鄂爾多斯盆地深部咸水層CO2驅(qū)水與埋存潛力評(píng)價(jià)方法研究

王 銳李 陽呂成遠(yuǎn)唐永強(qiáng)崔茂蕾賈會(huì)沖劉 玄劉建黨

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國石油化工集團(tuán)公司,北京 100728;3.中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院,鄭州 450006)

0 引言

碳捕集利用與封存技術(shù)(CCUS)目前被認(rèn)為是溫室氣體減排最具前景的技術(shù)。IPCC,IEA,GCCSI等國際組織研究表明,要實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo),CCUS技術(shù)不可或缺[1-2]。據(jù)國際能源署預(yù)計(jì),CCUS在2040年實(shí)現(xiàn)全球溫度控制2℃情景中貢獻(xiàn)超過9%,在實(shí)現(xiàn)2℃情景以下的目標(biāo)更是必不可少。CCUS是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)電廠改造和工業(yè)升級(jí),甚至負(fù)碳排放的最具前景的戰(zhàn)略性技術(shù)[3-5]。

CO2地質(zhì)封存是CCUS的重要環(huán)節(jié),主要包括廢棄油氣田、不可開采煤層、深部咸水層等。深部咸水層因封存潛力巨大,技術(shù)可行,目前已獲得了大量的實(shí)踐。1996年,世界上第一個(gè)商業(yè)運(yùn)行的咸水層CO2封存項(xiàng)目在挪威北海運(yùn)行。2004 年和2008年,另外2個(gè)項(xiàng)目分別在阿爾及利亞和挪威陸續(xù)實(shí)施。截至2010年,這3個(gè)項(xiàng)目共成功注入1600萬t的CO2,并證實(shí)未發(fā)生泄漏。此外,澳大利亞的Gorgon項(xiàng)目和Ot way項(xiàng)目、美國的Frio項(xiàng)目、德國的Ketzin項(xiàng)目等也在規(guī)劃和運(yùn)行中。在中國,神華集團(tuán)于2010年在內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地開展了國內(nèi)第一個(gè)全流程的咸水層封存試驗(yàn)項(xiàng)目,對(duì)于我國掌握CCS相關(guān)技術(shù)及推動(dòng)CCS工程示范具有重大意義[6]。

深部咸水層的埋存潛力巨大,但其埋存能力和注入性方面存在較大不確定性,特別是CO2注入過程中的壓力積聚效應(yīng)將對(duì)咸水層中CO2埋存產(chǎn)生巨大影響。CO2驅(qū)水與埋存技術(shù)是一種將咸水資源開采與CO2埋存有機(jī)結(jié)合的技術(shù),一方面擴(kuò)大了CO2在地層中的封存規(guī)模,另一方面采出的咸水及鹽礦副產(chǎn)品經(jīng)處理后可用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活飲用,解決水資源短缺的問題,特別是對(duì)于我國西部水資源缺乏地區(qū)具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[7-15]。

該文以鄂爾多斯深層咸水層為例,開展CO2驅(qū)水與埋存室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,確立了CO2驅(qū)水過程中3種埋存機(jī)理的有效埋存系數(shù),以此建立深部咸水層CO2驅(qū)水過程中有效埋存潛力的評(píng)價(jià)方法,并對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層的埋存與咸水資源綜合利用潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià),為未來開展大規(guī)模咸水層CO2驅(qū)水與埋存提供了參考依據(jù)。

1 深部咸水層CO2驅(qū)水與埋存潛力評(píng)價(jià)方法

深部咸水層CO2驅(qū)水、埋存過程和深部咸水層CO2埋存存在一定的差異,其有效埋存量計(jì)算方法需要結(jié)合封閉體系與開放體系評(píng)價(jià)方法[4,6,17]。其CO2有效埋存量主要考慮CO2驅(qū)水替出的孔隙空間、CO2溶解在水體中、地層綜合壓縮效應(yīng)等3種形式,其產(chǎn)生埋存量的計(jì)算方法如下述。

1.1 CO2驅(qū)水替換作用形成的埋存量

CO2驅(qū)水過程相當(dāng)于開放體系,其驅(qū)替作用有效埋存量系數(shù)可由如下公式表示:

式中:EE為CO2在咸水層中的總的埋存系數(shù);Egeol為CO2在咸水層中構(gòu)造埋存系數(shù);ED為驅(qū)替埋存系數(shù)。

式中:EAn/At為有效面積系數(shù);Ehn/hg為有效厚度系數(shù);Eφeff/φtot為有效孔隙系數(shù)。

式中:Ed為驅(qū)替效率;Evol為波及效率。

則CO2驅(qū)水替換作用形成的埋存量可由下式表示:

式中:MD為CO2驅(qū)水替換出的埋存量;A為深部咸水層面積;H為咸水層的厚度;φ為深部咸水層巖石的孔隙度;ρCO2為儲(chǔ)層條件下CO2密度。

1.2 CO2在水體中溶解產(chǎn)生的埋存量

CO2在深部咸水層埋存過程中受到儲(chǔ)層非均質(zhì)性、CO2的浮力、CO2的波及效率及CO2在整個(gè)深部咸水層空間散開和溶解的影響。其溶解作用主要是CO2驅(qū)水后剩余水飽和度中的溶解量,理想情況下,在足夠長時(shí)間CO2通過擴(kuò)散作用能夠波及剩余水飽和度。因此,由于溶解作用產(chǎn)生的有效理論埋存量可用下式計(jì)算:

式中:MCO2e為CO2在咸水層中溶解產(chǎn)生的有效埋存量;A為深部咸水層面積;H為咸水層的厚度;φ為深部咸水層巖石的孔隙度;Sg為CO2飽和度;ρCO2為儲(chǔ)層條件下CO2密度;R為CO2在地層水中的溶解度。

1.3 CO2注入后地層綜合壓縮效應(yīng)導(dǎo)致的埋存量

對(duì)于封閉體系來說,CO2埋存能力主要取決于地層水、注入氣、巖石的綜合壓縮系數(shù),以及地層初始?jí)毫妥罱K壓力,埋存系數(shù)可通過下式計(jì)算:

式中:Ecomp為CO2在咸水層中的有效壓縮埋存系數(shù);ΔP為CO2注入過程中產(chǎn)生的壓差,為0.8倍的巖石破裂壓力值與原始地層壓力之差,MPa;Ct為綜合壓縮系數(shù),1/MPa。

其由于壓縮效應(yīng)產(chǎn)生的有效埋存量可由下式表示:

式中:Mcomp為壓縮作用產(chǎn)生的有效埋存量;A為深部咸水層面積;H為咸水層的厚度;φ為深部咸水層巖石的孔隙度;ρCO2為儲(chǔ)層條件下CO2密度。

在CO2驅(qū)水與埋存過程中,總的有效埋存量可由上述3種方式加和,即:

式中:Mt為總的有效埋存量;MD為CO2驅(qū)替產(chǎn)出水的有效埋存量;MCO2e為CO2在咸水層中溶解產(chǎn)生的有效埋存量;Mcomp為壓縮作用產(chǎn)生的有效埋存量。

2 深部咸水層CO2驅(qū)水過程中埋存機(jī)理及有效埋存系數(shù)確立方法

深部咸水層CO2驅(qū)水過程中的埋存機(jī)理可分為3種形式:CO2在地層水中的溶解作用、CO2注入地層后的綜合壓縮效應(yīng)及CO2驅(qū)水替換出的孔隙空間。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段,開展CO2驅(qū)水過程中埋存機(jī)理研究,明確在不同條件下CO2滯留機(jī)理及影響因素,為深部咸水層CO2驅(qū)水與埋存潛力評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)參數(shù)。

2.1 CO2在地層水中的溶解實(shí)驗(yàn)

為了研究CO2在目標(biāo)地層的溶解作用,選用與目的層接近的大牛地氣層的盒1組地層水作為研究對(duì)象,該地層水樣品礦化度為22 930 mg/L,水型為CaCl2型,離子組成見表1。

表1 目標(biāo)儲(chǔ)層模擬地層水離子組成Table 1 Ion composition of simulated for mation water in the target reservoir

按照表1離子組成配制模擬地層水,運(yùn)用該水樣進(jìn)行不同溫度和壓力條件下的溶解實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖1所示。

圖1 CO2在地層水中的溶解度曲線Fig.1 CO2solubility in brine at different conditions

圖1中橫坐標(biāo)為壓力水平,縱坐標(biāo)為單位質(zhì)量地層水中溶解CO2的質(zhì)量。從圖1可知,隨著壓力的升高,CO2在地層水中溶解度越大,低壓下增加幅度明顯,在壓力較高時(shí),增加幅度變緩。另外,隨著溫度的升高,CO2在地層水中的溶解度降低。

2.2 CO2注入地層后的綜合壓縮效應(yīng)

CO2注入地層后,地層中存在CO2、地層水和巖石三相,3種物質(zhì)的綜合壓縮系數(shù)可以反應(yīng)體積壓縮造成增加的CO2注入能力的增加。運(yùn)用真實(shí)氣體狀態(tài)方程計(jì)算65℃時(shí),不同壓力下CO2的壓縮系數(shù),結(jié)果圖2所示。

從圖2可知,隨著壓力的增大,CO2的壓縮系數(shù)呈冪指數(shù)遞減關(guān)系變化,通過上述經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,可以計(jì)算不同壓力條件下的氣體壓縮系數(shù)。

圖2 不同壓力下CO2壓縮系數(shù)曲線Fig.2 CO2compressibility factor at different pressure

根據(jù)目標(biāo)地層水礦化度和水型條件,運(yùn)用Duan的計(jì)算方法[18],計(jì)算地層溫度65 ℃、地層壓力條件下的壓縮系數(shù),結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可知,在目標(biāo)地層壓力范圍內(nèi),地層水的壓縮系數(shù)為(4.187×10-4～4.217×10-4)1/MPa,顯然地層水的壓縮性較小,且隨著壓力升高,壓縮系數(shù)逐步降低。

圖3 不同壓力條件下的地層水壓縮系數(shù)曲線Fig.3 The compressibility factor of for mation water at different pressure

根據(jù)前人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果得到巖石壓縮系數(shù)Cp與孔隙度φ間的經(jīng)驗(yàn)公式,礦場上普遍采用Hall圖版曲線,其中Cp與φ關(guān)系如下:

式中:Cp為巖石壓縮系數(shù),1/MPa;φ為孔隙度,%。

目標(biāo)儲(chǔ)層孔隙度為6%～9%,平均孔隙度為7.5%,根據(jù)式(9)計(jì)算得到目標(biāo)地層條件下的壓縮系數(shù)為1.075×10-41/MPa。

深部咸水層CO2驅(qū)水與埋存過程中的地層總壓縮系數(shù)由巖石骨架、孔隙中的飽和CO2和地層水組成,具體可由下式表示:

式中:Ct為綜合壓縮系數(shù),1/MPa;Cg為CO2壓縮系數(shù),1/MPa;Cw為地層水壓縮系數(shù),1/MPa;Cp為巖石壓縮系數(shù),1/MPa;Sg為含氣飽和度,小數(shù);Sw為含水飽和度,小數(shù)。

根據(jù)上式及氣體、地層水、巖石壓縮系數(shù),計(jì)算65 ℃,16.5 MPa條件下不同飽和度條件下的綜合壓縮系數(shù),結(jié)果見表2。

表2 地層綜合壓縮系數(shù)數(shù)據(jù)Table 2 Thecomposite compressibility factor

從表2可知,隨著CO2注入咸水層,CO2飽和度逐步增大,咸水產(chǎn)出導(dǎo)致的含水飽和度逐步降低,儲(chǔ)層的綜合壓縮系數(shù)逐步增大。表2為不同含氣飽和度條件下的壓縮效應(yīng)對(duì)CO2埋存的影響提供基礎(chǔ)參數(shù)。

2.3 CO2驅(qū)水過程中的空間替換作用

2.3.1 CO2驅(qū)水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

選用鄂爾多斯盆地目標(biāo)儲(chǔ)層不同滲透率巖心,分別進(jìn)行巖心清洗、抽真空、飽和水后,再分別進(jìn)行地層條件下的CO2驅(qū)水實(shí)驗(yàn)。地層壓力為20 MPa,儲(chǔ)層溫度為65 ℃,注入速度為0.05 ml/min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同滲透率條件下CO2驅(qū)水效率曲線Fig.4 CO2displacement efficiency curve at different per meability

從圖4可知,滲透率為0.122 mD時(shí),CO2驅(qū)水效率僅為9.15%。隨著滲透率的增大,CO2驅(qū)水效率逐步增加。顯然,滲透率對(duì)CO2驅(qū)替作用效果影響明顯。在致密儲(chǔ)層中,CO2驅(qū)水效果較差,而在低滲、中高滲儲(chǔ)層中,CO2驅(qū)水效果較為明顯。

2.3.2 CO2驅(qū)水?dāng)?shù)值模擬研究

為了進(jìn)一步確定目標(biāo)儲(chǔ)層CO2驅(qū)水過程中的波及效率及驅(qū)水效率,以鄂爾多斯盆地石千峰組為例,應(yīng)用Eclipse軟件開展CO2驅(qū)水過程的一注一采模型的數(shù)值模擬研究,其模型示意圖如圖5所示。其中,模型面積為23 k m2,埋深為1 800 m,厚度為140 m,地層傾角10°。根據(jù)石千峰組地層的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型孔、滲進(jìn)行賦值,孔隙度為5.3%～14.1%,滲透率為0.019～9.003 mD;模型有效地層厚度約為70 m。模型縱向上共50層網(wǎng)格,平均網(wǎng)格厚度約3 m;平面12×12個(gè)網(wǎng)格,各網(wǎng)格尺寸為100 m×100 m,為精確模擬CO2運(yùn)移過程,對(duì)原模型平面上進(jìn)行網(wǎng)格加密,最終精細(xì)模型平面網(wǎng)格數(shù)為60×60,網(wǎng)格尺寸為20 m×20 m。注采模式選用頂注底采模式,注入井定20 t/d注入CO2,生產(chǎn)井定井底流壓為5 MPa。生產(chǎn)井產(chǎn)氣超過10 t/d后關(guān)井,注入井仍持續(xù)注入,當(dāng)注入井井底流壓達(dá)到破裂壓力后,轉(zhuǎn)為定壓注入。井口溫度20℃,模擬時(shí)間為25年,模擬結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 鄂爾多斯盆地二疊系儲(chǔ)層實(shí)際地質(zhì)模型Fig.5 The geological model for oneinjector and one producer

從圖6、圖7可知,CO2注入25年以后,CO2驅(qū)水波及效率為61.1%,CO2驅(qū)水效率為15.8%,最終的CO2驅(qū)水采收率為9.65%。顯然,由于目標(biāo)儲(chǔ)層構(gòu)造幅度較為平緩,基質(zhì)巖心較為致密,CO2驅(qū)水的采收率較低,采水替換出的空間相對(duì)較小。

圖6 CO2驅(qū)波及效率曲線Fig.6 Sweep efficiency curve for CO2EWR

圖7 CO2驅(qū)驅(qū)水效率曲線Fig.7 Displacement efficiency curve for CO2EWR

3 鄂爾多斯盆地深部咸水層CO2驅(qū)水與埋存潛力評(píng)價(jià)

3.1 目標(biāo)區(qū)儲(chǔ)層基礎(chǔ)參數(shù)概況

該文以鄂爾多斯盆地深部咸水層為研究對(duì)象。該盆地地層較為完整,整體發(fā)育為單斜構(gòu)造,盆地內(nèi)部為一西傾的大型斜坡,平均坡降一般為5～8 m/km。目標(biāo)層位選取二疊系某層位,位于大牛地氣田產(chǎn)層山西、太原組和馬家溝組上覆,儲(chǔ)層整體構(gòu)造一致性較好,其主要物性參數(shù)見表3。

表3 目標(biāo)儲(chǔ)層參數(shù)表Table 3 Reservoir properties of target for mation

3.2 目標(biāo)區(qū)儲(chǔ)層CO2驅(qū)水與埋存綜合潛力評(píng)價(jià)

針對(duì)目標(biāo)咸水層,利用式(1)～式(9),對(duì)CO2驅(qū)水與埋存綜合潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中,CO2水驅(qū)采收率選取數(shù)值模擬最終采收率,CO2溶解埋存以CO2驅(qū)后剩余水飽和度完全波及為準(zhǔn),結(jié)果見表4。

表4 目標(biāo)儲(chǔ)層CO2驅(qū)水與埋存潛力評(píng)價(jià)Table 4 Storage capacity of CO2EWRfor target for mation

綜上所述,目標(biāo)工區(qū)二疊系儲(chǔ)層CO2驅(qū)水與埋存過程中的CO2有效理論埋存量為474×106t。同時(shí),根據(jù)CO2替換效應(yīng)埋存量計(jì)算,可獲得CO2驅(qū)產(chǎn)出地層水量,總計(jì)101.71×106m3。若按照每年埋存10×106t的CO2量來計(jì)算,理論上可滿足該排放源埋存時(shí)間約47.4年,年產(chǎn)地層咸水量約為2.15×106m3。上述埋存量是理論最大埋存量,表明深部咸水層CO2驅(qū)水與埋存潛力巨大,實(shí)際工程實(shí)施過程中埋存量的確定仍要進(jìn)一步深入評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

1)結(jié)合封閉體系和開放體系CO2有效埋存方法,建立了考慮驅(qū)水替換作用、CO2在水體中溶解作用和CO2注入后地層綜合壓縮效應(yīng)等3種作用的深部咸水層CO2驅(qū)水與埋存過程的有效理論埋存量計(jì)算方法。

2)基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段,確立了目標(biāo)儲(chǔ)層條件下CO2在地層水中溶解度、綜合壓縮系數(shù)、CO2驅(qū)水采收率等3個(gè)有效埋存系數(shù)的大小及其變化規(guī)律。

3)針對(duì)鄂爾多斯盆地石千峰組深部咸水層特點(diǎn),評(píng)價(jià)了其CO2驅(qū)水與埋存的綜合潛力,明確了目標(biāo)儲(chǔ)層條件下CO2溶解作用理論埋存量最大,其次為替換效應(yīng)埋存量,再次為壓縮效應(yīng)的埋存量。同時(shí),CO2驅(qū)水不僅可規(guī)模埋存CO2,而且可產(chǎn)出可觀的咸水資源。