CO2咸水層封存中組合蓋層密封效果的影響因素

孔維鐘，白 冰，李小春

（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）

組合蓋層是指在儲(chǔ)層上部存在的多個(gè)薄夾層（蓋層中存在厚度較小的高滲層）及被多個(gè)薄夾層間隔的多個(gè)蓋層所構(gòu)成的整體。組合蓋層在實(shí)際地層中分布廣泛。但是，對(duì)于組合蓋層，通常會(huì)概化為單一蓋層進(jìn)行評(píng)價(jià)［1－2］，這必然會(huì)帶來一定的誤差并影響選址結(jié)果，因此必須對(duì)組合蓋層進(jìn)行深入的研究。作者曾以神華集團(tuán)鄂爾多斯煤制油1×105t／a CCS示范工程為背景，以鄂爾多斯盆地劉家溝組為目標(biāo)儲(chǔ)蓋組合，通過數(shù)值模擬，研究了組合蓋層對(duì)密封效果的影響。研究［3－4］結(jié)果表明：組合蓋層對(duì)CO2的密封效果非常顯著。當(dāng)CO2突破第1層蓋層后，會(huì)沿著薄砂巖層向遠(yuǎn)處遷移。薄砂巖層的存在降低了蓋層的壓力積聚，同時(shí)，提升了CO2注入速率和總注入量。這些研究體現(xiàn)了組合蓋層的密封效果比單一蓋層的有更大的優(yōu)越性。但是實(shí)際地質(zhì)中的組合蓋層有不同的組合形式和不同的巖性條件，因此，同樣是組合蓋層，其密封效果也會(huì)有所差異。為了研究這個(gè)問題，在之前工作的基礎(chǔ)上，依托一定的工程背景，作者擬設(shè)計(jì)多種對(duì)比工況，研究不同形式和巖性條件下組合蓋層密封效果的差異，以此探究組合蓋層層數(shù)、薄夾層厚度、滲透率及孔隙度對(duì)組合蓋層密封效果的影響。

1 工況與模型

在設(shè)計(jì)工況中的主要參數(shù)來源于劉家溝組。劉家溝組作為主力儲(chǔ)蓋組合，其蓋層埋深為1 575～1 677m，蓋層厚度為102m，因蓋層缺乏相關(guān)資料，故蓋層孔隙度和滲透率等參數(shù)取盆地內(nèi)泥巖的經(jīng)驗(yàn)值。考慮到蓋層內(nèi)薄砂巖層與儲(chǔ)層砂巖層巖性相同，其取值與儲(chǔ)層參數(shù)相同。儲(chǔ)層埋深為1 677～1 700m，儲(chǔ)層厚度為23m，儲(chǔ)層平均孔隙度為4.5%～7%，有效儲(chǔ)層平均滲透率為0.1～0.3mD［5－7］。因薄夾層與儲(chǔ)層均為砂巖或粉砂巖，則薄夾層的參數(shù)取儲(chǔ)層的相同值。為了研究不同形式和巖性條件下組合蓋層密封效果的差異，本研究依托神華集團(tuán)1×105t／a CCS示范項(xiàng)目，以劉家溝組作為目標(biāo)儲(chǔ)蓋組合開展研究，設(shè)計(jì)的工況為：①雙組合蓋層，即在蓋層中有1層6m厚的薄砂巖層；②3組合蓋層，即蓋層中有2層6m厚的薄砂巖層；③雙組合蓋層，蓋層中有1層3m厚的薄砂巖層；④雙組合蓋層，蓋層中有1層10m厚的薄砂巖層；⑤雙組合蓋層，薄砂巖層的滲透率為3×10－15m2；⑥雙組合蓋層，薄砂巖層的滲透率為3×10－17m2；⑦雙組合蓋層，薄砂巖層的孔隙度為0.15；⑧雙組合蓋層，薄砂巖層的孔隙度為0.25。計(jì)算CO2穿透組合蓋層的時(shí)間和壓力積聚情況。通過工況1和2的對(duì)比，研究層數(shù)對(duì)組合蓋層密封效果的影響；通過工況1，3和4的對(duì)比，研究薄砂巖層的厚度對(duì)組合蓋層密封效果的影響；通過工況1，5和6的對(duì)比，研究薄砂巖層滲透率對(duì)組合蓋層密封效果的影響；通過工況1，7和8的對(duì)比，研究薄砂巖層孔隙度對(duì)組合蓋層密封效果的影響。工況設(shè)計(jì)方案見表1。表1中，除了影響因素不同以外，其他參數(shù)一致。

在本研究中，相對(duì)滲透率方程采用Van Genuchten－Mualem模型［7－8］，氣體相對(duì)滲透率方程采用Corey模型［9］，毛細(xì)壓力方程采用VG模型［10－11］。具體參數(shù)見表2。根據(jù)現(xiàn)有資料，將蓋層與儲(chǔ)層均概化為均質(zhì)地層，設(shè)置注入地層（深度1 575m）初始?jí)毫＝16MPa，壓力梯度按照ΔP＝ρgΔh計(jì)算，溫度t＝50℃，氣體飽和度Sgas＝0，鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)XNaCl＝6%，采用恒壓注入方式，注入井底壓力Pw＝28MPa，模擬時(shí)間為1 000a。

表2 儲(chǔ)層和蓋層的相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters of caprock and saline

根據(jù)工況設(shè)計(jì)，建立二維徑向模型。徑向距離10 000m，垂向距離125m，使用R－Z網(wǎng)格剖分（R方向（水平方向）54個(gè)網(wǎng)格，在注入井附近采用小尺寸網(wǎng)格，由密至疏到遠(yuǎn)處采用大尺寸網(wǎng)格；Z方向（垂直方向）23個(gè)網(wǎng)格，根據(jù)儲(chǔ)蓋層和薄夾層厚度平均劃分），共1 242個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格剖分如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格剖分示意Fig.1 Mesh sketch map of numerical model

頂部和底部邊界為非滲透邊界，側(cè)邊界為定壓無流量無熱交換邊界。雙組合蓋層概念模型如圖2所示。

圖2 劉家溝組儲(chǔ)蓋組合概念模型Fig.2 Conceptual model of Liujiagou formation

2 模擬結(jié)果與分析

研究組合蓋層層數(shù)的影響時(shí)，對(duì)模擬結(jié)果中每個(gè)工況中氣態(tài)和溶解態(tài)CO2的遷移規(guī)律進(jìn)行分析。由于組合蓋層密封效果最直觀的反映是CO2穿透組合蓋層的時(shí)間，因此，對(duì)于薄砂巖層厚度的影響以及滲透率和孔隙度的影響，就不再逐一分析CO2的遷移規(guī)律，只需要對(duì)比最終的穿透時(shí)間即可。

2.1 組合蓋層層數(shù)的影響

在雙組合蓋層工況中，初始注入的壓力較大，氣態(tài)CO2在0.2a以后就有少量進(jìn)入上部蓋層。0.4a后，有很少CO2穿透第1層蓋層進(jìn)入薄砂巖層，薄砂巖層內(nèi)氣態(tài)CO2飽和度低于0.01。1.1a后，有少量CO2突破第2層蓋層進(jìn)入其底部泥巖層，氣態(tài)CO2飽和度低于0.01。由于多數(shù)CO2在薄砂巖層，因此，直到44.8a以后，氣態(tài)CO2運(yùn)移到蓋層頂部，此時(shí)氣態(tài)CO2飽和度低于0.01，影響范圍小于5m，因上覆地層的存在，泄露風(fēng)險(xiǎn)不大。連續(xù)注入64.3a以后，蓋層頂部的氣態(tài)CO2飽和度達(dá)到0.18，影響范圍也加大到15m，此時(shí)有較大的泄露風(fēng)險(xiǎn)。氣態(tài)CO2遷移云圖如圖3所示。

溶解態(tài)CO2由于溶質(zhì)遷移作用，在3d后，就有極少量CO2進(jìn)入第1層蓋層。0.1a后，有很少CO2穿透第1層蓋層進(jìn)入薄砂巖層，薄砂巖層內(nèi)溶解態(tài)CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.01。0.5a后，有少量CO2突破第2層蓋層進(jìn)入其底部泥巖層。由于薄砂巖層的滲透率較大，大部分溶解態(tài)CO2會(huì)沿著薄砂巖層向遠(yuǎn)處遷移，只有少量向上遷移。因此，直到40.7a以后，溶解態(tài)CO2才到達(dá)蓋層頂部，此時(shí)溶解態(tài)CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.01，影響范圍約為9m，溶解態(tài)CO2的濃度已經(jīng)較大并且分布范圍較廣，已經(jīng)存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。溶解態(tài)CO2遷移云圖如圖4所示。

在3組合蓋層工況中，氣態(tài)CO2在0.2a以后就有少量進(jìn)入上部蓋層。0.4a后，有很少CO2穿透第1層蓋層進(jìn)入底部薄砂巖層。1a后，有少量CO2進(jìn)入第2層蓋層，但氣態(tài)CO2飽和度低于0.01。6.4a后，少量CO2穿透第2層蓋層進(jìn)入上部薄砂巖層。7.9a后，極少量CO2進(jìn)入頂部蓋層。此后，進(jìn)入蓋層的CO2絕大多數(shù)都在2層薄砂巖層中運(yùn)移，極少量繼續(xù)向上運(yùn)移。但是，由于兩層薄砂巖層的壓力削減作用，直至模擬結(jié)束，氣態(tài)CO2也未能達(dá)到蓋層頂部，最高達(dá)到距離蓋層頂部48m處。氣態(tài)CO2遷移云圖如圖5所示。

溶解態(tài)CO2由于溶質(zhì)遷移作用，在0.006a后，就有極少量CO2進(jìn)入第1層蓋層。0.13a后有很少CO2穿透第1層蓋層進(jìn)入下部薄砂巖層，薄砂巖層內(nèi)溶解態(tài)CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.01。0.4a后，有少量CO2進(jìn)入第2層蓋層。0.8a后，少量CO2穿透第2層蓋層進(jìn)入上部薄砂巖層。6.4a后，CO2進(jìn)入上部蓋層，但是CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.01。由于薄砂巖層的滲透率較大，進(jìn)入蓋層的大部分溶解態(tài)CO2會(huì)沿著薄砂巖層向遠(yuǎn)處遷移，只有少量向上遷移，因此，直到174a以后，溶解態(tài)CO2才到達(dá)距離蓋層頂部16m處，此時(shí)溶解態(tài)CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.01。直到模擬結(jié)束，溶解態(tài)CO2也未能到達(dá)蓋層頂部。溶解態(tài)CO2遷移云圖如圖6所示。

圖3 工況1中氣態(tài)CO2遷移云圖Fig.3 Migration of gas phase CO2in Case 1

圖4 工況1中溶解態(tài)CO2遷移云圖Fig.4 Migration of dissolved CO2in Case 1

圖5 工況2中氣態(tài)CO2遷移云圖Fig.5 Migration of gas phase CO2in Case 2

對(duì)比2種工況1和2的結(jié)果可知：在連續(xù)高壓注入情況下，雙組合蓋層中氣態(tài)CO2在64.3a后會(huì)到達(dá)蓋層頂部，造成泄漏風(fēng)險(xiǎn)；溶解態(tài)CO2在40.7a后會(huì)到達(dá)蓋層頂部，形成較大規(guī)模泄漏。3組合蓋層則在1 000a內(nèi)可以保證氣態(tài)CO2只能運(yùn)移到距離蓋層頂部48m處，溶解態(tài)CO2只能運(yùn)移到距離蓋層頂部16m處。這是由于每一層的薄砂巖層都會(huì)對(duì)氣態(tài)CO2有極大的壓力削弱作用，同時(shí)也可以使得大多數(shù)進(jìn)入蓋層的溶解態(tài)CO2沿著薄砂巖層向遠(yuǎn)處運(yùn)移，從而大幅度減少進(jìn)入上部蓋層的數(shù)量。在工況1和2下，氣態(tài)和溶解態(tài)CO2遷移高度（距離模型底部）隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示。

從圖7中可以看出，組合蓋層的層數(shù)越多，就會(huì)有越多的薄砂巖層對(duì)CO2進(jìn)行削弱，因此密封效果也就會(huì)越好。

2.2 組合蓋層中薄砂巖層厚度的影響

通過對(duì)3種工況1，3和4的對(duì)比，研究組合蓋層中薄砂巖層厚度對(duì)組合蓋層密封效果的影響。由于組合蓋層密封效果最直觀的判斷依據(jù)就是CO2穿透整個(gè)蓋層的時(shí)間，因此研究組合蓋層中薄砂巖層厚度的影響只需要對(duì)3種工況下氣態(tài)CO2和溶解態(tài)CO2穿透蓋層到達(dá)蓋層頂部的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3。

圖6 工況2中溶解態(tài)CO2遷移云圖Fig.6 Migration of dissolved CO2in Case 2

圖7 2個(gè)工況下，CO2遷移高度隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.7 Migration height of CO2in two cases

從表3中可以看出，當(dāng)組合蓋層總厚度一致時(shí)，薄砂巖層的厚度越小，對(duì)于溶解態(tài)CO2而言，其密封效果越好；對(duì)于氣態(tài)CO2而言，則沒有明顯規(guī)律。其原因是：組合蓋層總厚度一致時(shí)，薄砂巖層越厚，意味著蓋層部分越薄。對(duì)于溶解態(tài)CO2而言，越厚的薄砂巖層越有利于CO2沿著薄砂巖層向遠(yuǎn)處運(yùn)移，從而向上運(yùn)移的越少，密封效果也就越好；對(duì)于氣態(tài)CO2而言，薄砂巖層的存在可以對(duì)蓋層底部的壓力進(jìn)行削減。薄砂巖層越厚，削減作用越明顯。與此同時(shí)，薄砂巖層越厚，意味著蓋層部分越薄，氣態(tài)CO2穿透蓋層也就越容易。2個(gè)相反的作用使得薄砂巖層厚度對(duì)氣態(tài)CO2的密封效果規(guī)律不明顯。

2.3 組合蓋層中薄砂巖層孔隙度和滲透率的影響

通過對(duì)3種工況1，5和6的對(duì)比，研究組合蓋層中薄砂巖層滲透率對(duì)組合蓋層密封效果的影響；通過對(duì)3種工況1，7和8的對(duì)比，研究組合蓋層中薄砂巖層孔隙度對(duì)組合蓋層密封效果的影響。由于篇幅所限，各工況下CO2運(yùn)移過程不再一一贅述。對(duì)于3種工況下氣態(tài)CO2和溶解態(tài)CO2穿透蓋層到達(dá)蓋層頂部的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表4。

表3 不同厚度下，CO2穿透時(shí)間的對(duì)比Table 3 Comparison of CO2penetration time for different thickness

表4 不同孔隙度下，CO2穿透時(shí)間的對(duì)比Table 4 Comparison of CO2penetration time for different porosity

在工況5中，氣態(tài)CO2始終未能運(yùn)移到蓋層頂部，而溶解態(tài)CO2在171a運(yùn)移到蓋層頂部時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0×10－6，沒有泄漏風(fēng)險(xiǎn)，其CO2在時(shí)間節(jié)點(diǎn)（氣態(tài)1 000a，溶解態(tài)171a）時(shí)的遷移云圖如圖8所示。

從工況1，5和6對(duì)比的結(jié)果可以看出，薄砂巖層的滲透系數(shù)對(duì)組合蓋層密封效果的影響很大。當(dāng)滲透系數(shù)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，CO2穿透蓋層的時(shí)間縮短為原來的約1／3。當(dāng)滲透系數(shù)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，CO2穿透蓋層的時(shí)間大大增加，甚至可能保持長(zhǎng)期高壓注入而不會(huì)發(fā)生泄漏。因此，薄砂巖層的滲透系數(shù)越高，組合蓋層的密封效果越好。

從工況1，7和8對(duì)比的結(jié)果可以看出，薄砂巖層的孔隙度也會(huì)對(duì)組合蓋層的密封效果產(chǎn)生影響?？紫抖仍酱?，CO2在薄砂巖層運(yùn)移越容易，向上突破也就越難。CO2完全穿透蓋層需要的時(shí)間越多，組合蓋層的密封效果就越好。

圖8 工況5中CO2遷移云圖Fig.8 Migration of CO2in Case 5

3 結(jié)論

在以前研究的基礎(chǔ)上，以神華集團(tuán)鄂爾多斯煤制油1×105t／a CCS示范工程為背景，以鄂爾多斯盆地劉家溝組為目標(biāo)儲(chǔ)蓋組合，通過不同工況的對(duì)比計(jì)算，進(jìn)一步研究了不同形式的組合蓋層之間密封效果的差異，從而確定影響組合蓋層密封效果的關(guān)鍵因素。得到結(jié)論為：

1）組合蓋層的層數(shù)、薄砂巖層的厚度、薄砂巖層的滲透率和孔隙度均會(huì)影響組合蓋層的密封效果。

2）組合蓋層的層數(shù)越多，其密封效果越好。每增加一層，會(huì)大幅度降低CO2泄漏的風(fēng)險(xiǎn)和增加CO2完全穿透蓋層所需要的時(shí)間。

3）薄砂巖層的厚度對(duì)組合蓋層密封效果有一定的影響。組合蓋層總厚度相同時(shí)，薄砂巖層厚度越小，對(duì)于溶解態(tài)CO2而言，密封效果越好；對(duì)于氣態(tài)CO2而言，則沒有明顯規(guī)律。

4）薄砂巖層的滲透率越高，密封效果越好；孔隙度越大，密封效果越好。

在選址時(shí)，不僅要盡量選擇有組合蓋層的儲(chǔ)蓋組合，更應(yīng)該選取蓋層層數(shù)多、薄砂巖層滲透率高和孔隙度大的組合蓋層的儲(chǔ)蓋組合。由于實(shí)際工程中的組合蓋層為復(fù)雜多變，因此，對(duì)于非均質(zhì)地層和含有各種構(gòu)造的組合蓋層，還需要做進(jìn)一步的研究。

（References）：

［1］許志剛，陳代釗，曾榮樹.CO2地質(zhì)埋存滲漏風(fēng)險(xiǎn)及補(bǔ)救對(duì)策［J］.地質(zhì)論評(píng)，2008，54（3）：373－385.（XU Zhi－gang，CHEN Dai－zhao，ZENG Rong－shu.The leakage risk assessment and remediation options of CO2geological storage［J］.Geological Review，2008，54（3）：373－385.（in Chinese））

［2］Bachu S.Sequestration of CO2in geological media in response to climate change：Road map for site selection using the transform of the geological space into the CO2phase space［J］.Energy Conversion and Management，2002，43（1）：87－102.

［3］孔維鐘，白冰，李小春.組合蓋層中垂向貫穿斷層對(duì)儲(chǔ)層內(nèi)CO2密封效果的影響［J］.水電能源科學(xué)，2014，32（9）：82－85.（KONG Wei－zhong，BAI Bing，LI Xiao－chun.Sealing effect of combined caprock with vertical fault on sequestrated CO2［J］.Water Resources and Power，2014，32（9）：82－85.（in Chinese））

［4］孔維鐘，白冰，李小春，等.CO2咸水層封存中組合蓋層的密封效果研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（S1）：2671－2678.（KONG Wei－zhong，BAI Bing，LI Xiao－chun，et al.Sealing efficiency of combined caprock for CO2storage in saline aquifer［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2015，34（S1）：2671－2678.（in Chinese））

［5］許文波，胡水清，詹勝云，等.中國(guó)神華集團(tuán)10萬噸／年CCS試驗(yàn)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告［R］.北京：龍恒業(yè)石油工程技術(shù)有限公司，2009.（XU Wen－bo，HU Shui－qing，ZHAN Sheng－yun，et al.Feasibility study report of Shenhua 100 000t／a CCS pilot project［R］.Beijing：Longhengye Petroleum Engineering Technology Co.，Ltd.，2009.（in Chinese））

［6］張可霓.神華10萬噸／年CCS示范項(xiàng)目數(shù)值模擬階段報(bào)告［R］.北京：北京師范大學(xué)，2010.（ZHANG Keni.Numerical simulation report for Shenhua 100 000t／a CCS demonstration project［R］.Beijing：Beijing Normal University，2010.（in Chinese））

［7］萬玉玉.鄂爾多斯盆地石千峰組咸水層CO2地質(zhì)封存中CO2的遷移轉(zhuǎn)化特征［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.（WAN Yu－yu.Migration and transformation of CO2in CO2geological sequestration process of Shiqianfeng saline aquifers in Erods Basin［D］.Changchun：Jilin University，2012.（in Chinese））

［8］Mualem Y.A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media［J］.Water Resources Research，1976，12（3）：513－522.

［9］Genuchten M T V.A closed－form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1980，44（5）：892－898.

［10］Corey A T.The interrelation between gas and oil relative permeabilities［J］.Producers Monthly，1954，19（1）：38－41.

［11］Pruess K.ECO2N：A TOUGH2fluid property module for mixtures of water，NaCl，and CO2［M］.USA，California：University of California，2005.