二氧化碳捕集和埋存可靠性模擬與評價

章統(tǒng) 楊英杰 崔雪揚

（中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院 江蘇徐州 221116）

在應(yīng)對氣候變化的大環(huán)境下，研發(fā)和推廣低碳技術(shù)被視為減少碳排放的重要方法。在各類低碳技術(shù)中，碳捕集與封存技術(shù)（CCS,CarbonCaptureandStorage）被寄予厚望。CCS技術(shù)是聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會（IPCC）特別推薦的溫室氣體大幅減排方案。根據(jù)國際能源署（IEA,InternationalEnergyAgency）的研究表明，CCS技術(shù)的減排貢獻將從2020年占總減排量的3%上升到2030年的10%，并在2050年將達到19%，成為減排份額中最大的單個技術(shù)項目。我國學者對我國的存儲容量進行了初步估算，估算結(jié)果表明我國地質(zhì)封存總?cè)?4548億t。按2002年中國總排放量為33億t的1/3進行計算,地下空間容量可供中國地質(zhì)埋存使用1000年以上。我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)和已經(jīng)開展的CCS示范項目意味著大力發(fā)展CCS技術(shù)具有關(guān)乎國家溫室氣體減排責任、能源安全、國際CCS技術(shù)地位以及市場發(fā)展前景等方面的多重意義。的埋存技術(shù)一般可以分為地質(zhì)埋存、海洋埋存和礦化埋存，其中地質(zhì)埋存又可再細分為油氣藏封存、鹽水封存和煤層封存。其中在煤層封存技術(shù)方面，我國仍處于起步階段，相關(guān)方面的研究正逐步得到發(fā)展，通過對在煤層封存中的控制方程的推導，以及用軟件對蓋層完整性對封存安全性的影響進行模擬，從而對封存地對蓋層及地質(zhì)條件的要求做一總結(jié)，對煤層封存中地質(zhì)埋存環(huán)境可靠性進行模擬和評價，為地質(zhì)埋存環(huán)境的選址提出可靠性的建議。

1 煤層封存

煤層封存過程大致為[1]將工業(yè)排放的冷卻壓縮成液體或達到超臨界狀態(tài)(溫度高于31.1℃,壓力高于7.38MPa),并經(jīng)由管道運輸注入深部煤層（通常是地下800m以下），在煤層中經(jīng)過擴散、滲透、吸附以及與CH4的置換作用等，最終以吸附態(tài)或游離態(tài)賦存于封存煤層中，由于在煤層中的吸附能力是CH4的2倍左右，這使得煤層具有極大的封存潛力。

煤層中煤巖體的物理結(jié)構(gòu)特征是研究地質(zhì)埋存的基礎(chǔ)，建立正確的煤巖體的孔隙模型對滲流特性及流固耦合模型的確立有及其重要的影響。煤巖體由骨架、孔隙和裂隙構(gòu)成，是一個典型的雙重孔隙介質(zhì)。模型煤巖體分為含有孔隙空間的煤巖塊和分割煤巖塊的孔隙空間組合而成。比較經(jīng)典的雙重孔隙介質(zhì)模型有Kazemi模型和Deswann模型、Warren-Root模型。煤層是含有孔隙和裂隙的多孔介質(zhì)，在向其中充入高壓時，由于孔隙流體壓力的變化，在實際情況下，必須考慮的流動規(guī)律以及對煤層本身變形和強度的影響，即應(yīng)該考慮煤層中應(yīng)力場和滲流場的相互耦合作用。目前現(xiàn)有的研究結(jié)論主要集中于煤層中CH4的流固耦合方面的研究，由于CH4與具有相似的規(guī)律，因此的耦合理論可以參考CH4的流動理論。

2 封存控制方程

2.1 煤層中氣體的滲流控制方程

氣體的質(zhì)量守恒方程為

其中ρg是氣體的密度，軋qg是達西速度矢量，Qs是源或匯，t 是時間，m 是單位體積氣體的質(zhì)量，它Δ包→括在裂隙或孔隙中自由的氣體和被煤層吸附的氣體，因此：

其中ρg是氣體的密度，ρga是在標準大氣壓下氣體的密度，ρc是煤的密度，Ф 是孔隙率，VL是Langmuir體積常數(shù)，PL是Langmuir壓力常數(shù)。根據(jù)氣體狀態(tài)方程有：

可得煤層中氣體的滲流控制方程：

2.2 孔隙率和滲透率模型

結(jié)合相關(guān)文獻資料，我們分別取孔隙率模型和滲透率模型為：

其中Φ0初始孔隙率，即壓力為p0時的孔隙率大??；k0是初始滲透率，即孔隙率為Φ0，壓力為p0時的滲透率大小。

因此

2.3 耦合控制方程

由以上各式可得：

再將上式帶入可得：

3 蓋層的完整性作用

3.1 模型描述：

圖（1）中描述了地質(zhì)埋存中的力學模型，其中是通過一定手段從模型的右側(cè)被注入到模型下方。模型中的三層區(qū)域，分別代表三層不同地質(zhì)構(gòu)造的地層，第二層的A2區(qū)域為注氣后受力產(chǎn)生破壞的區(qū)域。受力情況描述：假設(shè)氣體對蓋層的作用力為線性分布，即A3面下方的最左側(cè)受力最大，最右側(cè)受力為0，蓋層上方即A1面上方受其上部地層的壓力，可假設(shè)為均勻分布，并且模型所受的力為平衡力。邊界條件描述：由于模型右側(cè)為注氣井，則右側(cè)邊界條件可以假設(shè)為簡支，其水平位移為0，左側(cè)邊界條件為固定邊界。

模型中各層的物理量大小:一般情況下覆蓋在煤層上方的巖石層從上到下依次為中砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)礫巖、粗砂巖和粉砂巖等，由于地理條件的不同煤層上的蓋層也會不同。圖（1）所示模型中僅考慮了蓋層中的三層，其物理量分別取:第一層即A1層彈性模量E=0.5Gpa、泊松比=0.35；第二層未破壞區(qū)域即A5和A6E=0.28Gpa，破壞區(qū)域A2中E=0.14Gpa；第三層即A3中E=0.2Gpa；受力大小為A1面上部受0.13Gpa的均布力，A3面下部受的壓力(Gpa)

圖1 力學模型

3.2 蓋層中局部發(fā)生破壞前后的位移和應(yīng)力變化圖

圖2 未破壞前的位移圖

圖3 局部發(fā)生破壞后的位移

3.3 模擬結(jié)果分析

從蓋層中局部發(fā)生破壞前后的位移和應(yīng)力圖分別可以看出，蓋層中局部發(fā)生破壞后其位移明顯變大，尤其在破壞區(qū)及其周圍變化明顯，應(yīng)力值在破壞區(qū)及其周圍也明顯變大。這就說明蓋層巖石的完整性對的封存安全性具體關(guān)鍵性的影響，同等地質(zhì)條件下完整的蓋層可以承受的壓力更大，封存的安全性更高，而對于發(fā)育不完整的蓋層或者孔隙率過大的蓋層，其封存的安全性將會大大降低。在封存過程中一旦泄露不僅造成前期投入的人力、物力的損失，還會對封存地的環(huán)境造成巨大的污染。

4 結(jié)語

煤在我國的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著主要地位，“一次能源以煤炭為主，二次能源以煤電為主”的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)很難有根本性的改變。隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，對能源特別是化石燃料的需求增長迅速，我國已經(jīng)成為排放大國，預(yù)計到2025年,我國將超過美國成為世界上溫室氣體排放的第一大國。我國煤礦資源豐富，其中不可開采煤層含量也非常眾多，這為我國煤層封存都提供了良好的必要條件，發(fā)展煤層封存技術(shù)不僅有利于大幅度減少的排放，還有利于不可開采煤層中天然氣的采集，其研究意義非常重要，我國CCS技術(shù)的發(fā)展任重道遠。

[1]張旭輝，鄭委，劉慶杰.CO2地質(zhì)埋存后的逃逸問題研究進展[J].力學進展,2010,40(5):517-527.