咸水层CO2 矿物封存数值模拟研究进展

CO₂ 咸水层封存是目前减少CO₂ 排放的最有效方法之一。矿物封存由于其稳定持久而被认为是最安全的封存形式,
因此矿物封存成为目前CO2 咸水层封存研究的重点。在CO2 咸水层封存过程中由于发生的化学反应非常缓慢,数值模拟是目前
最主要的研究手段之一。概述了国内外CO₂ 咸水层矿物封存数值模拟方面的研究成果,着重分析了两大类储层(砂岩层和碳酸
盐岩层)在封存CO₂ 过程中的地球化学反应以及化学反应对储/盖层的影响,同时对矿物封存数值模拟中的影响因素进行了总
结。最后阐释了目前矿物封存数值模拟研究存在的难点和困难,认为不确定性分析将是未来需要重视的研究方向。      

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。      

砂岩含水层CO2封存中考虑盐沉淀反馈作用的数值模拟: 以鄂尔多斯盆地为例

盐沉淀是含水层CO₂封存中需要关注的问题。当前，大多数数值模拟没有考虑盐沉淀引起的地层孔隙度和渗透率变化对流体流动的反馈作用。以鄂尔多斯盆地刘家沟组地层为例，利用TOUGH2软件建立了一个二维模型。通过修改程序源代码，使得模型能考虑盐沉淀对流体流动的反馈作用。模拟结果表明，刘家沟组地层在CO₂注入20 a时，盐沉淀的反馈作用使得注入井附近地层压力提升达到了0.87MPa，储层注入性损失7.17%。地层水盐度对盐沉淀及其反馈作用的影响最大，CO₂注入速度的影响次之，地层渗透率的影响最小。在地层水盐度较高时，固体盐饱和度显著增加，从而造成地层渗透率明显下降。当地层水盐度为0.24时，盐沉淀造成注入性损失45.32%，引起的地层压力提升达到了12.14MPa。因此，需要特别关注高盐度地层水引起的盐沉淀及其反馈作用。      

准噶尔盆地克拉美丽气田复杂火山岩储层特征及控制因素

通过分析岩心、镜下薄片及铸体薄片观察,从火山岩岩性岩相特征、储层孔渗条件、孔隙类型等方面研究了准噶尔盆地
东部克拉美丽气田石炭系火山岩储层特征,探讨了火山岩有利储层空间类型、物性条件和可能的控制因素。研究表明:区内火山
岩储层岩性主要为中基性玄武岩、安山岩和少量酸性流纹岩、火山碎屑岩以及正长斑岩等浅成侵入岩,且岩性的不同影响储层物
性条件和储存效果。各岩性储层孔渗性变化范围较大,以火山角砾岩(平均孔隙度为12.42%,渗透率为0.796×10-3μm2)和玄
武岩(平均孔隙度为10.73%,渗透率为0.289×10-3μm2)最优。整体孔渗类型包括:较高孔-中渗;较高孔-低渗;中孔-低渗
和中低孔-低渗多种类型,总体表现为低渗透(<1×10-3μm2)的储层特征。储集空间属于孔隙-裂缝双重介质型,主要的孔缝
组合为:构造缝-溶蚀缝-溶蚀孔,原生气孔-构造缝-溶蚀缝-溶蚀孔和晶间孔-溶蚀孔。火山岩的岩性岩相、火山喷发的环
境以及火山岩的后期改造是影响储集性能的重要因素。      

CO2-水-岩相互作用对盖层渗透率影响的数值模拟

针对我国江汉盆地深部含水层的基础地质和水文地质条件,运用国际先进的反应溶质运移数值模拟软件TOUGHREACT
建立垂向一维模型,探索研究了CO₂ 进入盖层后,CO₂-水-岩相互作用对盖层渗透率的影响。模拟结果表明,CO₂进入盖层
后,会使pH值降低,导致矿物组分和渗透率的变化。模拟5000a后,盖层底部和顶部渗透率分别增加了10%和6.7%,主要是由
石膏在该处的溶解以及菱镁矿未能沉淀造成的;盖层中部渗透率降低了约6.7%,主要是因为铁白云石和菱镁矿在后期发生了沉淀;
绿泥石的溶解为铁白云石和菱镁矿的沉淀提供了必要的Mg2+ 和Fe2+ 离子来源,对盖层渗透率的变化起到了至关重要的作用。      

VG模型参数选择对咸水层CO2 封存的影响研究

在使用TOUGH2程序模拟咸水层CO2 封存时,常使用VG模型计算岩石表面毛细压力,而岩石表面毛细压力的大小
则会直接影响CO2 在咸水层中运移形式和储存量。总结了不同类型常见砂泥岩的VG模型参数取值范围,基于松辽盆地典型储
盖地质结构特征,运用TOUGH2构建了二维CO2 封存模型,设计3组算例对比分析了VG参数取值对咸水层CO2 封存的影响。
研究结果表明:VG模型参数值大小取决于岩石的性质,TOUGH2使用的VG模型缺省值仅适用于小部分岩石;盖层的3个VG
模型参数取值对咸水层CO2 封存效果影响很大,单纯微调部分VG参数仍不能提高模拟可信度,而对于高、中渗透率储层,VG模
型参数取值对模拟结果影响较小。因此,咸水层CO2 封存模拟时,应结合储盖层岩性特征赋VG模型参数值。      

二氧化碳羽流地热系统中井间距和储层渗透率对热提取率的影响:以松辽盆地为例

二氧化碳羽流地热系统(CPGS)是一种新的地热能的开采技术,其以超临界CO₂作为地下热能载体,利用天然孔隙介质,实现深部地热资源的提取与CO₂地质储存的双重目的。以松辽盆地中央凹陷区泉头组三、四段为目标储层,运用TOUGH2/ECO2H软件建立了平面二维羽流地热模型,且对地下载热流体进行了数值模拟,定量分析了注入井与生产井井间距离以及储层渗透率对热提取率的影响。模拟结果显示,羽流地热系统的热提取率随着注入井与生产井的井间距离和储层渗透率的增大而增大。为提高CO₂羽流地热系统的能量输出,应选择“中等渗透率(模型为10-15~10-14m2)、注入井与生产井的井间距离长(模型为707.10 m)”的地层作为热储层。      

唐山曹妃甸浅层水咸化机制及反向模拟

采集了唐海至渤海湾剖面的13组水样,分析了研究区浅层地下水的化学特征及成因机制。运用Phreeqc软件反向模拟
了地下水流路径上浅层微咸水(咸水)的补给机理及咸化过程。结果显示:浅层地下水由北向南,ρ(TDS)由0.36g/L逐渐上升到
39.2g/L,水化学类型从HCO3·Cl-Ca·Mg·Na型过渡为Cl·HCO3-Na型再转变为Cl-Na·Mg型。微咸水形成以咸淡混合
为主,期间伴随着岩盐、斜长石、CO2、高岭石、钾长石、石膏的溶解及钙蒙脱石、方解石的沉淀析出。咸水形成初期主要受海水入
侵影响,后期受蒸发作用影响又进一步咸化。      

漠河盆地上侏罗统额木尔河组陆相泥页岩孔隙结构特征

通过氩离子抛光-扫描电镜、低温N₂和CO₂气体吸附、覆压孔-渗、X-射线衍射和有机地化等分析测试,对漠河盆地上侏罗统额木尔河组陆相泥页岩孔隙结构特征开展了系统研究。研究表明:额木尔河组泥页岩孔隙类型以长石溶蚀孔、黏土矿物晶间孔和粒间孔为主,整体上由介孔和宏孔构成;泥页岩孔、渗性较差,氦气孔隙度为0.167%~5.69%、覆压渗透率为0.000 513×10-3~0.050 38×10-3μm2;有机质成熟度未达到热裂解干气阶段,限制了有机质孔隙的发育;长石溶蚀孔普遍发育,长石含量与介孔孔容呈负相关,表明部分介孔的形成可能与长石溶蚀作用有关;伊利石晶间孔主要提供微孔体积,而伊蒙混层相关孔隙则可能是介孔的主要贡献者;张性和剪切构造裂缝的普遍发育,有利于改善泥页岩储层的孔隙结构和渗流能力。综合分析表明,分布于滨黑龙江隆起中东部、埋藏较深的(约800 m以下)高成熟页岩更适合开展进一步的页岩气评价和勘探工作。      

贵州丹寨南皋下寒武统牛蹄塘组黑色页岩孔隙结构特征

页岩孔隙结构特征研究对页岩含气性评价具有重要意义。以上扬子东南缘南皋剖面下寒武统牛蹄塘组页岩储层为例,
应用场发射环境扫描电子显微镜观察了页岩纳米级孔隙微观形态,通过低温氮气吸附法测定了页岩的氮气吸附等温线,并结合X-
衍射矿物定量分析和有机碳含量测定,探讨了纳米级孔隙发育的控制因素。研究结果表明:矿物成分主要为黏土矿物(伊利石和
少量绿泥石)、石英、长石、重晶石和石膏等。石英含量相对较高且沿剖面向上降低,wB 平均为53%;相反,黏土矿物含量较低且沿
剖面向上增加,wB 平均为34%;碳酸盐矿物较少,仅在顶部可见。页岩主要发育粒内孔、粒间孔、裂缝和有机质孔4种孔隙类型,
其中前两者较为常见。根据氮气吸附-脱附曲线、孔径分布特征、孔体积和比表面积可将样品划分为4类黑色页岩,孔隙以似片
状颗粒组成的非刚性聚合物的槽状孔为主,前3类黑色页岩的孔径分布呈双峰形态,第4类黑色页岩的孔径分布呈单峰形态,最
可几孔径分别为d≈0.9nm和d≈3.5nm。孔体积在0.0028~0.0243cm3/g之间,平均为0.0147cm3/g,比表面积在1.0568
~28.8250m2/g之间,平均为17.5418m2/g,4类黑色页岩微孔频率分布依次减小,而介孔和宏孔频率分布逐渐增加,即微孔性
逐渐变差,至第4类黑色页岩几乎只有宏孔孔隙。有机质丰度和矿物组分控制丹寨南皋牛蹄塘组黑色页岩的孔隙发育,其中有机
质有利于孔隙发育且有机质微孔是孔体积和比表面积的主要贡献者;石英有利于孔隙发育,而黏土矿物则降低黑色页岩的孔隙
性;它们均主要通过控制微孔和介孔的发育来控制黑色页岩的孔隙发育。