李小春，梅開元，蔡雨娜，張力為*

(1.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

近年來(lái)，以二氧化碳（CO2）為主的溫室氣體排放導(dǎo)致的全球溫室效應(yīng)日益顯著，造成了極端天氣頻發(fā)、農(nóng)作物減產(chǎn)、海平面上升等一系列危及人類社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)重后果。因此，以實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排為目的的政策及技術(shù)應(yīng)用已成為當(dāng)今國(guó)際社會(huì)熱點(diǎn)議題之一[1]。CO2捕集、地質(zhì)利用與封存（CCUS）作為一項(xiàng)可高效降低碳排放，推進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，受到國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注[2-3]。目前，中國(guó)CO2排放量已居世界首位，但中國(guó)經(jīng)濟(jì)與能源消耗仍處于快速上升期，CO2減排壓力巨大[4]。2011年以來(lái)，中國(guó)政府先后發(fā)布了《“十二五”國(guó)家碳捕集利用與封存科技發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》《關(guān)于推動(dòng)碳捕集、利用和封存試驗(yàn)示范的通知》及《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》等鼓勵(lì)CCUS技術(shù)發(fā)展的文件[5]。中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在2020年9月22日的第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上明確提出“中國(guó)爭(zhēng)取2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，為CCUS技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用推廣提供了前所未有的新機(jī)遇。綜上所述，中國(guó)將成為CCUS技術(shù)推廣應(yīng)用的熱點(diǎn)地區(qū)，CCUS技術(shù)的相關(guān)研究和推廣應(yīng)用將成為中國(guó)實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)的重要構(gòu)成部分[6]。

據(jù)中國(guó)《第三次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》測(cè)算，2030年中國(guó)CCUS減排量將達(dá)到2.0×108～8.8×108t。CO2地質(zhì)利用與封存技術(shù)是CCUS技術(shù)集群的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要分為地質(zhì)利用和地質(zhì)封存兩方面[7]。其中，CO2地質(zhì)利用是指將CO2注入能源與資源儲(chǔ)層以提高開采效率的技術(shù)，如強(qiáng)化采油技術(shù)（EOR）、強(qiáng)化天然氣/煤層氣開采技術(shù)（EGR/ECBM）及增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)技術(shù)（EGS）等[8]；CO2地質(zhì)利用技術(shù)通過(guò)將CO2與地層資源置換的方式，降低CO2利用成本，有利于大規(guī)模的工業(yè)推廣與應(yīng)用[9]。隨著CCUS技術(shù)成本及能耗顯著降低，CO2封存技術(shù)作為CO2地質(zhì)利用的補(bǔ)充，可大幅提高CO2減排能力，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

深部咸水層廣泛分布于中國(guó)內(nèi)陸及海洋的沉積盆地中，因其巨大的CO2儲(chǔ)存空間和較長(zhǎng)的CO2注入持續(xù)時(shí)間，有利于大容量的CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目實(shí)施[10-11]。因此，CO2深部咸水層封存技術(shù)被認(rèn)為是最具CO2封存潛力的技術(shù)之一[12-13]。隨著大量的CO2注入咸水層，深部咸水層將出現(xiàn)壓力聚集與傳遞、CO2運(yùn)移等現(xiàn)象，若壓力增加到一定程度，將影響儲(chǔ)層和蓋層的力學(xué)穩(wěn)定性；若CO2運(yùn)移到有缺陷的井筒、斷層等處，將增加CO2發(fā)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，最終影響整個(gè)封存區(qū)域的封存安全性[14-16]。隨著相關(guān)研究技術(shù)手段的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法深入研究CO2咸水層封存過(guò)程，并利用地球物理監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段對(duì)儲(chǔ)層中CO2運(yùn)移、污染物泄漏、儲(chǔ)蓋層應(yīng)變、地表位移等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[17-18]。中國(guó)已開展了CO2深部咸水層封存的工程示范，具有代表性的是中國(guó)神華煤制油深部咸水層CO2捕集和存儲(chǔ)（CCS）示范工程。該項(xiàng)目工程已累計(jì)向鄂爾多斯盆地深部咸水層注入3×105t的CO2，目前是亞洲最大的CO2咸水層封存項(xiàng)目[19-20]。

隨著中國(guó)雙碳目標(biāo)的提出，中國(guó)CO2減排壓力劇增。為滿足中國(guó)CO2減排需求，需要提出顯著增加CO2封存量的CO2咸水層封存技術(shù)。因此，本文提出CO2封存強(qiáng)度的概念，即單位土地面積的CO2封存量；并以CO2封存強(qiáng)度為指標(biāo)，評(píng)價(jià)現(xiàn)已實(shí)施項(xiàng)目的CO2封存效率。為解決現(xiàn)有項(xiàng)目CO2封存強(qiáng)度較低的問題，提出CO2多層協(xié)同抽注的技術(shù)方案，并利用T2Well軟件建立多層協(xié)同抽注的CO2注入與咸水采出模型，對(duì)CO2多層協(xié)同抽注過(guò)程進(jìn)行深入研究。

1 CO2封存強(qiáng)度

CO2封存技術(shù)主要依托石油工業(yè)中鉆井、固井、測(cè)井、注采及物探等技術(shù)，隨著石油工業(yè)技術(shù)的不斷提高，CO2封存技術(shù)可以更加經(jīng)濟(jì)、有效、可靠地開展。CO2封存場(chǎng)地評(píng)估作為CCUS項(xiàng)目開展的前提，其儲(chǔ)存條件應(yīng)綜合考慮以下因素：1）封存層地質(zhì)穩(wěn)定，潛在泄漏風(fēng)險(xiǎn)低；2）蓋層滲透性差，封存氣體無(wú)法穿透；3）儲(chǔ)層孔隙度和滲透率高，封存空間充足。

根據(jù)美國(guó)能源部（DOE）提出的CO2地質(zhì)封存系數(shù)法，計(jì)算CO2地質(zhì)封存量，以衡量CO2地質(zhì)利用與封存技術(shù)對(duì)碳減排的貢獻(xiàn)[21]。其中，封存系數(shù)法的計(jì)算公式為：

地質(zhì)封存系數(shù)與各地區(qū)地下儲(chǔ)層條件密切相關(guān)，美國(guó)CO2地質(zhì)封存儲(chǔ)層的E值主要為0.4%～5.5%。中國(guó)多數(shù)CO2儲(chǔ)層的滲透系數(shù)低于美國(guó)，且非均質(zhì)特征明顯[22]，故而封存系數(shù)E值顯著低于美國(guó)（中國(guó)大部分儲(chǔ)層E值小于1%），這導(dǎo)致中國(guó)CO2地質(zhì)封存儲(chǔ)層的封存能力要低于美國(guó)。此外，中國(guó)多數(shù)CO2地質(zhì)封存儲(chǔ)層層厚不足，若僅將CO2注入單一儲(chǔ)層封存，封存能力將十分有限[23-24]。因此，傳統(tǒng)的CO2單儲(chǔ)層注入方法無(wú)法滿足中國(guó)大量CO2儲(chǔ)層需要。

為評(píng)價(jià)已實(shí)施項(xiàng)目的CO2減排能力，提出使用CO2封存強(qiáng)度法評(píng)價(jià)實(shí)施項(xiàng)目地層的CO2封存能力，即單位作業(yè)面積內(nèi)封存層的CO2封存量。CO2封存強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中：S為封存強(qiáng)度，t/km2；為實(shí)際注入量，t；AW為實(shí)際占用地下空間面積，km2。值得注意的是，根據(jù)式（2）計(jì)算得到的為封存場(chǎng)地的實(shí)際封存強(qiáng)度，該值一般低于封存場(chǎng)地的最大封存強(qiáng)度Smax。Smax與儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率、注入方式（是否多層注入、是否同時(shí)抽取咸水）等相關(guān)，可表征儲(chǔ)層單位面積的CO2封存能力。S與Smax的關(guān)系為：

式中，α為比例系數(shù)。

目前，中國(guó)中石油、中石化、神華集團(tuán)等企業(yè)在全國(guó)各地已開展了多井次的CO2-EOR、CCS應(yīng)用示范項(xiàng)目，取得了良好的效果，同時(shí)提供了表1所示的工程應(yīng)用數(shù)據(jù)。本文結(jié)合CO2封存強(qiáng)度計(jì)算方法，得到了中國(guó)主要CO2咸水層封存和CO2-EOR項(xiàng)目的CO2封存強(qiáng)度結(jié)果。

表1 中國(guó)主要CO2咸水層封存和CO2-EOR項(xiàng)目的CO2封存強(qiáng)度Tab.1 CO2 sequestration intensity of major CO2 saline sequestration and CO2-EOR projects in China

由表1可知，除延長(zhǎng)石油靖邊喬家洼喬44區(qū)塊外，其余CO2封存區(qū)塊的封存強(qiáng)度均低于3×104t/km2，封存強(qiáng)度的均值為1.79×104t/km2。

根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）報(bào)告預(yù)測(cè)，到2050年，CCUS將貢獻(xiàn)約14%的CO2減排量，即中國(guó)每年至少109t的減排量需依靠CCUS相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。中國(guó)現(xiàn)有CO2咸水層封存和CO2強(qiáng)化驅(qū)油項(xiàng)目的封存強(qiáng)度均在105t/km2以下，每年CO2減排109t，需占用至少104km2的國(guó)土面積，即中國(guó)陸地面積的0.1%。大量國(guó)土面積的占用將引起巨大的資源開發(fā)沖突及國(guó)土利用沖突，對(duì)中國(guó)的社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)諸多不利影響。因此，在現(xiàn)有封存強(qiáng)度條件下，CCUS無(wú)法滿足中國(guó)碳中和目標(biāo)需求。為滿足碳中和目標(biāo)需要，顯著降低CCUS項(xiàng)目地下空間占用，必須探索可大幅度提高中國(guó)CO2封存強(qiáng)度的技術(shù)方法。

2 CO2-咸水協(xié)同抽注技術(shù)

基于上述實(shí)際需求，為有效提高CO2封存過(guò)程中CO2在地層中的總封存量，神華集團(tuán)先行開展了CO2多層統(tǒng)注試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CO2運(yùn)移過(guò)程受不同地層間巨大滲透系數(shù)差影響，導(dǎo)致CO2向滲透率高的地層富集，在滿足封存安全的條件下，封存能力僅較單儲(chǔ)層注入提高了約17%。因此，單純的多層統(tǒng)注技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)封存強(qiáng)度量級(jí)的提高，無(wú)法滿足長(zhǎng)期大量CO2封存需求。

基于CO2強(qiáng)化驅(qū)水[39]的技術(shù)思路，本文充分考慮單純多層統(tǒng)注技術(shù)的缺陷，提出CO2-咸水協(xié)同抽注的技術(shù)方案，以提高CO2的封存能力。該技術(shù)采用多層射孔方法，在CO2注入井不同深度進(jìn)行射孔，使得CO2能夠通過(guò)多組注入孔道，進(jìn)入不同封存層；層與層間用封隔器分開，每層的注入壓力可分別控制，而不像傳統(tǒng)的多層統(tǒng)注技術(shù)采用統(tǒng)一的注入壓力。這樣可大幅提高單口注入井的CO2封存效率與封存量。在CO2多層注入的同時(shí)，利用采水井從封存層采出咸水，在降低由于CO2注入導(dǎo)致的封存層壓力的同時(shí)，釋放封存層孔隙空間，提高封存層封存系數(shù)，最終使得CO2在地下的封存總量顯著提高，技術(shù)方案及管柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1和2所示。

圖1 CO2-咸水協(xié)同抽注技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of CO2-saline collaborative pumping-injection technologies in multi-formations

圖2 CO2-咸水協(xié)同抽注技術(shù)管柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipe string structure during CO2-saline collaborative pumping-injection technologies operation

為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)方案，結(jié)合中國(guó)CO2地質(zhì)封存儲(chǔ)層的地質(zhì)特征分析，該技術(shù)開展的主要特點(diǎn)可歸納為：

1）由于中國(guó)CO2地質(zhì)封存層多為上下重疊的薄層，在傳統(tǒng)單層注入CO2無(wú)法滿足封存量需求時(shí)，多層注入和注入壓力分層控制技術(shù)通過(guò)增加封存層數(shù)量，同時(shí)顯著提高了CO2封存總量和封存效率。

CO2多層統(tǒng)注的層數(shù)應(yīng)該根據(jù)各地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行選擇。以鄂爾多斯盆地含油層為例，滿足滲透率、層厚等封存要求的儲(chǔ)層為三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)8、長(zhǎng)6、長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)2儲(chǔ)層，對(duì)應(yīng)CO2多層統(tǒng)注層數(shù)為2～4層[40]。CO2注入層數(shù)不宜過(guò)多，因過(guò)多的注入層對(duì)井下分層控壓管柱及控壓技術(shù)要求過(guò)高，大大增加了分層控壓的難度，不利于CO2封存，且協(xié)同抽注的壓力調(diào)節(jié)更為復(fù)雜，需要開發(fā)更為復(fù)雜的調(diào)控、監(jiān)測(cè)技術(shù)作為輔助。同時(shí)，過(guò)多層數(shù)注入會(huì)增加CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)。除控制注入層數(shù)外，為保證注入的CO2以超臨界態(tài)存在于封存層，CO2封存層的深度均應(yīng)超過(guò)1 000 m。這是由于當(dāng)CO2封存層過(guò)淺時(shí)，注入的超臨界CO2會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)CO2，在密度大大降低的同時(shí)，體積膨脹，導(dǎo)致封存空間不能充分利用，顯著降低CO2的封存量。

2）封存系數(shù)為封存層的特征參數(shù)，為提高CO2封存量，通過(guò)采出封存層咸水的方法提高封存層的封存系數(shù)。該方法需要在封存井附近設(shè)置咸水采出井，并在每個(gè)封存層對(duì)應(yīng)深度進(jìn)行射孔。封存層的咸水通過(guò)射孔采出，一方面，可在CO2注入井與采水井間形成壓力梯度，隨著CO2在儲(chǔ)層中的運(yùn)移壓力不斷均勻化，改善了單純注入帶來(lái)的儲(chǔ)層壓力升高的問題；另一方面，將封存層孔隙中的咸水采出，為CO2注入提供充足的孔隙空間，從而增大CO2的可注性，實(shí)現(xiàn)顯著增大封存系數(shù)的目的。咸水的采出量與場(chǎng)地儲(chǔ)層的替換系數(shù)Er直接相關(guān)，對(duì)于不同的場(chǎng)地，咸水合理的采出量不同[41]。為確定合理的咸水采出量，需要先結(jié)合各封存層滲透率、注入井與采出井間距離等開展相關(guān)模擬計(jì)算，得到抽注平衡控制的壓力范圍，再進(jìn)行采出量估計(jì)。對(duì)于采出的咸水，可在進(jìn)行脫鹽處理后作為工業(yè)用水或用于農(nóng)業(yè)灌溉。咸水脫鹽需滿足《工業(yè)用水軟化除鹽設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50109—2014）[42]和《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084—2005）[43]要求。成本方面，目前CO2多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注環(huán)節(jié)每噸CO2成本約為12～30美元（不包含捕集和運(yùn)輸成本）[41]，具體取決于咸水脫鹽要求。盡管目前CO2多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注環(huán)節(jié)成本仍偏高，但若CO2多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注實(shí)現(xiàn)集群規(guī)?；渴穑蚁趟擕}技術(shù)在反滲透膜的制備和規(guī)?；煞矫嫒〉眯逻M(jìn)展，則CO2多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注環(huán)節(jié)的成本可望進(jìn)一步降低。

為保證咸水采出對(duì)封存層孔隙影響，根據(jù)本文及前人模擬結(jié)果，建議咸水采出井與CO2注入井間隔0.5～10.0 km為宜，具體間隔距離和采、注井的具體布局需結(jié)合封存層地質(zhì)條件進(jìn)行合理規(guī)劃[44-46]。若采-注井間距離過(guò)短，注入的CO2可能溶解于咸水中并被采出，造成CO2泄漏，導(dǎo)致封存效率大大降低；若采出井和注入井間距過(guò)長(zhǎng)，則咸水采出井無(wú)法對(duì)CO2注入井影響范圍內(nèi)的地層壓力進(jìn)行有效控制，難以有效提高CO2的可注性。

3）為進(jìn)一步提高CO2多層注入與咸水多層采出的協(xié)同作用，各層CO2注入壓力與咸水層采出壓力需進(jìn)行精細(xì)化控制，可利用預(yù)模擬結(jié)果及井下監(jiān)測(cè)控制設(shè)備相結(jié)合的方法，通過(guò)調(diào)控注入層順序、層內(nèi)壓力梯度、層間壓力差等參數(shù)實(shí)現(xiàn)。其中，每個(gè)封存層兩井間的壓力差值，應(yīng)根據(jù)井間封存層的平均滲透率，采用達(dá)西定律計(jì)算確定。為提高CO2封存量，注入井注入壓力應(yīng)高于采水井采水壓力，但考慮到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中地層和井筒穩(wěn)定性等因素，兩端的抽注壓力差不宜過(guò)高。

3 多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注技術(shù)模擬與分析

為初步驗(yàn)證本文提出的多層協(xié)同抽注技術(shù)的可行性，利用T2Well/ECO2N軟件建立3維井筒-儲(chǔ)層耦合模型，如圖3所示，模擬不同情況下CO2的注入過(guò)程。圖3中：地層頂部埋深700 m，長(zhǎng)10 km，寬9.5 km，厚190 m；其中，包括3個(gè)層厚10 m的高滲封存層及3個(gè)層厚40 m的低滲蓋層。注入井及采出井位于模型中間，沿地層長(zhǎng)度方向分布，相距500 m，井筒長(zhǎng)890 m，井徑0.124 m。模擬地層及井筒初始處于靜水平衡狀態(tài)，地表溫度13 ℃，地溫梯度3 ℃/100 m。注入井井口定壓6.0 MPa，定溫8 ℃；抽水井井底定壓0.1 MPa，地層邊界定壓。本文考慮了3種CO2注入情景，相關(guān)模型設(shè)置及巖石性質(zhì)如表2所示。

表2 3種CO2注入情景模型參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameters of three CO2 injection scenarios

圖3 數(shù)值模型網(wǎng)格剖分示意圖Fig.3 Plan view of grid used for simulations

在3種抽注條件下運(yùn)行60 d后的模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可知：在多層單注條件下，受井口定壓條件約束，CO2注入時(shí)隨著地層深度增加、溫度升高，儲(chǔ)層壓力也逐漸升高，封存層1#中CO2壓力已傳遞至距注入井約500 m的范圍處，封存層2#和3#壓力傳遞范圍更為廣泛；由此可知，多層單注條件下，CO2的注入將增加封存區(qū)域地下壓力的聚集程度，導(dǎo)致CO2封存區(qū)域存在更高的潛在風(fēng)險(xiǎn)，不利于CO2在地下的穩(wěn)定封存。在多層協(xié)同抽注條件下，隨著地下水的采出，在采出井附近較小范圍形成了低于靜水壓力的區(qū)域，而且相比于多層單注條件，此時(shí)抽注井間壓力明顯減小，即使在壓力聚集明顯的封存層3#中的壓力傳遞范圍最遠(yuǎn)端也僅有350 m左右。這說(shuō)明協(xié)同抽注可有效緩解CO2注入帶來(lái)的地層壓力聚集，在提高了CO2注入強(qiáng)度的同時(shí)，降低了CO2封存區(qū)域存在的風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，模擬結(jié)果表明，封存層的各向異性對(duì)多層協(xié)同抽注技術(shù)影響較小，同樣可以緩解CO2注入導(dǎo)致的壓力聚集現(xiàn)象。

由圖4（b）可粗略評(píng)估CO2在儲(chǔ)層中的運(yùn)移及分布情況。在多層單注條件下，注入的CO2均勻地向井周圍運(yùn)移，注入60 d后，CO2羽流前端運(yùn)移距離小于250 m。在多層協(xié)同抽注條件下，隨著封存層咸水的抽出，CO2羽流明顯向抽出井偏移；當(dāng)CO2注入60 d后，羽流前端基本超過(guò)250 m；與各向異性封存層條件相對(duì)比，雖然羽流形狀受各向異性影響而改變，但羽流仍向抽出井方向偏移，且羽流前端運(yùn)移距離與各向同性砂巖相近。以上模擬結(jié)果說(shuō)明，協(xié)同抽注在緩解CO2注入帶來(lái)的壓力聚集的同時(shí)，將加速CO2的運(yùn)移過(guò)程，這有利于提高CO2注入效率及CO2封存強(qiáng)度。

圖4 3種抽注條件下運(yùn)行60 d后地層壓力、CO2飽和度分布模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of pressure and CO2-saturation distribution after 60 days injection under three scenarios

圖5為3種抽注條件下CO2累計(jì)注入量，注入周期為60 d時(shí)3種抽注條件下CO2累計(jì)注入量見表3。由此可得：注入60 d后，多層協(xié)同抽注比多層單注條件的CO2注入量高11.91%；當(dāng)?shù)貙觾?nèi)為各向異性巖性時(shí)，仍有7.69%的提高。根據(jù)CO2飽和度在XY方向上投影，計(jì)算各抽注條件下的最大運(yùn)移面積，可知：多層協(xié)同抽注各向同性的條件有利于CO2快速運(yùn)移，此時(shí)的封存強(qiáng)度為9.968×105t/km2，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有技術(shù)條件下各工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的CO2封存強(qiáng)度。多層統(tǒng)注條件下的封存強(qiáng)度雖然略高于多層協(xié)同抽注，但根據(jù)壓力場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果可知，多層單注將導(dǎo)致較大的壓力聚集，影響地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。多層協(xié)同抽注各向異性條件下，CO2運(yùn)移受到巖石各向異性影響，運(yùn)移范圍較小，故而其封存強(qiáng)度略高于其他兩種抽注條件。

圖5 3種抽注條件下60 d累計(jì)注入CO2的質(zhì)量Fig.5 Cumulative mass of CO2 injection after 60 days under three scenarios

表3 3種抽注條件下60 d CO2累計(jì)注入量及其封存強(qiáng)度模擬結(jié)果Tab.3 Cumulative mass and sequestration intensity of CO2 injection after 60 days under three scenarios

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，當(dāng)采用多層統(tǒng)注+協(xié)同抽注技術(shù)向儲(chǔ)層注入CO2時(shí)，CO2的封存強(qiáng)度可達(dá)到106t/km2，是中國(guó)現(xiàn)有CCUS項(xiàng)目平均CO2封存強(qiáng)度（1.79×104t/km2）的56倍，與國(guó)外主要CCUS項(xiàng)目的CO2封存強(qiáng)度達(dá)到了同一量級(jí)（挪威Sleipner CO2封存項(xiàng)目的封存強(qiáng)度約為4.5×106t/km2）。以中國(guó)每年減排109t CO2為例，利用多層協(xié)同抽注技術(shù)在大幅度提高CO2封存效率的同時(shí)，每年可為中國(guó)節(jié)約9×103km2的國(guó)土面積，這將大大緩解CO2封存工程土地占用帶來(lái)的地下空間資源沖突，更有利于中國(guó)長(zhǎng)期、大規(guī)模的CO2封存技術(shù)的實(shí)施。

4 總結(jié)與建議

中國(guó)現(xiàn)有CO2咸水層封存和CO2強(qiáng)化驅(qū)油項(xiàng)目的封存強(qiáng)度（單位面積的CO2封存量）較低，無(wú)法滿足中國(guó)碳達(dá)峰、碳中和的減排需求。為顯著提高中國(guó)CO2封存強(qiáng)度，本文提出CO2多層協(xié)同抽注技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在CO2注入井不同深度進(jìn)行射孔，使得CO2能夠注入多個(gè)封存層。在CO2多層注入的同時(shí)，利用采水井從多個(gè)封存層抽出咸水，釋放各封存層孔隙空間，使得CO2在地下的封存總量顯著提高。該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)方面具有節(jié)約鉆井費(fèi)用、降低監(jiān)測(cè)設(shè)備部署成本等優(yōu)點(diǎn)。模擬計(jì)算結(jié)果表明，由于多層協(xié)同抽注可通過(guò)咸水抽出平衡地層壓力變化，因此，CO2多層協(xié)同抽注技術(shù)可以大大緩解CO2注入導(dǎo)致的壓力聚集，降低CO2注入導(dǎo)致的地層形變和地表位移風(fēng)險(xiǎn)。CO2多層協(xié)同抽注系統(tǒng)將在相同注入時(shí)間內(nèi)提高7.69%～11.91%的CO2注入量，在60 d注入期內(nèi)，CO2封存強(qiáng)度可達(dá)到106t/km2。更高的CO2封存強(qiáng)度可大幅度提高CO2注入的效率，節(jié)約大量的國(guó)土資源，減少國(guó)土資源利用沖突，更有利于CO2封存技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

然而，CO2多層協(xié)同抽注技術(shù)的實(shí)施仍有諸多挑戰(zhàn)：從技術(shù)層面，為實(shí)現(xiàn)多層注入過(guò)程中各層抽注壓力的精細(xì)控制，需要開發(fā)高性能的多層注入與抽吸井下器具及配套設(shè)備，對(duì)多層抽注過(guò)程控制的邏輯算法也亟需開展相應(yīng)研究；從穩(wěn)定性層面，CO2多層協(xié)同抽注可能引起地層力學(xué)穩(wěn)定性降低和井筒失穩(wěn)，因此需開發(fā)可模擬多儲(chǔ)層地下結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性演化的試驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)值模擬軟件；從管理層面，需優(yōu)化現(xiàn)有管理流程及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)要素，制定集風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管控為一體的CO2多層協(xié)同抽注技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理方案。