熊 倫

（四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都，610065）

1 引言

作為有效的溫室氣體減排措施，CCS技術(shù)（CO2 Capture and Storage；CO2捕獲和封存）可在短時間內(nèi)顯著減少大氣中CO2的含量［1－2］。該技術(shù)即指將工廠集中排放的CO2進行捕捉壓縮后注入地下適宜目標場地，從而進行CO2地下處置?？勺鳛镃O2目標場地的地下場所主要包括深部高溫咸水層、廢棄的油氣藏以及深部無經(jīng)濟開采價值的煤層等［3］。咸水層由于其分布面積最廣，封存量最大，是主要的CO2地下儲存場地［3－4］。但CO2咸水層封存易由于CO2的持續(xù)注入而導致原始地層壓力不斷增加［5］?；诖?，謝和平等人提出在進行CO2咸水層封存的同時，可在注入井周圍按照合適方式布置抽采井，從而對儲層初始流體進行抽采，抽采的流體可作為地熱資源以用于發(fā)電或者直接利用，從而緩解儲層孔隙壓力的持續(xù)增加。本文在此基礎(chǔ)上，針對鄂爾多斯盆地咸水層CCS項目某CO2注入層段的水文地質(zhì)條件，建立相應(yīng)數(shù)值模型，對咸水層CCS技術(shù)在布置抽采井和不布置抽采井兩種情況下分別進行數(shù)值模擬，對比分析兩者在注入CO2后儲層的壓力變化和CO2暈分布特征，以及兩者注入井中CO2注入速率和儲層碳累積封存量差異，從而依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果探討抽采井對咸水層CCS技術(shù)的潛在影響。

2 模型建立

對于咸水層CCS技術(shù)，布置抽采井對儲層初始流體進行抽采時，可以緩解儲層孔隙壓力因CO2的持續(xù)注入而逐漸升高，大大提高長期安全性；同時，儲層流體的抽采可為CO2封存留出更多的封存空間，大大提高儲層碳封存量。為定量分析咸水層CCS技術(shù)在布置抽采井和不布置抽采井時儲層安全性以及碳累積封存量的差異，針對鄂爾多斯盆地咸水層CCS技術(shù)示范項目某注入層段的水文地質(zhì)條件，對該兩類情況分別建立數(shù)值模型。

以該CCS技術(shù)示范項目注入層段中厚度為150m的砂巖層作為目標儲層、以其相鄰上部覆蓋的45m厚泥巖層為蓋層進行分析；模擬深度范圍2305～2500m。布置抽采井和不布置抽采井兩種情況下沿井軸豎直方向的剖面圖如圖1所示；即對于單純CCS技術(shù)，僅在儲層中心位置布置一口注入井，不在周圍布置抽采井；而對于布置抽采井的情況，即在距離注入井水平距離500m處布置一口抽采井，儲層參數(shù)和初始條件等和單純CCS技術(shù)完全相同。作為概化模型，不考慮非均質(zhì)性的影響，模型中主要參數(shù)如表1所示。采用美國勞倫斯伯克利國家重點實驗室開發(fā)的多相流模擬軟件TOUGH2［6］中的ECO2N［7］模塊對該兩種情況分別進行模擬分析。整個模型側(cè)向及頂?shù)酌娑x為隔水邊界，儲層初始流體孔隙壓力為靜水壓力分布。注入井井底CO2的注入采用恒壓注入方式，并取注入壓力為1.4倍初始流體孔隙壓力，即29.4MPa。根據(jù)現(xiàn)有類似項目研究實際經(jīng)驗，該注入壓力能夠滿足裂隙封閉壓力要求［8－9］。注入井中CO2的注入和抽采井中流體的抽采過程均采用虛擬井的方式進行模擬，注入位置和抽采位置如圖1所示，模擬注采時間為30年。

圖1 抽采井和注入井布置簡圖

表1 模擬參數(shù)選擇

3 模擬結(jié)果

3.1 CO2注入后儲層壓力和CO2暈分布對比

對于選定的場地地質(zhì)條件，在相同儲層條件、相同注入壓力和注入溫度下，咸水層CCS技術(shù)在布置抽采井和不布置抽采井兩種情況下，在注入井中注入CO2三十年后，沿注入井井軸豎直剖面的孔隙壓力分布和CO2飽和度分布分別如圖2、圖3所示。由圖2可知，對于不布置抽采井的咸水層CCS技術(shù)，在以恒定壓力注入CO2三十年后，儲層壓力沿儲層深度從下而上逐漸降低，在水平方向隨著離注入井距離的增加而逐漸降低；在注入點正上方的蓋層孔隙壓力較蓋層其他位置大，即該位置處易由于孔隙壓力過大而導致蓋層開裂，從而成為CO2潛在的泄露路徑；而由CO2在儲層中的飽和度分布圖可知，在30年時，CO2主要富集在蓋層底部，沿水平方向約擴散了800m左右；由于CO2的密度小于咸水，在浮力、重力和儲層壓力等綜合因素的作用下在儲層中呈倒三角形分布，僅有微量CO2滲透到底部蓋層中。而對于布置抽采井的咸水層CCS技術(shù)，由圖3可知，注入CO230年后，儲層孔隙壓力在注入井周圍相對較高，而在抽采井周圍相對較低，注入井一側(cè)的儲層孔隙壓力顯著高于抽采井一側(cè)；蓋層孔隙壓力在注入井的豎直正上方位置達到最大；而從CO2飽和度在儲層中的分布圖可知，30年后儲層中的CO2主要聚集在注入井和抽采井之間，在生產(chǎn)井一側(cè)沿著水平方向向外約運移300m左右，而在抽采井一側(cè)水平方向約運移了1200m；與不布置抽采井的CCS技術(shù)相似，在蓋層底部，CO2飽和度很低。

由于兩種情況下蓋層中的孔隙壓力均在注入井豎直正上方位置出現(xiàn)最大值，因此選取注入井正上方底部蓋層某單元進行特別分析，其壓力和CO2飽和度隨模擬時間的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，兩種情況下蓋層該位置處的孔隙壓力均在注入CO2的早期迅速增加，達到28.0MPa左右后基本維持不變；不布置抽采井的CCS技術(shù)下蓋層該位置的壓力略高于布置抽采井的情況，30年后兩者相差約0.3MPa。而由CO2飽和度曲線可知，在儲層中注入CO2兩年左右后，兩種情況下注入的CO2基本同時運移到蓋層該位置，并隨模擬時間逐漸增加，布置抽采井時增加的速率略快于不布置抽采井的情況。在注入CO2三十年后，對于不布置抽采井的CCS技術(shù)，CO2飽和度達到0.17，而布置抽采井時達到0.20。但兩種情況下，在蓋層頂面均未監(jiān)測到CO2出現(xiàn)，即對于選定儲層的地質(zhì)條件，在模擬時間范圍內(nèi)，兩種情況下該儲層中的CO2均不會穿透蓋層而發(fā)生明顯泄漏現(xiàn)象。

圖2 不布置抽采井的CCS技術(shù)在注入CO230年后儲層的孔隙壓力（上圖）和CO2飽和度（下圖）分布圖

3.2 CO2注入速率變化和碳累積封存量對比

不布置抽采井的CCS技術(shù)與布置抽采井的CCS技術(shù)，注入井中CO2的注入速率和儲層中碳累積封存量隨注入時間的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，對于該兩種情況，在恒定的注入壓力下，由于儲層壓力的逐漸增加，CO2注入速率隨著模擬時間均逐漸降低，但對于布置抽采井的CCS技術(shù)，由于在抽采井中抽采流體，使得CO2注入速率降低程度較不布置抽采井的CCS技術(shù)慢。在注入CO2三十年后，布置抽采井的CCS技術(shù)與不布置抽采井的CCS技術(shù)，在注入井中CO2的注入速率分別為9.43kg／s和2.12kg／s，可見在相同的儲層條件、相同的注入壓力下，布置抽采井時可顯著提高注入井中CO2的注入速率。

對于不布置抽采井的咸水層CCS技術(shù)，作為初步分析，可假定CO2累積注入量即為CO2累積封存量，而對于布置抽采井的咸水層CCS技術(shù)，可認為CO2累積封存量為注入井中CO2累積注入量與抽采井中CO2累積采出量的差值。由圖5中CO2累積封存量曲線可知，兩種技術(shù)下CO2累積封存量均隨模擬時間而逐漸增加，但增加速率卻逐漸降低，即隨著注入井中CO2注入時間的增加，CO2的封存量與注入量的比值會逐漸減小，使得封存效率逐漸下降，不布置抽采井的CCS技術(shù)較布置抽采井的CCS技術(shù)降低的更顯著。在30年后，對于布置抽采井的CCS技術(shù)，CO2累積封存量為698萬噸，即平均每年大約可封存23.3萬噸CO2；而對于不布置抽采井的CCS技術(shù)，累積封存量約為607萬噸，僅約為布置抽采井時的87%；可見，對于相同的儲層條件、相同注入壓力和注入溫度下，布置抽采井可在提高CO2注入速率的同時可顯著提高CO2的累積封存量。

圖3 布置抽采井的CCS技術(shù)在注入CO230年后儲層的孔隙壓力（上圖）和CO2飽和度（下圖）分布圖

圖4 蓋層在兩種情況下的孔隙壓力和CO2飽和度隨時間變化曲線

4 結(jié)論

鑒于單純CCS技術(shù)易造成儲層孔隙壓力持續(xù)增加等缺點，考慮在注入井周圍布置抽采井以對儲層初始流體進行抽采。通過數(shù)值模擬，可知，在相同儲層和相同注入條件下，相比于不布置抽采井的CCS技術(shù)，布置抽采井時可在顯著提高注入井中CO2注入速率的同時顯著增加儲層中CO2累積封存量，并可緩解因注入CO2而導致蓋層中孔隙壓力的持續(xù)增加。從而使得咸水層CCS技術(shù)在有足夠安全性保障的同時能夠獲得較高CO2封存量的環(huán)保效益。

圖5 布置抽采井和不布置抽采井的CCS技術(shù)的CO2注入速率和碳累積封存量隨注入時間的變化曲線

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