熊 倫

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)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(shí)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(chǎng)集中排放的CO2進(jìn)行捕捉壓縮后注入地下適宜目標(biāo)場(chǎng)地，從而進(jìn)行CO2地下處置?？勺鳛镃O2目標(biāo)場(chǎng)地的地下場(chǎng)所主要包括深部高溫咸水層、廢棄的油氣藏以及深部無(wú)經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)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(chǔ)存場(chǎng)地［3－4］。但CO2咸水層封存易由于CO2的持續(xù)注入而導(dǎo)致原始地層壓力不斷增加［5］?；诖?，謝和平等人提出在進(jìn)行CO2咸水層封存的同時(shí)，可在注入井周?chē)凑蘸线m方式布置抽采井，從而對(duì)儲(chǔ)層初始流體進(jìn)行抽采，抽采的流體可作為地?zé)豳Y源以用于發(fā)電或者直接利用，從而緩解儲(chǔ)層孔隙壓力的持續(xù)增加。本文在此基礎(chǔ)上，針對(duì)鄂爾多斯盆地咸水層CCS項(xiàng)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(duì)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(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析兩者在注入CO2后儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)咸水層CCS技術(shù)的潛在影響。

2 模型建立

對(duì)于咸水層CCS技術(shù)，布置抽采井對(duì)儲(chǔ)層初始流體進(jìn)行抽采時(shí)，可以緩解儲(chǔ)層孔隙壓力因CO2的持續(xù)注入而逐漸升高，大大提高長(zhǎng)期安全性；同時(shí)，儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)儲(chǔ)層安全性以及碳累積封存量的差異，針對(duì)鄂爾多斯盆地咸水層CCS技術(shù)示范項(xiàng)目某注入層段的水文地質(zhì)條件，對(duì)該兩類(lèi)情況分別建立數(shù)值模型。

以該CCS技術(shù)示范項(xiàng)目注入層段中厚度為150m的砂巖層作為目標(biāo)儲(chǔ)層、以其相鄰上部覆蓋的45m厚泥巖層為蓋層進(jìn)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(duì)于單純CCS技術(shù)，僅在儲(chǔ)層中心位置布置一口注入井，不在周?chē)贾贸椴删?；而?duì)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(chǔ)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(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的多相流模擬軟件TOUGH2［6］中的ECO2N［7］模塊對(duì)該兩種情況分別進(jìn)行模擬分析。整個(gè)模型側(cè)向及頂?shù)酌娑x為隔水邊界，儲(chǔ)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(lèi)似項(xiàng)目研究實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，該注入壓力能夠滿(mǎn)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(guò)程均采用虛擬井的方式進(jìn)行模擬，注入位置和抽采位置如圖1所示，模擬注采時(shí)間為30年。

圖1 抽采井和注入井布置簡(jiǎn)圖

表1 模擬參數(shù)選擇

3 模擬結(jié)果

3.1 CO2注入后儲(chǔ)層壓力和CO2暈分布對(duì)比

對(duì)于選定的場(chǎng)地地質(zhì)條件，在相同儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)層壓力沿儲(chǔ)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(diǎn)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(guò)大而導(dǎo)致蓋層開(kāi)裂，從而成為CO2潛在的泄露路徑；而由CO2在儲(chǔ)層中的飽和度分布圖可知，在30年時(shí)，CO2主要富集在蓋層底部，沿水平方向約擴(kuò)散了800m左右；由于CO2的密度小于咸水，在浮力、重力和儲(chǔ)層壓力等綜合因素的作用下在儲(chǔ)層中呈倒三角形分布，僅有微量CO2滲透到底部蓋層中。而對(duì)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(chǔ)層孔隙壓力在注入井周?chē)鄬?duì)較高，而在抽采井周?chē)鄬?duì)較低，注入井一側(cè)的儲(chǔ)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(dá)到最大；而從CO2飽和度在儲(chǔ)層中的分布圖可知，30年后儲(chǔ)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(yùn)移300m左右，而在抽采井一側(cè)水平方向約運(yùn)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(jìn)行特別分析，其壓力和CO2飽和度隨模擬時(shí)間的變化曲線(xiàn)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(dá)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(xiàn)可知，在儲(chǔ)層中注入CO2兩年左右后，兩種情況下注入的CO2基本同時(shí)運(yùn)移到蓋層該位置，并隨模擬時(shí)間逐漸增加，布置抽采井時(shí)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(duì)于不布置抽采井的CCS技術(shù)，CO2飽和度達(dá)到0.17，而布置抽采井時(shí)達(dá)到0.20。但兩種情況下，在蓋層頂面均未監(jiān)測(cè)到CO2出現(xiàn)，即對(duì)于選定儲(chǔ)層的地質(zhì)條件，在模擬時(shí)間范圍內(nèi)，兩種情況下該儲(chǔ)層中的CO2均不會(huì)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)層中碳累積封存量隨注入時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可知，對(duì)于該兩種情況，在恒定的注入壓力下，由于儲(chǔ)層壓力的逐漸增加，CO2注入速率隨著模擬時(shí)間均逐漸降低，但對(duì)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(jiàn)在相同的儲(chǔ)層條件、相同的注入壓力下，布置抽采井時(shí)可顯著提高注入井中CO2的注入速率。

對(duì)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(duì)于布置抽采井的咸水層CCS技術(shù)，可認(rèn)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(xiàn)可知，兩種技術(shù)下CO2累積封存量均隨模擬時(shí)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(shí)間的增加，CO2的封存量與注入量的比值會(huì)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(duì)于布置抽采井的CCS技術(shù)，CO2累積封存量為698萬(wàn)噸，即平均每年大約可封存23.3萬(wàn)噸CO2；而對(duì)于不布置抽采井的CCS技術(shù)，累積封存量約為607萬(wàn)噸，僅約為布置抽采井時(shí)的87%；可見(jiàn)，對(duì)于相同的儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(shí)間變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

鑒于單純CCS技術(shù)易造成儲(chǔ)層孔隙壓力持續(xù)增加等缺點(diǎn)，考慮在注入井周?chē)贾贸椴删詫?duì)儲(chǔ)層初始流體進(jìn)行抽采。通過(guò)數(shù)值模擬，可知，在相同儲(chǔ)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(shí)可在顯著提高注入井中CO2注入速率的同時(shí)顯著增加儲(chǔ)層中CO2累積封存量，并可緩解因注入CO2而導(dǎo)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(shí)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(shí)間的變化曲線(xiàn)

［1］李小春，小出仁，大隅多加志.二氧化碳地中隔離技術(shù)及其巖石力學(xué)問(wèn)題［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22（6）：989－994.

［2］李小春，劉延鋒，白冰，等.中國(guó)深部咸水含水層CO2儲(chǔ)存優(yōu)先區(qū)域選擇［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（05）：964－968.

［3］謝凌志，周宏偉，謝和平.鹽巖CO2處置相關(guān)研究進(jìn)展［J］.巖土力學(xué)，2009，30（11）：3324－3330.

［4］李義曼，龐忠和，李捷，等.二氧化碳咸水層封存和利用［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2012，30（19）：70－79.

［5］謝和平，謝凌志，王昱飛等.全球二氧化碳減排不應(yīng)是CCS，應(yīng)是CCU［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2012，44（04）：1－5.

［6］Pruess K，Oldenburg C，Moridis G.TOUGH2User’s Guide，Version 2.0［R］.Lawrence Berkeley National Laboratory Report LBNL－43134，Berkeley，CA，November 1999.

［7］Pruess K.ECO2N：A TOUGH2fluid property module for mixtures of water，NaCl，and CO2［R］.Lawrence Berkeley National Laboratory Report LBNL－57952，Berkeley，CA，August 2005.

［8］Zhou Q，Birkholzer J T，Tsang C，et al.A method for quick assessment of CO2storage capacity in closed and semi－closed saline formations［J］.International Journal of Greenhouse Gas Control，2008，2：626－639.

［9］許雅琴，張可霓，王洋.基于數(shù)值模擬探討提高咸水層CO2封存注入率的途徑［J］.巖土力學(xué)，2012，33（12）：3825－3832.