陳 卓， 楊瑞琰， 胡志高

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 數(shù)學(xué)與物理學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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基于TOUGH2模擬CO2地質(zhì)封存對(duì)地層溫度的影響

陳 卓， 楊瑞琰， 胡志高

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 數(shù)學(xué)與物理學(xué)院，湖北 武漢 430074)

運(yùn)用水流及熱量運(yùn)移的數(shù)值模擬軟件TOUGH2建立三維模型，通過長(zhǎng)時(shí)間恒速地注入含CO2的流體，模擬研究CO2地質(zhì)封存對(duì)地層溫度的影響。結(jié)果表明，CO2地質(zhì)封存之前地層溫度處于平衡狀態(tài)，封存之后打破原有平衡；地層滲透率越高，越利于溫度的交流；整個(gè)地層溫度經(jīng)歷從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程，溫度的交換由于受到能量守恒的制約，整個(gè)地層的最后溫度約處于初始時(shí)刻上、下地層溫度的中間值；不斷注入的流體對(duì)整個(gè)地層溫度的影響有限，地層溫度早期變化速度較快，后期變化速度逐漸減緩。

TOUGH2軟件； 數(shù)值模擬； CO2地質(zhì)封存； 地層溫度

大量化石燃料的燃燒造成CO2氣體的急劇增加，嚴(yán)重影響全球的生態(tài)環(huán)境。作為有效的CO2減排途徑，CO2地質(zhì)封存前景樂觀。CO2地質(zhì)封存技術(shù)是CCS技術(shù)重要的組成部分，主要是將捕捉到的高純度CO2注入到選定的、安全的地質(zhì)構(gòu)造中[1]。CO2持續(xù)不斷地注入到咸水層將引起一系列的物理和化學(xué)變化，包括多相流體運(yùn)動(dòng)、有效應(yīng)力的變化、溶質(zhì)運(yùn)移以及流體與地層礦物之間的化學(xué)反應(yīng)。這些作用相互影響，構(gòu)成一個(gè)多場(chǎng)耦合過程[2]。

對(duì)CO2的地質(zhì)封存與研究工作始于20世紀(jì)末期，到21世紀(jì)開始得以迅速發(fā)展。2008年，許雅琴等[3]詳細(xì)探究了基于TOUGH2軟件進(jìn)行場(chǎng)地規(guī)模CO2地質(zhì)封存數(shù)值模擬所采用的方法，為今后開展大規(guī)模CO2地質(zhì)封存的數(shù)值模擬研究提供了參考依據(jù)。隨著時(shí)間的推移，眾多學(xué)者開始嘗試估算CO2地質(zhì)封存中的儲(chǔ)存容量。如G.H.Lee等[4]對(duì)濟(jì)州島盆地的CO2地質(zhì)封存的儲(chǔ)存容量進(jìn)行了估計(jì)，結(jié)果為(235～6 870)×108t。P.Li等[5]探究到北部灣盆地富有高孔隙度、高滲透率的儲(chǔ)層等有利地質(zhì)條件，預(yù)估盆地有效儲(chǔ)存CO2容量為485.6×108t，且主要分布在深部咸水層。

CO2地質(zhì)封存的巨大儲(chǔ)存量能很大程度上改善全球的生態(tài)環(huán)境，但它的貢獻(xiàn)不止于此。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CO2地質(zhì)封存的溫度場(chǎng)或地?zé)徇M(jìn)行了大量的研究，并取得了一定成果。H.Lei 等[6]基于TOUGH2Biot軟件實(shí)現(xiàn)了耦合地?zé)帷⑺畡?dòng)力、機(jī)械過程的地下流體系統(tǒng)的CO2地質(zhì)封存和地?zé)岚l(fā)展的應(yīng)用研究。龍芳[7]研究了注入溫度對(duì)CO2驅(qū)油效率的影響，證實(shí)考慮溫度場(chǎng)的必要性。傳統(tǒng)油氣的開采研究主要考慮地層壓力的變化情況，溫度場(chǎng)研究則多在熱采等領(lǐng)域。目前，注CO2溫度場(chǎng)研究多在CO2封存方面?，F(xiàn)代生油理論認(rèn)為地溫是有機(jī)質(zhì)向油氣演化過程中最為重要的因素，并且地?zé)崾且环N寶貴的熱能資源，具有成本低、使用簡(jiǎn)便、污染小等優(yōu)點(diǎn)，因此研究地層溫度具有重要意義。實(shí)際資料表明，影響地層溫度的主要因素有大地構(gòu)造性質(zhì)、基底起伏、巖漿活動(dòng)、巖性、蓋層褶皺、斷層、地下水活動(dòng)、烴類聚集等。本文基于TOUGH2軟件對(duì)CO2的地質(zhì)封存過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析CO2進(jìn)入地層后，地層巖性、斷層、含CO2流體的運(yùn)移等對(duì)地層溫度的影響。模擬結(jié)果有利于我國(guó)對(duì)CO2地質(zhì)封存機(jī)理的進(jìn)一步研究，可對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬軟件

鑒于實(shí)地研究的巨大耗資和實(shí)施困難，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們主要運(yùn)用PetraSim軟件模擬CO2的地質(zhì)封存。其中，PetraSim軟件是地下水模擬仿真圖形化建模分析工具，它用于TOUGH2模擬程序家族的圖形化界面。TOUGH2及其衍生程序由伯克利勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，因其在孔隙和裂隙介質(zhì)中多相流和熱運(yùn)移的強(qiáng)大模擬能力而被認(rèn)可，已成功應(yīng)用于地?zé)醿?chǔ)藏工程、核廢料處置、飽和/非飽和帶水文、環(huán)境評(píng)價(jià)和修復(fù)及CO2地質(zhì)處置[8]。

為方便處理不同的多組分、多相水流系統(tǒng)問題，TOUGH2軟件設(shè)置了不同的模塊。EOS1適用于水或示蹤水這種單相流或兩相流問題，EOS2適用于水和CO2多相混合問題，EOS3適用于水和氫氣多相混合問題，EOS5適用于水和空氣多相混合問題，EOS9適用于滲流帶的飽和、非飽和水流問題，ECO2適用于水、鹽水、CO2的封存研究[9]。

采用的EOS1模塊是最基本的模塊，提供示蹤水液相、氣相及兩相狀態(tài)的描述，能夠很好地刻畫示蹤水的流體——含CO2流體的運(yùn)移。EOS1在CO2溶質(zhì)的單相流體條件下，主要涉及到氣相濃度場(chǎng)、氣相壓力和溫度等幾個(gè)變量，適用于本研究的開展。

對(duì)于CO2地質(zhì)封存的模擬，在根據(jù)水文地質(zhì)模型建立模型后，需要進(jìn)行一系列輸入文件的準(zhǔn)備過程方可利用TOUGH2軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。輸入文件的準(zhǔn)備過程包括模型的分層、網(wǎng)格文件的生成、水文地質(zhì)參數(shù)的確定、初始條件的確定、輸入?yún)?shù)的確定和注入的模擬方案等。

2 二維耦合模型

CO2注入地層后，地層溫度受到很多因素的影響，在綜合分析地層滲透率、CO2體積分?jǐn)?shù)、CO2注入點(diǎn)位置、注入時(shí)間等相互影響的基礎(chǔ)上，建立了能量守恒定律和滲流方程[10]，結(jié)果見式(1)—(4)。當(dāng)僅研究x-z平面上的流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，能量守恒方程的標(biāo)量形式為：

(1)

其中，比熱容比：

(2)

等價(jià)熱擴(kuò)散系數(shù)：

(3)

其次，確定盆地流體運(yùn)移的控制方程組，引入滲流方程的流函數(shù)Ψ，其形式為：

(4)

式中，T為溫度函數(shù)(絕對(duì)溫度)，K；t為時(shí)間，s；q為達(dá)西速率，m/s；ρ為密度，kg/m3；cp為定壓熱容，J/(kg·K)；下標(biāo)b為所屬流體和固體的平均值；下標(biāo)f為所屬流體的值；μ為與溫度有關(guān)的流體動(dòng)力黏度系數(shù)，kg/(m·s-1)；k為滲透率，m2；ρf0為地表流體的密度，一般為1 000 kg/m3；g為重力加速度，m/s2；α為等壓熱膨脹系數(shù)，1/℃；β為溶質(zhì)膨脹系數(shù)；s為CO2在流體中的體積分?jǐn)?shù)；下標(biāo)x和z為量在x和z方向上的分量。

儲(chǔ)層區(qū)域兩端的邊界條件一般取對(duì)流函數(shù)：

(5)

溫度的邊界條件：

(6)

濃度的邊界條件：

(7)

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 模型范圍和概念模型的確定

運(yùn)用TOUGH2軟件建立一個(gè)理想的三維模型來模擬CO2的注入，設(shè)置橫向距離10 000 m，縱向距離3 000 m，垂向深度3 000～8 000 m。水平方向上，在地層約6 600 m設(shè)置了1處長(zhǎng)約3 400 m的不規(guī)則垂向斷裂帶。圖1為該模型的垂向x-z剖面地層圖。

圖1 模型的垂向x-z剖面地層圖3.2 網(wǎng)格離散

利用TOUGH2軟件對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行網(wǎng)格離散。垂向上共剖分為7個(gè)模擬層，其中地下約5 000、6 000 m處各有1層不整合面，厚度分別為50、100 m。除不整合面外，儲(chǔ)層根據(jù)厚度進(jìn)行等距剖分，分為5層或10層。水平方向上，根據(jù)厚度等距剖分為50層。整個(gè)模型設(shè)置了3種巖性，共剖分為2 350個(gè)網(wǎng)格。

3.3 模型的初始條件

根據(jù)重力平衡狀態(tài)確定整個(gè)模型范圍內(nèi)的初始?jí)毫Ψ植记闆r，符合靜水壓力梯度分布。整個(gè)系統(tǒng)的初始溫度、壓力分布按照梯度經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算，參考我國(guó)地溫分布的基本特征，取地表溫度為25 ℃，地溫梯度為3.0 ℃/(100 m)，地表壓力為1.013×105Pa，壓力梯度為8 750 Pa/m。

3.4 參數(shù)設(shè)置

除已知地質(zhì)參數(shù)外，需要輸入的內(nèi)部參數(shù)主要包括各地層的密度、孔隙度、滲透率等。為了方便研究，考慮模型的均質(zhì)性，所有地層的橫向、縱向、垂向的滲透率均相等，選取的水文地質(zhì)和熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.5 注入方案

將CO2以1.0 kg/s、水以59.0 kg/s的速度流入，注入總時(shí)間設(shè)置為500 a。將注入方案設(shè)置為：含CO2的流體從地層垂向斷裂帶稍上方流入(源)，從整個(gè)模型的四周流出(匯)。源、匯的參數(shù)見表2。

表1 模型中水文地質(zhì)及熱力學(xué)參數(shù)

表2 源、匯的參數(shù)

4 模擬結(jié)果及分析

設(shè)置好初始條件和內(nèi)部參數(shù)后，運(yùn)用TOUGH2軟件控制輸出文件，整理得到在初始時(shí)刻(1 s)、5、50、500 a時(shí)模型剖面地層中(x為橫向范圍，z為縱向范圍)溫度場(chǎng)的分布情況，結(jié)果見圖2。

由圖2(a)可知，在CO2注入之前，上下地層的溫度呈梯度遞增，且為正常地溫梯度，地層溫差超過100℃；由圖2(b)可知，CO2注入之后，溫度的交換方向主要由地層滲透率較大區(qū)域來控制，由于巖性差異和注入點(diǎn)在斷裂帶稍上方，隨著含CO2流體的運(yùn)移，能量得到及時(shí)補(bǔ)給，溫度開始沿著斷裂帶上下交流，使得溫度迅速地交換，5 a時(shí)整個(gè)斷裂帶的溫度幾乎處處相等，約為200 ℃。

由圖2(b)、(c)可知，50 a時(shí)溫度已經(jīng)沿著不整合面和巖性2交換迅速，對(duì)照?qǐng)D1可以看出，地層稍上方、稍下方兩處的巖性2地層和不整合面的溫度此時(shí)幾乎處處相等，分別為185、195 ℃，整個(gè)斷裂帶此時(shí)溫度相比5 a時(shí)有所回降，約為195 ℃，地層溫度完全打破了初始時(shí)刻呈梯度遞增變化的狀態(tài)，此時(shí)整個(gè)地層溫度相差約40 ℃，相比初始時(shí)刻溫差縮小約一半。 由圖2(d)可知，500 a時(shí)溫度已經(jīng)在整個(gè)地層進(jìn)行了交換，整個(gè)地層溫度僅相差12～15 ℃，這對(duì)于一個(gè)高度相差5 000 m的地層，說明整個(gè)地層的溫度相差微小。依據(jù)溫度的變化趨勢(shì)分析，CO2地質(zhì)封存對(duì)地層溫度的影響較大，并使整個(gè)地層的溫度變化逐漸放緩并趨于穩(wěn)定，由于受到能量守恒的制約，地層最后的溫度約處于初始時(shí)刻上、下地層溫度的中間值。

綜合分析圖2可知，雖然CO2地質(zhì)封存過程中不斷有新鮮CO2注入地層，但相較于整個(gè)地層而言，注入流體對(duì)整個(gè)地層溫度的影響有限，地層溫度早期變化速度較快，后期變化速度逐漸減緩，直至數(shù)百年之后地層溫度分布趨于穩(wěn)定。

(a) 初始時(shí)刻(1 s)

(c) 50 a(b) 5 a

(d) 500 a圖2 CO2注入速度1.0 kg/s時(shí)模型剖面地層中溫度場(chǎng)的分布情況

5 結(jié) 論

(1)CO2地質(zhì)封存對(duì)地層溫度的影響較大，且?guī)r性種類設(shè)置較少，有利于開展溫度變化規(guī)律的研究。

(2)地層溫度早期變化速度較快，后期變化速度逐漸減緩。溫度的交換方向主要由地層滲透率較大區(qū)域來控制，整個(gè)地層溫度經(jīng)歷從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程。

(3)地層溫度的變化主要受到地層滲透率和含CO2流體運(yùn)移的影響，所以如果地層滲透率較小，且注入的CO2體積分?jǐn)?shù)較小或注入時(shí)間較短，整個(gè)地層的溫度將很難趨于穩(wěn)定。

(4)基于TOUGH2軟件模擬研究CO2地質(zhì)封存對(duì)地層溫度影響的模型取得了很好的預(yù)測(cè)結(jié)果，為今后CO2地質(zhì)封存中的地?zé)嵫芯刻峁├碚摻?jīng)驗(yàn)。

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(編輯 宋官龍)

Simulation of CO2Geological Storage Research on the Effect of Formation Temperature Based on TOUGH2

Chen Zhuo, Yang Ruiyan, Hu Zhigao

(SchoolofMathematicsandPhysics,ChinaUniversityofGeosciences,WuhanHubei430074,China)

The three-dimensional model is established with the numerical simulation software TOUGH2 of flow and heat migration, through a constant speed with long time of injecting fluids containing CO2to simulate CO2geological storage research on the effect of formation temperature. The results show that the formation temperature is in equilibrium before CO2geological storage and the original balance is broken after sealing up. The higher the formation permeability is, the more conducive to the exchange of temperature. The temperature of whole formation undergoes the process from unsteady state to steady state, and because the exchange of formation temperature is restricted by the energy conservation, the final temperature of the whole formation is about at the initial time and the middle temperature of the lower formation temperature. The injected fluid continuously has a limited influence on the formation temperature, and the formation temperature changes rapidly in the early, the late change rate gradually slows down.

TOUGH2 software; Numerical simulation; CO2geological storage; Formation temperature

1672-6952(2017)04-0029-05

2016-09-13

2016-11-02

國(guó)家重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2008ZX05005)；國(guó)家“973計(jì)劃”項(xiàng)目“中國(guó)早古生代海相碳酸鹽巖層系大型油氣田形成機(jī)理與分布規(guī)律”(2012CB214802)；中國(guó)石化股份公司項(xiàng)目“塔里木盆地深層優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因與分布”(P14038)。

陳卓(1991-)，女，碩士研究生，從事優(yōu)化理論及其應(yīng)用研究；E-mail:chenzhuocug@foxmail.com。

楊瑞琰(1964-)，男，博士，教授，從事流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算研究；E-mail:ryyang@cug.edu.cn。

TE991.1； O242.1

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.04.007

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn