中国年封存量百万吨级CO2地质封存选址策略

CO₂地质封存是实现碳中和背景下难减排产业可持续发展的重要支撑技术。相较一些发达国家已经成功实现封存量为每年百万吨级CO₂封存项目工业化,中国的CO₂地质封存项目起步较晚,以封存量为每年十万吨级CO₂封存项目为主,而针对年封存量百万吨级及以上大型CO₂封存项目的选址、封存和监测尚缺乏经验。在针对世界上15个年封存量百万吨级CO₂地质封存项目成功案例调研基础上,按照封存场地圈闭地质类型划分了构造型圈闭(背斜型、断层型和裂缝型)和岩性型圈闭(砂岩型和碳酸盐岩型)两大类。在统计不同类型封存场地地质特征参数基础上,从“规模性、注入性、安全性和经济性”4大指标入手,提出了“大(Big)、通(Permeable)、保(Preserved)、值(Value)” BPPV选址原则,明确了年封存量百万吨级CO₂地质封存场地选址原则及参数标准。我国盆地类型多样差异大,需要采取不同的CO₂封存策略。针对鄂尔多斯、大庆油田等大型坳陷型盆地,由于其构造规模大、砂体分布面广、大规模背斜和岩性圈闭发育,寻找大型整装深层盐水层或者衰竭型油气藏封存场地的潜力大;针对东部渤海湾及近海断陷型盆地,由于断层发育、断层相关圈闭多、单圈闭容量较小,封存有效性受断层影响大,宜采取圈闭群综合评价与断层活动性动态评价相结合的策略;对西部叠合盆地,盆地边缘构造冲断带一般构造应力强、地层压力高、CO₂注入难度大,但盆地中央古隆起斜坡可以成为有效的封存场地,因此对西部盆地需要采取分区分带分层评价策略。     

CO2地质封存力学问题的数值模拟方法综述

随着社会的发展,人类对化石能源的依赖导致大量的CO2排入大气层,从而引起全球变暖、海平面上升等一系列全球性气候问题。CO2地质封存是当前CO2减排最有前景的技术,但大量的CO2注入地层易诱发相应的力学问题：地表隆起变形、盖层完整性受损、断层活化等。因此,为了降低CO2地质封存带来的安全风险,理论分析、数值模拟和响应面方法等手段被应用于此类力学问题的分析中。由于数值模拟方法能够解决大尺度范围内复杂几何模型的多场耦合问题,数值模拟成为当前在CO2地质封存力学领域中应用最广泛的方法。因此,对CO2地质封存若干力学问题的数值模拟方法进行了全面的综述。首先,简要介绍了多孔介质的温度-渗流-力学-化学（THMC）多场耦合原理,并对数值模拟解决多场耦合问题的方法进行了归类。然后,详细总结了数值模拟在解决CO2地质封存力学问题方面的国内研究进展。最后,讨论了数值模拟方法在此类力学问题方面的应用缺陷,并提出了若干建议。     

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。     

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。     

碳封存项目井喷CO2扩散危险水平分级方法研究

针对碳封存（CCS）项目井喷后的二氧化碳（CO2）气体泄漏扩散对附近居民的影响问题,提出将CO2井喷速率作为分级指标进行扩散危险水平分级。以内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗地形、气候等条件为环境背景,以神华CCS示范项目为参考,运用CALPUFF高斯扩散模型模拟发生井喷事故,计算CO2气体扩散影响范围。根据扩散范围与井喷速率变化的相关关系,对CO2扩散危险水平进行分级。根据50 000 ppm浓度的最大扩散范围将CO2井喷扩散分为3个等级：Level 1、Level 2、Level 3,对应的井喷速率范围分别为0～2.5、2.5～10.0、10～20 m/s,对应扩散距离分别为0～130、130～180、180～420 m。通过与模拟场地周围环境条件和人群分布特点的交叉分析,当危险性等级为3级时,会威胁到泄漏井筒附近420 m范围内CCS场地内工作人员、散户居民以及附近公路上的过往行人的安全。该项危险水平分级研究工作有助于健全国家相关部门对CCS的监管,同时有利于推动CCS示范项目的健康发展。     

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。     

CO_2地质封存泄漏研究进展

CO_2地质封存(GCS)是一项将CO_2注入并且永久封存于地下含水层或废弃油气储层等地质体内的CO_2减排技术。由于场地地质条件和人类开发活动导致的不确定性,注入储层的CO_2可通过泄漏废弃井、断层或裂缝以及盖层的"薄弱带"等途径发生泄漏。基于对国内外文献的广泛调研,综述了GCS泄漏及封存安全的研究进展。CO_2沿钻井泄漏一般是因为化学或力学作用导致CO_2沿钻井环空水泥、井筒桥塞或围岩破碎带发生泄漏。CO_2注入储层可能导致盖层破裂,激活原本闭合的断层或断层面滑动。CO_2沿断层/裂缝泄漏主要受有效渗透率、裂缝开度等因素影响。盖层泄漏的方式可归纳为渗透泄漏、扩散泄漏和沿裂隙泄漏3种。CO_2透过盖层的扩散泄漏对于大时空尺度CO_2地质封存泄漏评估不应忽视。CO_2泄漏通常会导致受影响的含水层内地下水的p H值减小、盐度升高、离子增多等地球化学响应,甚至存在自由态CO_2。含水层内流体压力和地球化学特征可用于有效监测封存CO_2、咸水与其他流体的泄漏。GCS泄漏研究目前还十分有限,我国尤其缺乏泄漏的定量研究。     

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。     

CO2地质封存三维地质结构建模与表征研究进展

碳捕集、利用与封存(CCUS)技术在快速、大规模地减排二氧化碳和实现我国"碳达峰"和"碳中和"的"双碳"目标等方面具有非常重要的应用价值。CCUS技术的成功实施离不开对目标封存场址的储层、盖层及地质结构的精细描述与定量刻画, 因此, 亟需对CO2地质封存场址的三维地质结构进行精细化建模和透明化表征。本文简要阐述了三维地质建模技术在CCUS工程应用中的研究进展, 归纳了适用于CCUS技术的三维地质结构透明化表征方法和流程, 指出了目前三维地质建模精度和效率等与CCUS实践需求不适应的问题, 并提出了针对性的建议, 为推动我国CCUS领域三维地质建模和结构表征方法的研究与软件开发提供了重要的理论和技术支撑。     

二氧化碳地质封存环境监测现状及建议

CO2地质封存是应对全球气候变化的新举措,许多国家都开展了相关的工程项目或研究。环境监测作为验证场址在当前以及较长一段时间后的合理性和安全性的重要手段,是工程实施的重要工作。对国内外CO2地质封存环境监测的相关工作以及项目所采用的监测技术进行总结,并利用监测选择工具MST得出中石化胜利油田CO2-EOR项目适用的监测技术,在此基础上提出该项目背景监测的对象、技术和频率等框架,为项目监测工作的开展提供参考依据,最后简略提出环境监测工作的方法和大纲。     

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.     

二氧化碳地质储存逃逸通道及环境监测研究

CO2地质储存逃逸通道可分为人为逃逸通道、地质构造逃逸通道以及跨越盖层和水力圈闭逃逸通道三类.在CO2地质储存场地选址和场地勘查阶段,应高度重视区域地壳稳定性、地震危险性和CO2逃逸通道专门性地质调查评价工作,避免因CO2逃逸造成对人群健康和生态系统产生影响,导致地下水污染和诱发地质灾害发生.同时要对可能的CO2逃逸通道进行灌注前CO2背景值监测,灌注工程运营期CO2控制监测和封场后长期监测,确保CO2地质储存的有效性、安全性和持久性.     

CO2地质储存的纳米尺度流体-岩石相互作用研究

大气中持续增长的CO_2是引起.温室效应.的主要原因.并给全球带来越来越严重的环境问题.消减CO_2是人类共同而临的生存挑战,也是技术难题.在全球碳循环过程中.有多种调节方法可以减少大气中CO_2含量.但目前只有地质储存被认为是可快速实施、见效明显的CO_2减排方式.CO_2流体-岩石相互作川是地质储存的核心科学问题,...     

应用TOUGH模拟二氧化碳地质储存过程的复杂地质体建模技术与实现

基于TOUGH2数值模拟器中存在处理复杂地质条件难的问题,提出了将三维地质模型与TOUGH2数值模型耦合的具体思路和方法,并在Windows平台上编制了相应的程序,利用该程序可以直接将地质模型（如GMS和Petrel建立）与TOUGH2的数值模型进行有机融合,并进行了算法验证。通过CO₂地质储存的实例,可以看出地层构造对CO₂的空间运移起着控制作用,模拟结果显示CO₂会沿着背斜面地层进行运移扩散。因此通过此转换程序,能够增强TOUGH2模拟器处理地层起伏、断层、褶被等常见地质构造,以及地质属性随空间变化的地质体,提高了模拟器的使用效率。     

CO2地质埋存渗漏风险及补救对策

目前,将CO2埋存于地下深部地质构造（如油气藏、煤层、地下含水层及岩溶盐腔）的减排方案能有效地减缓温室效应而备受关注。无论什么储集体,我们都希望CO2在地下埋存的时间越长越好。然而,对于一项具体工程的实施,必然存在一些客观和主观因素造成CO2渗漏,比如废弃井的不完善或不合理处理、地层断裂系统和水动力系统以及地震所造成的渗漏等等。存在渗漏就可能会对周围人和生态环境造成危害。因此,进行CO2地质埋存的风险评估是相当有必要的,是我们能长期有效安全地进行该项减排方案必不可少的基础和保证。本文即想从建立一套完整的风险评估、管理和监测体系的角度并以加拿大Weyburn油田为例,深入分析CO2地质埋存中可能存在的渗漏风险和途径,建立CO2渗漏风险评估机制,并针对具体的渗漏可能性提出相应的补救对策,为全球范围内,尤其对我国刚刚开展CO2地质埋存研究工作提供一些有益的思路。     

江苏省及近海区域CO2地质封存储层条件分析

对江苏省及近海区域地质进行了分析表明,下扬子地块发育的苏北—南黄海南部盆地为该省CO₂地质封存潜在目标场所。文章通过地层及岩性资料分析了CO₂封存适宜地层,在此基础上,根据钻井与地震测量剖面资料,阐述了各构造单元的800～3500 m深度范围存在的CO₂封存适宜地层的厚度,探讨CO₂封存空间适宜性。结果表明：盐城组下段、三垛组、戴南组、阜宁组一段与三段、赤山组砂岩具有较好CO₂储存空间;苏北—南黄海盆地的赤山组分布较少,盐城组、三垛组、戴南组、阜宁组地层分布范围较广;金湖凹陷、高邮凹陷、溱潼凹陷、海安凹陷、白驹凹陷、阜宁凹陷、盐城凹陷、南二凹陷、南四凹陷、南五凹陷、南七凹陷、南二低凸起具有较好的CO₂封存储层潜力;洪泽凹陷、临泽凹陷、涟南凹陷、涟北凹陷、南三凹陷、南六凹陷CO₂封存储层潜力较差。