侯智瑋

(遼河油田勘探開發(fā)研究院，遼寧盤錦 124010)

2015年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布了一份評估報告，報告中指出全球氣候變化有95%的概率歸因于人類活動排放的溫室氣體[1]。從1970年到2004年，全球二氧化碳年排放量增加了約80%。自2006年以來，每年大約有300億t二氧化碳被釋放到大氣中。大氣中的二氧化碳體積分數(shù)已從工業(yè)革命前的0.028 0%增加到2012年的0.039 3%。二氧化碳和其他溫室氣體(GHG)的人為排放被確定為全球變暖和氣候變化的主要原因[2]。

二氧化碳地質(zhì)埋存技術(shù)主要是指將二氧化碳注入地下深部儲層進行永久封存的技術(shù)，是應(yīng)對全球氣候變化的有效技術(shù)手段之一。二氧化碳地質(zhì)埋存與利用技術(shù)(CGUS)被認為是電力和工業(yè)部門低碳經(jīng)濟的關(guān)鍵戰(zhàn)略。CGUS的目標(biāo)是在埋存二氧化碳的同時有益于其他能源的生產(chǎn)。二氧化碳地質(zhì)埋存技術(shù)(CGUS)提供了一種避免向大氣中直接排放大量二氧化碳的潛在解決方案，從長遠來看，CGUS可以幫助穩(wěn)定甚至減少大氣中的二氧化碳濃度?？尚械亩趸悸翊娣桨傅闹饕攸c是有效減少二氧化碳排放量、埋存量大、埋存時間長(至少幾百年)、合理的成本和能源損失以及對環(huán)境影響程度最小等[3]。

二氧化碳地質(zhì)埋存的有效性和安全性取決于各種物理和地球化學(xué)捕獲機制的結(jié)合。目前可供CO2地質(zhì)埋存的主要場所有深部含鹽水層、枯竭油氣藏和不可采煤層等。據(jù)統(tǒng)計，全球深部含鹽水層的二氧化碳儲存量為(400～10 000)×108t，枯竭油氣藏的二氧化碳儲存量為920×108t，深部煤層的二氧化碳儲存量為20×108t，其中深部含鹽水層中二氧化碳的儲存量是油氣藏的10倍以上，是煤層儲存量的幾百倍，埋存潛力最大[4]。

1 CO2地質(zhì)埋存機理

1.1 地質(zhì)構(gòu)造埋存機理

地質(zhì)構(gòu)造埋存也稱為靜態(tài)埋存，這是二氧化碳地質(zhì)埋存中最重要的埋存機理。對于二氧化碳，雖然二氧化碳的浮力很大，但是封閉蓋層的阻擋作用阻止了其垂直和橫向遷移。當(dāng)二氧化碳氣體、液體或兩相流體遇到封閉蓋層，不能繼續(xù)向上遷移時，會被困在封閉蓋層從而埋存。地質(zhì)構(gòu)造埋存的形成要求圈閉中含有油氣或地下水[5-6]。

1.2 束縛埋存機理

儲層巖石中通常有一定的孔隙空間。在二氧化碳遷移過程中，二氧化碳分子在注入壓力和地層流體浮力的作用下進入這些微孔隙中，并留在這些孔隙中。經(jīng)過長時間的結(jié)合和溶解機理的相互作用，二氧化碳最終會溶入地層礦物和流體中[7-8]。

1.3 溶解埋存機理

在油氣層和鹽水層注入二氧化碳后，部分二氧化碳會溶解在地層水或油中。在儲層中，二氧化碳在驅(qū)油時溶解在油中，然后在剩余油中捕獲部分二氧化碳。在鹽水層中，飽和CO2后水的密度會增加，這會促使溶解在鹽水中的CO2隨鹽水向下遷移，有利于CO2的進一步溶解和擴散。該方法可減少地層中的氣相二氧化碳量，降低二氧化碳運移和泄漏的風(fēng)險，是一種相對安全穩(wěn)定的埋存狀態(tài)[9-11]。

1.4 礦化埋存機理

礦化埋存是指二氧化碳在地層狀態(tài)下與巖石、地層水反應(yīng)生成酸性物質(zhì)，如H2CO3與礦物中方解石和白云石反應(yīng)的過程。礦化作用可提高地層水中鈣、鎂等陽離子的濃度，促進與碳酸鹽等陰離子的結(jié)合，形成更穩(wěn)定的次生礦物，達到固定二氧化碳的目的。礦化反應(yīng)很慢，時間尺度很長，通常要幾百年甚至幾千年才能完成[12-13]。

4種埋存機理的安全性見圖1。

圖1 4種埋存機理安全性示意

由圖1可見：當(dāng)CO2注入地層進行地質(zhì)埋存時，在注入初期(幾十年內(nèi))，主要以地質(zhì)構(gòu)造埋存的形式存在于地層，安全性較低；在注入中期(數(shù)百年內(nèi))，由地質(zhì)構(gòu)造埋存轉(zhuǎn)為束縛埋存，并逐漸向溶解埋存轉(zhuǎn)化，此時安全性相對較好；在注入后期(數(shù)千年)，埋存形式主要以溶解埋存和礦化埋存為主，安全性最高。

2 全球CO2埋存項目及在油藏中的埋存潛力

目前，世界各地的大型CO2地質(zhì)埋存項目見表1，國內(nèi)的CO2埋存項目統(tǒng)計見表2，全球可用于二氧化碳驅(qū)提高石油采收率(CO2-EOR)、二氧化碳驅(qū)替煤層氣(CO2-ECBM)和CO2地質(zhì)埋存的油藏潛力[14]見表3。

表1 世界各地的大型CO2地質(zhì)埋存項目

表2 國內(nèi)的CO2埋存項目

表3 全球可用于CO2- EOR 和CO2地質(zhì)埋存的油藏潛力

Godec等[14]建立了世界上最大的50個含油盆地(約占世界石油儲量的95%)數(shù)據(jù)庫，以評估全球CO2-EOR和儲量潛力。其中，適合于CO2-EOR的儲層地質(zhì)儲量為4億t，預(yù)計適合于CO2-EOR混相驅(qū)的儲層可采出原油640億t，儲存二氧化碳1 400億t。此外，這些含油盆地還含有1 200億t未發(fā)現(xiàn)原油(2000年之前)。若將CO2-EOR技術(shù)成功應(yīng)用于資源，全球CO2-EOR應(yīng)用的潛力將增加到1 450億t石油，二氧化碳儲存的潛力將達到3 200億t。由此可見，CO2-EOR和CO2儲存技術(shù)的潛力巨大。

由表2和表3可見：我國的CO2地質(zhì)埋存項目起步較晚，應(yīng)用范圍也沒有世界上其他國家廣泛。

3 CO2-EOR與CO2地質(zhì)埋存協(xié)同優(yōu)化

將二氧化碳儲存在廢棄的油氣藏中，不僅可以提高油氣藏的采收率，提高經(jīng)濟效益；還可以降低大氣中二氧化碳的比例，減緩溫室效應(yīng)。儲層具有良好的圈閉條件，因此在油氣藏或廢棄油氣藏中儲存二氧化碳是世界上常用的方法之一。目前，大多數(shù)都是在油氣藏開發(fā)后期向儲層注入二氧化碳，在提高采收率的同時，也將二氧化碳儲存在油氣藏中。在二氧化碳儲存過程中，依據(jù)經(jīng)驗設(shè)計開發(fā)方案會導(dǎo)致二氧化碳利用率較低。近年來，由于優(yōu)化技術(shù)的飛速發(fā)展，將實際工程問題與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，可以顯著降低成本，提高效率，最大限度地提高油氣回收率。此外，還可以優(yōu)化二氧化碳的利用率，降低二氧化碳的泄漏風(fēng)險和二氧化碳儲存的建設(shè)成本，最大限度地提高經(jīng)濟效益[15]。

協(xié)同優(yōu)化CO2-EOR和地質(zhì)埋存的目標(biāo)是以最小的二氧化碳注入量最大限度地提高采收率，同時盡可能多地使二氧化碳儲存在儲層中[15]。同時，還應(yīng)考慮二氧化碳利用率，避免二氧化碳注入不足，不能充分利用儲層的儲存空間，同時避免過量注入二氧化碳導(dǎo)致壓力過大，造成地層破裂，使CO2泄漏[16]。通過選擇合適的優(yōu)化理論和方法，合理設(shè)計油氣比、生產(chǎn)井和注水井井底壓力、注氣類型、最小混相壓力(MMP)、凈現(xiàn)值(NPV)等油田開發(fā)參數(shù)，以最低的成本實現(xiàn)最高的經(jīng)濟效益[17]。

智能優(yōu)化算法又稱現(xiàn)代啟發(fā)式算法，是一種通用性強、適用于并行處理的全局優(yōu)化算法。該算法一般具有嚴格的理論基礎(chǔ)，而不是單純依靠經(jīng)驗，在一定時間內(nèi)從理論上可以找到最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。智能優(yōu)化算法可以彌補傳統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的不足。Ampomah等[18]提出了一種將代理模型與遺傳算法相結(jié)合的方法，目標(biāo)函數(shù)是石油產(chǎn)量和二氧化碳儲存量。以德克薩斯州的FWU油藏為例，與傳統(tǒng)方法相比，其CO2儲量增加了20%，采收率提高了近9%，成功驗證了協(xié)同優(yōu)化框架理論(同時優(yōu)化原油產(chǎn)量和二氧化碳埋藏量)的正確性，為今后的二氧化碳儲存工程提供了技術(shù)指導(dǎo)。Karkevandi-Talkhooncheh等[19]將自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)與多種智能優(yōu)化算法[反向傳播(BP)、粒子群優(yōu)化(PSO)、遺傳算法(GA)、蟻群優(yōu)化(ACO)和微分進化(DE)等]相結(jié)合，預(yù)測CO2和原油間的最小混溶壓力(MMP)。預(yù)測結(jié)果的精度高于現(xiàn)有文獻模型，數(shù)據(jù)的誤差精度僅為7.35%。Li等[20]提出以凈現(xiàn)值和二氧化碳儲量為目標(biāo)函數(shù)，通過RSM進行擬合。建立了一套理論系統(tǒng)，分析了CO2儲量與EOR的組合優(yōu)化問題，并采用DOE算法對系統(tǒng)參數(shù)進行了優(yōu)化。NPV最大值可達1.905 38×109，CO2最大埋存量為2.074 38×105t。Safarzadeh等[21]提出采用多目標(biāo)優(yōu)化算法(NSGA-Ⅱ)和DOE算法優(yōu)化CO2埋存量和原油采收率。該方法的優(yōu)點是，當(dāng)油價、二氧化碳稅等經(jīng)濟參數(shù)發(fā)生變化時，可以隨時改變參數(shù)，提高不同經(jīng)濟效益下的決策能力。與單目標(biāo)優(yōu)化方法相比，多目標(biāo)優(yōu)化方法的優(yōu)化時間短，決策時間短。Ampomah等[22]考慮了地質(zhì)不確定性變量(kv/kh)的影響，當(dāng)kv/kh為0.5時，效果較好。采用蒙特卡羅采樣器的靈敏度分析方法，減少了優(yōu)化所需的控制變量數(shù)量，并建立了代理模型，縮短了計算時間。提出的儲層優(yōu)化方法可以在不影響采收率的前提下提高CO2的埋存量。Van等[23]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(ANN)對初始含水飽和度、kv/kh、CO2與水注入時間比(WAG)和循環(huán)持續(xù)時間為獨立變量的網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，預(yù)測CO2驅(qū)油過程中的采收率、產(chǎn)油率、氣油比(GOR)、累計產(chǎn)油量、CO2凈埋存等參數(shù)，生成的模型和應(yīng)用程序相對簡單、經(jīng)濟、有效。該方法對實際原油儲層的CO2驅(qū)替和CO2儲集開發(fā)具有很強的指導(dǎo)作用。Safi等[24]使用COZView / COZSim軟件平臺，對廢棄油藏中EOR系統(tǒng)的地下流動進行數(shù)值模擬，使用遺傳優(yōu)化算法以恒定速率和壓力注入方案優(yōu)化CO2的注入，研究結(jié)果為其他CCUS系統(tǒng)提供了技術(shù)指導(dǎo)，如二氧化碳強化天然氣開采(CO2-EGR)、二氧化碳強化深部咸水開采(CO2-EWR)和二氧化碳增強地?zé)嵯到y(tǒng)(CO2-EGS)等。

利用二氧化碳驅(qū)油是一種經(jīng)濟實用的方法，在世界各地具有廣闊的應(yīng)用前景。對于含水率高、滲透性低的注水油田，二氧化碳驅(qū)油方案有望成為一種可持續(xù)的采油和同步固碳方法[25]。采用智能優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化CO2-EOR和CO2地質(zhì)儲量。原油的采收率提高幅度在1.67%～28%，二氧化碳的凈利用率最高為95%，最低為61.8%。造成不同結(jié)果的原因有很多，如儲層類型、驅(qū)替方式、注氣方式、注氣方式、油藏初始采收率等。不同的優(yōu)化技術(shù)也會產(chǎn)生不同的效果。其中利用多目標(biāo)優(yōu)化算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，效果較好，優(yōu)化后的EOR值和CO2凈利用率是最大值。

4 降低CO2地質(zhì)埋存泄漏風(fēng)險的優(yōu)化技術(shù)

4.1 注采優(yōu)化技術(shù)

向儲層中注入二氧化碳會導(dǎo)致儲層壓力急劇上升，可能影響蓋層完整性，造成嚴重的壓力效應(yīng)，嚴重的話會造成二氧化碳泄漏。為了解決這一問題，控制壓力有2種方法：一種是嚴格控制二氧化碳的注入量，另一種是從儲層中采出天然流體進行壓力管理，以控制壓力平衡。其中最重要的2個參數(shù)是二氧化碳的注入速率和天然流體的采出速率。在優(yōu)化過程中，有必要將儲層總壓力和井底壓力降到合理的范圍內(nèi)，將泄漏風(fēng)險降到最低。

Davidson等[26]提出在從地層中采出流體時應(yīng)考慮經(jīng)濟效益(包括所增加的鹽水生產(chǎn)成本和降低二氧化碳注入量成本)，還考慮了對CO2注入效率的影響。當(dāng)二氧化碳埋存在非均質(zhì)鹽水層中時，由于儲層的非均質(zhì)性，二氧化碳羽流的橫向遷移受到影響。為了增加CO2和鹽水之間的接觸并增加鹽水層中CO2儲存的潛力，控制CO2的注入速率以實現(xiàn)該目標(biāo)。Shamshiri等[27]利用MATLAB軟件中的牛頓優(yōu)化算法用于優(yōu)化CO2注入速率，促進CO2在各個方向上的均勻遷移，并限制CO2羽流向泄漏區(qū)域的移動，以降低潛在位置泄漏的風(fēng)險。Babaei 等[28-29]、Cihan等[30-31]提出了通過進化算法優(yōu)化CO2注入速率和流體采出速率，通過GA算法優(yōu)化CO2注入速率，利用約束差分進化(CDE)算法解決了鹽水采出速率的全局優(yōu)化問題，從而降低了鹽水總提取量，降低了開發(fā)成本，限制了儲層壓力的增加。

4.2 井位優(yōu)化技術(shù)

井位選擇是基于油藏特征、流體性質(zhì)、鉆井建設(shè)及經(jīng)濟效益等多因素的高風(fēng)險復(fù)雜系統(tǒng)工程。CO2埋存工程中，由于鉆新井的成本過高，無論是利用油氣藏中的原有井網(wǎng)注入井位進行選擇，還是需要在原有井網(wǎng)基礎(chǔ)上打新井作為CO2注入井，監(jiān)測井和流體采出井，井位的選擇在很大程度上影響到油氣藏開發(fā)的采收率、CO2的埋存量、地質(zhì)封存的安全性及經(jīng)濟效益。因此，在CO2地質(zhì)埋存項目中，需要仔細考慮井位的選擇。利用常規(guī)方法進行井位選擇通常耗時耗力，所需經(jīng)濟成本較高而且精確度較差，為降低成本同時提高井位的準(zhǔn)確度，需要利用智能優(yōu)化算法來確定井的位置及最優(yōu)井?dāng)?shù)。

在CO2地質(zhì)埋存項目中，可以在油氣飽和度高的區(qū)域設(shè)置數(shù)量較多的注入井，從而提高油氣采收率；而且由于儲層的非均質(zhì)性，井的不同位置可能會導(dǎo)致CO2遷移路徑不同[32-33]。而利用智能優(yōu)化技術(shù)可以計算出在每個區(qū)域的應(yīng)該布置注入井的數(shù)量，降低額外的經(jīng)濟成本。而為了提高CO2埋存的安全性，避免CO2泄漏，應(yīng)避免在油藏斷層處及裂縫密集區(qū)域布注入井。Cameron等[34]提出了一種新的CO2地質(zhì)埋存安全性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，以CO2埋存總量(包括CO2固定和溶解的總量)與CO2總注入量的比值，同時考慮到相滲曲線不可逆(滯后性)性的特點，重新定義了CO2固定量的概念。將該比值指標(biāo)作為優(yōu)選準(zhǔn)則，同時結(jié)合ILHS(迭代超立方采樣)無導(dǎo)數(shù)全局優(yōu)化算法應(yīng)用于井位的選擇上，將新的固定CO2量定義作為目標(biāo)函數(shù)，以提高二氧化碳地質(zhì)封存的安全性。Goda等[32]提出井位的選擇需要考慮儲層滲透率和孔隙度的非均質(zhì)性影響，利用約束差分進化(CDE)算法，用于解決井位及儲層中流體提取速率的全局優(yōu)化問題。CDE高效地估算了采出井位置和以及鹽水提取率的全局最優(yōu)值。Royg等[33]利用自適應(yīng)進化蒙特卡羅(AEMC)算法對井位進行優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)是埋藏區(qū)域中二級捕集(殘余氣體和溶解捕集)的二氧化碳量，與基礎(chǔ)方案相比，最優(yōu)井位方案可以增加約15%的CO2埋存量。Goda等[35]用Hooke-Jeeves直接搜索算法用于井位優(yōu)化，首次提出對于井位置變量，變量是流動模擬的整數(shù)值(確保它們對應(yīng)于相應(yīng)的網(wǎng)格)。

4.3 代理模型技術(shù)

類似工程設(shè)計優(yōu)化、設(shè)計空間搜索、靈敏性分析和假設(shè)分析，需要數(shù)千甚至數(shù)百萬次模擬的任務(wù)，直接對原模型求解不太可能；改善此類問題的一個方法就是使用計算量較小、求解迅速的代理模型來替代原模型。代理模型對不同的輸入變量插入目標(biāo)函數(shù)值，并作為原始儲層模型的計算成本的代理。優(yōu)點在于模型足夠靈活，計算時間短，可以用少量的參數(shù)獲得優(yōu)化環(huán)境的多模態(tài)特性，模型計算精度高，確保模型的精確度，降低CO2泄漏的風(fēng)險。

在CO2地質(zhì)埋存中，由于地質(zhì)模型的不確定性(如巖石物理屬性和構(gòu)造屬性)，需要多次調(diào)用數(shù)值模擬器(Eclipse，CMG，TOUGH)進行多次模擬以解決地質(zhì)或流動模型中不確定性，詳細的地質(zhì)模型以及對地質(zhì)不確定性的處理實現(xiàn)增加了計算時間，現(xiàn)場規(guī)模的數(shù)值模擬通常需要數(shù)小時或數(shù)天的模擬運行時間，為了降低計算時間，同時保證求解的精確度，降低CO2泄漏的風(fēng)險，需要利用代理模型替代原有的數(shù)值模型進行計算[36-41]。

Babaei等[36]利用自適應(yīng)網(wǎng)格稀疏差值(ASGI)方法對地質(zhì)模型構(gòu)建代理模型，在非均質(zhì)地層中尋找最佳的CO2注入層位，與全網(wǎng)格插值法相比，ASGI需要的函數(shù)計算量更小，求解效率更高。 Mahmoodpour等[42]基于Box-Behnken方法構(gòu)建代理模型，通過代理模型模擬，估算出鹽水中溶解的二氧化碳量，同時根據(jù)含水層對二氧化碳的溶解能力進行排序，篩選出適宜埋存CO2的含水層，解決了數(shù)值方法所需時間過長的問題。Pan等[37]基于克里金差值方法構(gòu)建地質(zhì)模型的代理模型，同時結(jié)合動態(tài)尺寸搜索(DDS)算法優(yōu)化克里金模型以得到CO2注入速率的最小值。該算法與標(biāo)準(zhǔn)的遺傳算法相比，克服了優(yōu)化模型需要長時間模擬的問題，具有良好的收斂特性，而且可以獲得比進化算法更好的解，節(jié)約了開發(fā)成本。Pan等[43]還利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行代理模型的構(gòu)建，ANN代理模型所需的時間比數(shù)值模擬軟件節(jié)約24.43%。Zhang等[44]結(jié)合了混合整數(shù)規(guī)劃(MIP)和Polynomial Chaos Expansion (PCE)共同構(gòu)建代理模型，用PCE代理模型獲得的輸出響應(yīng)表面與通過TOUGH2數(shù)值模擬獲得的響應(yīng)表面匹配度達到了98%，PCE模型的模擬時間比TOUGH2數(shù)值模擬器快了幾個數(shù)量級。

5 結(jié)論

二氧化碳地質(zhì)儲存技術(shù)對減緩溫室效應(yīng)具有重要意義，同時也可以提高油氣藏的采收率。通過總結(jié)智能優(yōu)化技術(shù)在二氧化碳地質(zhì)埋存與利用(CGUS)中的進展，得到了如下結(jié)論。

1)在CO2地質(zhì)埋存技術(shù)中，應(yīng)重點關(guān)注油氣藏的CO2封存技術(shù)。因為在廢棄油氣藏中埋存CO2，通過驅(qū)替殘余的油氣，提高原油和天然氣的采收率，可以帶來額外的經(jīng)濟效益。CO2驅(qū)替油氣與埋存是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的要求和有效途徑，對低碳經(jīng)濟的實現(xiàn)意義重大。

2)利用智能優(yōu)化技術(shù)，協(xié)同優(yōu)化CO2-EOR與CO2地質(zhì)埋存，所增加的原油采收率在10%以上，要高于常規(guī)的優(yōu)化技術(shù)。但是利用優(yōu)化算法進行參數(shù)的優(yōu)化求解可能陷入局部最優(yōu)解，往往不是全局最優(yōu)解，因此未來需要尋求更適合解決工程實際問題的優(yōu)化算法，可以結(jié)合不同的優(yōu)化算法形成高效混合算法，比如將代理模型與多目標(biāo)優(yōu)化算法相結(jié)合，可以彌補多目標(biāo)優(yōu)化算法運行時間過長的問題。未來可以將機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)理論應(yīng)用到CO2-EOR與CO2地質(zhì)埋存中。

3)在降低CO2泄漏風(fēng)險方面，主要利用的智能優(yōu)化技術(shù)是井位優(yōu)化技術(shù)和代理模型技術(shù)。井位優(yōu)化的主要目的是為了保證CO2埋存的安全性，避免在裂縫或斷層處布置井。大多數(shù)利用代理模型技術(shù)能得到與利用數(shù)值模擬求解器相似甚至更加精確的結(jié)果。而計算速度比數(shù)值模型快了幾個數(shù)量級，減少了計算成本，降低CO2的泄漏風(fēng)險。