提高CO2封存強度的多層協(xié)同抽注技術

李小春，梅開元，蔡雨娜，張力為*

(1.中國科學院 武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.中國科學院大學，北京 100049)

近年來，以二氧化碳（CO2）為主的溫室氣體排放導致的全球溫室效應日益顯著，造成了極端天氣頻發(fā)、農作物減產、海平面上升等一系列危及人類社會與經(jīng)濟發(fā)展的嚴重后果。因此，以實現(xiàn)溫室氣體減排為目的的政策及技術應用已成為當今國際社會熱點議題之一[1]。CO2捕集、地質利用與封存（CCUS）作為一項可高效降低碳排放，推進全球經(jīng)濟低碳轉型的關鍵技術，受到國際社會的高度關注[2-3]。目前，中國CO2排放量已居世界首位，但中國經(jīng)濟與能源消耗仍處于快速上升期，CO2減排壓力巨大[4]。2011年以來，中國政府先后發(fā)布了《“十二五”國家碳捕集利用與封存科技發(fā)展專項規(guī)劃》《關于推動碳捕集、利用和封存試驗示范的通知》及《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》等鼓勵CCUS技術發(fā)展的文件[5]。中國國家主席習近平在2020年9月22日的第七十五屆聯(lián)合國大會上明確提出“中國爭取2030年前實現(xiàn)碳排放達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標，為CCUS技術在中國的應用推廣提供了前所未有的新機遇。綜上所述，中國將成為CCUS技術推廣應用的熱點地區(qū)，CCUS技術的相關研究和推廣應用將成為中國實現(xiàn)2060年碳中和目標的重要構成部分[6]。

據(jù)中國《第三次氣候變化國家評估報告》測算，2030年中國CCUS減排量將達到2.0×108～8.8×108t。CO2地質利用與封存技術是CCUS技術集群的關鍵技術之一，主要分為地質利用和地質封存兩方面[7]。其中，CO2地質利用是指將CO2注入能源與資源儲層以提高開采效率的技術，如強化采油技術（EOR）、強化天然氣/煤層氣開采技術（EGR/ECBM）及增強地熱系統(tǒng)技術（EGS）等[8]；CO2地質利用技術通過將CO2與地層資源置換的方式，降低CO2利用成本，有利于大規(guī)模的工業(yè)推廣與應用[9]。隨著CCUS技術成本及能耗顯著降低，CO2封存技術作為CO2地質利用的補充，可大幅提高CO2減排能力，為實現(xiàn)碳中和目標、促進經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。

深部咸水層廣泛分布于中國內陸及海洋的沉積盆地中，因其巨大的CO2儲存空間和較長的CO2注入持續(xù)時間，有利于大容量的CO2地質封存項目實施[10-11]。因此，CO2深部咸水層封存技術被認為是最具CO2封存潛力的技術之一[12-13]。隨著大量的CO2注入咸水層，深部咸水層將出現(xiàn)壓力聚集與傳遞、CO2運移等現(xiàn)象，若壓力增加到一定程度，將影響儲層和蓋層的力學穩(wěn)定性；若CO2運移到有缺陷的井筒、斷層等處，將增加CO2發(fā)生泄漏的風險，最終影響整個封存區(qū)域的封存安全性[14-16]。隨著相關研究技術手段的不斷發(fā)展，國內外已利用現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬相結合的方法深入研究CO2咸水層封存過程，并利用地球物理監(jiān)測、水質監(jiān)測等技術手段對儲層中CO2運移、污染物泄漏、儲蓋層應變、地表位移等指標進行監(jiān)測[17-18]。中國已開展了CO2深部咸水層封存的工程示范，具有代表性的是中國神華煤制油深部咸水層CO2捕集和存儲（CCS）示范工程。該項目工程已累計向鄂爾多斯盆地深部咸水層注入3×105t的CO2，目前是亞洲最大的CO2咸水層封存項目[19-20]。

隨著中國雙碳目標的提出，中國CO2減排壓力劇增。為滿足中國CO2減排需求，需要提出顯著增加CO2封存量的CO2咸水層封存技術。因此，本文提出CO2封存強度的概念，即單位土地面積的CO2封存量；并以CO2封存強度為指標，評價現(xiàn)已實施項目的CO2封存效率。為解決現(xiàn)有項目CO2封存強度較低的問題，提出CO2多層協(xié)同抽注的技術方案，并利用T2Well軟件建立多層協(xié)同抽注的CO2注入與咸水采出模型，對CO2多層協(xié)同抽注過程進行深入研究。

1 CO2封存強度

CO2封存技術主要依托石油工業(yè)中鉆井、固井、測井、注采及物探等技術，隨著石油工業(yè)技術的不斷提高，CO2封存技術可以更加經(jīng)濟、有效、可靠地開展。CO2封存場地評估作為CCUS項目開展的前提，其儲存條件應綜合考慮以下因素：1）封存層地質穩(wěn)定，潛在泄漏風險低；2）蓋層滲透性差，封存氣體無法穿透；3）儲層孔隙度和滲透率高，封存空間充足。

根據(jù)美國能源部（DOE）提出的CO2地質封存系數(shù)法，計算CO2地質封存量，以衡量CO2地質利用與封存技術對碳減排的貢獻[21]。其中，封存系數(shù)法的計算公式為：

地質封存系數(shù)與各地區(qū)地下儲層條件密切相關，美國CO2地質封存儲層的E值主要為0.4%～5.5%。中國多數(shù)CO2儲層的滲透系數(shù)低于美國，且非均質特征明顯[22]，故而封存系數(shù)E值顯著低于美國（中國大部分儲層E值小于1%），這導致中國CO2地質封存儲層的封存能力要低于美國。此外，中國多數(shù)CO2地質封存儲層層厚不足，若僅將CO2注入單一儲層封存，封存能力將十分有限[23-24]。因此，傳統(tǒng)的CO2單儲層注入方法無法滿足中國大量CO2儲層需要。

為評價已實施項目的CO2減排能力，提出使用CO2封存強度法評價實施項目地層的CO2封存能力，即單位作業(yè)面積內封存層的CO2封存量。CO2封存強度的計算公式為：

式中：S為封存強度，t/km2；為實際注入量，t；AW為實際占用地下空間面積，km2。值得注意的是，根據(jù)式（2）計算得到的為封存場地的實際封存強度，該值一般低于封存場地的最大封存強度Smax。Smax與儲層的孔隙度、滲透率、注入方式（是否多層注入、是否同時抽取咸水）等相關，可表征儲層單位面積的CO2封存能力。S與Smax的關系為：

式中，α為比例系數(shù)。

目前，中國中石油、中石化、神華集團等企業(yè)在全國各地已開展了多井次的CO2-EOR、CCS應用示范項目，取得了良好的效果，同時提供了表1所示的工程應用數(shù)據(jù)。本文結合CO2封存強度計算方法，得到了中國主要CO2咸水層封存和CO2-EOR項目的CO2封存強度結果。

表1 中國主要CO2咸水層封存和CO2-EOR項目的CO2封存強度Tab.1 CO2 sequestration intensity of major CO2 saline sequestration and CO2-EOR projects in China

由表1可知，除延長石油靖邊喬家洼喬44區(qū)塊外，其余CO2封存區(qū)塊的封存強度均低于3×104t/km2，封存強度的均值為1.79×104t/km2。

根據(jù)國際能源署（IEA）報告預測，到2050年，CCUS將貢獻約14%的CO2減排量，即中國每年至少109t的減排量需依靠CCUS相關技術實現(xiàn)。中國現(xiàn)有CO2咸水層封存和CO2強化驅油項目的封存強度均在105t/km2以下，每年CO2減排109t，需占用至少104km2的國土面積，即中國陸地面積的0.1%。大量國土面積的占用將引起巨大的資源開發(fā)沖突及國土利用沖突，對中國的社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展帶來諸多不利影響。因此，在現(xiàn)有封存強度條件下，CCUS無法滿足中國碳中和目標需求。為滿足碳中和目標需要，顯著降低CCUS項目地下空間占用，必須探索可大幅度提高中國CO2封存強度的技術方法。

2 CO2-咸水協(xié)同抽注技術

基于上述實際需求，為有效提高CO2封存過程中CO2在地層中的總封存量，神華集團先行開展了CO2多層統(tǒng)注試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，CO2運移過程受不同地層間巨大滲透系數(shù)差影響，導致CO2向滲透率高的地層富集，在滿足封存安全的條件下，封存能力僅較單儲層注入提高了約17%。因此，單純的多層統(tǒng)注技術不能實現(xiàn)封存強度量級的提高，無法滿足長期大量CO2封存需求。

基于CO2強化驅水[39]的技術思路，本文充分考慮單純多層統(tǒng)注技術的缺陷，提出CO2-咸水協(xié)同抽注的技術方案，以提高CO2的封存能力。該技術采用多層射孔方法，在CO2注入井不同深度進行射孔，使得CO2能夠通過多組注入孔道，進入不同封存層；層與層間用封隔器分開，每層的注入壓力可分別控制，而不像傳統(tǒng)的多層統(tǒng)注技術采用統(tǒng)一的注入壓力。這樣可大幅提高單口注入井的CO2封存效率與封存量。在CO2多層注入的同時，利用采水井從封存層采出咸水，在降低由于CO2注入導致的封存層壓力的同時，釋放封存層孔隙空間，提高封存層封存系數(shù)，最終使得CO2在地下的封存總量顯著提高，技術方案及管柱結構簡圖如圖1和2所示。

圖1 CO2-咸水協(xié)同抽注技術示意圖Fig.1 Schematic diagram of CO2-saline collaborative pumping-injection technologies in multi-formations

圖2 CO2-咸水協(xié)同抽注技術管柱結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipe string structure during CO2-saline collaborative pumping-injection technologies operation

為實現(xiàn)該技術方案，結合中國CO2地質封存儲層的地質特征分析，該技術開展的主要特點可歸納為：

1）由于中國CO2地質封存層多為上下重疊的薄層，在傳統(tǒng)單層注入CO2無法滿足封存量需求時，多層注入和注入壓力分層控制技術通過增加封存層數(shù)量，同時顯著提高了CO2封存總量和封存效率。

CO2多層統(tǒng)注的層數(shù)應該根據(jù)各地區(qū)地質特點進行選擇。以鄂爾多斯盆地含油層為例，滿足滲透率、層厚等封存要求的儲層為三疊系延長組長8、長6、長4+5、長2儲層，對應CO2多層統(tǒng)注層數(shù)為2～4層[40]。CO2注入層數(shù)不宜過多，因過多的注入層對井下分層控壓管柱及控壓技術要求過高，大大增加了分層控壓的難度，不利于CO2封存，且協(xié)同抽注的壓力調節(jié)更為復雜，需要開發(fā)更為復雜的調控、監(jiān)測技術作為輔助。同時，過多層數(shù)注入會增加CO2泄漏風險。除控制注入層數(shù)外，為保證注入的CO2以超臨界態(tài)存在于封存層，CO2封存層的深度均應超過1 000 m。這是由于當CO2封存層過淺時，注入的超臨界CO2會轉變?yōu)闅鈶B(tài)CO2，在密度大大降低的同時，體積膨脹，導致封存空間不能充分利用，顯著降低CO2的封存量。

2）封存系數(shù)為封存層的特征參數(shù)，為提高CO2封存量，通過采出封存層咸水的方法提高封存層的封存系數(shù)。該方法需要在封存井附近設置咸水采出井，并在每個封存層對應深度進行射孔。封存層的咸水通過射孔采出，一方面，可在CO2注入井與采水井間形成壓力梯度，隨著CO2在儲層中的運移壓力不斷均勻化，改善了單純注入帶來的儲層壓力升高的問題；另一方面，將封存層孔隙中的咸水采出，為CO2注入提供充足的孔隙空間，從而增大CO2的可注性，實現(xiàn)顯著增大封存系數(shù)的目的。咸水的采出量與場地儲層的替換系數(shù)Er直接相關，對于不同的場地，咸水合理的采出量不同[41]。為確定合理的咸水采出量，需要先結合各封存層滲透率、注入井與采出井間距離等開展相關模擬計算，得到抽注平衡控制的壓力范圍，再進行采出量估計。對于采出的咸水，可在進行脫鹽處理后作為工業(yè)用水或用于農業(yè)灌溉。咸水脫鹽需滿足《工業(yè)用水軟化除鹽設計規(guī)范》（GB/T50109—2014）[42]和《農田灌溉水質標準》（GB5084—2005）[43]要求。成本方面，目前CO2多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注環(huán)節(jié)每噸CO2成本約為12～30美元（不包含捕集和運輸成本）[41]，具體取決于咸水脫鹽要求。盡管目前CO2多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注環(huán)節(jié)成本仍偏高，但若CO2多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注實現(xiàn)集群規(guī)模化部署，且咸水脫鹽技術在反滲透膜的制備和規(guī)?；煞矫嫒〉眯逻M展，則CO2多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注環(huán)節(jié)的成本可望進一步降低。

為保證咸水采出對封存層孔隙影響，根據(jù)本文及前人模擬結果，建議咸水采出井與CO2注入井間隔0.5～10.0 km為宜，具體間隔距離和采、注井的具體布局需結合封存層地質條件進行合理規(guī)劃[44-46]。若采-注井間距離過短，注入的CO2可能溶解于咸水中并被采出，造成CO2泄漏，導致封存效率大大降低；若采出井和注入井間距過長，則咸水采出井無法對CO2注入井影響范圍內的地層壓力進行有效控制，難以有效提高CO2的可注性。

3）為進一步提高CO2多層注入與咸水多層采出的協(xié)同作用，各層CO2注入壓力與咸水層采出壓力需進行精細化控制，可利用預模擬結果及井下監(jiān)測控制設備相結合的方法，通過調控注入層順序、層內壓力梯度、層間壓力差等參數(shù)實現(xiàn)。其中，每個封存層兩井間的壓力差值，應根據(jù)井間封存層的平均滲透率，采用達西定律計算確定。為提高CO2封存量，注入井注入壓力應高于采水井采水壓力，但考慮到實際應用過程中地層和井筒穩(wěn)定性等因素，兩端的抽注壓力差不宜過高。

3 多層統(tǒng)注及協(xié)同抽注技術模擬與分析

為初步驗證本文提出的多層協(xié)同抽注技術的可行性，利用T2Well/ECO2N軟件建立3維井筒-儲層耦合模型，如圖3所示，模擬不同情況下CO2的注入過程。圖3中：地層頂部埋深700 m，長10 km，寬9.5 km，厚190 m；其中，包括3個層厚10 m的高滲封存層及3個層厚40 m的低滲蓋層。注入井及采出井位于模型中間，沿地層長度方向分布，相距500 m，井筒長890 m，井徑0.124 m。模擬地層及井筒初始處于靜水平衡狀態(tài)，地表溫度13 ℃，地溫梯度3 ℃/100 m。注入井井口定壓6.0 MPa，定溫8 ℃；抽水井井底定壓0.1 MPa，地層邊界定壓。本文考慮了3種CO2注入情景，相關模型設置及巖石性質如表2所示。

表2 3種CO2注入情景模型參數(shù)設置Tab.2 Parameters of three CO2 injection scenarios

圖3 數(shù)值模型網(wǎng)格剖分示意圖Fig.3 Plan view of grid used for simulations

在3種抽注條件下運行60 d后的模擬結果如圖4所示。由圖4（a）可知：在多層單注條件下，受井口定壓條件約束，CO2注入時隨著地層深度增加、溫度升高，儲層壓力也逐漸升高，封存層1#中CO2壓力已傳遞至距注入井約500 m的范圍處，封存層2#和3#壓力傳遞范圍更為廣泛；由此可知，多層單注條件下，CO2的注入將增加封存區(qū)域地下壓力的聚集程度，導致CO2封存區(qū)域存在更高的潛在風險，不利于CO2在地下的穩(wěn)定封存。在多層協(xié)同抽注條件下，隨著地下水的采出，在采出井附近較小范圍形成了低于靜水壓力的區(qū)域，而且相比于多層單注條件，此時抽注井間壓力明顯減小，即使在壓力聚集明顯的封存層3#中的壓力傳遞范圍最遠端也僅有350 m左右。這說明協(xié)同抽注可有效緩解CO2注入帶來的地層壓力聚集，在提高了CO2注入強度的同時，降低了CO2封存區(qū)域存在的風險。除此之外，模擬結果表明，封存層的各向異性對多層協(xié)同抽注技術影響較小，同樣可以緩解CO2注入導致的壓力聚集現(xiàn)象。

由圖4（b）可粗略評估CO2在儲層中的運移及分布情況。在多層單注條件下，注入的CO2均勻地向井周圍運移，注入60 d后，CO2羽流前端運移距離小于250 m。在多層協(xié)同抽注條件下，隨著封存層咸水的抽出，CO2羽流明顯向抽出井偏移；當CO2注入60 d后，羽流前端基本超過250 m；與各向異性封存層條件相對比，雖然羽流形狀受各向異性影響而改變，但羽流仍向抽出井方向偏移，且羽流前端運移距離與各向同性砂巖相近。以上模擬結果說明，協(xié)同抽注在緩解CO2注入帶來的壓力聚集的同時，將加速CO2的運移過程，這有利于提高CO2注入效率及CO2封存強度。

圖4 3種抽注條件下運行60 d后地層壓力、CO2飽和度分布模擬結果Fig.4 Simulation results of pressure and CO2-saturation distribution after 60 days injection under three scenarios

圖5為3種抽注條件下CO2累計注入量，注入周期為60 d時3種抽注條件下CO2累計注入量見表3。由此可得：注入60 d后，多層協(xié)同抽注比多層單注條件的CO2注入量高11.91%；當?shù)貙觾葹楦飨虍愋詭r性時，仍有7.69%的提高。根據(jù)CO2飽和度在XY方向上投影，計算各抽注條件下的最大運移面積，可知：多層協(xié)同抽注各向同性的條件有利于CO2快速運移，此時的封存強度為9.968×105t/km2，遠大于現(xiàn)有技術條件下各工程項目實現(xiàn)的CO2封存強度。多層統(tǒng)注條件下的封存強度雖然略高于多層協(xié)同抽注，但根據(jù)壓力場模擬計算結果可知，多層單注將導致較大的壓力聚集，影響地質結構的穩(wěn)定性。多層協(xié)同抽注各向異性條件下，CO2運移受到巖石各向異性影響，運移范圍較小，故而其封存強度略高于其他兩種抽注條件。

圖5 3種抽注條件下60 d累計注入CO2的質量Fig.5 Cumulative mass of CO2 injection after 60 days under three scenarios

表3 3種抽注條件下60 d CO2累計注入量及其封存強度模擬結果Tab.3 Cumulative mass and sequestration intensity of CO2 injection after 60 days under three scenarios

結合表1數(shù)據(jù)，當采用多層統(tǒng)注+協(xié)同抽注技術向儲層注入CO2時，CO2的封存強度可達到106t/km2，是中國現(xiàn)有CCUS項目平均CO2封存強度（1.79×104t/km2）的56倍，與國外主要CCUS項目的CO2封存強度達到了同一量級（挪威Sleipner CO2封存項目的封存強度約為4.5×106t/km2）。以中國每年減排109t CO2為例，利用多層協(xié)同抽注技術在大幅度提高CO2封存效率的同時，每年可為中國節(jié)約9×103km2的國土面積，這將大大緩解CO2封存工程土地占用帶來的地下空間資源沖突，更有利于中國長期、大規(guī)模的CO2封存技術的實施。

4 總結與建議

中國現(xiàn)有CO2咸水層封存和CO2強化驅油項目的封存強度（單位面積的CO2封存量）較低，無法滿足中國碳達峰、碳中和的減排需求。為顯著提高中國CO2封存強度，本文提出CO2多層協(xié)同抽注技術。該技術通過在CO2注入井不同深度進行射孔，使得CO2能夠注入多個封存層。在CO2多層注入的同時，利用采水井從多個封存層抽出咸水，釋放各封存層孔隙空間，使得CO2在地下的封存總量顯著提高。該技術在經(jīng)濟方面具有節(jié)約鉆井費用、降低監(jiān)測設備部署成本等優(yōu)點。模擬計算結果表明，由于多層協(xié)同抽注可通過咸水抽出平衡地層壓力變化，因此，CO2多層協(xié)同抽注技術可以大大緩解CO2注入導致的壓力聚集，降低CO2注入導致的地層形變和地表位移風險。CO2多層協(xié)同抽注系統(tǒng)將在相同注入時間內提高7.69%～11.91%的CO2注入量，在60 d注入期內，CO2封存強度可達到106t/km2。更高的CO2封存強度可大幅度提高CO2注入的效率，節(jié)約大量的國土資源，減少國土資源利用沖突，更有利于CO2封存技術的大規(guī)模推廣應用。

然而，CO2多層協(xié)同抽注技術的實施仍有諸多挑戰(zhàn)：從技術層面，為實現(xiàn)多層注入過程中各層抽注壓力的精細控制，需要開發(fā)高性能的多層注入與抽吸井下器具及配套設備，對多層抽注過程控制的邏輯算法也亟需開展相應研究；從穩(wěn)定性層面，CO2多層協(xié)同抽注可能引起地層力學穩(wěn)定性降低和井筒失穩(wěn)，因此需開發(fā)可模擬多儲層地下結構力學穩(wěn)定性演化的試驗系統(tǒng)和數(shù)值模擬軟件；從管理層面，需優(yōu)化現(xiàn)有管理流程及風險評價要素，制定集風險預測和風險管控為一體的CO2多層協(xié)同抽注技術風險管理方案。