滞后现象对CO_2深部咸水层地质封存的影响

在CO2封存到深部咸水层的过程中,由于多相流体性质的不同,相对渗透率和毛细压力不仅和当前区域流体的饱和度有关,还和流体经历的过程及历史饱和度有关,在相对渗透率和毛细压力特征曲线中表现出滞后现象。作为重要的参数,大多数通用数值模拟软件并未考虑相对渗透率和毛细压力滞后的现象,然而实际中滞后现象对CO2在咸水层中运移变化具有重要的影响,特别是在停止注入后的吸湿过程中。设计两种方案分别对应无滞后效应和滞后效应,采用数值模拟的方法,利用TOUGH+CO2进行模拟。结果表明,相对渗透率和毛细压力计算函数的选择对模拟结果具有重要的影响。在盖层封闭性能较好的情况下,两种方案CO2封存总量相同,但封存CO2存在相态比例不同。由于方案中考虑的流体驱替过程不同以及模型区域残余气相饱和度的不同,相应的相对渗透率和毛细压力特征变化曲线不同,表现出CO2气相饱和度分布的差异,考虑滞后效应的方案描述了相对渗透率与毛细压力随气液两相相互驱替过程的变化,因此在咸水层封存CO2的数值模拟中,应该引入相对渗透率和毛细压力滞后现象相关的计算,使得描述CO2在地层中的运移变化过程更准确。     

苏北盆地盐城组咸水层CO2 地质封存泄漏风险的全局敏感性分析

      基于对苏北盆地盐城组下段沉积旋回地层概化,建立了一个含有断层的二维剖面模型,采用TOUGH2/ECO2N 程序对 注入到深部咸水层中CO2 的运移分布特征及沿断层的泄漏过程进行了数值模拟。结果表明,尽管盐城组下段地层具有3层旋 回结构且砂岩层属高孔高渗储层,但由于泥层厚度较小且渗透率相对较高,多层封盖效果不佳。在存在导通断层时,CO2 泄露风险较大。应用Morris 法以断层中气相CO2 总量作为输出变量,对模型参数进行了全局敏感性分析。研究显示,当仅 改变断层参数时,与毛细压力相关的参数对气相CO2 沿断层泄漏影响程度最高;当考虑系统参数整体变化时则以砂岩含水 层和泥岩的渗透率敏感性最高,其次为与毛细压力相关的参数（进气压力、残余液体饱和度及孔隙分布指数）。两种情形下 孔隙度与盐度的敏感性均很小。     

数值模拟在CO2地质封存示范项目中的应用

CO2深部咸水层地质封存被认为是减缓温室效应的一种有效的工程技术手段。针对神华鄂尔多斯105 t/a CO2捕集与封存(CCS)示范项目,用数值模拟方法对CO2在地层中的运移过程进行了详细地刻画,分析了CO2的流动迁移、地层压力积聚过程及地层封存潜力。数值模型不但可以为工程的顺利进行提供技术支撑,而且可以节省人力财力。首先,根据实际监测数据对模拟参数进行校准,得到了合适的压力拟合曲线,确定了主要的水文地质参数。然后,对为期3 a的CO2续注工程进行预测,详细分析了CO2的晕扩散、溶解情况、地层压力变化情况、储层封存潜力等。得到如下结论：CO2在3 a内的最大迁移距离约为350 m;水裂可以有效提高CO2的注入性;隔离层能有效防止CO2逃逸。研究表明,尽管鄂尔多斯盆地属于低渗咸水层仍然能够有效安全地封存CO2。     

江汉盆地江陵凹陷二氧化碳地质封存数值模拟

通过建立江汉盆地江陵凹陷新沟嘴组储层和盖层的二维模型,对江陵凹陷进行了CO2地质封存数值模拟研究,分析了注入CO2的运移分布和溶解扩散情况,并对储盖层垂直方向的渗透率进行了敏感性分析.结果表明,所建的二维模型能够较好地描述CO2在储层中的运移过程和分布状况,而且在实际地质封存工作中必须要考虑一些地质上的因素如储盖层的渗透率、毛细管压力、岩石矿物组分丰度等的变化对封存效果的影响.     

CO2深部咸水层封存选址的地质评价

深部咸水层封存是目前最具前景的CO2地质封存方式。本文通过调研CO2地质封存相关文献，对CO2咸水层封存选址地质评价依据进行分类，总结咸水层封存涉及的定量研究方法并探讨目前CO2地质封存中的不确定性问题。主要认识有：① CO2咸水层封存选址的地质依据可根据在评价中的作用分为两类，第一类是用于可行性评价的通用依据，第二类是用于进一步筛选优选靶区的封存适宜性和安全性指标，其中封存适宜性评价针对的是更加细致的储层特征（相较于可行性评价），而安全性评价则集中在盖层适宜性、场地地震安全性、水文地质条件、地面场地地质条件、储层盖层空间分布和构造六个方面；② 封存潜力评价方面，大范围的可行性评价可首选资料要求较低的面积法进行封存潜力评价，对小范围的优选靶区采取精度更高的容积法和包含更多封存机制的容量系数法；③ 目前CO2地质封存中的不确定性问题主要在于相同依据在不同评价方面产生的不同影响、CO2- 水- 岩反应对储集物性的影响、研究发现的特殊现象、多场耦合模拟研究不系统以及封存潜力计算中参数不确定问题。     

岩盐沉淀对咸水层二氧化碳地质封存注入过程的影响:以江汉盆地为例

依托江汉盆地基础地质和水文地质数据,通过建立新沟嘴组一维、二维径向数值模型,对该储层进行CO2封存注入数值模拟研究,分析二氧化碳注入储层后,咸水层中发生的地球物理化学作用.以CO2的溶解作用和岩盐的沉淀作用为主,分析它们对储层压力和注入性的影响.模拟结果表明,二氧化碳注入储层后,近井周围会形成3个分区,即纯液相区、两相混相区、盐沉淀区;盐沉淀会导致压力积累严重,影响CO2可注入性;对盐度的敏感性分析表明,咸水含水层盐度越大,压力积累会越严重.因此,江汉盆地CO2地质封存应考虑盐度的影响,采取相关缓解压力积累的措施.     

CO2地质封存室内实验中盐水种类对残余水形成的影响

在咸水含水层中进行CO2地质封存是通过向含水层中注入CO2驱走咸水实现的。在大部分地下水被驱走之后,仍会有部分地下水残留在原来的岩石孔隙中形成残余水。残余水的形成过程及残余水饱和度的大小对CO2地质封存潜力及地质封存安全性等都具有重要影响。本研究通过超临界CO2排驱饱水岩心实验,研究了盐水种类对残余水的形成过程及残余水饱和度大小的控制作用。实验结果表明,在盐水浓度相同（35 g/L）的情况下,超临界CO2排驱盐水的最终稳定不可再降的残余水饱和度是去离子水＜NaCl盐水＜CaCl2盐水。从实验结果看,超临界CO2排驱咸水的过程可划分为3个阶段,本文分别称他们为活塞式排驱阶段、携带式排驱阶段和溶解式排驱阶段。论文提出了一个毛细管模型,利用这一模型对这3个阶段中CO2排驱水的机理进行了分析。     

神华碳封存示范项目中CO2注入分布模拟

CO2咸水层封存被广泛认为是一种具有大规模温室气体减排潜力的地学前缘技术。选取中国第一个全流程CCS项目为研究背景,结合工程实际情况,选取鄂尔多斯盆地为具体研究对象,提取相关参数,建立相应的地质模型,通过数值模拟研究咸水层多层统注时CO2在咸水中的主要封存机制、CO2在地层中的运移分布特征及其与注入能力的关系,并观测由于CO2注入引起的地层压力、CO2摩尔分数、酸碱度等的变化情况,为方案的进一步优化奠定基础。研究表明,CO2注入咸水层后,大部分进入储层上部,且注入能力越大时,注入的层位越多,注入量越大;CO2在咸水层中的存在形式有自由态、束缚态和溶解态。所有探索性研究的目的是给示范性项目的未来提供一个良好的基础优化方案。     

鄂尔多斯深部咸水层CO_2地质封存效果评价

中国首个陆上咸水层CO_2地质封存全流程示范项目于2010年正式实施。为更加清晰、准确地了解注入场地储层的注入性能和注入封存过程中可能遇到的潜在问题,基于场地储层结构和注入监测数据,采用储层多相流模拟软件TOUGH2-MP/ECO_2N对鄂尔多斯105 t/a CO_2注入1 620 m以深的特低渗砂岩咸水含水层进行数值模拟,对储层的压力积聚和CO_2羽体扩散的动态演化以及储层封存量进行评估。结果表明,所建立的模型比较准确地反映了实际注入过程和注入效果。3a注入引起的最大压力抬升小于15 MPa,CO_2在含水层中总体呈均匀扩散,CO_2注入地下3a和53a后,羽体在刘家沟储层中的横向迁移距离分别为550 m和700 m左右。在目前的统注方案下,CO_2主要封存层位在储层上部的刘家沟组(埋深为1 690~1 699 m),其吸气量占整个储层封存量的80%以上,储层吸气能力具有由浅到深变差的特征。53a模拟期内,进入泥岩盖层的CO_2总量不及注入总量的0.05%。     

深部咸水层CO2地质储存地质安全性评价方法研究

CO2地质储存工程属于环保型工程项目,地质安全性是影响CO2长期封存的首要因素。深部咸水层CO2地质储存地质安全性影响因素主要包括盖层适宜性、场地地震安全性、水文地质条件、地面场地地质条件四个方面,其中盖层适宜性是CO2安全储存的最关键因素,场地地震安全性和水文地质条件次之,而地面场地地质条件也是影响工程施工的重要因素。本文基于CO2地质储存的地质安全性影响因素分析,建立了层次分析结构的地质安全性评价指标体系,并初步计算了评价指标的权重;提出可以利用模糊综合评价方法进行深部咸水层CO2地质储存地质安全性综合评价,为中国深部咸水层CO2地质储存的地质安全性评价方法和安全选址指明了方向。     

层状非均质性对CO_2在盖层中迁移泄漏规律的影响

盖层密封性能对CO_2地质封存工程的容量、经济性、安全性具有重要影响。盖层岩石具有明显的层状非均质特点,而这种层状非均质特点直接影响CO_2在盖层中的迁移与泄漏过程,从而影响盖层的密封性能。现有研究考虑了各向同性的非均质性对盖层密封性能的影响,但并未针对层状非均质性盖层展开相应的研究。建立了考虑孔隙度、渗透率和毛管压力参数变化关系的均质、非层状非均质和层状非均质3种盖层地质模型,并采用TOUGH2对统一边界条件的不同地质模型开展了数值模拟对比研究,分析了CO_2进入盖层、盖层内迁移和穿透盖层而形成缓慢泄漏的全过程。模拟结果表明:3种模型中,自由态CO_2饱和度分布与孔隙度、渗透率的分布基本一致;与均值模型相比,非层状非均质性会加速CO_2在盖层中的迁移,而层状非均质性将会阻碍CO_2在盖层中的迁移,增加穿透时间;与均质模型和非层状非均质模型相比,层状非均质模型将会大大降低CO_2的穿透盖层以后的泄漏速率和泄漏总量。针对建模和数值模拟过程中遇到的问题,提出了盖层地质建模过程中的一些局限性。其结果为更加客观和定量地评价CO_2在盖层内迁移规律及泄漏量奠定了一定的基础。     

深部咸水层二氧化碳地质储存场地选址储盖层评价

深部咸水层CO2地质储存属于环保型工程项目,开展地质评价来确定良好的储盖层是实现CO2地质储存长期、有效、安全封存的首要前提。储层地质评价内容主要包括储层的物理性质及其注入能力等;盖层地质评价内容主要包括盖层发育特征及封闭能力等。在规划选址到工程选址的不同阶段,储盖层评价的内容和对象应根据不同阶段的目的依次提高精度和量化程度。通过国内深部咸水层CO2地质储存工程场地选址阶段划分,结合储盖层地质评价的主要内容,初步建立了储盖层适宜性评价指标及其分级标准,对国内深部咸水层CO2地质储存工程场地选址中的储盖层地质评价及适宜性评价工作具有一定的指导意义。     

地质封存二氧化碳沿断层泄漏数值模拟研究

安全性和封存效果是二氧化碳（CO2）地质封存（GCS）最受关注的问题,其中以断层/裂缝引起的场地不确定性因素较为复杂。利用储层多相流模拟软件TOUGH2/ECO2N,研究了不同情境下注入深部咸水层中的CO2沿断层发生泄漏的时间、速率、泄漏量等特征。通过15个场地尺度的模型结果分析表明,CO2注入方案、断层性质（发育位置、产状、几何形态、内部结构）、系统内岩层的组合形态对CO2泄漏均有影响。相同储存环境和断层发育条件下,CO2注入速率从1.59 kg/s增加至6.34 kg/s,CO2泄漏时间提前3 706 d,泄漏量在20 a后增加至注入总量的32.43%。断层发育位置对CO2封存影响极为显著,本次研究,距注入井100 m位置的断层可造成CO2的泄漏量在20 a后高达总注入量的63.39%。相同条件下,倾斜/窄小的断层比垂直/宽厚的断层对CO2及储层咸水的泄漏影响更小。断层渗透率增加一倍,可导致CO2泄漏量增加2.11%,泄漏速率约提高0.006~0.01 kg/s。     

塔里木盆地奥陶系礁灰岩CO2毛细残余封存能力实验研究

实施CO2地质封存是目前公认的减少温室气体排放的有效方法。在可能进行封存的场所中,咸水含水层封存潜力最大,机理也最为复杂。其中毛细残余封存机理在封存量和封存安全性方面均具有十分重要的意义。在评价毛细残余封存量时,残余气饱和度是一个十分重要的参数。文中提出了测定残余气饱和度的实验方法,并实际应用于中国塔里木盆地奥陶系礁灰...     

TOUGHREACT搭接FLAC3D算法

多孔介质THM多场耦合分析在诸如核废料地质储存、干热岩和CO2地质埋藏等地质科学领域广泛应用,鉴于其计算的复杂性往往需要借助数值手段。基于角点-中心点网格转换以及三维三点拉格朗日插值方法,通过编制程序将TOUGHREACT和FLAC3D搭接,实现了多相多组分流体-温度-岩石力学的耦合计算分析。为了验证程序的效率及适用性,构建了Salah场地深部咸水层CO2储存数值模型,模拟CO2连续注入3a的地下流体运移和储、盖层的岩石力学变化,并将地表位移与inSAR实测值进行了对比分析。以此为基础进一步模拟了中国西部某盆地CO2地质储存三维筒注模型。结果表明:搭接程序能平滑连接TOUGHREACT和FLAC3D,其考虑岩石力学影响下的注入压力和地表位移等成果符合理论及实际监测规律,同时得到岩石孔隙率、渗透率随CO2注入时间增加而变大的结论。     

地下热-水动力-力学耦合过程数值模拟:以CO_2地质储存为例

在地下流动系统问题的研究中,热-水动力-力学(THM)耦合过程是研究的热点问题。在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH2的框架内,基于Biot固结理论和摩尔-库仑破坏判定准则,建立了THM耦合模型;采用积分有限差和有限元联合的空间离散方法,开发了THM模拟器TOUGH2Biot。该模拟器中热和水动力过程是全耦合,力学过程是部分耦合。通过与解析解的对比,验证了其正确性。基于鄂尔多斯盆地CCS示范工程,采用TOUGH2Biot研究了CO2注入地层后的THM响应。结果显示CO2的注入引起流体压力急剧增加,地层有效应力减小,地表隆起,隆起大小在几十个厘米,同时孔渗增加,利于CO2注入引起的压力上升向外消散。CO2注入最有可能导致剪切破坏的位置位于最大速率注入点上部盖层,其次为靠近地表的位置。     

CO_2注入下岩层变形和流体运移分析(I):两相流-岩层耦合模型

目前国内关于CO2咸水层封存尚处于先导性和试验性研究阶段,对超临界CO2注入过程中岩层力学响应和流体运移的理论与技术方面的认识还不完善。为研究CO2注入下岩层变形和流体运移,基于两相流动数学模型,给出了超临界CO2和咸水质量守恒方程;采用毛细压力和有效饱和度的关系式,将质量守恒方程变换成以毛细压力为变量的表达式,以便于考虑流体压力对岩层的影响。提出了无流体压力影响下的岩层力学本构模型,该模型能够同时考虑岩层的塑性变形和损伤。分析了两相流体-岩层相互作用机制:一方面,采用有效应力原理,考虑流体压力对岩层的力学影响;另一方面,通过岩层固有渗透率变化考虑岩层变形对流体运移的影响。     

深部咸含水层CO2注入下压力抬升与流体迁移的大尺度模拟研究:以松辽盆地为例

地下深部封存CO2已经被公认是人类削减温室气体排放的一条有效而又科学的途径。深部咸含水层CO2地质封存因封存潜力巨大,技术可行,且已有实际的工程运行,因而备受关注。松辽盆地是中国潜在的CO2储存场地之一,选择松辽盆地为大尺度模拟研究对象,选取姚家组砂岩层为储层,选取嫩江组泥岩为盖层,运用TOUGH-MP并行计算代码建立了覆盖整个松辽盆地的三维地质模型,在中央凹陷区开展大尺度CO2注入模拟研究,包括CO2运移、储存、地层压力提升以及储存安全性等问题。模拟结果表明:持续注入100a后形成的CO2羽远小于产生的压力积聚区影响范围。注入产生的压力抬升将在注入停止后迅速消散,不会对区域地层压力和浅层地下水系统产生显著影响。在千年之内注入的CO2将随着时间持续,逐渐溶解于水中,而不会因盖层微弱的渗透性而逃逸。     

注入速率对CO_2地质储存封存潜力的影响分析

国内某著名煤炭企业计划实施每年10万吨的CO2地质储存（CCS）项目,拟选了5组地层做为目标储层。但所选封存层平均渗透率在0.15~0.6mD,平均孔隙度在2~6%,属于低渗低孔地层,如不进行人工压裂提高注入层渗透率,要实现预定存储目标尚有一些困难。笔者在研究中发现,除对目标层进行一定的水裂酸化处理提高地层渗透特性可以显著提高注入性和存储能力外,CO2注入速率的变化对地层的封存能力和注入性也有明显影响。运用TOUGH2-ECO2N软件分别模拟了无水裂及水裂情况下8种不同注入速率下这些目标存储层的压力变化及CO2封存状态比例及理论最大封存能力。模拟结果表明使用水裂酸化方法对储层进行处理后,不仅可以使注入总量达到项目要求,还可使系统理论最大储存能力提高55%;并且在灌注过程中采用变速灌注方式,可以有效控制系统压力积聚,对将来实际灌注压力控制具有重要意义。     

绿泥石对CO2-水-岩石相互作用的影响

为了解关键性矿物在“超临界CO₂-水-岩石”系统中的地球化学作用,利用先进的数值模拟软件TOUGHREACT,结合我国鄂尔多斯盆地深部咸水含水层的基础地质条件,建立一维垂向模型,研究了盖层中绿泥石含量分别为3%、9%、15%时对CO₂-水-岩石相互作用的影响.发现CO₂进入盖层后,盖层的矿物成分和渗透率发生了较大变化.当绿泥石体积分数为3%时,盖层渗透率在5 000 a期间一直处于增大状态,不适合CO₂封存;当绿泥石体积分数为9%和15%时,盖层渗透率呈现先增大后减小的趋势,产生自封闭现象,有利于CO₂封存.结果表明,绿泥石的溶解为盖层中钙蒙脱石、铁白云石、片钠铝石、菱镁矿的沉淀提供了必要的Mg2+、Fe2+、AlO₂-等离子.绿泥石含量越多,CO₂矿化捕集量越大,盖层的自封闭效应越明显,其渗透率最大减少10%.本研究结果可为CO₂地质封存的长期性和稳定性评价提供理论依据.