shù)值模型[10-13]。ECO2N是專門針對(duì)含水層CO2地質(zhì)封存開(kāi)發(fā)的，可用于模擬H2O-NaCl-CO2系統(tǒng)中的非恒溫多相流動(dòng)。

ECO2N可用來(lái)模擬固體鹽（NaCl）的溶解和沉淀，其中鹽沉淀用固體飽和度Ss表征，表示固體鹽占據(jù)孔隙空間的分?jǐn)?shù)。鹽沉淀會(huì)導(dǎo)致地層孔隙度降低，從而對(duì)地層滲透性產(chǎn)生影響。該軟件中，使用“tubes-in-series”模型模擬地層滲透率的變化[14]，具體表達(dá)式如下。

式中：——滲透率;——初始滲透率;——孔隙中固體部分的長(zhǎng)度比值;——滲透率減為0時(shí)的孔隙度與初始孔隙度的比值。

參數(shù)和需要在模型中給出，參考已有文獻(xiàn)[8]，分別取0.8和0.9。

2.2 模型建立

建立了一個(gè)輻射對(duì)稱狀二維模型，僅模擬砂巖儲(chǔ)層，厚度為100m，輻射半徑為100km（圖1）。水平方向上，一共剖分了102個(gè)網(wǎng)格，包括注入井半徑為0.1m，遠(yuǎn)離注入井方向網(wǎng)格空間逐漸增加。垂直方向上，平均劃分為50個(gè)網(wǎng)格。假定砂巖是均質(zhì)、各向同性的（圖1）。砂巖的孔隙度和滲透率分別為0.15和1.0×10-14m2，密度、熱導(dǎo)率和比熱容分別為2600 kgm-3、2.51 Wm-1℃-1和920 J kg-1℃-1。

假定地層最初處于飽水狀態(tài)，地層水鹽度（NaCl濃度）為20%。地層的初始?jí)毫?5MPa，溫度為80℃。CO2從砂巖底部注入，注入段長(zhǎng)度為50m（圖1），注入速度為5kg/s，注入時(shí)間為10000天。

相對(duì)滲透率函數(shù)使用van Genuchten-Mualem[15]和Corey[16]模型，毛細(xì)壓力函數(shù)使用van Genuchten模型，相關(guān)參數(shù)值見(jiàn)表1。本次研究主要評(píng)估相對(duì)滲透率模型和毛細(xì)壓力模型中三個(gè)參數(shù)對(duì)鹽沉淀現(xiàn)象的影響，分別為指數(shù)m，殘余水飽和度Slr和毛細(xì)進(jìn)入壓力P0。Oostrom等[17]綜述了四個(gè)實(shí)際地層上述三個(gè)參數(shù)的取值，模型取值介于四個(gè)地層實(shí)際參數(shù)值之間（表2）。

3 結(jié)果分析

3.1 鹽沉淀分布及固體飽和度大小

不同算例的鹽沉淀分布如圖2所示。從圖中可以看出，鹽沉淀主要發(fā)生在注入井周圍一定范圍內(nèi)。不同算例中，鹽沉淀外側(cè)邊界與注入井的水平距離基本相同。但是鹽沉淀分布的整體形態(tài)和固體飽和度大小相差較大。

在Base Case中，1000天時(shí)鹽沉淀距離地層頂部約10m，分布較為均勻，固體飽和度介于0.05-0.08之間，最大值為0.075，位于鹽沉淀區(qū)的上緣。10000天時(shí)，鹽沉淀發(fā)展到地層頂部，固體飽和度介于0.05-0.08之間，最大值為0.078。

相比Base Case，增加指數(shù)m值，導(dǎo)致鹽沉淀分布和固體飽和度大小發(fā)生明顯變化。在Case1-1中，1000天時(shí)鹽沉淀距離地層頂部約30m，固體飽和度介于0.04-0.06之間，最大值為0.06，位于鹽沉淀區(qū)的外邊緣。10000天時(shí)，鹽沉淀發(fā)展到地層頂部附近，固體飽和度分布不均，在注入井附近相對(duì)較小，最大值為0.11，位于鹽沉淀上緣。在Case1-2中，1000天時(shí)鹽沉淀距離地層頂部約40m，固體飽和度分布不均，最大值為0.06。10000天時(shí)，鹽沉淀尚未發(fā)展到地層頂部，距離地層頂部約20m，固體飽和度分布不均，最大值為0.085，位于鹽沉淀外緣。

在Case2-1和Case2-2中，降低氣體飽和度對(duì)鹽沉淀的分布沒(méi)有明顯的影響，但固體飽和度分布不均，注入井附近較小，最大值位于鹽沉淀區(qū)的上緣和外側(cè)緣。10000天時(shí)，Case2-1和Case2-2中，固體飽和度的最大值分別為0.1和0.122。

在Case3-1和Case3-2中，降低毛細(xì)進(jìn)入壓力對(duì)鹽沉淀的分布沒(méi)有明顯的影響。固體飽和度分布較均勻，但相比Base Case，最大固體飽和度隨P0減小而減小，10000天時(shí)，Case3-1和Case3-2中，固體飽和度的最大值分別為0.071和0.068。

3.2 鹽沉淀總量

不同模型的鹽沉淀總量見(jiàn)表3所示?？梢钥闯觯珻ase1-1和Case1-2的鹽沉淀總量相對(duì)較小。相比Base Case，10000天時(shí)鹽沉淀總量分別減少8.85%和9.85%。其他算例的結(jié)果與Base Case的很接近。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法，研究了相對(duì)滲透率和毛細(xì)壓力模型中指數(shù)m，殘余水飽和度Slr和毛細(xì)進(jìn)入壓力P0這三個(gè)參數(shù)對(duì)鹽沉淀的影響，結(jié)論如下：

（1）指數(shù)m對(duì)鹽沉淀的影響最大，直接影響了鹽沉淀的分布及整體形態(tài)。m值越大，鹽沉淀的分布范圍越小，鹽沉淀總量越小。

（2）殘余水飽和度Slr對(duì)局部的鹽沉淀產(chǎn)生影響。Slr值越小，鹽沉淀區(qū)前緣的固體飽和度越大。

（3）毛細(xì)進(jìn)入壓力P0對(duì)鹽沉淀的影響最小。

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