咸水層中二氧化碳地質(zhì)封存有效系數(shù)的探究
——以江漢盆地為例

李 松，李義連，喻 英，吳遠(yuǎn)柱

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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咸水層中二氧化碳地質(zhì)封存有效系數(shù)的探究
——以江漢盆地為例

李 松，李義連，喻 英，吳遠(yuǎn)柱

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

二氧化碳(CO2)地質(zhì)封存技術(shù)經(jīng)過近年來的發(fā)展，在理論和實(shí)際應(yīng)用方面已越來越成熟，許多試點(diǎn)工程也已經(jīng)啟動(dòng)，因此根據(jù)不同地區(qū)的封存條件，計(jì)算出相對(duì)精確的有效封存量是非常有必要的。目前計(jì)算有效封存量時(shí)使用的CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E僅反映了CO2占據(jù)整個(gè)孔隙體積的比例，還有很多敏感性因子尚未考慮，嚴(yán)重影響了CO2有效封存量的計(jì)算精度。依托江漢盆地的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，通過建立二維儲(chǔ)蓋層模型，并設(shè)置不同的邊界條件、注入模式和鹽度等影響因子來進(jìn)行CO2灌注的數(shù)值模擬研究，并通過模擬得出的數(shù)據(jù)，建立起一套不同敏感性因子對(duì)于CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的影響模型。

CO2地質(zhì)封存；有效系數(shù)；咸水含水層；影響因子；數(shù)值模擬；江漢盆地

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類活動(dòng)的增加，20世紀(jì)以來，大氣中以二氧化碳(CO2)為主的溫室氣體濃度持續(xù)增長。根據(jù)美國國家海洋及大氣管理局初步測算結(jié)果顯示，2005年大氣中CO2濃度較2004年提高了2.6×10-6，導(dǎo)致全球的平均溫度大約增加了0.6 ℃[1-3]。預(yù)計(jì)到2100年全球溫度將會(huì)比1990年上升1.4～5.8℃，這一增長速度達(dá)到了近1 000 a來溫度升高的最大值[4]。全球變暖對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類活動(dòng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，這一問題正日益受到世界各國的廣泛關(guān)注。近年來，圍繞這一問題開展了國際峰會(huì)十余次，研發(fā)碳減排技術(shù)、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已成為今后相當(dāng)長一個(gè)時(shí)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律[5-7]。在多種碳減排技術(shù)中，CO2地質(zhì)封存被認(rèn)為是目前較短時(shí)期內(nèi)可有效緩解大氣中CO2含量持續(xù)升高的有效方式，已被政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)確定為降低溫室氣體濃度、緩解氣候變化的一個(gè)選擇方案[8]，試點(diǎn)項(xiàng)目已在世界各地實(shí)施。其中將CO2封存于深部咸水含水層是一種既經(jīng)濟(jì)又能有效緩解溫室效應(yīng)的對(duì)策，把來源于地下的碳素還歸原處也是一種符合自然規(guī)律的選擇[9]。

CO2地質(zhì)封存技術(shù)經(jīng)過近年來的發(fā)展，在理論方面的成熟度已經(jīng)有所提高，越來越多的試點(diǎn)工程也已經(jīng)啟動(dòng)。但向深部咸水含水層注入超臨界CO2會(huì)增加地下空間的壓力，且CO2具有腐蝕性，會(huì)與注入井、儲(chǔ)層及周圍區(qū)域的礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響到封存環(huán)境和封存安全性[10-11]。因此，在工程啟動(dòng)前，根據(jù)不同地區(qū)的情況，從經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)境、安全等角度考慮計(jì)算出相對(duì)精確的CO2有效封存量是非常有必要的。雖然國內(nèi)外對(duì)于CO2封存量計(jì)算的研究正在逐步發(fā)展，但目前研究主要集中在計(jì)算參數(shù)的豐富和準(zhǔn)確度上，對(duì)于計(jì)算CO2有效封存量時(shí)使用的有效系數(shù)研究較少，基本上都采用直接取值0.02的簡單方法，而由于不同地區(qū)的實(shí)際條件相差很大，這對(duì)于CO2封存量計(jì)算的準(zhǔn)確度會(huì)產(chǎn)生很大影響。為此，本文以江漢盆地為例，通過數(shù)值模擬方法探討了在不同敏感因素條件下深部咸水層中CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的改進(jìn)方法，使得對(duì)CO2有效封存量的計(jì)算更加精確，從而有效提高CO2灌注工程的安全性和經(jīng)濟(jì)可行性。

1 國內(nèi)外關(guān)于CO2封存量的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

CO2地質(zhì)封存的主要場所為深部咸水層和油氣藏中，本文主要研究的是CO2在深部咸水層中的封存。目前國內(nèi)外對(duì)于CO2在深部咸水層中的封存量已經(jīng)提出了很多計(jì)算方法，以下將列舉一些國內(nèi)外不同階段比較有代表性的方法。

(1) 該方法由歐盟委員會(huì)提出：首先假設(shè)計(jì)算的是密閉咸水層，其封存空間來源于咸水層基質(zhì)及孔隙流體的壓縮性，則咸水層中CO2的理論埋(儲(chǔ))存量可通過下式計(jì)算[12]：

MCO2ts=A×ACF×SF×H

(1)

式中:MCO2ts為CO2在深部咸水層中的理論儲(chǔ)存量(×106t)；A為深部咸水層所在盆地面積(km2)；ACF為深部咸水層覆蓋系數(shù)(無量綱)，通常取0.50；SF為埋存系數(shù),取0.2×106t/(km2·m);H為咸水層厚度(m)。

該方法雖然計(jì)算比較簡便，但前提條件是理想情況下，即含水層的整個(gè)孔隙空間都被CO2充分占據(jù)，沒有考慮實(shí)際條件下各種因素的影響，計(jì)算的儲(chǔ)存容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際值，由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素的限制，很難實(shí)現(xiàn)，所以此方法并不實(shí)用。

(2) 該方法由Ecofys和Tno-Ting在2002年的報(bào)告[13-15]中提出：假設(shè)咸水層1%的體積為構(gòu)造地層圈閉，且僅僅有2%的構(gòu)造地層圈閉可用作CO2的埋存，則咸水層中CO2的理論儲(chǔ)存量計(jì)算公式如下：

MCO2ts=ρCO2S×A×H×0.01×E×φ/106

(2)

式中:ρCO2S為地面條件下CO2的密度(kg/m3)；E為CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)(無量綱)，取0.02；φ為深部咸水層巖石的平均孔隙度(%)。

該方法提出了有效系數(shù)的理論，但僅僅對(duì)有效系數(shù)E做簡單取值0.02，在粗略計(jì)算時(shí)可以采用。

(3) 該方法由李小春等[16]提出，由于注入CO2之前，咸水含水層中含有少量CO2，加之咸水含水層在原狀條件下的碳含量和pH值很難測得，故直接采用飽和度來計(jì)算咸水層中CO2的儲(chǔ)存容量，其計(jì)算公式為

SCO2=αAHηφRρwMCO2

(3)

式中：SCO2為咸水層中CO2的儲(chǔ)存容量(g)；α為可用于封存CO2的咸水層范圍占總盆地的比例，取0.01；η為含水層厚度占總沉積層的比例(%)；R為地層水中CO2的溶解度(mol/kg)；ρw為儲(chǔ)存深度條件下飽和CO2的咸水密度(kg/m3)；MCO2為CO2的摩爾質(zhì)量，取為44 g/mol。

該計(jì)算方法較方法(1)、(2)，綜合考慮了CO2的溶解度、含水層厚度修正和一些實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存CO2的經(jīng)濟(jì)因素，結(jié)果較接近實(shí)際封存容量，精度較前兩種方法大大提高。但該方法計(jì)算前，需先進(jìn)行大量的野外現(xiàn)場試驗(yàn)，然后經(jīng)過數(shù)值分析，才能得出較為接近的各項(xiàng)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，從而計(jì)算出含水層CO2的溶解量。由于現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理過程中都不可避免出現(xiàn)誤差，雖然最終計(jì)算較為簡便，但試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理工程較復(fù)雜。

(4) 該方法由碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇根據(jù)埋存機(jī)理[17]提出，認(rèn)為CO2在深部咸水層中的封存量由兩部分構(gòu)成，即束縛氣機(jī)理封存量和溶解機(jī)理封存量。目前我國在計(jì)算深部咸水層中CO2地質(zhì)封存量時(shí)，主要采用此算法，其計(jì)算公式為

束縛氣機(jī)理封存量：

MCO2tr=ΔVtrap×φ×SCO2t×ρCO2r/103×E

(4)

式中：MCO2tr為CO2在深部咸水層中束縛氣機(jī)理封存量(×106t)；ΔVtrap為深部咸水層的體積(×106m3)；SCO2t為液流逆流后被圈閉的CO2的飽和度(%)；φ為深部咸水層巖石的平均孔隙度(%)；ρCO2r為在儲(chǔ)層條件下CO2的密度(kg/m3)；E為CO2在深部咸水層中的封存有效系數(shù)(無量綱)。

溶解機(jī)理封存量：

(5)

深部咸水層總封存量為

MCO2ts=MCO2tr+MCO2td

(6)

此方法相對(duì)方法(1)、(2)、(3)，實(shí)際操作性更強(qiáng)，且考慮了CO2在深部咸水層埋存過程中受到儲(chǔ)層的非均質(zhì)性、CO2的浮力、CO2的波及效率以及CO2在整個(gè)深部咸水層空間擴(kuò)散和溶解的影響。本文主要采用這種計(jì)算方法，通過計(jì)算CO2理論封存量和實(shí)際封存量反推出CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)。

在目前的各種計(jì)算公式中，CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E反映了CO2占據(jù)整個(gè)孔隙體積的比例。利用蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬可以得到深部咸水層置信區(qū)間在15%～85%時(shí)，CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E的范圍大概為0.01～0.04。目前許多文獻(xiàn)中對(duì)CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)沒有給出具體的值，該值需要根據(jù)具體的實(shí)際情況來確定，同時(shí)可以通過數(shù)值模擬方法或工作經(jīng)驗(yàn)來確定。據(jù)此，本文通過江漢盆地?cái)?shù)值模擬的實(shí)例，提出一些在不同敏感性因素條件下CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的改進(jìn)方法，使得對(duì)CO2有效封存量的計(jì)算更加精確。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 模擬軟件介紹

本文采用由美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的TOUGH2軟件進(jìn)行咸水層中CO2地質(zhì)封存的數(shù)值模擬。該軟件可以用于非等溫多組分多相流體在一維、二維和三維孔隙和裂隙介質(zhì)中的流動(dòng)和運(yùn)移。其中，TOUGH2軟件中的ECO2N模塊，是一個(gè)流體性質(zhì)模塊，是為CO2在深部咸水層的地質(zhì)封存而專門設(shè)計(jì)的，它包括對(duì)H2O-NaCl-CO2混合物的熱動(dòng)力學(xué)、熱物理學(xué)性質(zhì)的描述[18]，并將H2O和CO2在液相、氣相和固相沉淀與溶解態(tài)中的平衡相組成、溫度(10℃≤t≤110℃)、壓力(P≤60 MPa)、鹽度(最大值可達(dá)到鹽的飽和度)、鹽的溶解和沉淀、含水層的孔隙度和滲透率的變化都考慮在內(nèi)，且模塊中熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)的范圍適用于CO2封存于深部咸水含水層的絕大多數(shù)情況[19-20]。

2.2 研究區(qū)概況

江漢盆地位于長江中游，湖北省中南部，地處北緯29°40′～31°58′、東經(jīng)111°00′～114°22′，東起應(yīng)城，西迄宜昌枝江，南至洪湖，與洞庭湖盆地相連，北自荊門鐘祥，面積約36 000 km2，是在中揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)中揚(yáng)子坳陷內(nèi)發(fā)育起來的“上疊式”中新生代大陸裂谷鹽湖盆地[21-23]。江漢盆地一級(jí)構(gòu)造單元可劃分為“5凸”和“11凹(地塹)”的格局，如圖1所示。本文的研究區(qū)主要位于江漢盆地南部潛江凹陷和江陵凹陷，選取的地層為區(qū)內(nèi)白堊—古近系的潛江組地層。其中，潛江組下部的砂巖為封存CO2的儲(chǔ)層，上部的泥巖為蓋層。砂巖儲(chǔ)層孔隙度為20%，滲透率大于5×10-15m2；泥巖蓋層孔隙度約為13%，滲透率小于5×10-16m2[24]。研究區(qū)地層發(fā)育完整，厚度均勻穩(wěn)定，且頂部埋深大于1 000 m，適合進(jìn)行CO2地質(zhì)封存的研究。

2.3 模型的建立

為了建立一個(gè)具有普遍性的模型，為其他盆地的CO2地質(zhì)封存工作提供一定參考，本文根據(jù)江漢盆地潛江組地層情況，建立了一個(gè)規(guī)則的二維儲(chǔ)蓋層模型，便于在不同地質(zhì)條件下的應(yīng)用。模型在水平方向的總長度為2 000 m，以20 m一個(gè)網(wǎng)格平均分割為100個(gè)網(wǎng)格；垂直方向上的總長度為200 m，以10 m一個(gè)網(wǎng)格平均分割為20個(gè)網(wǎng)格；Z方向厚度為30 m，沒有進(jìn)行分割，共2 000個(gè)網(wǎng)格。其中模型在垂直方向上為1個(gè)砂巖儲(chǔ)層和1個(gè)泥巖蓋層，儲(chǔ)層設(shè)定為均質(zhì)砂巖，厚度為120 m，蓋層設(shè)定為均質(zhì)泥巖，厚度為80 m，模型尺寸大小為2 000 m×200 m，詳見圖2。

2.4 水文地質(zhì)學(xué)及熱力學(xué)參數(shù)設(shè)置

由于在實(shí)際地層中水文地質(zhì)學(xué)及熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)的分布是非常不均勻的，且具有各向異性，這就給實(shí)際區(qū)域的CO2地質(zhì)封存工作帶來了一定的困難。故本文將采用數(shù)值模擬的手段，通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)[24-27]中的數(shù)據(jù)概化，確定了江漢盆地的水文地質(zhì)學(xué)及熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)，最大可能地保證模擬結(jié)果的合理性和可靠性。

本文選取的模擬目標(biāo)為潛江組地層，埋深約1 100 m，初始靜水壓力為11 MPa，地溫梯度為2.6～3.4℃/100 m，平均值為3.0℃/100 m[24]。砂巖孔隙度設(shè)置為16%，水平方向滲透率為5×10-13m2，垂直方向滲透率為5×10-14m2；泥巖孔隙度設(shè)置為12%，水平方向滲透率為5×10-16m2，垂直方向滲透率為5×10-17m2。采用定壓注入CO2的方式，經(jīng)過前期大量模擬工作，將模擬時(shí)間設(shè)定為灌注300 a，此時(shí)注入效率已經(jīng)非常低，CO2流速低于1×10-6kg/s，已接近充滿儲(chǔ)層。模型中具體水文地質(zhì)學(xué)及熱力學(xué)參數(shù)的設(shè)置詳見表1。

2.5 影響因素選擇及模擬條件設(shè)定

在CO2地質(zhì)封存中，目前的CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E只簡單反映了CO2占據(jù)整個(gè)孔隙體積的比例，即2%，但在CO2地質(zhì)封存的實(shí)際過程中，影響CO2占據(jù)孔隙體積比例的因素還有很多，如邊界條件、灌注模式、鹽度、儲(chǔ)蓋層異質(zhì)性及產(chǎn)狀等。相對(duì)來說，邊界條件、灌注模式和鹽度三種影響因素的敏感性較強(qiáng)，且可以在模型中得到更真實(shí)的體現(xiàn)，所以本文選取這三種影響因素來研究其對(duì)CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的影響。

表1 模型中的水文地質(zhì)學(xué)及熱力學(xué)參數(shù)設(shè)置

本文將CO2地質(zhì)封存邊界條件分為三種，即開放條件、封閉條件和半封閉條件，如圖3所示[28]。流體可以相對(duì)輕松地在水平方向發(fā)生擴(kuò)散從而為注入CO2留出空間的系統(tǒng)稱之為開放系統(tǒng)[29-30]；在某些地質(zhì)條件下，封存CO2的盆地可能會(huì)由低滲區(qū)或者斷層分開，這樣的一個(gè)封存空間就屬于封閉系統(tǒng)[31]；實(shí)際情況中，上覆蓋層不可能完全不透水，壓力堆積會(huì)造成部分注入的CO2通過蓋層，在這種情況下，咸水含水層的作用就像一個(gè)“半封閉”系統(tǒng)。

CO2的灌注方式可分為單井灌注和多井灌注，單井注入時(shí)需要研究在不同灌注壓力下，不同邊界條件CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的變化；多井灌注條件需通過設(shè)定不同數(shù)量的注入井來研究實(shí)際注入CO2總量的變化及CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的差異。與此同時(shí)，還需在不同邊界條件下設(shè)置不同的鹽度來量化含水層中鹽度對(duì)CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的影響。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 邊界條件的影響分析

為了研究不同邊界條件對(duì)CO2地質(zhì)封存容量及有效系數(shù)的影響，本文通過設(shè)置不同的邊界條件和不同的灌注壓力(注入壓力)對(duì)單井灌注模式進(jìn)行數(shù)值模擬，考察不同邊界條件和注入壓力下灌注300 a后的CO2灌注量(注入量)，其模擬結(jié)果見表2和圖4。

表2 不同邊界條件和灌注壓力下的CO2注入量

注：P0為注入點(diǎn)初始狀態(tài)下的靜水壓強(qiáng)。

此外，利用公式(4)、(5)、(6)，通過計(jì)算求得CO2理論封存量為546.85×103t(尚未乘以CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E)。在模擬條件下，液流逆流后被圈閉的CO2的飽和度SCO2t為0.797，在儲(chǔ)層條件下CO2密度ρCO2r為594.1 kg/m3，CO2在地層水中的溶解度R為1.226 mol/kg。

由圖4(a)可見，在單井灌注模式下各邊界條件對(duì)應(yīng)的CO2注入量是不同的：封閉系統(tǒng)的注入量最小，并且在注入壓力大于1.9P0之后，CO2量隨著注入壓力的增大增加緩慢，在這種系統(tǒng)中，注入CO2導(dǎo)致的壓力堆積非常嚴(yán)重，由于要避免壓力積累可能帶來的地質(zhì)力學(xué)破壞，會(huì)嚴(yán)格限制CO2的注入量；半封閉系統(tǒng)的CO2注入量隨著注入壓力增加相對(duì)穩(wěn)定，在注入壓力增大后，一小部分流體會(huì)向上擴(kuò)散進(jìn)入或通過蓋層；而在開放系統(tǒng)中，隨著注入壓力的增大，CO2注入量增加速度非?？欤瑢?duì)于這樣的開放地層，除了最大井底壓力的限制之外，CO2注入造成的壓力堆積通常影響不大，由于流體可以相對(duì)輕松地在水平方向發(fā)生擴(kuò)散，所以CO2在水平方向上分布更廣也更加均勻。

不同模擬條件下的CO2注入量與計(jì)算出的理論封存量的比值即為CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E?？傮w來看，CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E隨著注入壓力的升高而增加，通過圖4(b)CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E的變化曲線，可以得出三種邊界條件下CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E與注入壓力的關(guān)系式如下(利用Excel表格擬合趨勢線得出，下同)：封閉系統(tǒng)E=-4×10-5P3-7×10-5P2+0.001 6P+0.015 8;半封閉系統(tǒng)E=-1×10-5P3+0.000 1P2+0.000 7P+0.017 1;開放系統(tǒng)E=2×10-5P3-0.000 5P2+0.004 8P+0.017 2。其中，注入壓力P的取值范圍為1.1P0≤P≤2.5P0。

經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，封閉系統(tǒng)、半封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)下的CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)顯著性F的檢驗(yàn)值分別為1 182.793、5 285.958和442.465，均在1%的置信水平上顯著。

3.2 注入模式的影響分析

本文通過設(shè)置不同數(shù)目的灌注井與單井灌注方式進(jìn)行對(duì)比，來研究灌注方式在不同邊界條件下對(duì)CO2注入量的影響。由于模型為板狀，故進(jìn)行多井灌注時(shí)，CO2灌注井均排布在一個(gè)平面內(nèi)的相同深度，在水平距離為2 000 m的模擬區(qū)內(nèi)進(jìn)行等距布設(shè)(只研究灌注井在水平尺度上的相互影響)，灌注壓力為地層安全壓力1.5P0(一些文獻(xiàn)中有提及，但也有許多文獻(xiàn)中的模擬注入壓力高于此值，目前尚無定論)，即注入點(diǎn)初始靜水壓力的1.5倍。通過數(shù)值模擬，多井注入模式下CO2的注入量見表3，多井注入模式下CO2注入量和CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的變化規(guī)律見圖5。

表3 多井注入模式下CO2的注入量

由表3和圖5(a)可以看出:CO2注入量隨著灌注井?dāng)?shù)量的增加均呈現(xiàn)上升趨勢，在灌注井?dāng)?shù)量增加到4個(gè)時(shí)，CO2注入量的增速降低，這是由于相鄰的兩灌注井之間已經(jīng)產(chǎn)生了較大的壓力積聚，灌注井之間的間距過近、過遠(yuǎn)都會(huì)影響到儲(chǔ)層有效體積，從而影響到CO2的注入量和CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)。

在本例均質(zhì)巖層的條件下，通過圖5(a)可以看出，在2 000 m的距離內(nèi)，設(shè)置3～4個(gè)灌注井較為合適。而筆者認(rèn)為在非均質(zhì)巖層進(jìn)行多井灌注工程時(shí)，灌注井的適宜間距應(yīng)為均質(zhì)條件下的3倍左右，即1 500～2 000 m；在半封閉系統(tǒng)或接近開放系統(tǒng)的條件下，灌注井間距可以稍近，但要考慮到蓋層可以承受的壓力，以及一旦CO2穿透蓋層，上部是否還有合適的儲(chǔ)層。通過圖5(b)CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E的變化曲線，可以得出多井灌注模式下CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E與灌注井?dāng)?shù)量的關(guān)系式如下：封閉系統(tǒng)E=-0.000 3X2+0.004 2X+0.015 8；半封閉系統(tǒng)E=-0.000 3X2+0.005 7X+0.014 7；開放系統(tǒng)E=0.010 2ln(X)+ 0.027 8。其中，灌注井?dāng)?shù)量X的取值范圍為1≤X≤6，且X為整數(shù)。

經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，封閉系統(tǒng)、半封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)下的CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)顯著性F的檢驗(yàn)值分別為1 653.586、9 691.477和933.206，均在1%的置信水平上顯著。

3.3 鹽度的影響分析

各個(gè)盆地深部地層中咸水的礦化度變化很大，埋深為1 km左右的咸水含水層中，礦化度變化范圍值可以從幾萬mg/L到三十幾萬mg/L。高鹽度咸水對(duì)CO2注入量有顯著影響，從而影響到CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)，因此有必要對(duì)鹽度進(jìn)行影響分析。為了讓模擬結(jié)果具有普遍性，本文將初始鹽度從5%分別調(diào)整至0%、10%、15%、20%和25%的范圍，并將灌注壓力設(shè)置為1.5P0。通過數(shù)值模擬，得到不同鹽度條件下CO2注入量見表4，不同鹽度條件下CO2注入量和CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的變化規(guī)律見圖6。

表4 不同鹽度條件下CO2的注入量

由圖6可見，隨著鹽度的增加，CO2的注入量呈下降趨勢。咸水層中的固體飽和度會(huì)隨鹽度的增加而上升，固體飽和度代表的是原始孔隙空間中沉淀的鹽所占的體積分?jǐn)?shù)，除此之外的原始空隙孔隙度下的空間就是流體流動(dòng)的通道。因此，咸水鹽度越大，CO2和鹵水有效流動(dòng)的孔隙空間就越小，這樣就降低了介質(zhì)的滲透率從而導(dǎo)致注入量降低，甚至影響封存過程。另外，儲(chǔ)層孔隙度的降低會(huì)影響整個(gè)封存潛力，因?yàn)樗鼘⒂绊慍O2在儲(chǔ)層中的遷移距離。咸水鹽度的增大會(huì)降低CO2的溶解度并增大注入井周圍的壓力，即壓力積累明顯，會(huì)對(duì)CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)產(chǎn)生較大影響。通過圖6可以發(fā)現(xiàn),在鹽度為0%～15%時(shí)，CO2注入量變化不明顯，而當(dāng)鹽度大于15%時(shí)，CO2注入量下降較為明顯?？梢?，在咸水層中，鹽度不是很高(5%～15%)時(shí)，鹽度對(duì)CO2注入量和CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的影響較小，而鹽度較高(大于15%)時(shí)，對(duì)CO2注入量和CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的影響較大。由圖6(b)CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E的變化曲線，可以得出CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E與鹽度的關(guān)系式如下：封閉系統(tǒng)E=-0.000 2w2+0.000 6w+0.019 7；半封閉系統(tǒng)E=-0.000 1w2+0.000 2w+0.020 4;開放系統(tǒng)E=7×10-5w4-0.001w3+0.004 5w2-0.008 1w+0.032 5。其中，鹽度w的取值范圍為0%～25%。

經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，封閉系統(tǒng)、半封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)下的CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)顯著性F的檢驗(yàn)值分別為218.609、97.501和39.646，其中封閉系統(tǒng)和半封閉系統(tǒng)下在1%的置信水平上顯著，開放系統(tǒng)下在5%的置信水平上顯著。

4 結(jié)論與展望

本文基于江漢盆地潛江組地層的資料，通過建立二維儲(chǔ)蓋層模型，并設(shè)置邊界條件、灌注模式、鹽度等不同影響因子，開展了數(shù)值模擬研究工作，并得到如下結(jié)論：

(1) 不同的邊界條件對(duì)于CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)E影響很大，隨著灌注壓力的升高，開放系統(tǒng)中的CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)是封閉系統(tǒng)的1.2～2倍。

(2) 在實(shí)際工程中注入CO2時(shí)，在灌注壓力和地質(zhì)條件一定的情況下，相比單井灌注，多井灌注可以增加CO2地質(zhì)封存的有效系數(shù)。另外，合理的灌注井間距也可增加CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)，實(shí)際工程中以灌注點(diǎn)靜水壓強(qiáng)1.5倍壓力注入CO2時(shí)，灌注井間距以1 500～2 000 m較為合理。

(3) 咸水鹽度越高，CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)越低。鹽度處于較低水平(0%～15%)時(shí)，對(duì)CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的影響不大；而當(dāng)鹽度較高(高于15%)時(shí)，隨著鹽度增加，CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)會(huì)顯著減小。

本文的研究還存在如下不足：建立的模型僅為均質(zhì)地質(zhì)模型，與實(shí)際情況有一定差距，旨在提供一些對(duì)于CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的改進(jìn)方法，供大家參考；CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)的影響因子有很多，本文只選擇了邊界條件、注入模式和鹽度等，而實(shí)際的CO2地質(zhì)封存有效系數(shù)還受到儲(chǔ)層非均質(zhì)性和巖層產(chǎn)狀等因素的影響，而在注入模式方面除灌注井?dāng)?shù)量外，定速灌注與定壓灌注也有不同影響，在這方面還可以進(jìn)行后續(xù)的研究。

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Research on the Effective Coefficient of CO2Geological Sequestration in Salinity Aquifer— A Case Study of Jianghan Basin

LI Song,LI Yilian,YU Ying,WU Yuanzhu

(SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

After years of development,the technology of CO2geological sequestration has been improved a lot in theoretical field and thus more and more pilot projects have started.So,calculating the relatively accurate effective sequestration according to certain storage conditions is of great necessity.At present,because of lacking certain sensitive factors,the effective coefficient E calculated only reflected the proportion of CO2occupying the whole pore volume, which seriously influenced the accuracy of the calculation of seal inventory.By using the two-dimensional model and setting up different boundary conditions,injection mode and salinity sensitive factors,this paper uses the geological data of Jianghan Basin to simulate the CO2perfusion.Based on the outcome from the simulation,the paper also establishes a set of models that estimate the different sensitive factors influencing the effective coefficient of CO2geological sequestration.

CO2geological sequestration;effective coefficient;salinity aquifer;influencing factor;numerical simulation;Jianghan Basin

1671-1556(2015)01-0082-08

2014-04-10

2014-11-25

國土資源部公益性行業(yè)基金項(xiàng)目(201211063)

李 松(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镃O2地質(zhì)封存技術(shù)。E-mail：s1637228@163.com

X701.7;X141

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.01.015