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.     

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。     

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。     

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。     

渗透率的非均质性对CO_2地质封存的影响

CO2地质封存可以减少化石燃料燃烧排放的CO2量,有效减缓温室效应。储层渗透率可以决定CO2通道的形成,进而改变其在储层中的运移规律,因而是影响CO2地质封存的重要因素。根据研究区基本地质数据、三维地震勘探结果和统计规律确定了渗透率的分布情况,运用储层多相流模拟软件TOUGH2-MP分析了渗透率的非均质性对CO2地质封存的影响。结果表明:(1)渗透率的分布情况对CO2储存量和注入压力的影响很大,相比于均值模型,CO2的注入总量明显减少,到达最大允许压力积聚所需的时间要比均质模型短;(2)在保证注入速率和压力积聚不超过允许最大值的双重要求下,定压和定量两种注入方案都有待改进,建议考虑如人工压裂等工程措施;(3)渗透率的非均质性使得CO2晕呈现出不规则扩散,经过20年的注入,其最大扩散距离约800m,比均质情况下小150m,须做好相应的监测工作。     

砂岩中绿泥石含量对CO_2矿物封存影响的模拟研究

二氧化碳地质储存是实现二氧化碳减排的有效手段,砂岩储层是二氧化碳地质储存的主要储层类型之一。砂岩储层中的绿泥石溶解对二氧化碳地质储存形式和储存量有着重要的影响。依据某砂岩储层的实测资料,采用数值模拟技术,分析了绿泥石作用下CO2矿物封存机理和绿泥石含量对CO2的矿物封存量的影响。研究结果表明,绿泥石体积分数增大,溶解后可以向溶液中提供更多的Mg2+、Fe2+,有利于固碳矿物菱铁矿和铁白云石生成;绿泥石的体积分数与CO2矿物封存量有良好的正相关性,高绿泥石含量有助于砂岩储层的CO2矿物捕获。     

鄂尔多斯盆地马家沟组二氧化碳地质封存有利区优选

CO2地质封存技术（CCS）是目前国际上实现CO2大规模低成本减排的最佳选择之一,而CO2地质封存的首要问题是CO2封存有利区优选。针对鄂尔多斯盆地马家沟组CO2地质封存有利区优选研究不足的现状,本文借助大量的地质、钻井、地球物理及测试分析,对鄂尔多斯盆地马家沟组地层水矿化度条件、温压条件、储层条件、构造条件及盖层条件进行研究分析,从而对CO2地质封存区域边界进行确定。在此基础上,出于CO2地质封存技术性和经济性考虑,进一步再优选出储层条件优越、距离CO2捕集装置较近、勘探程度较高、地层埋深合适且对其他矿产开发影响甚微的地区进行CO2地质封存。结果表明：①确定鄂尔多斯盆地适宜CO2地质封存的地区位于摆宴井-沙井子断裂以东、渭北隆起北缘断裂以北、黄河断裂以西、伊盟隆起以南的广大地区,主要包括伊陕斜坡和天环坳陷内的除中央古隆起缺失区以外的马家沟组分布地区;②乌审旗—靖边—延安岩溶斜坡区（Ⅰ1）为盆内最佳CO2地质封存区;③榆林—米脂岩溶盆地区（Ⅰ2）是CO2地质封存的有利场所。     

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。     

超临界CO_2增强热卤水开采模型研究

面对全球气候变化和能源紧缺的巨大压力,CO2地质利用技术成为研究的焦点。为了实现CO2减排及资源化利用,提出了利用超临界CO2增强卤水提取和地热能开采的CO2地质利用集成系统的概念。通过建立CO2注入热卤水储层的质量平衡模型,分析了不同流量的卤水生产、CO2注入以及储层边界流对储层变化的影响,初步评估了该系统的CO2封存量、卤水提取量以及储层流体组成变化的时间尺度。研究表明,注入CO2提供了热卤水层的压力维持,促进卤水和地热资源的可持续开采,对于江陵凹陷研究区9×108 m3的储层有效体积,注入9.95×106 t CO2可提取17.12×106 t卤水,时间尺度超过30a。对于50~1 000kg/s的卤水生产速度,可以产生0.9~18.8 MW电力。同时,该技术增加了CO2的封存容量和效率,有利于CO2大规模安全封存,经济和环境效益显著。     

深部咸含水层CO2注入的流体迁移模拟研究 ——以松辽盆地三肇凹陷为例

CO2地质封存是减少温室气体向大气排放的有效措施之一,而深部咸含水层CO2地质封存是目前可行的最有潜力的封存技术。先前研究表明,松辽盆地是一个潜在的封存场地。基于对松辽盆地地质资料的初步分析,选取三肇凹陷的姚家组1段和青山口组2、3段地层作为CO2的注入层,建立一个典型二维模型,研究CO2注入后的迁移规律。结果表明,CO2注入后会向上和侧向迁移,后期可能出现的对流作用能促进CO2的溶解。残留气体饱和度、注入层水平和垂直渗透率的比值对模拟结果影响最大。此外,储层中的薄页岩夹层有利于CO2的溶解,因此,在保证注入性和封存量的情况下,储层中低渗透性夹层是允许的。     

基于数值模拟探讨提高咸水层CO2 封存注入率的途径

咸水层CO2地质封存是减少大气中CO2排放量的有效途径。CO2注入率是衡量咸水层中CO2注入能力的有效因素,因此,研究注入速率的变化规律及提高的措施是很有工程价值的。在很多区域,地层的低渗透性限制了CO2的注入率。针对鄂尔多斯盆地的水文地质条件,通过数值模拟,探讨在低渗透性咸水层中提高CO2注入率的途径,包括改变储层中的盐度、采用水平井注入、增加注入井段的长度以及采取水力压裂等工程措施。其中改变储层中的盐度可通过在注入CO2前向储层中注入一定量的水来实现。模拟结果表明,这些方式可以有效地提高CO2注入率,其中水平井改造方式和水力压裂工程措施效果显著,盐度改造措施在地层初始含盐度较高时,会有更好的效果。研究结果可为鄂尔多斯盆地和类似地区的咸水层CO2地质封存项目提供参考。     

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。     

二氧化碳地质封存中“对流混合”过程的研究进展

各国政府和科学家已经认识到CO2地质封存是一个长期有效的温室气体减排措施.在地质封存过程中,注入的C02的存在形式对C02地质封存工程的可行性和安全性十分重要.相较于“气体”储存机制,残余“气体”储存、溶解储存和矿物储存机制对于CO2地质封存而言是更为安全的储存形式.积累于低渗透性盖层底部的C02溶解使附近区域水溶液密度增加,从而引起“对流混合”现象.这一过程可降低储层中的超临界CO2通过垂直路径(如裂隙、断层和废弃井)向上逃逸的风险,因此增加了CO2地质封存的长期性和安全性.本文综述了CO2地质封存中“对流混合”过程的研究进展,总结归纳了该研究领域中存在的不足和问题,并对下一步研究工作提出了建议,以期为CO2地质封存中“对流混合”过程的研究在中国的深入开展提供参考.     

VG模型参数选择对咸水层CO_2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。     

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。     

弹性参数直接反演技术在储层流体识别中的应用

叠前地震反演是目前应用于流体识别的主要技术,但在具体研究区储层地质地震特点的应用过程中,存在岩石物理基础研究薄弱、多解性等问题。为提高流体地震识别精度,以KD地区为例,开展了陆相碎屑岩典型储层的岩石物理基础、叠前地震反演技术研究及应用。利用河道砂岩实验室岩石物理测试数据,分析了岩性、物性及孔隙流体对岩石物理参数的影响;基于弹性阻抗方程,通过弹性参数直接反演获取对储层流体敏感的参数,对KD地区河道砂岩储层进行了流体识别,提高了流体地震识别精度,取得了较好的地质效果。     

碎屑岩储层矿物溶解度与溶蚀次生孔隙形成机理研究进展

砂岩储层中溶蚀次生孔隙的形成与碎屑岩骨架颗粒在地质流体中的矿物的溶解度密切相关。本文从温度、压力、p H值、有机酸等方面描述了石英、长石、碳酸盐矿物的溶解度特征,指出矿物溶解度和溶解组分的平衡分布主要依赖于地层温度和孔隙流体的p H值,而地层温度和p H值则通过改变地层水中络合物的形式与含量、CO2-3、HCO-3与CO2的相对含量控制着矿物溶解度。受控于温度、压力、p H值的储层流体作用于矿物,可导致不同矿物溶蚀次生孔隙形成机理具有明显的差异。在未来的研究中,应注重根据实际储层的温度、压力、流体等地质环境条件,结合储层岩石中的矿物组成进行实验模拟和数值模拟,以建立矿物溶解度与次生孔隙特征之间的定量关系。     

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。     

统计岩石物理技术在薄储层定量解释中应用

储层物性参数(孔隙度、含流体饱和度等)的空间分布,直接影响油气储层的品质,是地球物理工作者进行储层评价的主要依据。由于储层物性参数和地震属性之间的关系是复杂的、非线性的,因此储层物性参数预测是当前研究难点。首先以地震岩石物理分析为基础,建立储层弹性参数与物性参数的先验概率密度函数,利用地质统计学反演得到高分辨率弹性参数体,在此基础上,利用贝叶斯分类算法,实现储层岩相及物性参数的定量预测,同时给出不确定性分析。通过薄储层实际工区应用,反演的岩性、物性数据体纵向特征与测井资料吻合较好,空间展布特征与该区的地质规律一致,不仅解决了薄储层的预测精度问题,而且实现了薄储层定量预测。     

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。