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。     

CO2地质封存时移垂直地震监测技术

神华CO2捕获和封存（carbon capture and storage,CCS）示范项目是我国首个全流程煤基CO2捕获和在低孔低渗深部咸水层进行多层注入的CO2封存示范项目,意在通过时移垂直地震（VSP）监测CO2地质封存状况。介绍了CO2地质封存时移VSP技术和监测效果。通过注气前后3次VSP观测,得到了高品质时移VSP资料,研究了一致性处理技术、矢量波场分离和多波成像技术,获得了高分辨率的多波时移VSP剖面,通过深度域标定和多种属性解释对比,分析了注气前后VSP地震响应特征,预测了CO2地下运移范围,达到CCS项目预期监测目标。结果证明,时移VSP技术是监测CO2地质封存与运移的有效技术手段。     

二氧化碳地质封存瞬时非达西流井筒泄漏模型研究

二氧化碳地质封存的有效性和持久性依赖于地层的完整性,废弃井的存在是潜在的CO2逃逸路径,需要了解流体在井中的流动过程,才能确保封存的安全性。使用最近开发的TOUGH2系列软件的T2Well/ECO2N模块进行研究,此模块利用DFM模型(Drift Flux Model)考虑流体的相间滑移过程,能够更为精确地描述高速多相井流过程。笔者以我国首个CCS示范项目———神华10万吨/年CCS项目为背景,对CO2潜在的井泄漏情况进行了模拟研究,了解泄漏过程中压力和流体速度等参数的变化过程,并对系统压力、盐度(井底增加0.1MPa、1Mpa和改变储层盐度)参数进行了敏感性分析。结果表明:井筒中的流体传播速度极快,难以用达西流描述;井筒浅部出现二氧化碳的相态转变;二氧化碳的大量累积使得气体饱和度、压力、气液相流量和密度等参数出现明显波动;压力和盐度的是气液相流量和流速的敏感参数。     

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。     

深埋炭质板岩隧道的大变形分级研究

为合理实现炭质板岩隧道的大变形分级,以木寨岭隧道大变形段五个监测断面的监测成果为基础,利用极限位移准则实现其现状分级,利用递进优化思路构建隧道大变形预测模型,并根据外推预测结果的速率均值实现大变形发展趋势分级。结合隧道大变形的现状分级和发展趋势分级结果,开展隧道大变形发育程度的综合评价。实例分析表明：在大变形现状分级过程中,不同位置处的大变形等级存在一定差异,其中,以DK180+960 m断面的大变形程度相对最为严重,属Ⅴ级-极严重,其余四个断面的大变形等级为Ⅳ级-严重;通过发展趋势分级,得DK180+940 m断面和DK180+960 m断面的大变形发展趋势等级为2级,其余三个监测断面属1级,均具持续增加趋势,趋于不利方向发展。结合前述大变形现状分级和发展趋势分级结果,综合得出DK180+960 m断面的大变形最为不利,其次是DK180+940 m断面,其余三个断面的大变形程度相似。因此,可根据断面的大变形综合评价结论来制定具有针对性的防治措施,以达到优化现场防治措施的目的。     

GMS软件技术在原油泄漏对地下水污染状况模拟评价中的应用

当前中国对能源的需求日益增加,油品储罐也向着大型化方向发展,大型的油罐装置如果发生原油泄漏会对地下水造成严重污染。本文以某石化项目炼油厂油罐爆炸事故为例,结合炼油厂周边的水文地质条件,运用GMS软件建立地下水数值模型,研究事故工况下原油泄漏在地下水环境中的浓度变化情况,分析并预测地下水在一定时间内受污染的情况,对原油泄漏对项目区地下水的污染进行定量评价。模拟结果表明,在风险事故工况下,以20 a为最长预测期可以发现原油污染的影响范围为312.2×104m~2,运移距离为1 736.19 m,平均扩散速率为15.61×104m~2/a,平均运移速率为86.81 m/a,事故发生后,污染物进入地下水含水层中的浓度逐渐升高,污染影响范围随着时间推移逐步扩大,污染物长期平均扩散与运移速率会小于短期平均速率,原油在预测期内均有超标现象,污染事故具有长期而缓慢的危害性。     

日本苫小牧CO2海底地质封存监测技术分析及其启示

海洋二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)是应对全球气候变化、减排温室气体CO₂的关键技术之一,也是实现中国碳中和目标愿景解决方案的重要组成部分。中国近海沉积盆地封存潜力巨大,2022年中国首个CO₂海底地质封存示范工程已在南海珠江口盆地咸水层中正式启动。日本苫小牧咸水层封存项目作为迄今为止亚洲最成功的海底封存项目,其CO₂封存监测工作为我国离岸封存项目的开展提供了重要的实践参考及技术指导。文章全面回顾了苫小牧CCS项目案例情况,对项目执行、场地监测内容及布点、监测设施及技术、监测结果等进行分析,总结苫小牧CCS项目的成功经验,以及陆—井—海结合一体化的多层次、全方位的监测体系,旨在助力中国海上CO₂封存项目顺利运行,确保海洋生态环境安全。     

CO_2地质封存四维多分量地震监测技术进展

CCS技术是目前公认的快速减缓温室效应的最有效方法,CO2地质封存是CCS技术最核心的问题之一,监测CO2地质封存的安全性贯穿于CO2注入过程中与封存以后。四维地震监测技术是监测CO2是否泄漏、证实CO2封存安全性最有效的技术手段。常规四维地震技术通过对比CO2注入前后及注入不同阶段2次或者多次三维地震纵波振幅差异与旅行时差异,确定CO2在地下分布。而纵波振幅或旅行时差异是CO2饱和度与孔隙压力的综合反映,单纯的纵波信息难以区分饱和度与压力信息。目前,四维多分量地震监测技术的潜力并未挖掘,由于横波速度对于压力敏感,利用四维转换波信息监测CO2地质封存,可以识别注入CO2的压力分布范围。对于各向异性介质的储层,对比一次地震观测PS1,PS2旅行时、振幅差异与2次地震采集之间PS1,PS2旅行时、振幅差异,还可以有效确定注入CO2前与注入期间储层裂隙、裂缝的变化,以及储层与盖层的应力状态。四维多分量地震资料结合岩石物理资料和全波列测井资料,可以更准确地确定可能的CO2泄漏风险区域,更加可靠地评估CO2地质封存的安全性。     

玄武岩CO2 地质封存研究进展

玄武岩CO2 地质封存相比于常规的封存技术（如驱油驱气注入封存和深部咸水层封存）,具有能促进快速碳矿化、封存效果长期且安全及封存容量巨大等明显优点。目前玄武岩CO2 封存理论方面的研究已经取得了大量进展：① 对常见主要成岩矿物的封存能力进行了排序;② 进一步了解玄武岩的矿物成分、玄武岩层内孔隙分布特征及其形成机理;③ 完善了对玄武岩CO2 封存机理、反应速率及影响因素等方面的认识;④ 查明了玄武岩在地球上的分布并评估了各种典型玄武岩的封存潜力;⑤ 发现适合于CO2 封存的场地主要包括大陆溢流型玄武岩、洋底高原玄武岩和洋中脊玄武岩等三种类型,并对目标储层选择提出了初步评价标准。本文在综述玄武岩固碳机理、玄武岩CO2 地质封存潜力及封存场地与目标储层选择的基础上,介绍了世界上已有的三个玄武岩CO2 地质封存工程示范项目：冰岛Carbfix、美国Wallula和日本Nagaoka,探讨了玄武岩CO2 地质封存存在的若干问题：① 反应速率受多种因素影响,对最终封存效果起着决定性作用;② 堵塞或压裂和保护层会影响注入封存的稳定性或可持续性;③ 封存潜力评价方法和结果不同;④ 封存场地选址和储层选择缺乏统一标准与规范;⑤ Carbfix方法的使用受限。     

国内外地震液化场地特征对比研究

收集整理了阪神、通海、唐山、集集以及海城地震等5次大地震的液化资料,对比分析了场地特征,剖析了其差别和联系。分析结果表明,几次地震中液化层埋藏深度、液化场地地下水位深度差异明显,液化层和地下水位分布范围从小到大依次为通海地震、唐山地震、阪神地震和集集地震,液化层分别主要集中在0～2、2～6、4～6、2～8 m间,地下水位则分别主要集中在0～1、1～2、1～3、1～3 m间;集集地震液化层埋深和水位均分布最广,液化层埋深分布在0～20 m,地下水位则分布在0～9 m范围;几次地震液化层标准贯入击数集中范围相似,主要在5～15击之间,但范围差异显著,通海地震虽然地下水位和液化层埋藏深度最浅,但标贯击数均值最大,而集集地震标贯击数范围最广,最大超过30击;几次地震液化层剪切波速变化范围差异明显,海城地震在150 m/s以内,阪神地震集中在150～200 m/s,而集集地震集中在150～250 m/s,其均值接近200 m/s,且有波速250 m/s左右液化场地存在,以往认为场地剪切波速210 m/s以上可不考虑场地液化的认识有误。     

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。     

鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO₂到深部咸水层(CO₂地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO₂向大气排放的途径。CO₂地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO₂在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO₂捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO₂注入后地层中的温度、压力、CO₂饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万 t/a的CO₂注入量;压力上升的范围远远大于CO₂运移和温度降低的范围,注入20 a后,其最大距离分别达到接近边界10 km、620 m和100 m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14 m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO₂注入能力。     

Status and Advances of Abandoned Process of Wells for CO2 Geological Storage

With the rapid development of CO₂ geological storage and utilization (CCS/CCUS), the abandoned well in the sites of CCS/CCUS projects is becoming an important subject to be solved to check whether it can effectively block the residual CO₂ or not. Up to now, the abandoned process of wells in the field of oil and gas in China and abroad have gained mature operation technology and rich experience. However, in the field of CCS/CCUS, there is only a small number of global public instances about the abandoned process of operational wells of CO₂ including CO₂ injection wells and CO₂ monitoring wells, and the domestic instance is still blank. In this paper, we firstly summarized the required demands, materials, cases of operational experiences, and monitoring requirements of the abandoned process of operational wells of CO₂ in the developed countries, e.g. the Netherlands, the United States and Canada. Then, we figured out the status of the abandoned process of domestic wells in oil and gas industry. Finally, we concluded the differences of the abandoned process between operational wells of CO₂ and traditional wells of oil and gas, and proposed some recommendations for the abandoned process of operational wells of CO₂ in the current and future CCS/CCUS projects in China. This study has important implications for the upcoming abandoned process of all the operational wells at Shenhua CCS demonstration site in 2016.     

Carbon capture and sequestration versus carbon capture utilisation and storage for enhanced oil recovery

There are 74 integrated carbon capture projects worldwide currently listed by the Global CCS Institute, including the few already running and those still at the identification, evaluation, definition or execution stage for operation by 2018. Significant funding programmes have recently been launched by the European Commission (NER300 in November 2011) and by the UK Department of Energy and Climate Change (CCS Commercialisation Programme in April 2012) for commercial demonstration projects leading to innovation across the CCS/CCUS technology chain to reduce energy system costs. In their calls for proposals, these programmes were open to both CCS and CCUS projects. However, there are significant technical and commercial differences between projects for enhanced oil recovery and those for permanent storage of carbon dioxide in saline aquifers or in depleted hydrocarbon reservoirs, the same way that there exist more complexities and limitations for offshore implementation. Such differences are accompanied by different levels of field verification of the various storage and utilisation concepts, with permanent sequestration having only a more recent history and smaller-scale implementation. In this scenario, the need for appropriate due diligence workflows and screening criteria to assess the technical viability and the deliverability of different CCS/CCUS projects remains crucial, vis-à-vis the high component costs, efficiency penalties, reservoir uncertainties and the many challenges related to full chain integration (from carbon dioxide capture to underground sequestration). Based on information in the public domain, this paper reviews the current status of offshore CCS/CCUS implementation worldwide and discusses screening criteria for use by governments, operators and investors alike.     

咸水层CO2地质封存地下利用空间评估方法研究

咸水层CO₂地质封存技术是我国实现碳中和目标的重要支撑技术,也是一项深部地下空间开发利用技术。咸水层CO₂地质封存工程利用的深部地下空间,需要在确定CO₂羽流、扰动边界和经济因素“三级边界”的基础上进行综合评估。以我国唯一的深部咸水层CO₂地质封存项目——国家能源集团鄂尔多斯碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage, CCS)示范工程为实例,基于封存场地储层CO₂羽流监测以及扰动边界的推断预测结果综合评估,认为示范工程平面上4个1'×1'经纬度范围可作为地下利用空间平面边界,垂向上以纸坊组顶界(深度约958 m)为地下封存体顶部边界,以深度2 800 m为底板封隔层底界。提出的咸水层CO₂地质封存地下利用空间评估方法,能够为未来封存工程地下利用空间审批与监管提供一定参考,但也需要进一步结合已有法律法规及规模化封存工程实践完善提升。     

定福庄地热试验井成井工艺研究

JR-121井位于北京市定福庄南里,开采蓟县系雾迷山组1600m以深热储层的岩溶裂隙水。该试验井施工使用GZ-2000型水源钻机,TBW-850/50型泥浆泵,钻探深度2202.98m。成井过程中,根据不同层段,采用不同成井工艺,在目的含水层的上覆非取水层段,采用分级下套管及水泥封闭的方法进行止水,泥浆与回旋方法钻进;在取水段,采用裸眼孔底钻铤加压、泥浆护壁与回旋钻进。洗井工艺上,采用酸化、液态CO2和空压机引喷相结合的联合洗井方法。使用此成井工艺,止水效果良好,达到了开发岩溶裂隙地热水的目的。     

二氧化碳地质存储过程中沿井筒渗漏定性分析

二氧化碳沿井筒渗漏是二氧化碳地质埋存过程中所面临的重要风险之一.尤其是对于已经封堵的废弃井,由于获取井下的信息比较困难,因此评价废弃井的完整性是一个比较大的挑战.本文为评估二氧化碳沿废弃井渗漏提出了风险分析的方法.该方法包括了三个主要步骤:渗漏方案的制定,定量模拟及结果分析.所制定的渗漏方案将通过数值模拟进行定量分析及评价.本文将阐述该评价方法的第一步骤:渗漏方案的制定.该步骤为渗漏的定量模拟提供了理论基础.该方法被广泛接受并现场应用于德国某大型二氧化碳存储及提高天然气采收率项目中.