王 銳李 陽呂成遠唐永強崔茂蕾賈會沖劉 玄劉建黨

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國石油化工集團公司,北京 100728;3.中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院,鄭州 450006)

0 引言

碳捕集利用與封存技術(CCUS)目前被認為是溫室氣體減排最具前景的技術。IPCC,IEA,GCCSI等國際組織研究表明,要實現溫室氣體減排目標,CCUS技術不可或缺[1-2]。據國際能源署預計,CCUS在2040年實現全球溫度控制2℃情景中貢獻超過9%,在實現2℃情景以下的目標更是必不可少。CCUS是一項實現電廠改造和工業(yè)升級,甚至負碳排放的最具前景的戰(zhàn)略性技術[3-5]。

CO2地質封存是CCUS的重要環(huán)節(jié),主要包括廢棄油氣田、不可開采煤層、深部咸水層等。深部咸水層因封存潛力巨大,技術可行,目前已獲得了大量的實踐。1996年,世界上第一個商業(yè)運行的咸水層CO2封存項目在挪威北海運行。2004 年和2008年,另外2個項目分別在阿爾及利亞和挪威陸續(xù)實施。截至2010年,這3個項目共成功注入1600萬t的CO2,并證實未發(fā)生泄漏。此外,澳大利亞的Gorgon項目和Ot way項目、美國的Frio項目、德國的Ketzin項目等也在規(guī)劃和運行中。在中國,神華集團于2010年在內蒙古鄂爾多斯盆地開展了國內第一個全流程的咸水層封存試驗項目,對于我國掌握CCS相關技術及推動CCS工程示范具有重大意義[6]。

深部咸水層的埋存潛力巨大,但其埋存能力和注入性方面存在較大不確定性,特別是CO2注入過程中的壓力積聚效應將對咸水層中CO2埋存產生巨大影響。CO2驅水與埋存技術是一種將咸水資源開采與CO2埋存有機結合的技術,一方面擴大了CO2在地層中的封存規(guī)模,另一方面采出的咸水及鹽礦副產品經處理后可用于工農業(yè)生產和生活飲用,解決水資源短缺的問題,特別是對于我國西部水資源缺乏地區(qū)具有深遠的戰(zhàn)略意義[7-15]。

該文以鄂爾多斯深層咸水層為例,開展CO2驅水與埋存室內實驗和數值模擬研究,確立了CO2驅水過程中3種埋存機理的有效埋存系數,以此建立深部咸水層CO2驅水過程中有效埋存潛力的評價方法,并對目標儲層的埋存與咸水資源綜合利用潛力進行了評價,為未來開展大規(guī)模咸水層CO2驅水與埋存提供了參考依據。

1 深部咸水層CO2驅水與埋存潛力評價方法

深部咸水層CO2驅水、埋存過程和深部咸水層CO2埋存存在一定的差異,其有效埋存量計算方法需要結合封閉體系與開放體系評價方法[4,6,17]。其CO2有效埋存量主要考慮CO2驅水替出的孔隙空間、CO2溶解在水體中、地層綜合壓縮效應等3種形式,其產生埋存量的計算方法如下述。

1.1 CO2驅水替換作用形成的埋存量

CO2驅水過程相當于開放體系,其驅替作用有效埋存量系數可由如下公式表示:

式中:EE為CO2在咸水層中的總的埋存系數;Egeol為CO2在咸水層中構造埋存系數;ED為驅替埋存系數。

式中:EAn/At為有效面積系數;Ehn/hg為有效厚度系數;Eφeff/φtot為有效孔隙系數。

式中:Ed為驅替效率;Evol為波及效率。

則CO2驅水替換作用形成的埋存量可由下式表示:

式中:MD為CO2驅水替換出的埋存量;A為深部咸水層面積;H為咸水層的厚度;φ為深部咸水層巖石的孔隙度;ρCO2為儲層條件下CO2密度。

1.2 CO2在水體中溶解產生的埋存量

CO2在深部咸水層埋存過程中受到儲層非均質性、CO2的浮力、CO2的波及效率及CO2在整個深部咸水層空間散開和溶解的影響。其溶解作用主要是CO2驅水后剩余水飽和度中的溶解量,理想情況下,在足夠長時間CO2通過擴散作用能夠波及剩余水飽和度。因此,由于溶解作用產生的有效理論埋存量可用下式計算:

式中:MCO2e為CO2在咸水層中溶解產生的有效埋存量;A為深部咸水層面積;H為咸水層的厚度;φ為深部咸水層巖石的孔隙度;Sg為CO2飽和度;ρCO2為儲層條件下CO2密度;R為CO2在地層水中的溶解度。

1.3 CO2注入后地層綜合壓縮效應導致的埋存量

對于封閉體系來說,CO2埋存能力主要取決于地層水、注入氣、巖石的綜合壓縮系數,以及地層初始壓力和最終壓力,埋存系數可通過下式計算:

式中:Ecomp為CO2在咸水層中的有效壓縮埋存系數;ΔP為CO2注入過程中產生的壓差,為0.8倍的巖石破裂壓力值與原始地層壓力之差,MPa;Ct為綜合壓縮系數,1/MPa。

其由于壓縮效應產生的有效埋存量可由下式表示:

式中:Mcomp為壓縮作用產生的有效埋存量;A為深部咸水層面積;H為咸水層的厚度;φ為深部咸水層巖石的孔隙度;ρCO2為儲層條件下CO2密度。

在CO2驅水與埋存過程中,總的有效埋存量可由上述3種方式加和,即:

式中:Mt為總的有效埋存量;MD為CO2驅替產出水的有效埋存量;MCO2e為CO2在咸水層中溶解產生的有效埋存量;Mcomp為壓縮作用產生的有效埋存量。

2 深部咸水層CO2驅水過程中埋存機理及有效埋存系數確立方法

深部咸水層CO2驅水過程中的埋存機理可分為3種形式:CO2在地層水中的溶解作用、CO2注入地層后的綜合壓縮效應及CO2驅水替換出的孔隙空間。通過室內實驗和數值模擬手段,開展CO2驅水過程中埋存機理研究,明確在不同條件下CO2滯留機理及影響因素,為深部咸水層CO2驅水與埋存潛力評價提供基礎參數。

2.1 CO2在地層水中的溶解實驗

為了研究CO2在目標地層的溶解作用,選用與目的層接近的大牛地氣層的盒1組地層水作為研究對象,該地層水樣品礦化度為22 930 mg/L,水型為CaCl2型,離子組成見表1。

表1 目標儲層模擬地層水離子組成Table 1 Ion composition of simulated for mation water in the target reservoir

按照表1離子組成配制模擬地層水,運用該水樣進行不同溫度和壓力條件下的溶解實驗,結果如圖1所示。

圖1 CO2在地層水中的溶解度曲線Fig.1 CO2solubility in brine at different conditions

圖1中橫坐標為壓力水平,縱坐標為單位質量地層水中溶解CO2的質量。從圖1可知,隨著壓力的升高,CO2在地層水中溶解度越大,低壓下增加幅度明顯,在壓力較高時,增加幅度變緩。另外,隨著溫度的升高,CO2在地層水中的溶解度降低。

2.2 CO2注入地層后的綜合壓縮效應

CO2注入地層后,地層中存在CO2、地層水和巖石三相,3種物質的綜合壓縮系數可以反應體積壓縮造成增加的CO2注入能力的增加。運用真實氣體狀態(tài)方程計算65℃時,不同壓力下CO2的壓縮系數,結果圖2所示。

從圖2可知,隨著壓力的增大,CO2的壓縮系數呈冪指數遞減關系變化,通過上述經驗關系式,可以計算不同壓力條件下的氣體壓縮系數。

圖2 不同壓力下CO2壓縮系數曲線Fig.2 CO2compressibility factor at different pressure

根據目標地層水礦化度和水型條件,運用Duan的計算方法[18],計算地層溫度65 ℃、地層壓力條件下的壓縮系數,結果如圖3所示。

從圖3中可知,在目標地層壓力范圍內,地層水的壓縮系數為(4.187×10-4～4.217×10-4)1/MPa,顯然地層水的壓縮性較小,且隨著壓力升高,壓縮系數逐步降低。

圖3 不同壓力條件下的地層水壓縮系數曲線Fig.3 The compressibility factor of for mation water at different pressure

根據前人實驗數據統(tǒng)計的結果得到巖石壓縮系數Cp與孔隙度φ間的經驗公式,礦場上普遍采用Hall圖版曲線,其中Cp與φ關系如下:

式中:Cp為巖石壓縮系數,1/MPa;φ為孔隙度,%。

目標儲層孔隙度為6%～9%,平均孔隙度為7.5%,根據式(9)計算得到目標地層條件下的壓縮系數為1.075×10-41/MPa。

深部咸水層CO2驅水與埋存過程中的地層總壓縮系數由巖石骨架、孔隙中的飽和CO2和地層水組成,具體可由下式表示:

式中:Ct為綜合壓縮系數,1/MPa;Cg為CO2壓縮系數,1/MPa;Cw為地層水壓縮系數,1/MPa;Cp為巖石壓縮系數,1/MPa;Sg為含氣飽和度,小數;Sw為含水飽和度,小數。

根據上式及氣體、地層水、巖石壓縮系數,計算65 ℃,16.5 MPa條件下不同飽和度條件下的綜合壓縮系數,結果見表2。

表2 地層綜合壓縮系數數據Table 2 Thecomposite compressibility factor

從表2可知,隨著CO2注入咸水層,CO2飽和度逐步增大,咸水產出導致的含水飽和度逐步降低,儲層的綜合壓縮系數逐步增大。表2為不同含氣飽和度條件下的壓縮效應對CO2埋存的影響提供基礎參數。

2.3 CO2驅水過程中的空間替換作用

2.3.1 CO2驅水室內實驗

選用鄂爾多斯盆地目標儲層不同滲透率巖心,分別進行巖心清洗、抽真空、飽和水后,再分別進行地層條件下的CO2驅水實驗。地層壓力為20 MPa,儲層溫度為65 ℃,注入速度為0.05 ml/min,實驗結果如圖4所示。

圖4 不同滲透率條件下CO2驅水效率曲線Fig.4 CO2displacement efficiency curve at different per meability

從圖4可知,滲透率為0.122 mD時,CO2驅水效率僅為9.15%。隨著滲透率的增大,CO2驅水效率逐步增加。顯然,滲透率對CO2驅替作用效果影響明顯。在致密儲層中,CO2驅水效果較差,而在低滲、中高滲儲層中,CO2驅水效果較為明顯。

2.3.2 CO2驅水數值模擬研究

為了進一步確定目標儲層CO2驅水過程中的波及效率及驅水效率,以鄂爾多斯盆地石千峰組為例,應用Eclipse軟件開展CO2驅水過程的一注一采模型的數值模擬研究,其模型示意圖如圖5所示。其中,模型面積為23 k m2,埋深為1 800 m,厚度為140 m,地層傾角10°。根據石千峰組地層的測井數據對模型孔、滲進行賦值,孔隙度為5.3%～14.1%,滲透率為0.019～9.003 mD;模型有效地層厚度約為70 m。模型縱向上共50層網格,平均網格厚度約3 m;平面12×12個網格,各網格尺寸為100 m×100 m,為精確模擬CO2運移過程,對原模型平面上進行網格加密,最終精細模型平面網格數為60×60,網格尺寸為20 m×20 m。注采模式選用頂注底采模式,注入井定20 t/d注入CO2,生產井定井底流壓為5 MPa。生產井產氣超過10 t/d后關井,注入井仍持續(xù)注入,當注入井井底流壓達到破裂壓力后,轉為定壓注入。井口溫度20℃,模擬時間為25年,模擬結果如圖6和圖7所示。

圖5 鄂爾多斯盆地二疊系儲層實際地質模型Fig.5 The geological model for oneinjector and one producer

從圖6、圖7可知,CO2注入25年以后,CO2驅水波及效率為61.1%,CO2驅水效率為15.8%,最終的CO2驅水采收率為9.65%。顯然,由于目標儲層構造幅度較為平緩,基質巖心較為致密,CO2驅水的采收率較低,采水替換出的空間相對較小。

圖6 CO2驅波及效率曲線Fig.6 Sweep efficiency curve for CO2EWR

圖7 CO2驅驅水效率曲線Fig.7 Displacement efficiency curve for CO2EWR

3 鄂爾多斯盆地深部咸水層CO2驅水與埋存潛力評價

3.1 目標區(qū)儲層基礎參數概況

該文以鄂爾多斯盆地深部咸水層為研究對象。該盆地地層較為完整,整體發(fā)育為單斜構造,盆地內部為一西傾的大型斜坡,平均坡降一般為5～8 m/km。目標層位選取二疊系某層位,位于大牛地氣田產層山西、太原組和馬家溝組上覆,儲層整體構造一致性較好,其主要物性參數見表3。

表3 目標儲層參數表Table 3 Reservoir properties of target for mation

3.2 目標區(qū)儲層CO2驅水與埋存綜合潛力評價

針對目標咸水層,利用式(1)～式(9),對CO2驅水與埋存綜合潛力進行評價。其中,CO2水驅采收率選取數值模擬最終采收率,CO2溶解埋存以CO2驅后剩余水飽和度完全波及為準,結果見表4。

表4 目標儲層CO2驅水與埋存潛力評價Table 4 Storage capacity of CO2EWRfor target for mation

綜上所述,目標工區(qū)二疊系儲層CO2驅水與埋存過程中的CO2有效理論埋存量為474×106t。同時,根據CO2替換效應埋存量計算,可獲得CO2驅產出地層水量,總計101.71×106m3。若按照每年埋存10×106t的CO2量來計算,理論上可滿足該排放源埋存時間約47.4年,年產地層咸水量約為2.15×106m3。上述埋存量是理論最大埋存量,表明深部咸水層CO2驅水與埋存潛力巨大,實際工程實施過程中埋存量的確定仍要進一步深入評價。

4 結論

1)結合封閉體系和開放體系CO2有效埋存方法,建立了考慮驅水替換作用、CO2在水體中溶解作用和CO2注入后地層綜合壓縮效應等3種作用的深部咸水層CO2驅水與埋存過程的有效理論埋存量計算方法。

2)基于室內實驗和數值模擬手段,確立了目標儲層條件下CO2在地層水中溶解度、綜合壓縮系數、CO2驅水采收率等3個有效埋存系數的大小及其變化規(guī)律。

3)針對鄂爾多斯盆地石千峰組深部咸水層特點,評價了其CO2驅水與埋存的綜合潛力,明確了目標儲層條件下CO2溶解作用理論埋存量最大,其次為替換效應埋存量,再次為壓縮效應的埋存量。同時,CO2驅水不僅可規(guī)模埋存CO2,而且可產出可觀的咸水資源。