丁帥偉,李治平

(中國地質(zhì)大學,北京 100083)

油藏 CO2地質(zhì)埋存潛力的計算方法

丁帥偉,李治平

(中國地質(zhì)大學,北京 100083)

油藏具有良好的封閉條件和巨大的儲存空間,可以作為地質(zhì)埋存 CO2的理想場所。CO2地質(zhì)埋存的潛力可以從自由氣埋存、溶解埋存和礦化埋存 3個方面進行計算。自由氣埋存量可用基于類比法的有效埋存量計算方法進行計算,溶解埋存量采用相關溶解度公式進行計算,礦化埋存量通過 X衍射實驗進行評價。利用文中提出的計算方法對某油田 CO2的地質(zhì)埋存潛力進行了初步評估。結果表明：該油田 CO2埋存的潛力約為 33.569×108t,相當于 2003年全國 CO2排放總量的 94%。該計算方法也可為中國 CO2的減排提供部分依據(jù)。

CO2;減排;地質(zhì)埋存;計算方法;埋存潛力

引 言

世界 CO2排放量在逐年遞增,中國 CO2排放量更是連續(xù)幾年位居全球前幾位,過多的 CO2排放會造成很多環(huán)境問題。預計 2030年,中國 CO2排放總量可能超過美國,居世界第一位[1],減排CO2刻不容緩。

Englezos和 Lee總結了 4種方法來降低 CO2等溫室氣體的排放[2],地下儲存就是其中的一種方法。目前,在室內(nèi)與現(xiàn)場都進行過注 CO2驅(qū)油的實驗研究,在氣藏和煤層中也進行了儲存 CO2的潛力評價[1,3-5]。但是,對于油藏儲存 CO2相關的計算理論和計算方法[6],都只是考慮了物理埋存量,相應的化學埋存量還沒有一個定量的計算。筆者從物理埋存和化學埋存 2個方面考慮,提出CO2地質(zhì)埋存的計算理論和簡單的計算方法。

1 地質(zhì)埋存機理

CO2的地下埋存機理可分為物理埋存和化學埋存[7]2大類。物理埋存是將 CO2氣體注入油藏中驅(qū)油,油氣讓出的空間由 CO2來填充,提高石油采收率的同時把 CO2埋存于地下。化學埋存包括溶解埋存和礦化埋存。溶解埋存是指 CO2在巖石孔隙當中運移時溶解在與其相接觸的地層水或原油中。礦化埋存主要指 CO2與巖石發(fā)生化學反應從而產(chǎn)生碳酸類礦物沉淀。其埋存作用時間為100～10 000 a,但是其主要影響因素為地層巖石的礦物成分,當 CO2注入油藏后主要以獨立相存在于巖石孔隙中,以溶解相存在于地層水、剩余油和巖石骨架中[8]。

2 地質(zhì)埋存量的計算方法

2.1 物理埋存量的計算方法

許多國家、組織以及研究人員對 CO2在油藏中埋存潛力進行了計算,并提出了多種計算方法,分別從理論埋存量和有效埋存量 2個方面進行了闡述,文中采用有效埋存量的計算方法來完成物理埋存量的計算。理論埋存量假設油氣讓出的空間都可用于 CO2的存儲,而有效埋存量是在理論埋存量基礎上考慮了儲層性質(zhì)、儲層封閉性、埋存深度、儲層壓力系數(shù)及孔隙體積等因素影響的埋存量,是通過引入 CO2利用系數(shù)這個參量而獲得[7]。計算公式如下：

式中：MCO2為 CO2在油藏中有效埋存量,107t;EEXTRA為由于 CO2注入而獲得的額外采收率,%;ND為探明石油地質(zhì)儲量,109m3;C為接觸系數(shù);RCO2為 CO2利用系數(shù),凈 CO2注入量與原油采出量的比值,t/m3。其中參數(shù) EEXTRA、RCO2采用 Ecofys提出的 3個等級中的最高等級進行評價,數(shù)值分別為20、5。

2.2 化學埋存量的計算方法

2.2.1 原始地層水中溶解的 CO2量的粗略計算

地層水的物理性質(zhì)及參數(shù)比較復雜,本文假設地層水是純水的情況,計算思路為：在一定溫度和壓力下,根據(jù) CO2在純水中的溶解度的相關經(jīng)驗公式,代入油藏中原始地層水的總體積即可計算出原始地層水中溶解的 CO2量。

這里采用參考文獻[9]的經(jīng)驗公式：

式中：Rs為標準狀態(tài)下溶解氣水比,m3/m3;Kp為水合平衡常數(shù);bm為 CO2的范德華體積,m3/mol;φi為 CO2的有效間隙度;R為理想氣體常數(shù),約為8.314 41J/(mol·K);T為水的溫度,K;p為水的壓力 ,Pa。

對于 CO2的有效間隙度的求取,先采用甲烷的有效間隙度,其值與溫度有關,相關的關系圖版可以參照文獻[9]的研究所得。

2.2.2 剩余油中溶解 CO2量的粗略計算

相對于探明儲量,這里假設儲量的 60%為剩余油,溶解度計算時采用參考文獻 [10]的經(jīng)驗公式：

式中：Rs為標準狀態(tài)下的溶解氣油比,m3/m3;K為反應平衡常數(shù);poil為油藏壓力,MPa;ρo為原油在地面的密度,g/cm3;α為二次作用系數(shù),與溫度有關;xT為烴的質(zhì)量分數(shù);MT為烴的平均分子質(zhì)量;Toil為油藏溫度,K;t為油藏溫度,℃。

2.2.3 巖石骨架溶解 CO2量的粗略計算

當 CO2被注入儲層后,就會以氣體的形式被儲存或作為臨界流體被儲存于蓋層之下,會發(fā)生如下化學方應[7]：

由于儲層酸性的增加使原始的儲層礦物得以溶解,主要的礦化反應如下：

這些溶解的碳酸氫根離子與二價的陽離子(Ca2+、Mg2+、Fe2+)反應而沉淀為新的碳質(zhì)礦物(CaCO3、MgCO3、FeCO3)。

故含有 Ca、Mg、Fe(Ⅱ)元素礦物的儲層可以成為埋存 CO2的儲層。

利用目標儲層中的巖心進行 X衍射實驗,經(jīng)過分析可以半定量得出巖石中各類礦物質(zhì)的體積百分含量,結合單位體積礦物儲存 CO2的潛力[7],就能得出每立方米目標巖性的巖石的 CO2反應量。從而可以估計出油田的 CO2最終地下礦物埋藏量。

3 實例計算

某油田截至 2004年底,共探明 26個油藏,累計含油面積為 2 048.6 km2,探明石油地質(zhì)儲量為10.83×108t,平均原始含水飽和度為 45%。油藏埋深為 500～2 500 m,大部分在 1 000～2 000 m之間。儲集層物性差,滲透率一般小于 10×10-3μm2,孔隙度為 11%～15%,計算中孔隙度取值11.28%。油田地層油黏度為 3～6 mPa·s,地面脫氣原油密度為 0.840 8 g/m3,地層原油體積系數(shù)為 1.157 2,地層平均溫度為 101.6℃,平均壓力為21.2 MPa。

根據(jù)上述的一系列理論和文獻調(diào)研所獲取的數(shù)據(jù),計算時烴的質(zhì)量分數(shù) xT及烴的平均分子量M T取值分別為 0.989 3、210.444,油層平均有效厚度取值為 1 172.235 m。最終計算結果如表 1所示。該油田可減排 CO2量大約為 33.569×108t,相當于 2003年全國 CO2排放總量的 94%?？梢娫撚嬎惴椒ㄒ部蔀橹袊?CO2的減排提供部分依據(jù)。另外對于物理埋存,可以提高的最高石油采收率為20%,提高的原油產(chǎn)量為 1 623.75×104m3,相當于發(fā)現(xiàn)了一個中小型油田。

表 1 某油田 CO2地質(zhì)埋存潛力統(tǒng)計

根據(jù)單位體積礦物儲存 CO2的潛力評價表[7],計算時可知巖石中只有斜長石 (CaAl2Si2O8)能與注入的 CO2氣體發(fā)生反應,假設單位體積的礦物只有 50%與 CO2接觸并完全吸收該氣體。其中斜長石與 CO2混合潛力為 436.4 kg/m3。反應如下：

從表 1可以看出,CO2礦化埋存的潛力最大,但其完全埋存所需要的時間也最長。為此在進行CO2地質(zhì)埋存時,需考慮若干年后的擴散情況。

4 結 論

(1)地質(zhì)埋存對于全球溫室氣體 CO2的減排具有極大的潛力,并且埋存的同時還能達到提高石油采收率的目的。本文提出的計算方法考慮了CO2的化學埋存量,對于 CO2地質(zhì)埋存的定量評價具有一定的參考價值,但尚有改進與提升的空間,如 CO2在水中的溶解,可以建立原始地層水而非純水的模型進行計算,因此精確化是需要進一步完善的內(nèi)容。

(2)X衍射實驗可以用于 CO2礦化埋存量的定量評價,并且證明 CO2的礦化埋存的潛力最大,但埋存周期也最長,為此還需考慮其若干年后 CO2的擴散情況。

(3)實例中該油田 CO2埋存的潛力約為33.569×108t,相當于 2003年全國 CO2排放總量的 94%。其中物理埋存量約為 8.17×108t,化學埋存量約為 25.399×108t,可見化學埋存潛力較大于物理埋存潛力,但前者完全埋存需要的時間遠大于后者。

[1]劉延鋒,李小春,方志明,等 .中國天然氣田 CO2儲存容量初步評估[J].巖土力學,2006,27(12)：2277.

[2]Englezos P,Lee J D.A cleaner source of energy and opportunity for innovative technologies[J].Korean Journal of Chemical Engineering,2005,22(5)：671-681.

[3]王進安,袁廣均,張軍,等 .長巖心注二氧化碳驅(qū)油物理模擬實驗研究 [J].特種油氣藏,2001,8(2)：75-78.

[4]谷麗冰,李治平,歐瑾 .利用二氧化碳提高原油采收率研究進展[J].中國礦業(yè),2007,16(10)：66-69.

[5]劉延鋒,李小春,白冰 .中國 CO2煤層儲存容量初步評價[J].巖石力學與工程學報,2005,24(16)：2947-2952.

[6]沈平平,廖新維,劉慶杰 .二氧化碳在油藏中埋存量計算方法 [J].石油勘探與開發(fā),2009,36(2)：216-220.

[7]沈平平,廖新維 .二氧化碳地質(zhì)埋存與提高石油采收率技術[M].北京：石油工業(yè)出版社,2009：21-23;39-52.

[8]江懷友,沈平平,李治平,等 .世界二氧化碳埋存及利用方式研究[J].國際石油經(jīng)濟,2007,15(7)：17.

[9]付曉泰,王振平,盧雙舫 .氣體在水中的溶解機理及溶解度方程[J].中國科學 B輯,1996,26(2)：124-129.

[10]薛海濤,盧雙舫,付曉泰 .甲烷、二氧化碳和氮氣在油相中溶解度的預測模型[J].石油與天然氣地質(zhì),2005,26(4)：444-448.

An estimation method of CO2storage potential in a reservoir

D ING Shuai-wei,L I Zhi-ping
(School of Energy Resources,China University of Geosciences,Beijing100083,China)

Geological storage of CO2has become one of the majormeasures of reducing greenhouse gas emissions in the world.Petroleum reservoirs have good seal conditions and huge storage capacity,therefore can serve as ideal place for storing CO2.CO2geological storage potential can be est imated on three aspects such as free gas storage,solution storage and mineralization storage.Free gas storage capacity can be est imated by the method of effective storage capacity based on analogymethod;solution storage capacity can be estimated by related solubility formula;and mineralization storage capacity can be est imated by X-ray diffraction experiment.The CO2geological storage potential of an oilfield is est imated preliminarily by using the methods proposed in this paper.The result is this oilfield has CO2storage potential of about 33.569×108t,equivalent to about 94%of the total CO2emission in 2003 China.This estimation method can be a certain reference for CO2emission reduction in China.

carbon dioxide;emission reduction;geological storage;estimation method;storage potential

TE992.1;TE357.45

A

1006-6535(2010)06-0057-03

20100303;改回日期：20100914

國家重大基礎研究發(fā)展計劃 (973計劃)“溫室氣體提高石油采收率的資源化利用及地下埋存研究”項目 (2006CB705801);中國地質(zhì)大學 (北京)第八屆“創(chuàng)新杯”大學生課外學術科技作品競賽項目 (51913028)

丁帥偉 (1987-),男,中國地質(zhì)大學 (北京)能源學院石油工程專業(yè)本科在讀,主要從事油氣田開發(fā)工程方面的研究。

編輯林樹龍