張志雄，謝 健，戚繼紅，胡立堂，張可霓，吳禮舟

(1.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059；2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875； 3.勞倫斯伯克利國家實驗室，美國加州 伯克利 94720)

利用深部咸水層進行CO2地質(zhì)封存(GCS)被認為是實現(xiàn)大規(guī)模減排、緩解溫室氣體效應最具前景的技術之一[1]。隨著近年GCS工程在全球的不斷推進和實施，其安全性和泄漏風險愈來愈引起人們重視。由于含水層不似廢棄油氣田，未有儲氣“經(jīng)歷”，因此其蓋層(隔水層)完整性和地層垂向組合特征是否滿足GCS密封性要求未得到充分驗證。斷層作為影響儲層地質(zhì)條件復雜性的重要不確定性因素，對GCS工程的安全性、封存效果具有至關重要的影響[2]。斷層及其破碎帶往往是結(jié)構(gòu)復雜的非均質(zhì)系統(tǒng)[3]，GCS場地如果存在穿透主要儲層和蓋層的斷層，CO2極有可能沿著斷層破碎帶遷移至淺部地層甚至泄漏至地表。這不僅降低儲層的封存能力，而且可能導致上覆含水層污染、激活斷層等環(huán)境地質(zhì)效應[4]。

研究地質(zhì)封存CO2及其儲層咸水在注入和封存階段沿斷層遷移泄漏的主要特征和受控因素是極為必要的。然而，目前國內(nèi)外關于這一課題的研究還十分有限。Pruess[5～7]研究了CO2泄漏過程中的物理化學作用。鄭菲等[8]對蘇北盆地CO2地質(zhì)封存泄漏風險的全局敏感性分析，發(fā)現(xiàn)與毛細壓力有關的斷層參數(shù)對斷層中CO2總量的影響最大。董華松等[9]重點關注了GCS泄漏監(jiān)測技術的發(fā)展。崔振東等[4,10～11]研究了CO2泄漏的風險及后果，指出泄漏可導致淺部淡水資源被污染、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康受威脅，還有可能激活斷層?？傮w來看，國內(nèi)學者多數(shù)停留在介紹、綜述國外研究成果和理論，缺少這一課題的專門定量研究[12]。

本研究運用多相流達西定律，分析儲層流體滲流的影響因素。在此基礎上利用儲層多相流模擬軟件TOUGH2/ECO2N建立一系列場地泄漏模型，旨在揭示和闡明GCS流體沿斷層泄漏的主要機理或規(guī)律，評估斷層對GCS泄漏的可能影響，為場地評估和封存效果研究提供理論依據(jù)。

1 理論分析

CO2注入到含水層中會引起H2O-NaCl-CO2混合系統(tǒng)多種復雜的物理化學耦合作用，其中最主要的是多組分多相流體的滲流過程，這可用多相流達西定律進行描述[13]。向含水層中注入CO2會引起孔隙壓力的抬升，這必然會改變儲層流體所受的壓力梯度。而系統(tǒng)毛細壓力和流體黏度的變化也會導致流體流動性的變化。如果CO2所在含水層被斷層切割且斷層導水，則儲層流體在壓力梯度和密度差引起的浮力作用下必然沿斷層發(fā)生遷移，進而突破蓋層進入上覆含水層。CO2與咸水在含水層乃至斷層中的遷移擴散的過程[1,14]：

(1)

(2)

(3)

式中：t——注入時間；

Vn——流動系統(tǒng)的體積；

M——單位體積的質(zhì)量或能量；

K——組分；

F——質(zhì)量通量；

n——表面單元dΓn的法向矢量；

q——質(zhì)量或能量源匯項；

φ——孔隙度；

S——飽和度；

β——相態(tài)(氣相或液相)；

ρ——密度；

X——質(zhì)量分數(shù)；

k——巖體固有滲透率；

kr——相對滲透率；

μ——黏度；

g——重力加速度。

由式(3)可知，在相同的儲層環(huán)境下，增大CO2注入速率，系統(tǒng)內(nèi)氣相相對滲透率及壓力梯度Pβ均增大，這會導致Fβ也增大，即泄漏速率及泄漏量增大；斷層發(fā)育位置距離注入井越近，相同注入壓力條件下斷層中的壓力梯度Pβ越大，因此泄漏速率及泄漏量也增大；斷層傾角越小，泄漏途徑增長，因此系統(tǒng)內(nèi)壓力梯度Pβ減小，泄漏速率及泄漏量也因此減?。粩鄬訑嗑嗟淖儎涌筛淖償鄬觾杀P的連通性，若因斷距使兩盤的連通性增大，也就相當于k增大，因此泄漏速率及泄漏量也增大；對于斷層厚度的改變，斷層單位寬度上的Fβ不變，但厚度增大后，泄漏量會增多；增大斷層滲透性，顯然泄漏速率及泄漏量都增大。

2 模型說明及模擬方案

2.1 地質(zhì)模型及網(wǎng)格剖分

選取一套砂巖泥巖互層的地層為模型研究場地，包括3層泥巖和3層砂巖(圖1)，以砂巖3為目標儲層，泥巖2為主蓋層。模型水平方向以注入井為中心，徑向延伸1 000 m，地層模擬段埋深1 000～1 220 m?；A模型斷層發(fā)育位置距注入井300 m，斷層垂直。另外設置了一組研究傾斜斷層的模型，模型水平徑向范圍為900 m，地層埋深1 000～1 200 m。所有模型均采用矩形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格大小0.5～50 m不等，于注入井和斷層附近加密，加密區(qū)網(wǎng)格水平間距為0.3～1.0 m。為了更好地刻畫斷層，將斷層帶分成滲透性較高的破碎強烈?guī)Ш蜐B透性較小的斷層破碎影響帶，而且在研究斷層滲透性的模型中還將斷層分成上下1區(qū)和2區(qū)(圖2)。

圖1 地質(zhì)概念模型及網(wǎng)格剖分圖Fig.1 Geological model and grid design

圖2 斷層帶分區(qū)刻畫示意圖Fig.2 Schematic diagram of the zonation of faults

2.2 模型方案及參數(shù)設置

為揭示可能影響GCS泄漏的斷層特征和注入方式，設計了6個方案總共15個模擬進行研究。方案I、II、III、IV、V、VI是分別用于探討注入速率、斷層位置、斷層傾角、斷層斷距、斷層帶厚度及斷層滲透性對泄漏的影響，各模擬方案及參數(shù)設置，見表1。為了方便對照，表中基礎模型(編號1)有重復。

模型中儲層及蓋層的參數(shù)是參考神華CCS項目的主要儲層劉家溝組及上部泥巖層設置的，其它參數(shù)則是在儲層及蓋層的基礎上設計的；斷層的傾角設置成90°(研究傾角的除外)，這主要是為了方便刻畫模型；切穿深部地層的斷裂傾角一般較大，因此在方案III中設置了大于45°的三個傾角；對于注入速率3.17 kg/s是參考神華項目的10×104t/a設置。概念模型中各地質(zhì)單元的水文地質(zhì)參數(shù)具體設置見表2。

2.3 模型邊界條件與初始條件

模型右邊側(cè)向邊界設置為常壓邊界，以保證含水層水平方向的開放(無限含水層)，設置成常壓邊界是將邊界上的網(wǎng)格體積設置成超大體積(1051m3)實現(xiàn)的。每個模型的左側(cè)邊界分成三段，上下兩段都設置成無滲流邊界，滲透率設成很低(10-20m2)；中段設置成常壓邊界，保證CO2能正常注進儲層，只需把滲透率設置成比儲層的滲透率略大。

模型中各地層溫度假設為42.5 ℃，模擬過程不考慮非等溫效應。模型頂部壓強參考神華CCS場地取12.0 MPa，利用重力平衡計算得出模型的初始壓力分布。鹽度也參考神華的劉家溝組咸水層取0.03%。各地層中的初始CO2質(zhì)量分數(shù)為0。

表1 模型方案及斷層參數(shù)設置Table 1 Model schemes and associated fault parameters

注：表中V為CO2注入速率；ζ為斷層距注入井的距離；α為斷層傾角；d為斷層斷距；λ為斷層破碎帶厚度；K1x,K1y為斷層破碎影響帶水平方向滲透率；K1z為斷層破碎影響帶垂直方向滲透率；K2x,K2y為斷層破碎強烈?guī)椒较驖B透率；K2z為斷層破碎強烈?guī)Т怪狈较驖B透率。

表2 概念模型的各地質(zhì)單元物性參數(shù)設置一覽表Table 2 Physical properties of the geological units in the models

注：表中d1為主模型各地質(zhì)單元厚度；d2為輔助模型各地質(zhì)單元厚度；n為孔隙度；ρ為密度；Kx,Ky為水平方向滲透率；Kz為垂直方向滲透率；P0為進氣毛細壓力；m為孔隙分布指數(shù)；Slr為殘余液相飽和度；Sgr為殘余氣相飽和度。

3 模型結(jié)果及分析

3.1 泄漏時間

文中以有CO2通過蓋層底部斷層位置的時刻為開始泄漏時間，是表征CO2在儲層中遷移速率的一個變量。文中儲層及流體的性質(zhì)都一致，所以CO2從注入到泄漏的時間長短，主要取決于壓力梯度Pβ的大小和斷層位置的遠近。表3為6組模擬方案的泄漏時間列表，可見注入速率、斷層位置及斷層傾角對泄漏時間的影響最大，其次是斷層帶的滲透性，而斷層的斷距、厚度對其影響不大。注入速率由1.585 kg/s增大到6.34 kg/s，泄漏時間提前了3 853 d；斷層位置由500 m減至100 m，泄漏時間由9 821 d提前至277 d；斷層傾角由45°增至90°，泄漏時間由132 d提前至91 d，突破模型頂部時間提前了360 d；斷層滲透性放大一倍后，雖然開始泄漏時差別不大，但突破模型頂部時間提前了3 782 d；但考慮到斷層上下部分滲透性不同時，發(fā)現(xiàn)其泄漏時間是由兩部分共同決定的，但并不是對等關系。

3.2 泄漏速率

表3 不同模擬方案CO2泄漏時間對比Table 3 Comparison of the time at which CO2 leaks for various modeling schemes

圖3 地下水及CO2的泄漏速率與時間的關系Fig.3 Leakage rate of CO2 and groundwater

泄漏速率不同于泄漏時間，它表征的是單位時間泄漏量的多少。圖3為各組模型的地下水及CO2泄漏速率曲線。需要注意的是討論泄漏速率皆為Z向的。注入速率對CO2及地下水的泄漏速率的影響顯著(圖3a)，注入速率由1.585 kg/s抬高至6.34 kg/s，CO2的泄漏速率加快了0.07～0.075 kg/s，地下水的泄漏速率加快了0.18～0.20 kg/s。斷層位置的遠近對CO2泄漏速率影響較大，距注入井500 m位置的CO2泄漏速率相對于100 m的加快了0.09～0.16 kg/s；但其對地下水的影響更大，這主要是因為地下水密度更大，而且CO2驅(qū)替地下水是一個積累的過程，斷層位置越遠地下水泄漏量越大。圖3c中可見，斷層傾角越大泄漏速率偏小，90°傾角相對于45°傾角，CO2泄漏速率小了0.18～0.34 kg/s。圖3d中的規(guī)律不夠顯著，應該是斷距的大小會影響Z向和R向的泄漏量大小的比例。斷層帶厚度的影響很顯著，厚度越窄速率越快。斷層厚度由20 m減為10 m，地下水速率增加了0.065～0.112 kg/s，CO2泄漏速率增加了0.048～0.054 kg/s。圖3f四個曲線差別不大，斷層滲透性提升一倍，CO2泄漏速率提高了約0.005 kg/s。

3.3 CO2羽體分布及泄漏量

CO2發(fā)生泄漏后，泄漏量的大小可以用于評判CO2封存效果及封存安全性。有學者認為，CO2的泄漏量不應該超過注入總量的1‰[9]。圖4為六個方案10a或20a后的CO2羽體分布，水平方向為R向，垂直方向為Z向(深度)，注入井位置在圖的左側(cè)。泄漏量的大小可大致通過CO2羽分布范圍大小來作比較，但為了更加精確的分析，圖中右側(cè)有注明儲層殘余CO2的比例。注入總量是注入速率與注入時間的乘積，基礎模型的CO2注入總量為1.99×106t。圖中可見CO2羽體在儲層中因密度小呈現(xiàn)“漏斗”狀，而在上部砂巖層因遷移先后呈現(xiàn)“倒漏斗”狀。

綜合10a或20a的CO2分布和儲層殘余CO2發(fā)現(xiàn)，注入速率、斷層位置對CO2泄漏量影響最大。注入速率(圖4a)為1.585kg/s時，儲層殘余CO2占注入總量的81.97%；速率增大一倍后，殘余CO2為60.40%；速率增大3倍后，殘余CO2為49.54%，泄漏量增多32.43%。斷層位置(圖4b)為100 m， CO2泄漏量高達注入量63.39%；而在模型5(斷層位置500 m)中還未發(fā)生泄漏。模型傾角由45°增大至90°，泄漏量相比增大了1.95%。圖4d可見，斷層右盤越靠下，泄漏量越大，當斷距為40 m時，泄漏量高達注入量的43.46%。斷層帶厚度越大，泄漏量越大，厚度20 m相對于10 m的情況，泄漏量增大了5.26%(圖4e)。斷層滲透性越強，泄漏的越多，滲透率加倍后，泄漏量增加了2.11%(圖4f)；當考慮到斷層上下部分滲透性不同時，發(fā)現(xiàn)其泄漏量是由兩部分共同決定的，但并不是對等關系。

圖4 不同模擬方案的CO2羽分布圖Fig.4 Comparison of the CO2 plumes for different model schemes

3.4 結(jié)果分析

綜合上述6個方案的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，研究注入速率、斷層位置的I、II兩個方案結(jié)果極其顯著。在相同的儲存環(huán)境下，增大CO2注入速率，系統(tǒng)內(nèi)氣相相對滲透率及壓力梯度Pβ均增大，這會導致泄漏速率及泄漏量增大；斷層發(fā)育位置距離注入井越近，相同注入壓力條件下斷層中的壓力梯度Pβ越大，因此泄漏速率及泄漏量也增大。

然而研究斷層傾角、斷距、厚度及滲透性的III、IV、V、VI 4個方案結(jié)果不是很顯著。斷層傾角越小，泄漏途徑增長，因此系統(tǒng)內(nèi)壓力梯度Pβ減小，泄漏速率及泄漏量也因此減?。粩鄬訑嗑嗟淖儎涌筛淖償鄬觾杀P的接觸關系，極可能影響泄漏通道的連通性，若因斷距使連通性增大，也就相當于k增大，因此泄漏速率及泄漏量也增大；對于斷層厚度的改變，系統(tǒng)內(nèi)壓力梯度Pβ差別不大，導致斷層單位寬度上的Fβ變化很小，但厚度增大后，泄漏量會增多；增大斷層滲透性，顯然泄漏速率及泄漏量都增大。

4 結(jié)論

(1)6組模擬方案中，研究注入速率、斷層位置的I、II 2個方案結(jié)果極其顯著。注入速率由1.585 kg/s增大至6.34 kg/s，CO2泄漏將提前3 853 d，泄漏量增多32.43%；斷層距注入井的位置由500 m減小至100 m，CO2泄漏將提前9 544 d，泄漏量增多63.39%。

(2)6組模擬方案中，研究斷層傾角、斷距、厚度及滲透性的III、IV、V、VI 4個方案結(jié)果較顯著。斷層傾角由45°增大至90°，CO2泄漏將提前41 d，泄漏量增多1.95%；斷層斷距由-20 m增大至40 m，泄漏時間差別不大，但泄漏量增多5.97%；斷層厚度由10 m增大到20 m，泄漏時間差別不大，但泄漏量增多5.26%；斷層滲透性增大一倍，泄漏時間差別不大，但泄漏量增多2.11%；斷層上下部分滲透性不同時， CO2泄漏的影響是由兩部分共同決定的，但并不是對等關系。

(3)模型結(jié)果分析表明，CO2注入方案、斷層性質(zhì)(發(fā)育位置、產(chǎn)狀、幾何形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu))、系統(tǒng)內(nèi)巖層的組合形態(tài)對CO2泄漏均有影響。注入速率越大、斷層位置越近、斷層傾角越大、斷層越厚、滲透性越高，CO2泄漏的越早、泄漏量也越大。但斷距對CO2的泄漏主要受各巖層厚度及組合形態(tài)，與斷距大小關系不大。在這些因素中，對CO2泄漏影響最大的是注入速率和斷層位置。

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